运动生物力学：骨的生物力学

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1、骨的生物力学教学目标1、掌握骨的力学性能及骨的生物力学特征、骨折固定生物力学。2、熟悉了解骨的组成及结构、骨的适应性改变。第一节、骨的组成与结构骨的形状骨的结构骨的代谢骨的功能骨的组成与结构1.1.骨的形状骨的形状根据骨的外部形状，一般将其分为 长骨、短骨、扁骨、不规则骨四种。2 2、骨结构包括、骨结构包括骨膜骨质骨髓 关节面软骨血管及神经等。1 1）骨外膜）骨外膜：富有血管、神经及淋巴管，对骨的营养、新生及感觉有重要意义。当发生骨的损伤如骨折时，可重新分化为成骨细胞，形成骨痂，愈合折端。因此，被剥离骨外膜后，骨易于坏死，且不易修复。骨膜2 2）骨内膜）骨内膜：骨内膜尚具有终生的生骨潜能。骨内

2、膜上分布有躯体传人纤维，对骨内膜上分布有躯体传人纤维，对张力或撕扯的刺激极为敏感张力或撕扯的刺激极为敏感.（2 2）骨质骨质 骨的主体成分，分为骨密质与骨松质。骨密质:外环骨板层、骨单位及环骨板层。骨小梁按压力及张力的方向排列，负责力学上的支撑机能。由于骨松质结构疏松，常分布于长骨骨骺内部及其他骨的内部。骨松质（3 3）骨髓 分红骨髓与黄骨髓。应急状态下黄骨髓可转化为红骨髓而再次具有造血功能，如恶性贫血或外伤大出血时。（4 4）关节面软骨 由透明软骨组成，覆盖在骨关节面上。薄而光滑且具有弹性。在功能上主要起减少摩擦、缓冲震动的作用。（1）滋养动脉：在髓腔内每一支滋养血管分为在髓腔内每一支滋养血

3、管分为升支升支和降支和降支，并且进一步分支成更细小的动脉，并且进一步分支成更细小的动脉，然后直接然后直接进入骨内膜进入骨内膜，为骨干，为骨干区长骨的主区长骨的主要动脉，供应长骨全部血量的要动脉，供应长骨全部血量的50%70%提供血液。提供血液。(4)、骨的血液、淋巴与神经（2）骨端、骨骺和干骺端血管：是长骨的第二套供血系统，当生长板闭合后，这些血管就与髓动脉及骺动脉相互吻合。（3）骨膜血管：骨膜是长骨的第三套血供系统。在骨膜表面，纤维层和肌肉血管广泛吻合形成血管丛或骨膜血管网。骨膜血管网再发出血管分支进入骨，供应有肌肉附着的密质骨的外层。2.骨的淋巴管 骨膜具有丰富的淋巴管。3.骨的神经 长骨

4、的关节端、较大的扁骨、椎骨 及骨膜是骨的神经分布最丰富的部位。骨的神经纤维分二类：一类是骨内脏传出神经纤维，大多分布于血管壁及骨髓。另一类是躯体传入神经纤维，主要分布于骨膜及关节软骨的深面。3.3.骨的代谢骨的代谢 是通过成骨细胞和破骨细胞参与的骨形成与骨吸收来实现的，其代谢活动是一个动态平衡过程。人的生长期，骨形成大于骨吸收，骨量呈线性增长，表现为骨皮质增厚，骨松质更密集，这一过程称为骨构建或称骨塑骨构建或称骨塑形。形。在成人期，骨生长停止，但骨的形成和吸收仍在继续，处于一种平衡状态，称为骨重建（称为骨重建（remodlingremodling）。4 4、骨的功能、骨的功能 1.力学功能 （

5、1）支撑功能 （2）杠杆功能 （3）保护功能 2.生理学功能 （1）钙、磷贮存机能与物质代谢功能 （2）造血机能和免疫功能 第二节、骨的力学特性1、骨的力学性质及影响因素2、骨的生物力学行为3、骨的功能适应性骨的力学特性骨的力学骨的力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。包含二个最基本的元素，即应力和应变。当外力作用于骨时，当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力。以抗衡外力，即是骨产生的应力。应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，

6、即牛顿，即牛顿/平方米。平方米。一、骨的力学性质及影响因素根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相应的应力，如压应力、拉压力等。应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示。应变有两种基本形式：法向应变（线应变）和剪应变（角应变）法向应变（线应变）和剪应变（角应变）。当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。表示应力和应变之间的关系。表示应力和应变之间的关系

7、。应力-应变曲线分成两个区：和 在弹性区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。弹性区末端点或塑性区初始点称该点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为：屈服点以后的区。此时已出现结构的损坏和永久变形。当载荷超过（骨折点），骨发生断裂即骨折 在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模弹性模量或杨氏模(Youngs Modules)，表示材料抗形变的能力。一般而言，弹性模量是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。应力-应变曲线可用于测量不同大小、不同形状和性质物体的强度和刚度。应力-应变曲线可用于检查或比较某一确定材料的力学性能。骨骼不是单纯的弹性材料：弹性部分不是直线，可发

8、生一些屈服变形骨骼不是单纯的弹性材料：弹性部分不是直线，可发生一些屈服变形骨骼的屈服是由于骨单位的分离和微小骨折。对应的A点应力为屈服应力（屈服极限），对应的应变为屈服应变。断裂点B对应的应力为强度极限，对应的应变为极限应变（或延伸率或压缩率）。骨骼属于脆性材料骨受载时的生物力学特性骨受载时的生物力学特性 1 1）骨对应力的反应骨对应力的反应骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，应力越大，一般处于平衡状态，应力越大，骨的增生和密度越大骨的增生和密度越大。最终，又提高了骨的生理应力能力。密质骨对应力的反应：密质骨对应力的反应：密质骨具有很高的强度具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大

9、的压缩应力。松质骨对应力的反应：松质骨对应力的反应：骨松质的疏松度为疏松度为30309090，其应力应变特征与密质骨有很大差异。松质骨在屈服之后屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平低于应变水平。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。2）骨密质在受载时的生物力学特性骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。在受载时与骨松质相比：骨密质在断裂前应变较小，原长的骨密质在断裂前应变较小，原长的2 2时就发生断时就发生断裂裂；骨松质的应变超过骨松质的应变超过7 7时才断裂；时才断裂；这与密质骨的疏松度及能量储存能力密质骨的

10、疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。3）骨松质在受载时的生物力学特性骨松质在受载时的生物力学特性骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力较高的能量储存能力 骨松质的结构特点：骨松质的结构特点：骨松质由针状或片状针状或片状骨小梁相交织成网状结构。针状非对称形开放网格、片状非对称形封闭网格、针状圆柱体形开放网格、片状圆柱体形封闭网格。骨强度（骨强度（strengthstrength）是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗抵抗破坏破坏的能力，以致不发生破坏。在压缩载荷的试验中，载荷应变曲线能反映结构强度的三个参数是：a.结构在破坏前所能承受的载荷载荷，b.结构在破坏前所能承受的形变形变，c.结构在破

11、坏前所能贮存的能量能量。骨的刚度（骨的刚度（stiffnessstiffness）是指骨具有足够的抵抗变形抵抗变形的能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。面积越大，能量越大斜率越大，刚度越大不同的骨骼强度和刚度不同股骨压缩强度极限较高而压缩率低；椎骨压缩强度极限小而压缩率高。影响骨强度与刚度的因素有：压应力肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；骨的大小和形状骨的横截面积的大小横截面积的大小及骨组织在骨中骨组织在骨中轴周围的分布、形状轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。骨的横截面面积越大，强度和刚度也越

12、大骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。1、性别、年龄 骨平均拉伸强度极限、延伸率拉伸强度极限、延伸率随着年龄增加而显著减少，但骨的抗拉和抗压强度抗拉和抗压强度在性别上不存在显著差异性。2、骨的各向异性 由于骨的纵向结构和横向结构是不同的，因此表现出不同的机械性能，即表现为各项异性。股骨干皮质骨拉伸载荷在纵向负荷时强度、刚度和延伸率均最高在纵向负荷时强度、刚度和延伸率均最高3、解剖部位差异同一整骨不同部位，由于解剖部位差异，力学性质也有差异不同四肢部位长骨，表现为不同的力学性质4、加载应变速率的影响加载速率：单位时间内载荷增长量，单位加载速率：单位时间内载荷增长量，单位N/minN/min或或

13、KN/minKN/min；应变速率：每单位时间内应变的改变，单位应变速率：每单位时间内应变的改变，单位mm/mm/mm.smm.s，或，或S S-1-15、应力集中影响应力集中：由于截面尺寸改变而引起应力局部增大的现象称为应力集中。AFN1 1、等截面直杆受轴向拉压时，横截面上应力、等截面直杆受轴向拉压时，横截面上应力2 2、由于工程需要、由于工程需要,有些构件必须有切口、切槽、油孔、螺有些构件必须有切口、切槽、油孔、螺纹、轴肩等，纹、轴肩等，均匀分布均匀分布 ；使得这些部位的截面尺寸突变使得这些部位的截面尺寸突变,破坏了原有的应力分布。破坏了原有的应力分布。P PP PP PP P（1）静载

14、荷作用下：）静载荷作用下：塑性材料塑性材料所制成的构件所制成的构件1 1、构件、构件材料材料对应力集中的影响：对应力集中的影响：对应力集中的敏感程度较小；对应力集中的敏感程度较小；可不考虑应力集中的影响。可不考虑应力集中的影响。内部组织均匀的脆性材料内部组织均匀的脆性材料制成的构件制成的构件必须要考虑应力集中的影响。必须要考虑应力集中的影响。当当 达到达到 时，该处首先产生破坏。时，该处首先产生破坏。bmax陶瓷、玻璃等内部组织均匀的脆性材料尽量避免尺寸突变。陶瓷、玻璃等内部组织均匀的脆性材料尽量避免尺寸突变。maxF应力集中螺钉钻孔固定骨牵引钻孔临床应用（2）动载荷作用下：无论是塑性材料制成

15、的构件还是脆性材料所制成的构件都 必须要考虑应力集中的影响。动载荷作用下，应力集中往往是假体破坏的根源。动载荷作用下，应力集中往往是假体破坏的根源。钢板上螺钉密度不合适骨折线两边的两颗锁钉太近，应力集中临床应用钢板选择过短男男39术后术后9m螺钉过多临床应用骨的承载能力（三要素）骨的承载能力（三要素）第一，要求骨有足够的强度。第一，要求骨有足够的强度。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。第二，要求骨有足够的刚度。第二，要求骨有足够的刚度。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。第三，要求骨有足够的稳定性。第三，要求骨有足够

16、的稳定性。即指骨保持原有平衡形态的能力。即指骨保持原有平衡形态的能力。二、骨的生物力学行为骨可受到的不同负荷形式一、不同负荷模式下的骨行为（1）拉力负荷结构变长、变细粘合线脱落，骨单位脱出其断裂的机理主要为骨组织结合线的分离和骨单位的脱离。临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨松质，表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附着点附近的跟骨骨折。拉伸负荷所致的骨折拉伸负荷所致的骨折（2）压缩负荷骨结构缩短、变粗骨单元纵向斜裂 其机理主要是骨单位的斜行破裂主要是骨单位的斜行破裂。胸腰椎骨折，瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体发生缩短且变宽。压缩负荷所致的骨折常见于椎体。压缩负荷所致的骨折压缩负荷所致的

17、骨折（3）剪切负荷与物体切面方向平行的力骨在拉、压情况下的剪切变形剪切负荷所致的骨折剪切负荷所致的骨折 当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时，往往会产生剪切骨折。其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。Hoffa骨折胫骨平台骨折 是使骨沿其轴线发生弯曲形变的负荷。特点：骨骼在弯曲负荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距中性轴越远，其应力就越大。（4）弯曲负荷弯曲负荷所致的骨折弯曲负荷所致的骨折弯曲可分为三点弯曲和四点弯曲，均可导致长骨骨折胫骨弯曲骨折靴口骨折三点弯曲骨折四点弯曲骨折四点

18、弯曲发生于两个力偶共同作用于物体产生两个相反的力矩时。四点弯曲骨折案例 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转负荷。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼结构中。（5）扭转负荷投掷动作过程中扭转负荷所致的骨折扭转负荷所致的骨折胫骨股骨肱骨扭转引起的骨折是螺旋骨折 人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压缩力等多种力综

19、合作用的结果。（6）复合负荷活体骨很少受到一种力的作用，主要有两个原因：1、骨持续受到多种不确定性负荷；2、骨的几何结构是不规则的。多数骨折是综合几个负荷形式才会产生。不同载荷时皮质骨与松质骨强度比较皮质骨承受的压缩应力大于拉伸应力大于剪切应力。成人的皮质骨表现出不同的极限应力（二）肌肉活动对骨内应力分布的影响肌肉骨骼收缩可改变骨骼应力分布，降低或消除骨骼上的拉应力滑雪者向前摔倒，由于小腿三头肌收缩，避免胫骨后侧张应力下发生骨折，增加胫骨前方压应力产生。（二）肌肉活动对骨内应力分布的影响压应力与拉应力相抵臀中肌放松臀中肌紧张股骨颈上部皮质既无拉应力，也无压应力，使重量集中于股骨矩上。髋关节内部

20、减少或消除作用（三）疲劳性骨折 ：由于重复作用的较低负荷引起的骨折称为疲劳性骨折，又叫应力性骨折、新病骨折、慢性骨折。负荷频率、负荷形式、骨本身力学强度、肌肉疲劳程度、骨的局部解剖结构。：骨折损伤和修复同时进行，但疲劳性损伤骨重建活动。往往发生在持续过度活动部位 其一，持续过度活动引起肌肉疲劳，收缩乏力，导致吸收震荡和抵消应力的能力降低；其二，骨应力分布变化使得骨受到应力异常增高，疲劳损伤逐渐加剧，最终导致骨折；其三，张力侧骨折导致横断骨折，很快发生完全性骨折，压力侧骨折发生缓慢，不容易妨碍骨重建，发生不完全骨折。疲劳骨折的发生第二跖骨疲劳骨折发生机制 临床特点是局部疼痛，活动后加重，休息后好

21、转，无夜间痛。局部可有轻度肿胀和压痛，应力试验阳性。早期拍X光片时经常看不出明显的骨折，但活动疼痛剧烈，4周后可见骨痂形成，呈横行致密影。临床特点主要预防原则如下：避免长时间高频率的单一负重的跑跳训练。正确选择运动场地。过硬的运动场地，往往是应力性骨折的重要诱发因素。充分的准备活动。使肌、肌腱得到舒张、伸展，提高其柔韧性和抗疲劳的能力。早期发现，早期处理。早期发现，早期处理可以有效地预防应力性骨折的发生。饮食调节增加膳食中钙及蛋白质等的摄人量。疲劳性骨折的预防骨的功能适应性：骨能够适应其力学环境而产生最优化的外部结构和内部结构。骨重建随着它受到的应力和应变而进行内部重建和外部重建三、骨的功能适

22、应性 外部重建：外部重建：是指骨外部形状的改变。内部重建：内部重建：是指骨的疏密度、矿物含量等的改变。骨能够通过重建过程改变其大小、形状和结构来适应外界的力学要求。骨所受负荷增加时，成骨细胞活性增强，表现骨的生长；骨所受负荷减小时，则破骨细胞活性增强表现为骨吸收。骨重建Wolff定律：即骨的功能的每一改变，都有与数学法则一致的确定的内部结构和外部形态的变化，其具体过程在骨的重建过程中得以完美体现。Wolff定律Wolff定律指出：骨骼的生长会受到力学刺激影响而改变其结构。用之则强，废用则弱。肌肉活动和重量对骨量的影响1、骨量和身体重量成正比；2、失重状态导致骨量丢失；3、体力活动对骨骼施加负荷

23、，成骨细胞活跃促进骨的形成；4、静止或不运动将会导致骨的密度、刚度和机械度大幅度降低。（一）骨形态结构的功能适应性 形态发生过程中，早期机械应力影响软骨内骨化形成与进程；骨生长过程中，影响骨骼复杂形状：正常骨沟、骨粗隆、骨凹等 后天运动对骨的影响：1、长期、系统和科学的运动训练对骨的形态结构能产生良好的影响：肌肉活动频繁表现为骨径变粗、附着处明显凸起；2、不同运动项目亦充分体现骨对力学环境功能适应性：田径运动员：胫骨前缘增厚；举重运动员：胫骨内缘增厚。（二）骨组织结构的功能适应性 骨组织的结构与内部应力分布有关，应力大的部位骨组织密度大，应力小的部位骨密度小；骨组织用能用最少骨量来满足力学环境

24、所需的骨量；骨小梁的排列方向沿着运动所引起的骨的主应变方向。骨小梁拱桥式排列避免剪切力，最骨小梁拱桥式排列避免剪切力，最大程度降低弯曲力矩。大程度降低弯曲力矩。（二）骨组织结构的功能适应性长期从事科学的运动训练可使骨密度增厚，骨小梁排列依张力和压力变化而显得更为清晰而有规律。系统武术训练，跟骨骨小梁宽度、粗度和清晰度方面均有所增强；长期废用和老年人的骨小梁变细、穿孔、骨小梁交叉点数减少，骨小梁间距增大。骨塑形系指改变骨的形状改变骨的形状，骨重建则是骨转换的一种特殊形式骨转换的一种特殊形式。在生长期几乎所有的骨面都在进行骨吸收和骨形成，以适应骨长长和长粗的需要，当骨生长结束后，骨的形成与吸收仍在

25、进行，为骨重建骨重建。3040岁后，骨形成的速率慢于骨吸收，最终的结果是骨量随年龄的增加而降低，骨脆性增加。（三）骨塑形、骨重建和年龄相关性骨丢失不同年龄人椎体上的骨小梁结第三节、骨折固定的生物力学1、克氏针固定；2、钢丝固定；3、普通钢板固定；4、锁定钢板固定；5、髓内钉固定；6、外骨架固定骨折固定的生物力学Kirschner 针固定针固定力学特点抗扭转能力差抗扭转能力差抗弯曲能力差抗弯曲能力差缺乏加压作用缺乏加压作用应 用 术中临时固定，协助复位 多根、与其他固定结合 经皮、有限切开固定 干骺端、骨骺区固定 手、足、桡骨远端固定 需用支架、石膏保护钢丝固定力学特点抗张强度与直径相关最佳扭转

26、数：4 8对擦痕、切槽敏感张力带原理Frederic Pauwels：偏心负荷下，弯曲管形结构存在张力侧和压力侧，偏心或张力侧放置固定可将张力转换成压力。髌骨骨折张力带固定张力带应用前提条件张力带应用前提条件骨或骨折能够承受压缩对侧应有完整皮质支撑固定能够抵抗张力1.板的抗弯能力与厚度的立方成抗弯能力与厚度的立方成正比正比，板的厚度加倍，抗弯能力增加8倍2.板被用于抵抗张力置于骨的张力侧，也可用于抗压缩、扭转或支持作用3.3.板的预弯板的预弯允许骨折端的更均匀的加压，并防止对侧张开。钢板普通钢板普通钢板界面摩擦力界面摩擦力通过螺钉通过螺钉力学方面力学方面依赖骨组织的剪切强度依赖骨组织的剪切强度

27、骨质疏松骨质疏松普通钢板弱点普通钢板弱点生物学方面生物学方面破坏血液供应：破坏血液供应：剥离、压迫剥离、压迫减少接触面减少接触面锁定钢板锁定钢板Locked Plate点接触角稳定性锁定的内固定支架具有成角、轴向稳定性锁定钢板锁定钢板钢板断裂髓内钉 适用于长管状骨粉碎骨折 生物学固定生物学固定 尽可能保留有生物活性的组织尽可能保留有生物活性的组织 间接复位间接复位 获解剖对线，适合的稳定。获解剖对线，适合的稳定。抗弯曲抗扭转抗轴向移动注意骨折间隙注意骨折间隙锁钉功能锁钉功能防止轴向滑动防止轴向滑动抗扭转抗扭转依赖局部支撑骨质量依赖局部支撑骨质量患者男，56岁，车祸伤髓内钉固定外固定支架固定后骨折稳定性：钉、杆类型、刚度支架几何形状杆与骨轴线之距离钉直径、数目、间距、预张力钉越近骨折线越好同一骨块内，钉越分开越佳杆越接近骨越好，两根优于单根结合有限内固定稳定性更好结合有限内固定稳定性更好桡骨远端关节面粉碎性骨折开放性损伤临时固定思考题1、如何理解骨的应力应变曲线？2、影响力学性质因素有哪些？3、不同负荷模式下的骨行为有哪些，举例说明临床应用？4、疲劳骨折发生的机制？5、骨的功能适应性概念？运动如何影响骨的功能？6、举例说明骨折内固定生物力学特性？谢谢