第二章-第一节-骨运动学ppt课件.ppt

第二章第二章 骨骼肌肉系统运动学骨骼肌肉系统运动学第一节第一节 骨运动学骨运动学骨的运动学基础骨的运动学基础内容内容骨的运动适应性骨的运动适应性1.1.掌握掌握 骨结构、长骨骨干密质骨的结构：骨内膜、骨外膜、骨板、骨单位、骨骨结构、长骨骨干密质骨的结构：骨内膜、骨外膜、骨板、骨单位、骨密质及骨松质。密质及骨松质。骨的代谢。骨的代谢。骨塑形的概念；骨重建的概念和骨重建的过程；骨重建单位。骨塑形的概念；骨重建的概念和骨重建的过程；骨重建单位。骨的应力、应变、应力骨的应力、应变、应力-应变曲线、弹性变形区和塑性变形区。应变曲线、弹性变形区和塑性变形区。骨的载荷；拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷、弯曲载荷和扭转载荷五种。骨的载荷；拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷、弯曲载荷和扭转载荷五种。骨的功能适应性原则。骨的功能适应性原则。骨形态结构的功能适应性和骨组织结构的功能适应性骨形态结构的功能适应性和骨组织结构的功能适应性2.2.熟悉熟悉 骨的血液供应；滋养动脉、骨端、骨骺和干骺端血管及骨膜血管。骨的血液供应；滋养动脉、骨端、骨骺和干骺端血管及骨膜血管。骨的淋巴与神经。骨的淋巴与神经。骨的变形；拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转五种基本变形。骨的变形；拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转五种基本变形。骨的生物力学特性；骨的材料力学特性和骨的结构力学特性；骨骨的生物力学特性；骨的材料力学特性和骨的结构力学特性；骨的强度和骨的密度；影响骨强度和骨的密度的因素。骨松质粘弹性性质和的强度和骨的密度；影响骨强度和骨的密度的因素。骨松质粘弹性性质和蠕变性质。骨密质、骨松质对应力的反应。蠕变性质。骨密质、骨松质对应力的反应。3.3.了解了解 骨的力学机能和骨的生理机能。骨的力学机能和骨的生理机能。载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。常见的骨折类型与骨所受载荷形式的关系；拉伸骨折、压缩骨折、常见的骨折类型与骨所受载荷形式的关系；拉伸骨折、压缩骨折、弯曲骨折、旋转骨折和压力联合弯曲弯曲骨折、旋转骨折和压力联合弯曲5种基本形式的骨折。种基本形式的骨折。骨松质的网格形式与其结构密度的关系。骨松质的网格形式与其结构密度的关系。疲劳性骨折的原理和最常发生的部位。疲劳性骨折的原理和最常发生的部位。骨功能适应性与增龄及负荷减少的关系。骨功能适应性与增龄及负荷减少的关系。骨生物力学的常用指标。骨生物力学的常用指标。骨的血管、淋巴与神经骨的血管、淋巴与神经2骨的形状、结构与代谢骨的形状、结构与代谢1骨的功能骨的功能3 一、骨的运动学基础一、骨的运动学基础 （一）骨的形状、结构与代谢（一）骨的形状、结构与代谢正常成人有正常成人有206206块骨，块骨，分成躯干骨、分成躯干骨、头颅骨、头颅骨、四肢骨三部分。四肢骨三部分。1.1.骨的形状骨的形状根据骨的外部形状，一般将其分为根据骨的外部形状，一般将其分为 长骨、长骨、短骨、短骨、扁骨、扁骨、不规则骨四种。不规则骨四种。（1 1）长骨）长骨 一般呈长管状，分布于四肢。一般呈长管状，分布于四肢。从力学角度上分析，长骨的中空性管状从力学角度上分析，长骨的中空性管状结构体现出了机体的最佳工程设计，即可使结构体现出了机体的最佳工程设计，即可使 长骨在矢状面和额状面上能有效抗弯曲及在长骨在矢状面和额状面上能有效抗弯曲及在 骨的长轴上有效抗扭曲。骨的长轴上有效抗扭曲。长骨的形态结构长骨的形态结构 长骨两端膨大为骨骺。骨骺和骨干相连处，称干骺端。幼年时期干骺端处的骺软骨，参与骨的增长。成年后，骺软骨板骨化，骺与骨干相互愈合后遗留成骨骺线，骨的增长也随之停止。骨骺损伤可导致骨骼生长障碍，影响幼儿的生长发育。骺板分离或骨折和骨软骨炎是儿童少年时期特有的骨损伤。骺板分离大多由间接外力所致，最常见的外力是剪力、撕脱力、劈力和挤压力。（2 2）短骨）短骨 常以多个短骨集群存在，当承受压力时，各骨紧密聚集，形成拱桥结构。常以多个短骨集群存在，当承受压力时，各骨紧密聚集，形成拱桥结构。因此，多分布于承受压力较大、运动形式较复杂而运动又灵活的的部位，如踝因此，多分布于承受压力较大、运动形式较复杂而运动又灵活的的部位，如踝部和腕部部和腕部。（3 3）扁骨）扁骨 多分布于头部、胸部及四肢带部。常围成体腔保护内部器官，如头颅骨围多分布于头部、胸部及四肢带部。常围成体腔保护内部器官，如头颅骨围成颅腔等。成颅腔等。（4 4）不规则骨不规则骨 其外形极不规则，典型者如椎骨其外形极不规则，典型者如椎骨。2.骨的结构骨的结构 骨结构骨结构包括包括骨膜、骨膜、骨质、骨质、骨髓、骨髓、关节面软骨及关节面软骨及血管、神经等。血管、神经等。骨的结构骨的结构（1）骨膜骨膜分骨外膜与骨内膜分骨外膜与骨内膜。1）骨外膜骨外膜：覆盖于除关节面外的骨外表面。覆盖于除关节面外的骨外表面。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。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。膜内有成骨细胞，其细胞在幼年期非常活跃，膜内有成骨细胞，其细胞在幼年期非常活跃，进行分裂繁殖，可分化为成骨细胞直接参与骨的生成。进行分裂繁殖，可分化为成骨细胞直接参与骨的生成。到成年期转为静止状态，但能终生保持分化能力。到成年期转为静止状态，但能终生保持分化能力。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。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。因此，被剥离骨外膜后，骨易于坏死，且不易修复。2 2）骨内膜：被覆于骨髓腔及松质骨表面。除衬在长骨骨髓腔的骨内膜在幼年时通过破骨细胞参与骨的长粗外，骨内膜尚具有终生的生骨潜能。（2 2）骨质骨质 骨的主体成分，分为骨密质与骨松质。骨的主体成分，分为骨密质与骨松质。骨密质骨密质结构复杂，由规则且紧密成层排列的骨板构成。结构复杂，由规则且紧密成层排列的骨板构成。长骨的骨密质由外到内分别为外环骨板层、骨单位及环骨板层。长骨的骨密质由外到内分别为外环骨板层、骨单位及环骨板层。骨密质因结构致密，具有抗压、抗拉力强的特点，常分布于骨骨密质因结构致密，具有抗压、抗拉力强的特点，常分布于骨的表面及长骨的骨干。的表面及长骨的骨干。1）外环骨板层 由靠表面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。外侧与骨膜紧密相连，中间有与骨干垂直并横行穿过骨板层的管道，称穿通管，是营养血管进入骨内的管道。2）内环骨板层由靠近骨髓腔面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。最内层与骨内膜相连，其中亦有穿通管出现。3）骨单位 是骨密质的基本结构单位。位于骨内、外环骨板之间，是骨干骨密质的主体。从骨单位的横断面可以看到同心分布的骨板，成为不同直径的、层套一层的封闭的圆柱，这种结构又被称为哈佛氏系统。骨松质 由针状或片状的骨板构成，呈网状结构，形成骨小梁。骨小梁按压力及张力的方向排列，负责力学上的支撑机能。骨松质的疏松结构及骨小梁的力学特性，大大地减轻了骨的重量，又使骨达到最大的力学性能。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。（3 3）骨髓 分红骨髓与黄骨髓。红骨髓具有造血功能。成人的短骨及扁平骨的松质骨网眼中的红骨髓伴随人的终生。黄骨髓富含脂肪组织，不具有造血功能，但在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。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，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，其代谢活动是其代谢活动是一个动态平衡过程。一个动态平衡过程。在人的生长期，骨形成大于骨吸收，骨量呈线性增长，表现为骨皮质增厚，在人的生长期，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形。骨松质更密集，这一过程称为骨构建或称骨塑形。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，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（remodling）。）。骨重建开始于骨吸收，随后是骨形成。骨重建开始于骨吸收，随后是骨形成。骨的吸收与形成连续进行，最终使骨能不断地自我修复和适应新的应力要求。骨的吸收与形成连续进行，最终使骨能不断地自我修复和适应新的应力要求。骨重建过程骨重建过程 分为分为5期期 第一期：休止期或静止期。第一期：休止期或静止期。此期既无骨吸收也无骨形成。此期既无骨吸收也无骨形成。第二期：激活期。第二期：激活期。破骨细胞的前驱细胞分化成破骨前细胞，破骨细胞的前驱细胞分化成破骨前细胞，并附着在骨表面上。并附着在骨表面上。第三期：吸收期。第三期：吸收期。破骨前细胞与暴露表面接触、融合、分化破骨前细胞与暴露表面接触、融合、分化成破骨细胞，进行骨吸收。成破骨细胞，进行骨吸收。正常人约持续正常人约持续1个月，在吸收期骨表面形成个月，在吸收期骨表面形成 一个陷窝，称为吸收陷窝。一个陷窝，称为吸收陷窝。第四期：转换期。第四期：转换期。吸收期结束，破骨细胞移向其他部位。吸收期结束，破骨细胞移向其他部位。第五期：形成期。第五期：形成期。成骨细胞在陷窝的表面上相继出现并分化、成骨细胞在陷窝的表面上相继出现并分化、增殖，形成类骨。随后，类骨成熟骨化成增殖，形成类骨。随后，类骨成熟骨化成 骨。待陷窝接近填平时成骨细胞失去成骨骨。待陷窝接近填平时成骨细胞失去成骨 活性，成为表面上的衬托细胞，此期为形活性，成为表面上的衬托细胞，此期为形 成期。成期。一个骨重建周期约需一个骨重建周期约需3个月。个月。一个骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（一个骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（BRU）。）。在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成，在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成，但吸收与形成的骨量大致相当。但吸收与形成的骨量大致相当。骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载 功能的骨组织，可维持或降低骨强度和骨量。功能的骨组织，可维持或降低骨强度和骨量。（二）骨的血液、淋巴与神经（二）骨的血液、淋巴与神经1.血管血管 成熟骨具有丰富的血管并形成精巧的血液供应管道系成熟骨具有丰富的血管并形成精巧的血液供应管道系 统，为骨组织、骨膜提供血液来源。统，为骨组织、骨膜提供血液来源。以长骨为例，骨骼的血液供应来自三个不同的但又相以长骨为例，骨骼的血液供应来自三个不同的但又相 互关联的方面：互关联的方面：（1）滋养动脉滋养动脉：滋养动脉通过骨骼表面存在的滋养血管孔进入骨干。滋养动脉通过骨骼表面存在的滋养血管孔进入骨干。每根骨所含滋养血管的数量不等。每根骨所含滋养血管的数量不等。在髓腔内每一支滋养血管分为升支和降支，并且进一步分支成更细小在髓腔内每一支滋养血管分为升支和降支，并且进一步分支成更细小的动脉，然后直接进入骨内膜，为骨干区提供血液。的动脉，然后直接进入骨内膜，为骨干区提供血液。（2）骨端、骨骺和干骺端血管）骨端、骨骺和干骺端血管：是长骨的第二套供血系统，是长骨的第二套供血系统，由关节周围的血管丛分支而进入薄层骨皮质供由关节周围的血管丛分支而进入薄层骨皮质供 应干骺端区。应干骺端区。当生长板闭合后，这些血管就与髓动脉及骺动当生长板闭合后，这些血管就与髓动脉及骺动 脉相互吻合。脉相互吻合。（3）骨膜血管）骨膜血管：骨膜本身有一套完整的供血系统，是长骨的第三套血供系统。骨膜本身有一套完整的供血系统，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。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。层。2.骨的淋巴管骨的淋巴管 骨膜具有丰富的淋巴管。骨膜具有丰富的淋巴管。3.骨的神经骨的神经 长骨的关节端、较大的扁骨、椎骨长骨的关节端、较大的扁骨、椎骨 及骨膜是骨的神经分布最丰富的部位。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：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。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。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。（三）骨的功能（三）骨的功能 1.力学功能力学功能 （1）支撑功能支撑功能 （2）杠杆功能杠杆功能 （3）保护功能保护功能 2.生理学功能生理学功能 （1）钙、磷贮存机能与物质代谢功能钙、磷贮存机能与物质代谢功能 （2）造血机能和免疫功能造血机能和免疫功能 骨的生物力学特性骨的生物力学特性1骨的功能适骨的功能适应性性2 二、骨的运动适应性二、骨的运动适应性（一）骨的生物力学特性骨的生物力学特性1.骨的承载能力骨的承载能力衡量骨承载能力的三要素：衡量骨承载能力的三要素：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。2.骨的载荷及变形骨的载荷及变形 人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。（1）骨的载荷）骨的载荷 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，骨将受到拉伸方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、压缩、压缩b、弯曲、弯曲c、剪切、剪切d、扭转、扭转e和复合和复合f等等载荷。载荷。1）拉伸载荷拉伸载荷 在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。2）压缩载荷压缩载荷 是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷。是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。3）弯曲载荷弯曲载荷 是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另另侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。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。就越大。4）剪切载荷剪切载荷 在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨内部也会产生剪切应力和应变。在骨内部也会产生剪切应力和应变。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。5）扭转载荷扭转载荷 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。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。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。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。6）复合载荷复合载荷 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，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。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。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合作用的结果。合作用的结果。持续载荷持续载荷对骨也会产生一定的影响。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。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（在加载后的最初数小时（6 68 8小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。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。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。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。（2 2）骨的基本变形）骨的基本变形 骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。受力变形。根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。3.3.骨的应力与应变骨的应力与应变 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。（1 1）骨的应力）骨的应力概念概念：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，：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。即是骨产生的应力。特点特点：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：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，单位为比，单位为Pascal(Pa=N/mPascal(Pa=N/m2 2)，即牛顿，即牛顿/平方米。平方米。计算公式：计算公式：种类种类：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：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、拉压力等。作用作用：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：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。应力范围。（2）应变应变概念概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。：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。以百分比来表示。由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小由压力、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。至发生骨折。（3）应力应力-应变曲线应变曲线 表示应力和应变之间的关系。表示应力和应变之间的关系。应力应力-应变曲线分成两个区：应变曲线分成两个区：弹性变形区弹性变形区和和塑性变形区塑性变形区。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。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弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点屈服点。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。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。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。在应力在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量（应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量（Youngs Modules），表示材料抗形变的能力。），表示材料抗形变的能力。一般而言，弹性模量是一个常数。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。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。（4）骨应变能量骨应变能量 概念概念：达到极限负荷时的应力：达到极限负荷时的应力-应变曲线下面积应变曲线下面积,表示导致骨折所需要的表示导致骨折所需要的能量。能量。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。大小。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。4.骨的生物力学特性骨的生物力学特性 包括骨的材料力学特性和结构力学特性。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：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。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：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。的几何特性即形状、尺寸等的影响。（1）骨组织的基本生物力学特性骨组织的基本生物力学特性 1）各向异性各向异性 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，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。即各向异性。2）弹性和坚固性弹性和坚固性 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。力。3）抗压力强、抗张力差抗压力强、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。易损坏。4）耐冲击力和持续力差耐冲击力和持续力差 骨对冲击力的抵抗比较小。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。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。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。6）骨的强度和刚度骨的强度和刚度 骨强度骨强度是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构强度的三个参数是：在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构强度的三个参数是：a.结构在破结构在破坏前所能承受的载荷，坏前所能承受的载荷，b.结构在破坏前所能承受的变形，结构在破坏前所能承受的变形，c.结构在破坏前所能贮存的能量。结构在破坏前所能贮存的能量。骨的刚度骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。是指骨具有足够的抵抗变形的能力。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。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。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。影响骨强度与刚度的因素有：影响骨强度与刚度的因素有：压应力压应力肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；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大小和形状骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，如骨试件在压缩时，骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。7）机械力对骨的影响机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。和骨密质增厚越明显。8）骨是人体理想的结构材料骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。骨具有强度大质量轻的特点。（2）骨受载时的生物力学特性骨受载时的生物力学特性 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，骨的增生和密度骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提高了骨的生理应力能力。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，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。松质骨对应力的反应松质骨对应力的反应：骨松质的疏松度为骨松质的疏松度为3090，其应力，其应力应变特征与密质骨有很大差应变特征与密质骨有很大差异。异。松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。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 人类骨骼人类骨骼80%是皮质骨。是皮质骨。在受载时与骨松质相比：在受载时与骨松质相比：骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的2时就发生断裂；时就发生断裂；而骨松质的应变超过而骨松质的应变超过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较松质骨小有关。这与密质骨的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。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骨小梁相交织成网状结构。其显微结构分为四种基本结构类型：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。骨松质结构特征与应力适应性骨松质结构特征与应力适应性 骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在密度相对较低的骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在密度相对较低的骨松质部位，骨小梁主要表现为开放型的针状结构；骨松质部位，骨小梁主要表现为开放型的针状结构；在密度相对较高的骨松质部位，形成封闭式的片状结构；在密度相对较高的骨松质部位，形成封闭式的片状结构；中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力的类型。的类型。骨松质粘弹性性质与蠕变骨松质粘弹性性质与蠕变 骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质，在一定应力作用下，骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质，在一定应力作用下，其蠕变将随时间而变化，蠕变在开始时速度快，继之变慢，最其蠕变将随时间而变化，蠕变在开始时速度快，继之变慢，最后速度又变快。后速度又变快。5.骨折的生物力学骨折的生物力学骨的完整性或连续性中断时称骨折。骨的完整性或连续性中断时称骨折。常见原因有常见原因有直接暴力、直接暴力、间接暴力、间接暴力、肌拉力、肌拉力、积累劳损及骨骼疾病。积累劳损及骨骼疾病。（1 1）骨的受载形式与骨折类型的关系）骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲旋转和压力联合弯曲 5 5种基本形式所致的骨折。种基本形式所致的骨折。（2 2）骨折的生物力学原理）骨折的生物力学原理1 1）骨受拉伸载荷所致的骨折）骨受拉伸载荷所致的骨折 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。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。骨折。如跟腱附着点附近的跟骨骨折。如跟腱附着点附近的跟骨骨折。2 2）骨受压缩载荷所致的骨折）骨受压缩载荷所致的骨折 其机理主要是骨单位的斜行破裂。其机理主要是骨单位的斜行破裂。如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤其原因大多是由高处落下臀部着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且变宽。压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且变宽。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。3 3）骨受剪切载荷所致的骨折）骨受剪切载荷所致的骨折 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。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。其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。4 4）骨受弯曲载荷所致的骨折）骨受弯曲载荷所致的骨折 当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断裂。造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断裂。5 5）骨受复合载荷所致的骨折）骨受复合载荷所致的骨折 骨受到多种不定的载荷的作用而致的骨折。骨受到多种不定的载荷的作用而致的骨折。临床所见骨折的形式也较为复杂。临床所见骨折的形式也较为复杂。如临床上所见的嵌插型、长斜形、如临床上所见的嵌插型、长斜形、短斜形、螺旋形、粉碎形等骨折，短斜形、螺旋形、粉碎形等骨折，都属于复合载荷状态下所导致的骨折类型。都属于复合载荷状态下所导致的骨折类型。6）骨松质的微细骨折骨松质的微细骨折 显微镜下所能看到的骨小梁裂损称为骨松质微细骨折。显微镜下所能看到的骨小梁裂损称为骨松质微细骨折。微细骨折可以是正常生理活动的结果。微细骨折可以是正常生理活动的结果。在正常生理情况下，骨松质具有修复微细骨折的能力。在正常生理情况下，骨松质具有修复微细骨折的能力。当微细骨折的程度超出生理水平，就会产生病理结果，使骨折的危险性增加。当微细骨折的程度超出生理水平，就会产生病理结果，使骨折的危险性增加。（二）（二）骨的功能适应性骨的功能适应性 1.骨形态结构的功能适应性骨形态结构的功能适应性 骨是有生命的材料。骨是有生命的材料。随着它受到的应力和应变情况，通过自身修复来改变其性质和外形，随着它受到的应力和应变情况，通过自身修复来改变其性质和外形，实现外表的再造。实现外表的再造。2.骨组织结构的功能适应性骨组织结构的功能适应性 骨骼组织为了适应各种力学功能的需要，不仅在形态结构作了最佳搭配，而且骨骼组织为了适应各种力学功能的需要，不仅在形态结构作了最佳搭配，而且对自身的组织结构也进行了优化组合。对自身的组织结构也进行了优化组合。体内骨组织的形成、发展方式与其所受的应力有关。体内骨组织的形成、发展方式与其所受的应力有关。例如骨组织的结构与其内部应力分布有关，应力大的部位骨组织密度大，应力例如骨组织的结构与其内部应力分布有关，应力大的部位骨组织密度大，应力小的部位骨密度小。小的部位骨密度小。骨组织能用最少的骨量来满足运动所需的骨强度。骨组织能用最少的骨量来满足运动所需的骨强度。3.骨塑形、骨重建和年龄相关性骨丢失骨塑形、骨重建和年龄相关性骨丢失 骨塑形系指改变骨的形状，骨塑形系指改变骨的形状，骨重建则是骨转换的一种特殊形式。骨重建则是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。需要。当骨生长结束后，骨的形成与吸收仍在进行，为骨重建。当骨生长结束后，骨的形成与吸收仍在进行，为骨重建。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。降低，骨脆性增加。4.骨生物力学的常用指标骨生物力学的常用指标骨的材料特性：骨的材料特性：常用的指标有最大载荷常用的指标有最大载荷 弹性载荷弹性载荷 最大挠度最大挠度 弹性挠度弹性挠度骨的结构特性：骨的结构特性：常用的指标有最大应力常用的指标有最大应力 弹性应力弹性应力 最大应变最大应变 弹性应变弹性应变72