骨科生物力学概述PPT幻灯片

1、1,生物力学,2,第一章 概论,第一节 生物力学概貌,一.生物力学概念及学习的重要性,力学-研究力及物体机械运动与其应用的科学.,生物学-研究生命结构、功能、发生、发展规律的科学.,生物力学-力学、生物学、医学结合的一门边缘学科，是力学原理在生物学中的应用，以此来研究生物与力学有关的问题.,人的整体,各个器官,生命的过程,运动生物力学,工程生物力学,医学生物力学,流体生物力学,固体生物力学,3,重视：,1.力学是其他科学的基础,2.生物力学是力学发展的动力,3.生物力学将自然界的启示应用于工程技术-仿生学,鸟、响尾蛇、蝙蝠、海豚、鸭子、锯草 ,4,二.生物力学的发展渊源,* 英国 Willia

2、n Harvey 1615年,血液循环,1小时心输出量：,* Galileo 1638年,* Boreli 1680年,论动物的运动,* Poiseuille,水银压强计,* 德国 Von Helmboltz,眼底镜，神经传播速度30m/s,5,Galileo 发现加载与骨形态的关系 1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性 1867 瑞士学者 骨的结构形态于承载大小、方向有关 Wollf 骨转化定律,在骨力学研究方面：,1967 第一届国际生物力学讨论会 1978 我国将生物力学纳入力学发展规划,6

3、,第二节 骨力学及其研究中的几个问题,1.骨结构研究,3.骨的应力适应性,2.应力-应变研究,4.骨折治疗研究,5.脊柱生物力学,6.关节生物力学,7.骨骼肌力学,8.颅脑损伤力学,7,第三节 骨伤生物力学在我国的发展,骨伤生物力学-根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。,骨伤生物力学研究内容,骨的力学性质 肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质 寻找环境效应对生物组织的影响 骨折的病因、病理、治疗 骨矫形、延长、移植的手术疗法 骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制 伤筋与骨错缝的研究 骨缺血坏死问题、

4、骨性关节炎问题 现行骨伤疗法的改进和完善,8,第四节 力效应与骨伤科疾病的关系,1.骨伤科疾病的发生是力作用的结果,外力,内力,直接暴力,间接暴力,肌力,慢性劳损,2.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现,力的三要素,大小,方向,作用点,9,3.骨伤科疾病的治疗是力学原理的应用,4.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高,石膏固定、夹板固定、手术内固定,10,第二章 力学、材料力学基础知识 骨力学性质,刚体-运动规律-力的外效应-力学,弹性体-形变规律-力的内效应-材料力学,第一节 力的概念,力的性质 常见力,肌肉力,生理横截面积,11,力的分量,肌肉力的稳固分量和转动分量,力矩,力偶,12,

5、第二节 静力平衡,1.颈椎关节,13,2.踝关节,14,3.肩关节,G=10N,T,15,4.髋关节,16,17,5.髌骨受力,18,6.夹板治疗骨折时受力,19,第三节 骨的载荷、内力和变形,弹性体-形变规律-力的内效应-材料力学,外力作用,形变,一、物体的应力和应变,屈服,断裂,1.外力、内力、应力,II,内力,外力,20,内力-外力作用物体使物体发生形变，其内部各部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用力称附加内力，简称内力。,截面中任一点P的内力,-应力,-应力,单位：Pa,21,2.形变与应变,形变:u、v,应变：,正应变（线应变）：,形变:x,应变：,切应变（角应变）：,22,

6、3.应力与应变关系,弹性模量,弹性模量,4.杆件变形的基本形式,（1）拉伸或压缩形变,受大小相等、方向相反、作用线与轴线重合的一对力的作用而发生的形变，表现为长度拉伸或缩短。,23,（2）剪切形变,受大小相等、方向相反、作用线垂直于轴线且相距很近的一对力的作用而发生的形变，表现为两个面发生错动。,（3）扭转形变,受大小相等、转动方向相反、作用面垂直于轴线的一对力偶的作用而发生的形变，表现为两个截面饶轴相对转动。,（4）弯曲形变,受垂直于轴的横向力作用而产生的形变，表现为杆件由直线变为曲线。,24,二、拉伸及压缩,1、横截面上的应力,f,平面假设,截面各处的应力相等,25,3、应变,4、应力集中

7、概念,2、斜截面上的应力,26,三、剪切形变,27,四、扭转形变,实验中看出：1.各圆周线大小、形状、间距不变，只是绕轴转过了不同角度。,说明：横截面仍为平面（平面假设）。圆周线相距不变，无正应力；,2.各纵线都倾斜了一角度，矩形变成平行四边形。,截面上任一点，半径为,有切应变，且发生在垂直于半径的圆周面上。,28,五、弯曲形变,实验中看出：1.横线仍为直线，只转过一角度，但仍垂直于纵线。,说明：横截面仍为平面（平面假设）。,2.纵线为曲线，靠近底部变长，靠近顶部变短。,根据变形连续性可知，中间必有一层中性层、中性轴。,靠近底部被拉伸，靠近顶部被压缩，同一高度处伸长或缩短相等。,29,第四节

8、骨的基本力学性质,30,第四节 骨的基本力学性质,一、 拉压力学性质,两个范围,弹性范围OB,塑性范围BE,五个阶段,正比阶段OA,弹性阶段OB,屈服阶段BC,强化阶段CD,颈缩阶段DE,五个极限,正比极限A,弹性极限B,屈服极限C,强度极限D,断裂极限E,一块面积,S表吸收能量,OA的斜率表刚度,BE的长度：延伸率 截面收缩率,两条直线OA BE,31,OA的斜率表刚度,E,E,B,BE的长度表示脆、韧性,32,骨的力学性质及各种因素的影响,1.性别、年龄的影响,2.骨的各向异性及解剖部位的差异,3.骨干湿度的影响,4.加载速率的影响,加载速率-单位时间内载荷的增长量。,应变速率-单位时间内

9、应变的改变量。,33,5.应力集中的影响,二.剪切力学特性 三.扭转力学特性 四.弯曲力学特性,34,设计实验：骨的力学性质及各种因素的影响,1.骨的各向异性及解剖部位的差异,2.性别、年龄的影响,3.骨的脆性与年龄的关系,35,作业：设计实验,1.说明骨的力学性质是各向异性的,2. 药物对骨质疏松症的治疗作用,3. 推荐两套康复计划，试评价其效果,取材：,分组：,方法：测量哪些物理量、怎么测量,实验结果的表达：,实验目的：,36,骨的力学性质及各种因素的影响,1.骨骼为各向异性材料，载荷方向不同其力学性质不同；局部解剖部位不同其力学性质也存在差异。 2.成熟的密质骨压缩强度最大，拉伸次之；松质骨强度远小于密质骨。 3.应力集中使骨骼强度降低。 4.加载速度增加，骨的强度、刚度也增加，且吸收更多能量。,37,一. 应力状态,第五节 不同载荷下的骨折类型,受力杆件内一点的所有截面上应力的集合，称该点的应力状态。,剪应力互等定理：,38,二. 轴向拉压时，斜面应力及骨折类