1、第二節(jié)骨的生物力學(xué)第1頁，共64頁。 學(xué)習(xí)目標(biāo)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；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；掌握骨的功能適應(yīng)性原則；3.熟悉骨的生物力學(xué)特征；熟悉骨的生物力學(xué)特征；4.熟悉運(yùn)動對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響及作用原理；熟悉運(yùn)動對骨形態(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。了解載荷與骨折的關(guān)系及骨折的生物力學(xué)原理。第2頁，共64頁。 學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容一、一、骨的承載能力骨的承載能力二、骨的載荷與變形二、骨的載荷與變形三、骨的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)?、骨的?yīng)力與應(yīng)變四、骨的生物力學(xué)特性四、骨的生物力學(xué)特性五、骨折的生物力學(xué)五、

2、骨折的生物力學(xué)六、骨的功能適應(yīng)性六、骨的功能適應(yīng)性七、骨生物力學(xué)指標(biāo)七、骨生物力學(xué)指標(biāo)八、骨質(zhì)疏松癥運(yùn)動防治八、骨質(zhì)疏松癥運(yùn)動防治第3頁，共64頁。一、骨的承載能力一、骨的承載能力衡量骨承載能力的三要素：衡量骨承載能力的三要素：第一，要求骨有足夠的強(qiáng)度。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。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。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。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)定性。第三，要求骨有足夠的穩(wěn)定性。即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。第4

3、頁，共64頁。二、骨的載荷及變形人體在日常生活與運(yùn)動中都會對機(jī)體的每塊骨產(chǎn)生復(fù)雜的力。即骨會承受來自多方的不同形式的載荷。第5頁，共64頁。（一）骨的載荷載荷即為外力，是一物體對另一物體的作用。 人體在運(yùn)動或勞動時，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，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。第6頁，共64頁。 1.拉伸載荷拉伸載荷(圖圖a) 在骨的兩端受到一對大小相等、方向相反沿軸線的在骨的兩端受到一對大小相等、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，使骨伸長并同時變細(xì)。應(yīng)變

4、，使骨伸長并同時變細(xì)。 例如在進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動時上肢骨被拉伸例如在進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動時上肢骨被拉伸。 第7頁，共64頁。 2.壓縮載荷壓縮載荷(圖圖b) 是施加于骨組織表面的兩個沿軸線的大小相等、是施加于骨組織表面的兩個沿軸線的大小相等、 方向相對的載荷。方向相對的載荷。 該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和應(yīng)變。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)動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。如舉重運(yùn)動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。第8頁，共64頁。 3.彎曲載荷彎曲載荷 (圖圖c) 是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。 例如當(dāng)脊柱前屈或后伸時脊柱的彎曲則為彎曲載荷。例如當(dāng)脊

5、柱前屈或后伸時脊柱的彎曲則為彎曲載荷。特點：骨骼在彎曲載荷時，其中性軸兩旁一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)特點：骨骼在彎曲載荷時，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。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。軸越遠(yuǎn)，其應(yīng)力就越大。第9頁，共64頁。 4.剪切載荷(圖d) 在骨的表面受到一對大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨內(nèi)部也會產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。例如車床剪切斷肢體時即為剪切載荷。第10頁，共64頁。 5.扭轉(zhuǎn)

6、載荷扭轉(zhuǎn)載荷 (圖圖e) 加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。 如作轉(zhuǎn)身動作時，下肢骨受到的扭轉(zhuǎn)作用。如作轉(zhuǎn)身動作時，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)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)活動中。的旋轉(zhuǎn)活動中。 當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個骨骼結(jié)構(gòu)中。骨骼結(jié)構(gòu)中。第11頁，共64頁。 6.復(fù)合載荷復(fù)合載荷(圖圖f) 人體在運(yùn)動時，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時人體在運(yùn)動時，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時又受到多種不定的

7、載荷，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)合載往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復(fù)合載荷。荷。如人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復(fù)合。如人體在受傷骨折時，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?？s力等多種力綜合作用的結(jié)果。第12頁，共64頁。持續(xù)載荷持續(xù)載荷對骨也會產(chǎn)生一定的影響。對骨也會產(chǎn)生一定的影響。即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時（在加載

8、后的最初數(shù)小時（68小時），其蠕變現(xiàn)小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。一般而言，骨承受壓力負(fù)荷的能力最大，其次是拉力、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。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。骨所受的正常生理負(fù)荷是這些力的綜合。第13頁，共64頁。（二）骨的基本變形（二）骨的基本變形 骨骼在承受各種不同載荷時會發(fā)生不同程度的變形，骨骼在承受各種不同載荷時會發(fā)生不同程度的變形，如腰脊柱前凸即是受力變形。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，一般可根據(jù)骨骼受載形式及受載后的變形形式

9、，一般可將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形。基本變形。第14頁，共64頁。力和變形之間的關(guān)系，反映了完整骨的結(jié)構(gòu)行為。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，負(fù)荷骨會出現(xiàn)變形，當(dāng)負(fù)荷去除時，在中等量負(fù)荷時，負(fù)荷骨會出現(xiàn)變形，當(dāng)負(fù)荷去除時，骨的原有形狀和幾何學(xué)結(jié)構(gòu)便恢復(fù)。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)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，則會引起嚴(yán)重變形，并可能發(fā)生骨斷裂。荷，則會引起嚴(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

10、所承受力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小、力的方向和力的作用點，及組成骨組織的材的大小、力的方向和力的作用點，及組成骨組織的材料特性等。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。骨在承受軸向力起骨的斷裂。骨在承受軸向力(axialforce)與承受彎曲與承受彎曲 (bending)或扭轉(zhuǎn)力或扭轉(zhuǎn)力(torsionalforce)方面存在有很大方面存在有很大 差異。差異。大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨。大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨。第15頁，共64頁。骨的幾何結(jié)構(gòu)對抵抗特殊方向的力具有一定的特骨的幾何結(jié)構(gòu)對

11、抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。殊性。在決定骨的變形和斷裂特性中，組成骨組織的物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。質(zhì)特性也很重要。當(dāng)外力撤除后，變形完全消失，這種形變稱彈性當(dāng)外力撤除后，變形完全消失，這種形變稱彈性形變。形變。如果外力撤除后仍有剩余形變，這種性質(zhì)則稱為如果外力撤除后仍有剩余形變，這種性質(zhì)則稱為彈塑性。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。性體，而骨則是比較典型的彈塑性體。第16頁，共64頁。三、骨的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)?、骨的?yīng)力與應(yīng)變 骨力學(xué)包含二個最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)

12、變。骨力學(xué)包含二個最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。（一）骨的應(yīng)力（一）骨的應(yīng)力概念概念：當(dāng)外力作用于骨時，：當(dāng)外力作用于骨時，骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。特點特點：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：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，即牛頓/平方米。平方米。計算公式：計算公式：第17頁，共64頁。種類種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)力、拉壓力等。應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)

13、力、拉壓力等。作用作用：應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，：應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應(yīng)力不足會使骨萎縮，應(yīng)力過大也會使骨萎縮。應(yīng)力不足會使骨萎縮，應(yīng)力過大也會使骨萎縮。 因此，對于骨來說，存在一個最佳的應(yīng)力范圍。因此，對于骨來說，存在一個最佳的應(yīng)力范圍。第18頁，共64頁。（二）應(yīng)變（二）應(yīng)變概念概念：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。：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，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示量與原尺度之比。一般以百分比來表示(下圖下圖)。由壓力、形變和

14、樣本的大小計算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小由壓力、形變和樣本的大小計算出應(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，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。第19頁，共64頁。（三）應(yīng)力（三）應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成兩個區(qū)：應(yīng)變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)和和塑性變形區(qū)塑性變形區(qū)。 在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變（如骨折）。在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變（如骨折）。 彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)

15、初始點稱屈服點屈服點。 該點對應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的該點對應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的彈性形變，亦稱為彈性形變，亦稱為彈性極限彈性極限。 塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)。塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)。 此時已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。此時已出現(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。當(dāng)載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。第20頁，共64頁。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。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)力在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量(Youngs Modules)，表示材料抗形變的能力。，表示

16、材料抗形變的能力。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。第21頁，共64頁。（四）骨應(yīng)變能量（四）骨應(yīng)變能量概念概念：達(dá)到極限負(fù)荷時的應(yīng)力應(yīng)變曲線下面的面積：達(dá)到極限負(fù)荷時的應(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。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)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。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)的能量能同時被骨釋放，使骨當(dāng)外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時被骨釋放，使骨恢復(fù)原狀?；謴?fù)

17、原狀。 但當(dāng)骨不斷受到外力重復(fù)作用時，其應(yīng)變能量不但當(dāng)骨不斷受到外力重復(fù)作用時，其應(yīng)變能量不能被及時完全釋放，經(jīng)積累后可能會損壞材料的結(jié)構(gòu)，能被及時完全釋放，經(jīng)積累后可能會損壞材料的結(jié)構(gòu)，臨床上則表現(xiàn)為疲勞性骨折。臨床上則表現(xiàn)為疲勞性骨折。第22頁，共64頁。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，與骨的幾何形狀無關(guān)。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性：是指整個骨結(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。第23頁，共64頁。（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

18、向的力學(xué)性質(zhì)不同，即各向異性。 2.彈性和堅固性骨的有機(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，使骨具有堅固性，具有抗壓能力。第24頁，共64頁。3.抗壓力強(qiáng)、抗張力差抗壓力強(qiáng)、抗張力差骨對縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，即在壓力情況下不易損骨對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。壞，在張力情況下易損壞。 4.耐沖擊力和持續(xù)力差耐沖擊力和持續(xù)力差骨對沖擊力的抵抗比較小。同其他材料相比，其持續(xù)性能、骨對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。耐疲勞性能較差。5.應(yīng)力強(qiáng)度的方向性應(yīng)力強(qiáng)度的方向性皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)

19、不同，承受的力量及兩者的剛皮質(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。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。皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。兩者的各向異性對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。兩者的各向異性對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。第25頁，共64頁。6.骨的強(qiáng)度和剛度1）骨強(qiáng)度是指骨在承受載荷時所具有的足夠的抵抗破壞的能力，以致不發(fā)生破壞。在壓縮載荷的試驗中，載荷變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三個參數(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

20、斷裂，但如果變形過大，往往會影響骨結(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。第26頁，共64頁。影響骨強(qiáng)度與剛度的因素有：.壓應(yīng)力肌收縮時所產(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，和剛度也越大。破壞載荷及剛度的大小與橫截面積成正比。第27頁，共64頁。 7.機(jī)械力對骨的影響 機(jī)械應(yīng)力與骨組織之間存在著生理平衡。 骨對生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)是處于動態(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。第28頁，共64頁。（二）骨受載時的

21、生物力學(xué)特性（二）骨受載時的生物力學(xué)特性1.骨對應(yīng)力的反應(yīng)骨對應(yīng)力的反應(yīng)骨對生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)一般處于平衡狀態(tài)，骨對生理應(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。高了骨的生理應(yīng)力能力。1）密質(zhì)骨對應(yīng)力的反應(yīng)）密質(zhì)骨對應(yīng)力的反應(yīng)：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。承受較大的壓縮應(yīng)力。第29頁，共64頁。2）松質(zhì)骨對應(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)

22、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。第30頁，共64頁。2.骨密質(zhì)在受載時的生物力學(xué)特性人類骨骼80%是皮質(zhì)骨。在受載時與骨松質(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時就發(fā)生斷裂，而骨松質(zhì)的應(yīng)變超過7時才斷裂，這與密質(zhì)骨的疏松度及能量儲存能力較松質(zhì)骨小有關(guān)。 第31頁，共64頁。 3.骨松質(zhì)在受載時的生物力學(xué)特性 骨松質(zhì)具有多孔結(jié)構(gòu)而具有較高的能量儲存能力。（1）骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點： 骨松質(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：針狀非對稱形開放網(wǎng)格、片狀非對稱形封閉網(wǎng)格、針狀圓柱體形開放網(wǎng)格、片狀圓柱體形封閉網(wǎng)格。第32頁

23、，共64頁。 2).骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)力適應(yīng)性骨松質(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。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)。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，在密度相對較骨松質(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)；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)；在密度相對較高的骨松質(zhì)部位，形成封閉式的片狀在密度相對較高的骨松質(zhì)部位，形成封閉式的片狀結(jié)構(gòu)；中等密度時，結(jié)構(gòu)由針狀和片狀網(wǎng)格混合而成。結(jié)構(gòu)；中等密度時，結(jié)構(gòu)由

24、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。大小、方向和力的類型。第33頁，共64頁。 3）骨松質(zhì)粘彈性性質(zhì)與蠕變）骨松質(zhì)粘彈性性質(zhì)與蠕變骨松質(zhì)具有粘彈性性質(zhì)和蠕變性質(zhì)，在一定應(yīng)力作用下，其蠕骨松質(zhì)具有粘彈性性質(zhì)和蠕變性質(zhì)，在一定應(yīng)力作用下，其蠕變將隨時間而變化，蠕變在開始時速度快，繼之變慢，變將隨時間而變化，蠕變在開始時速度快，繼之變慢，最后速度又變快。最后速度又變快。第34頁，共64頁。五、骨折的生物力學(xué) 骨的完整性或連續(xù)性中斷時稱骨折。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

25、往往與骨所受的拉伸、擠壓、彎曲等載荷密切相關(guān)。第35頁，共64頁。(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便會產(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

26、曲和壓力聯(lián)合彎曲造成的骨折類型。 第36頁，共64頁。五、骨折的生物力學(xué)骨的完整性或連續(xù)性中斷時稱骨折。 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。第37頁，共64頁。 (一一) 骨的受載形式與骨折類型的關(guān)系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)，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、一般包括有：拉伸、壓縮、彎曲、旋轉(zhuǎn)和壓力聯(lián)合彎曲旋轉(zhuǎn)和壓力聯(lián)合彎曲5種基本形式所致的骨折。種基本形式所致的骨折。第38頁，共64頁。（二）骨折的生物力學(xué)原理（二）骨折的生物力學(xué)原理1.骨受拉伸載荷所致的骨折骨受拉伸載荷所致的骨折其斷裂的機(jī)理

27、主要為骨組織結(jié)合線的分離其斷裂的機(jī)理主要為骨組織結(jié)合線的分離和骨單位的脫離。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。如跟腱附著點質(zhì)，表現(xiàn)形式多為撕裂性骨折。如跟腱附著點附近的跟骨骨折。附近的跟骨骨折。第39頁，共64頁。 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)動員在單杠失手或跳傘落地技術(shù)不正確時所導(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。第40頁，共64頁。3.骨受剪

28、切載荷所致的骨折骨受剪切載荷所致的骨折當(dāng)一對相距很短、方向相反的力的作用于骨時當(dāng)一對相距很短、方向相反的力的作用于骨時往往會產(chǎn)生剪切骨折。往往會產(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骨折。其骨折通常見于骨松質(zhì)，如股骨髁和脛骨平臺骨折。4.骨受彎曲載荷所致的骨折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時，造成當(dāng)骨骼的彎曲載荷承受極限超出外力的突然襲擊時，造成拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，發(fā)生骨組織的彎曲斷裂。拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，發(fā)生骨組織的彎曲斷裂。第41頁，共64頁。5. 骨受復(fù)合載荷所致的骨折骨受復(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。骨受到多種不

29、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。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、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。所導(dǎo)致的骨折類型。第42頁，共64頁。 6.骨松質(zhì)的微細(xì)骨折骨松質(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。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的結(jié)果，在正常生理情況下，微細(xì)骨折可以是正常生理活動的結(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。骨松質(zhì)具有修復(fù)微細(xì)骨折的能

30、力。 當(dāng)微細(xì)骨折的程度超出生理水平，就會產(chǎn)生病理結(jié)果，當(dāng)微細(xì)骨折的程度超出生理水平，就會產(chǎn)生病理結(jié)果，使骨折的危險性增加。使骨折的危險性增加。第43頁，共64頁。7.疲勞性骨折疲勞性骨折概念概念：指骨長期承受反復(fù)負(fù)荷：指骨長期承受反復(fù)負(fù)荷(如長時間的如長時間的行軍、鍛煉行軍、鍛煉)后發(fā)生微損傷而逐漸形成的骨折。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。力，繼而產(chǎn)生疲勞性骨折或應(yīng)力性骨折。特點特點：骨折和修復(fù)同時進(jìn)行。：骨折和修復(fù)同時進(jìn)行。第44頁，共64頁。（1）疲勞性骨折的好發(fā)部位）疲勞性

31、骨折的好發(fā)部位最常發(fā)生在下肢骨，最常發(fā)生在下肢骨，其次是上肢骨和軀干骨。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、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，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。以脛骨、腓骨和跖骨更多見。第45頁，共64頁。（2）疲勞性骨折的生物力學(xué)原理）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，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。目前不同學(xué)者持有不同的觀點。 概括起來有以下幾種觀點：概括起來有以下幾種觀點： 其一，肌疲勞是導(dǎo)致疲勞性骨折發(fā)生的一個重要原因。其一，肌疲勞

32、是導(dǎo)致疲勞性骨折發(fā)生的一個重要原因。 其二，肌牽拉是導(dǎo)致疲勞性骨折另一原因。其二，肌牽拉是導(dǎo)致疲勞性骨折另一原因。 其三，骨鈣質(zhì)減少。其三，骨鈣質(zhì)減少。 其他，維生素、酸中毒以及生物電現(xiàn)象等均可能與疲勞性其他，維生素、酸中毒以及生物電現(xiàn)象等均可能與疲勞性骨折有關(guān)。骨折有關(guān)。第46頁，共64頁。（3）應(yīng)力性骨折（疲勞性骨折）的預(yù)防）應(yīng)力性骨折（疲勞性骨折）的預(yù)防主要預(yù)防原則如下：主要預(yù)防原則如下： 避免長時間高頻率的單一負(fù)重的跑跳訓(xùn)練。避免長時間高頻率的單一負(fù)重的跑跳訓(xùn)練。 正確選擇運(yùn)動場地。過硬的運(yùn)動場地，往往是應(yīng)力正確選擇運(yùn)動場地。過硬的運(yùn)動場地，往往是應(yīng)力性骨折的重要誘發(fā)因素。性骨折的重要

33、誘發(fā)因素。 充分的準(zhǔn)備活動。使肌、肌腱得到舒張、伸展，提充分的準(zhǔn)備活動。使肌、肌腱得到舒張、伸展，提高其柔韌性和抗疲勞的能力。高其柔韌性和抗疲勞的能力。 早期發(fā)現(xiàn)，早期處理。早期發(fā)現(xiàn)，早期處理可以有早期發(fā)現(xiàn)，早期處理。早期發(fā)現(xiàn)，早期處理可以有效地預(yù)防應(yīng)力性骨折的發(fā)生。效地預(yù)防應(yīng)力性骨折的發(fā)生。 飲食調(diào)節(jié)增加膳食中鈣及蛋白質(zhì)等的攝人量。飲食調(diào)節(jié)增加膳食中鈣及蛋白質(zhì)等的攝人量。第47頁，共64頁。六、骨的功能適應(yīng)性（一）骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性骨是有生命的材料。隨著它受到的應(yīng)力和應(yīng)變情況，通過自身修復(fù)來改變其性質(zhì)和外形，實現(xiàn)外表的再造。第48頁，共64頁。（二）骨組織結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性（二）骨組織結(jié)構(gòu)

34、的功能適應(yīng)性骨骼組織為了適應(yīng)各種力學(xué)功能的需要，不僅骨骼組織為了適應(yīng)各種力學(xué)功能的需要，不僅在形態(tài)結(jié)構(gòu)作了最佳搭配，而且對自身的組織結(jié)構(gòu)也在形態(tài)結(jié)構(gòu)作了最佳搭配，而且對自身的組織結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化組合。進(jìn)行了優(yōu)化組合。體內(nèi)骨組織的形成、發(fā)展方式與其所受的應(yīng)力有體內(nèi)骨組織的形成、發(fā)展方式與其所受的應(yīng)力有關(guān)。關(guān)。例如骨組織的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部應(yīng)力分布有關(guān)，應(yīng)力大的例如骨組織的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部應(yīng)力分布有關(guān)，應(yīng)力大的部位骨組織密度大，應(yīng)力小的部位骨密度小。部位骨組織密度大，應(yīng)力小的部位骨密度小。骨組織能用最少的骨量來滿足運(yùn)動所需的骨強(qiáng)度。骨組織能用最少的骨量來滿足運(yùn)動所需的骨強(qiáng)度。第49頁，共64頁。（三）骨塑形

35、、骨重建和年齡相關(guān)性骨丟（三）骨塑形、骨重建和年齡相關(guān)性骨丟失失 骨塑形系指改變骨的形狀，骨塑形系指改變骨的形狀，骨重建則是骨轉(zhuǎn)換的一種特殊形式。骨重建則是骨轉(zhuǎn)換的一種特殊形式。在生長期幾乎所有的骨面都在進(jìn)行骨吸收和骨形成，以適在生長期幾乎所有的骨面都在進(jìn)行骨吸收和骨形成，以適應(yīng)骨長長和長粗的需要。應(yīng)骨長長和長粗的需要。當(dāng)骨生長結(jié)束后，骨的形成與吸收仍在進(jìn)行，為骨當(dāng)骨生長結(jié)束后，骨的形成與吸收仍在進(jìn)行，為骨重建。重建。3040歲后，骨形成的速率慢于骨形成，最終的結(jié)果是骨歲后，骨形成的速率慢于骨形成，最終的結(jié)果是骨量隨年齡的增加而降低，骨脆性增加。量隨年齡的增加而降低，骨脆性增加。第50頁，共6

36、4頁。七、骨生物力學(xué)的常用指標(biāo)七、骨生物力學(xué)的常用指標(biāo) 骨的材料特性：骨的材料特性：常用的指標(biāo)有最大載荷、常用的指標(biāo)有最大載荷、彈性載荷、彈性載荷、最大撓度和最大撓度和彈性撓度。彈性撓度。 骨的結(jié)構(gòu)特性：骨的結(jié)構(gòu)特性：常用的指標(biāo)有最大應(yīng)力、常用的指標(biāo)有最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大應(yīng)變和彈性應(yīng)變。彈性應(yīng)變。第51頁，共64頁。八、骨質(zhì)疏松癥與運(yùn)動防治八、骨質(zhì)疏松癥與運(yùn)動防治（一）定義（一）定義：骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少、骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化為特骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少、骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化為特征，以致骨的脆性增高而使骨折危險性增加的一種全身骨征，以致骨的脆性增高而使骨折危險性增加的一種全

37、身骨代謝障礙性疾病。代謝障礙性疾病。其特點是：其特點是： 1.骨量減少：是指骨礦物質(zhì)和骨基質(zhì)等比例的減少。骨量減少：是指骨礦物質(zhì)和骨基質(zhì)等比例的減少。 2.骨微結(jié)構(gòu)退變：表現(xiàn)為骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞、骨小梁變細(xì)和骨微結(jié)構(gòu)退變：表現(xiàn)為骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞、骨小梁變細(xì)和斷裂、骨皮質(zhì)變薄等。斷裂、骨皮質(zhì)變薄等。 3.骨強(qiáng)度下降。骨強(qiáng)度下降。第52頁，共64頁。（二）分類（二）分類 根據(jù)疾病發(fā)生的原因可將骨質(zhì)疏松分為三大類：根據(jù)疾病發(fā)生的原因可將骨質(zhì)疏松分為三大類： 1.原發(fā)性骨質(zhì)疏松原發(fā)性骨質(zhì)疏松：包括：包括 I型骨質(zhì)疏松癥型骨質(zhì)疏松癥：女性絕經(jīng)后雌激素水平降低所致。：女性絕經(jīng)后雌激素水平降低所致。 型骨質(zhì)疏松癥

38、型骨質(zhì)疏松癥：一般發(fā)生在：一般發(fā)生在60歲以上老年人，歲以上老年人，與增齡有關(guān)。與增齡有關(guān)。2.繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥：常繼發(fā)于內(nèi)分泌性疾病、：常繼發(fā)于內(nèi)分泌性疾病、骨髓增生性疾病等其他疾病。骨髓增生性疾病等其他疾病。3.特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥 多見于多見于814歲的青少年或歲的青少年或成年，多半有遺傳家族史，女性多于男性。成年，多半有遺傳家族史，女性多于男性。第53頁，共64頁。（三）臨床表現(xiàn)（三）臨床表現(xiàn)1.腰背部疼痛腰背部疼痛是骨質(zhì)疏松癥最常見的癥狀，以腰背痛多見。是骨質(zhì)疏松癥最常見的癥狀，以腰背痛多見。2.身高縮短或駝背畸形身高縮短或駝背畸形是骨質(zhì)疏松癥的主要臨床表

39、現(xiàn)。是骨質(zhì)疏松癥的主要臨床表現(xiàn)。3.骨折骨折是骨質(zhì)疏松癥常見的并發(fā)癥，往往在輕微的活動中，就可發(fā)是骨質(zhì)疏松癥常見的并發(fā)癥，往往在輕微的活動中，就可發(fā)生骨折。生骨折。骨折最常發(fā)生于腰椎、腕部和髖部。骨折最常發(fā)生于腰椎、腕部和髖部。第54頁，共64頁。（四）診斷（四）診斷 目前，對骨質(zhì)疏松癥的診斷尚無完全統(tǒng)一的目前，對骨質(zhì)疏松癥的診斷尚無完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。在診斷時可以結(jié)合多種方法手段進(jìn)行。在診斷時可以結(jié)合多種方法手段進(jìn)行。 1.診斷原則診斷原則以骨密度減少為基本依據(jù)，并以骨密度減少為基本依據(jù)，并參考病史、生化指標(biāo)和骨折進(jìn)行綜合考慮。參考病史、生化指標(biāo)和骨折進(jìn)行綜合考慮。 2.診斷標(biāo)準(zhǔn)診斷標(biāo)準(zhǔn)我

40、國現(xiàn)試行的骨質(zhì)疏松癥診斷我國現(xiàn)試行的骨質(zhì)疏松癥診斷標(biāo)準(zhǔn)以骨密度儀所檢測的骨密度值為主要依據(jù)，同標(biāo)準(zhǔn)以骨密度儀所檢測的骨密度值為主要依據(jù)，同時參考世界衛(wèi)生組織時參考世界衛(wèi)生組織(WHO)的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國種的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國種族、性別、地區(qū)的峰骨量制訂的。族、性別、地區(qū)的峰骨量制訂的。第55頁，共64頁。（五）治療 1.治療目的：是阻止病變發(fā)展，增加骨質(zhì)量，減少骨折發(fā)生率，緩解骨痛，改善功能，提高生活質(zhì)量。 2.治療對象： 絕經(jīng)期骨量快速丟失，骨密度測定，低于峰值骨量22.5SD； 骨密度降至骨折閾值； 已有脆性骨折； 長期服用或注射導(dǎo)致骨量丟失的藥物，如強(qiáng)的松；已存在繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥。第56頁，共64頁。（六）骨質(zhì)疏松癥的運(yùn)動防治（六）骨質(zhì)疏松癥的運(yùn)動防治 1.運(yùn)動防治的原理運(yùn)動防治的原理 可概括為以幾方面