1、,第二節(jié) 骨的生物力學(xué),學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.掌握骨的應(yīng)力、應(yīng)變、骨的載荷和變形； 2.掌握骨的功能適應(yīng)性原則； 3.熟悉骨的生物力學(xué)特征； 4.熟悉運(yùn)動(dòng)對(duì)骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響及作用原理； 5.了解載荷與骨折的關(guān)系及骨折的生物力學(xué)原理。,學(xué)習(xí)內(nèi)容 一、骨的承載能力 二、骨的載荷與變形 三、骨的應(yīng)力與應(yīng)變 四、骨的生物力學(xué)特性 五、骨折的生物力學(xué) 六、骨的功能適應(yīng)性 七、骨生物力學(xué)指標(biāo) 八、骨質(zhì)疏松癥運(yùn)動(dòng)防治,一、骨的承載能力 衡量骨承載能力的三要素： 第一，要求骨有足夠的強(qiáng)度。 即指骨在承載負(fù)荷的情況下抵抗破壞的能力。 第二，要求骨有足夠的剛度。 即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。 第三，要求骨有足夠的穩(wěn)

2、定性。 即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。,二、骨的載荷及變形 人體在日常生活與運(yùn)動(dòng)中都會(huì)對(duì)機(jī)體的每塊骨 產(chǎn)生復(fù)雜的力。 即骨會(huì)承受來自多方的不同形式的載荷。,（一）骨的載荷 載荷即為外力，是一物體對(duì)另一物體的作用。 人體在運(yùn)動(dòng)或勞動(dòng)時(shí)，骨要承受不同方式的載荷。 當(dāng)力和力矩以不同方式施加于骨時(shí)，骨將受到拉伸a、 壓縮b、彎曲c、剪切d、扭轉(zhuǎn)e和復(fù)合f等載荷。,1.拉伸載荷(圖a) 在骨的兩端受到一對(duì)大小相等、方向相反沿軸線的力的作用。骨受力后，能夠?qū)е鹿趋纼?nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和應(yīng)變，使骨伸長并同時(shí)變細(xì)。 例如在進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)上肢骨被拉伸。,2.壓縮載荷(圖b) 是施加于骨組織表面的兩個(gè)沿軸線的大小相等、

3、 方向相對(duì)的載荷。 該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和應(yīng)變。 如舉重運(yùn)動(dòng)員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。,3.彎曲載荷 (圖c) 是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。 例如當(dāng)脊柱前屈或后伸時(shí)脊柱的彎曲則為彎曲載荷。 特點(diǎn)：骨骼在彎曲載荷時(shí)，其中性軸兩旁一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，另一側(cè)則產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，在中性軸上則沒有應(yīng)力和應(yīng)變。 應(yīng)力的大小與至骨骼中性軸距離成正比，即距中性軸越遠(yuǎn)，其應(yīng)力就越大。,4.剪切載荷(圖d) 在骨的表面受到一對(duì)大小相等、 方向相反且相距很近的力的作用。 在骨內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。 例如車床剪切斷肢體時(shí)即為剪切載荷。,5.扭轉(zhuǎn)載荷 (圖e) 加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭

4、轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。 如作轉(zhuǎn)身動(dòng)作時(shí)，下肢骨受到的扭轉(zhuǎn)作用。 在生理狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)載荷常見于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)中。 當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個(gè)骨骼結(jié)構(gòu)中。,6.復(fù)合載荷(圖f) 人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時(shí)又受到多種不定的載荷， 往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復(fù)合載荷。 如人體在受傷骨折時(shí)，往往是幾種作用力的復(fù)合。 像跌倒后發(fā)生的橈骨遠(yuǎn)端骨折，便是既有剪切力又有壓縮力等多種力綜合作用的結(jié)果。,持續(xù)載荷對(duì)骨也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。 即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時(shí)間后，其組織會(huì)產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。 在加載后的最初數(shù)小時(shí)（68小時(shí)），其蠕變現(xiàn)象最顯著

5、，隨后蠕變的速率則會(huì)降低。 一般而言，骨承受壓力負(fù)荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。 骨所受的正常生理負(fù)荷是這些力的綜合。,（二）骨的基本變形 骨骼在承受各種不同載荷時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的變形，如腰脊柱前凸即是受力變形。 根據(jù)骨骼受載形式及受載后的變形形式，一般可將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形。,力和變形之間的關(guān)系，反映了完整骨的結(jié)構(gòu)行為。 在中等量負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷骨會(huì)出現(xiàn)變形，當(dāng)負(fù)荷去除時(shí)， 骨的原有形狀和幾何學(xué)結(jié)構(gòu)便恢復(fù)。 如果骨骼系統(tǒng)遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷，超過了其所能承受的負(fù) 荷，則會(huì)引起嚴(yán)重變形，并可能發(fā)生骨斷裂。 決定骨斷裂抵抗力和變形特征的主要因素是骨所承受力 的大

6、小、力的方向和力的作用點(diǎn)，及組成骨組織的材 料特性等。 骨所承受的力越大，引起骨的變形就越嚴(yán)重，而且易引 起骨的斷裂。骨在承受軸向力(axialforce)與承受彎曲 (bending)或扭轉(zhuǎn)力(torsionalforce)方面存在有很大 差異。 大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨。,骨的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗特殊方向的力具有一定的特 殊性。 在決定骨的變形和斷裂特性中，組成骨組織的物 質(zhì)特性也很重要。 當(dāng)外力撤除后，變形完全消失，這種形變稱彈性 形變。 如果外力撤除后仍有剩余形變，這種性質(zhì)則稱為 彈塑性。 鋼材等工程材料在一定形變范圍內(nèi)可近似視作彈 性體，而骨則是比較典型的彈塑性體。,三、骨的應(yīng)力與應(yīng)變 骨

7、力學(xué)包含二個(gè)最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。 （一）骨的應(yīng)力 概念：當(dāng)外力作用于骨時(shí)， 骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗 以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。 特點(diǎn)：應(yīng)力的大小等于作用于骨截面上的外力與骨橫斷面面積之比，單位為Pascal(Pa=N/m2)，即牛頓/平方米。 計(jì)算公式：,種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會(huì)產(chǎn)生相 應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)力、拉壓力等。 作用：應(yīng)力對(duì)骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用， 應(yīng)力不足會(huì)使骨萎縮，應(yīng)力過大也會(huì)使骨萎縮。 因此，對(duì)于骨來說，存在一個(gè)最佳的應(yīng)力范圍。,（二）應(yīng)變 概念：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。 其大小等于骨受力后長度的變化量與原長度之比，即形變量與原尺

8、度之比。一般以百分比來表示(下圖)。 由壓力、形變和樣本的大小計(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小 當(dāng)骨承受了很重的力并超出其耐受應(yīng)力與應(yīng)變的極限時(shí)，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。,（三）應(yīng)力-應(yīng)變曲線 表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成兩個(gè)區(qū)：彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)。 在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會(huì)造成永久性形變（如骨折）。 彈性區(qū)末端點(diǎn)或塑性區(qū)初始點(diǎn)稱屈服點(diǎn)。 該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的 彈性形變，亦稱為彈性極限。 塑性區(qū)：屈服點(diǎn)以后的區(qū)。 此時(shí)已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。 當(dāng)載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。,導(dǎo)致骨折所需的應(yīng)力叫骨的最大應(yīng)力或極限強(qiáng)度。 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫

9、彈性模量或楊氏模量(Youngs Modules)，表示材料抗形變的能力。 一般而言，彈性模量是一個(gè)常數(shù)。 彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。,（四）骨應(yīng)變能量 概念：達(dá)到極限負(fù)荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線下面的面積表示導(dǎo)致骨折所需要的能量。 一般骨的生理負(fù)荷使骨產(chǎn)生彈性變形，是彈性區(qū)內(nèi)骨所能承受應(yīng)力的大小。 當(dāng)外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時(shí)被骨釋放，使骨恢復(fù)原狀。 但當(dāng)骨不斷受到外力重復(fù)作用時(shí)，其應(yīng)變能量不能被及時(shí)完全釋放，經(jīng)積累后可能會(huì)損壞材料的結(jié)構(gòu)，臨床上則表現(xiàn)為疲勞性骨折。,四、骨的生物力學(xué)特性 包括骨的材料力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。 骨的材料力學(xué)特性： 是指骨組織本身的力學(xué)性能，與骨的

10、幾何形狀無關(guān)。 骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性： 是指整個(gè)骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不但與骨的材料力學(xué)特性有關(guān)，而且受骨的幾何特性即形狀、尺寸等的影響。,（一）骨組織的基本生物力學(xué)特性 1.各向異性 骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的各向異性體，其不同方向的力學(xué)性質(zhì)不同，即各向異性。 2.彈性和堅(jiān)固性 骨的有機(jī)成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，并具有抗張能力。 骨的無機(jī)物填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅(jiān)固性，具有抗壓能力。,3.抗壓力強(qiáng)、抗張力差 骨對(duì)縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，即在壓力情況下不易損 壞，在張力情況下易損壞。 4.耐沖擊力和持續(xù)力差 骨對(duì)沖擊力的抵抗比較小。同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。 5.應(yīng)力強(qiáng)度

11、的方向性 皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)不同，承受的力量及兩者的剛 度也不同。 皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。 兩者的各向異性對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。,6.骨的強(qiáng)度和剛度 1）骨強(qiáng)度是指骨在承受載荷時(shí)所具有的足夠的抵抗破壞的能力，以致不發(fā)生破壞。 在壓縮載荷的試驗(yàn)中，載荷變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)是：結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的載荷;結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的變形;結(jié)構(gòu)在破壞前所能貯存的能量。 2）骨的剛度是指骨具有足夠的抵抗變形的能力。 在某種載荷作用下，骨雖不發(fā)生斷裂，但如果變形過大，往往會(huì)影響骨結(jié)構(gòu)與功能。 骨結(jié)構(gòu)的剛度由彈性范圍內(nèi)的曲線斜率表示。,影響骨強(qiáng)度與剛度的因素有： .

12、壓應(yīng)力肌收縮時(shí)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能防止拉伸骨折的發(fā)生； .骨的大小和形狀骨的橫截面積的大小及骨組織在骨中軸周圍的分布、形狀等均可影響骨強(qiáng)度和剛度。 如骨試件在壓縮時(shí)，和剛度也越大。 破壞載荷及剛度的大小與橫截面積成正比。,7.機(jī)械力對(duì)骨的影響 機(jī)械應(yīng)力與骨組織之間存在著生理平衡。 骨對(duì)生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)力越大，骨組織增生和骨密質(zhì)增厚越明顯。 8.骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料 骨具有強(qiáng)度大質(zhì)量輕的特點(diǎn)。,（二）骨受載時(shí)的生物力學(xué)特性 1.骨對(duì)應(yīng)力的反應(yīng) 骨對(duì)生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)一般處于平衡狀態(tài)， 應(yīng)力越大，骨的增生和密度越大，最終，又提 高了骨的生理應(yīng)力能力。 1）密質(zhì)骨對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)：

13、 密質(zhì)骨具有很高的強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度大于骨松質(zhì)，可承受較大的壓縮應(yīng)力。,2）松質(zhì)骨對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)： 骨松質(zhì)的疏松度為3090， 其應(yīng)力應(yīng)變特征與密質(zhì)骨有很大差異。 松質(zhì)骨在屈服之后，骨小梁進(jìn)行性斷裂，使拉力負(fù)荷很快減低，低于應(yīng)變水平。 松質(zhì)骨在拉力負(fù)荷下的能量吸收能力明顯降低。,2.骨密質(zhì)在受載時(shí)的生物力學(xué)特性 人類骨骼80%是皮質(zhì)骨。 在受載時(shí)與骨松質(zhì)相比，骨密質(zhì)在斷裂前應(yīng)變較小，其應(yīng)變超過原長的2時(shí)就發(fā)生斷裂，而骨松質(zhì)的應(yīng)變超過7時(shí)才斷裂，這與密質(zhì)骨的疏松度及能量儲(chǔ)存能力較松質(zhì)骨小有關(guān)。,3.骨松質(zhì)在受載時(shí)的生物力學(xué)特性 骨松質(zhì)具有多孔結(jié)構(gòu)而具有較高的能量儲(chǔ)存能力。（1）骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 骨

14、松質(zhì)由針狀或片狀骨小梁相交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 其顯微結(jié)構(gòu)分為四種基本結(jié)構(gòu)類型： 針狀非對(duì)稱形開放網(wǎng)格、 片狀非對(duì)稱形封閉網(wǎng)格、 針狀圓柱體形開放網(wǎng)格、 片狀圓柱體形封閉網(wǎng)格。,2).骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)力適應(yīng)性 骨松質(zhì)的網(wǎng)格形式與其結(jié)構(gòu)密度有密切關(guān)系。 不同部位骨松質(zhì)具有著不同類型的顯微結(jié)構(gòu)。 骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)密度與其所受的應(yīng)力大小成正比，在密度相對(duì)較低的骨松質(zhì)部位，骨小梁主要表現(xiàn)為開放型的針狀結(jié)構(gòu)； 在密度相對(duì)較高的骨松質(zhì)部位，形成封閉式的片狀 結(jié)構(gòu)；中等密度時(shí)，結(jié)構(gòu)由針狀和片狀網(wǎng)格混合而成。 骨小梁的排列方向依賴于作用在骨松質(zhì)上的應(yīng)力的 大小、方向和力的類型。,3）骨松質(zhì)粘彈性性質(zhì)與蠕變 骨松質(zhì)具有

15、粘彈性性質(zhì)和蠕變性質(zhì)，在一定應(yīng)力作用下，其蠕變將隨時(shí)間而變化，蠕變?cè)陂_始時(shí)速度快，繼之變慢，最后速度又變快。,五、骨折的生物力學(xué) 骨的完整性或連續(xù)性中斷時(shí)稱骨折。其常見原因有直接暴力、間接暴力、肌拉力、積累勞損及骨骼疾病。骨折往往與骨所受的拉伸、擠壓、彎曲等載荷密切相關(guān)。,(一) 骨的受載形式與骨折類型的關(guān)系 如前所述，在日常生活及運(yùn)動(dòng)中骨常受到拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)載荷和復(fù)合載荷，并產(chǎn)生各種變形。當(dāng)骨的載荷超過了其生理承受極限時(shí)便會(huì)產(chǎn)生各種相應(yīng)類型的骨折。因此，常見的骨折類型與骨所受載荷的形式有關(guān)，一般包括有：拉伸、壓縮、彎曲、旋轉(zhuǎn)和壓力聯(lián)合彎曲5種基本形式所致的骨折。這些類型的骨折與

16、臨床上所觀察到的骨折類型相一致，只不過臨床上常見的骨折往往是由多種負(fù)荷所致，其骨折類型也更為復(fù)雜多樣，尤其在高能量負(fù)荷的作用下，由于應(yīng)變率很快，則有可能引起嚴(yán)重的粉碎性骨折。 由拉力、壓力、旋轉(zhuǎn)、彎曲和壓力聯(lián)合彎曲造成的骨折類型。,五、骨折的生物力學(xué) 骨的完整性或連續(xù)性中斷時(shí)稱骨折。 常見原因有： 直接暴力、 間接暴力、 肌拉力、 積累勞損及骨骼疾病。,(一) 骨的受載形式與骨折類型的關(guān)系 常見的骨折類型與骨所受載荷的形式有關(guān)， 一般包括有：拉伸、壓縮、彎曲、 旋轉(zhuǎn)和壓力聯(lián)合彎曲 5種基本形式所致的骨折。,（二）骨折的生物力學(xué)原理 1.骨受拉伸載荷所致的骨折 其斷裂的機(jī)理主要為骨組織結(jié)合線的分

17、離和骨單位的脫離。 臨床上，拉伸載荷所致的骨折常見于骨松質(zhì)，表現(xiàn)形式多為撕裂性骨折。如跟腱附著點(diǎn)附近的跟骨骨折。,2.骨受壓縮載荷所致的骨折 其機(jī)制主要是骨單位的斜行破裂。 如運(yùn)動(dòng)員在單杠失手或跳傘落地技術(shù)不正確時(shí)所導(dǎo)致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高處落下臀部著地時(shí)受瞬間沖力引起。瞬間沖力沿縱向擠壓，產(chǎn)生椎體的壓縮骨折，椎體在高壓縮載荷下發(fā)生縮短且變寬。 壓縮載荷所致的骨折常見于椎體。,3.骨受剪切載荷所致的骨折 當(dāng)一對(duì)相距很短、方向相反的力的作用于骨時(shí) 往往會(huì)產(chǎn)生剪切骨折。 其骨折通常見于骨松質(zhì)，如股骨髁和脛骨平臺(tái)骨折。 4.骨受彎曲載荷所致的骨折 當(dāng)骨骼的彎曲載荷承受極限超出外力的突然襲擊

18、時(shí)，造成拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，發(fā)生骨組織的彎曲斷裂。,5. 骨受復(fù)合載荷所致的骨折 骨受到多種不定的載荷的作用而致的骨折。 臨床所見骨折的形式也較為復(fù)雜。 如臨床上所見的嵌插型、長斜形、 短斜形、螺旋形、粉碎形等骨折，都屬于復(fù)合載荷狀態(tài)下所導(dǎo)致的骨折類型。,6.骨松質(zhì)的微細(xì)骨折 顯微鏡下所能看到的骨小梁裂損稱為骨松質(zhì)微細(xì)骨折。 微細(xì)骨折可以是正常生理活動(dòng)的結(jié)果，在正常生理情況下，骨松質(zhì)具有修復(fù)微細(xì)骨折的能力。 當(dāng)微細(xì)骨折的程度超出生理水平，就會(huì)產(chǎn)生病理結(jié)果，使骨折的危險(xiǎn)性增加。,7.疲勞性骨折 概念：指骨長期承受反復(fù)負(fù)荷(如長時(shí)間的行軍、鍛煉)后發(fā)生微損傷而逐漸形成的骨折。它是由于損傷的不斷積聚，超過機(jī)體的修復(fù)能力，繼而產(chǎn)生疲勞性骨折或應(yīng)力性骨折。 特點(diǎn)：骨折和修復(fù)同時(shí)進(jìn)行。,（1）疲勞性骨折的好發(fā)部位 最常發(fā)生在下肢骨， 其次是上肢骨和軀干骨。 下肢骨骨折可發(fā)生在股骨、髕骨、腓骨、 脛骨、內(nèi)踝、距骨、跖骨、跟骨等處，其中，以脛骨、腓骨和跖骨更多見。,（2）疲勞性骨折的生物力學(xué)原理 有關(guān)疲勞性骨折的發(fā)生原因， 目前不同學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)。 概括起來有以下幾種觀點(diǎn)： 其一，肌疲勞是導(dǎo)致疲勞性骨折發(fā)生的一個(gè)重要原因。 其二，肌牽拉是導(dǎo)致疲勞性骨折另一原