骨骼的生物力学—培训课件.pptx

侯文轩 资源1104 骨骼的生物力学 让我们来看看几张生物骨骼的图片 骨的结构 前臂和手的生物力学模型 举物时腰部生物力学模型 身体各部舒适姿势的调节范围 一、骨的承载能力　　　衡量骨承载能力的三要素：　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。　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。　　第三，要求骨有足够的稳定性。　　　　即指骨保持原有平衡形态的能力。 骨的载荷 （一）骨的载荷　　 　　载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 　 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。 当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、 压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。 持续载荷对骨也会产生一定的影响。 　　即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生缓慢变形或蠕变。 　　在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。 　　一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。 　　 　　骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。 ★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， 骨的原有形状和几何学结构便恢复。 如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 ★决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力 的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材 料特性等。 骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 差异。 ★大骨抵抗力的能力优于小骨 。 三、骨的应力与应变 　 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力　 概念：当外力作用于骨时， 　　　骨以形变产生内部的阻抗 　　　以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：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)，即牛顿/平方米。　　 计算公式： 种类：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。 　 　作用：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。 （二）应变　 　　概念：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(下图)。 　　 　 　　　 由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小 　　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。 （三）应力-应变曲线 　 表示应力和应变之间的关系。 　 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。　　 　 在弹性变形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屈服点。 　 该点对应的应力是产生骨最大应力的 弹性形变，亦称为弹性极限。 　 塑性区：屈服点以后的区。 　 此时已出现结构的损坏和永久变形。 　 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。 ★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。 ★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young‘s 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。 四、骨的生物力学特性 　包括骨的材料力学特性和结构力学特性。 骨的材料力学特性： 　　是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。 骨的结构力学特性： 　　是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。 （一）骨组织的基本生物力学特性 　 1.各向异性　 　　骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力学性质不同，即各向异性。 　 2.弹性和坚固性　 　　骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。 　　骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。 3.抗压力强、抗张力差　 　　骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损 坏，在张力情况下易损坏。 　　 4.耐冲击力和持续力差　 　　骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。 　　5.应力强度的方向性　 　　皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚 度也不同。 　　皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小