人体生物力学基本原理与方法

人体生物力学基本原理与方法郑诚功北京航空航天大学千人计划特聘教授台北阳明大学特聘讲座教授外科植入物行业协会-第一次技术培训2015,7/8-11北京生物力学静力学动力学材料力学生理学解剖学2人体组织•硬组织–骨骼系统•软组织–皮肤–肌肉–韧带–肌腱–软骨–神经3://://://人体组织的力学特性-黏弹性质•与虎克定律类似•定义–随时间改变•施力速度•应变率–潜变(Creep)–应力松弛(Stressrelaxation)=2005&f_submit=one&f_absid=100741施力速度的影响施力速度慢组织越软施力速度快组织越硬应变率的影响6潜变(Creep)•固定力量–应变逐渐升高://wweb.uta.edu/faculty/ricard/Classes/KINE-3301/Notes/Lesson-14.html应力松弛(Stressrelaxation)•固定应变–应力逐渐降低://wweb.uta.edu/faculty/ricard/Classes/KINE-3301/Notes/Lesson-14.html牵拉运动(Stretching)•应力松弛•拉长肌肉=给予一应变–肌肉变松=肌肉张力下降://wweb.uta.edu/faculty/ricard/Classes/KINE-3301/Notes/Lesson-14.html组织的重塑(Remodeling)•定义–改变大小,外形及结构•沃尔夫定律(Wolff’slaw)–骨骼会依其所受到之力量，重塑其结构，使其能承受该力量造成之形变•影响因子–老化–功能性适应沃尔夫定律(Wolff’slaw)://老化•骨质降低–骨质疏松•硬度变高–杨氏模数变大Nordin,M,&Frankel,VH,Basicbiomechanicsofthemusculoskeletalsystem,2001.功能性适应•长时间失去功能或是固定–肌肉萎缩•运动训练–肌力训练：增加肌肉纤维的截面积–牵拉运动•应加肌肉柔软度•维持关节活动://efficientexercise.com/physical-strength-aging-whats-metric/人体内的重要系统•骨骼肌肉系统–骨(bone)–关节软骨(articularcartilage)–韧带(ligament)–肌肉(muscle)–关节(joint)14骨骼的形状与功能•人体各种骨头几何形状的不同，有解剖功能上的差异。•就长骨为例，皆为中空圆柱形的构造15骨骼的重塑现象•人类髋关节股骨的形状自幼儿开始至成人，一直在改变•大转子的形状，以及其与股骨头中心距亦随着年龄、身高与体重而改变16骨的组成–水:25%的新鲜骨头重–胶原纤维:25-30%的干骨重–Ca10(PO4)6(OH)2–巨观分类•皮质骨(corticalbone)•松质骨(cancellousbone)17骨的非等向性及非线性的材料特性18关节软骨的组织–proteoglycan(PG):3-10%湿重–胶原纤维:10-30%净重–水:60-87%19关节软骨的潜变(creep)现象20Nordin,M,&Frankel,VH,Basicbiomechanicsofthemusculoskeletalsystem,2001.关节软骨的应力松弛(stressrelaxation)现象21Nordin,M,&Frankel,VH,Basicbiomechanicsofthemusculoskeletalsystem,2001.软骨的材料性质•椎间软骨–因体重的关系而被稍微压扁–夜晚睡眠时，负荷减轻，水分回到软骨之中，使之恢复原来厚度•早上身高较高22韧带的组成•胞内基质：20%•胞外基质:80%–水:70%–Collage,groundsubstanceandelastin:30%23韧带的力学行为•受力-延长曲线1)Primaryortoeregion2)Linearregion3)Maximumload24韧带的黏弹性质•潜变•应力松弛现象•弛滞现象(Hysteresis)25软组织重塑•圆韧带功能性增生–体积及截面积增加–较大胶原纤维分布区股骨头缺血性坏死取下之标本ChenHHetal.,ClinOrthopRelRes,1996.26牵引治疗•骨骼牵引速度较慢=使力量可以均匀传递•固定受力仍有牵引效果=黏弹性质27温度对组织的影响•骨骼肌肉系统组织的材料性质也与温度有关•运动前做暖身运动，可以升高组织的温度•在较高的温度，黏滞性降低，比较不会有组织沾黏的现象，也就能降低运动伤害发生的机会28负荷速度的影响•快：弹性•慢：黏性•慢跑及快跑时，肌肉或肌腱拉伤的位置会不同29://关节(Joints)•由两块以上骨头所以形成•分类–功能•不动(immovable)•微动(slightmovable)•可动(fullymovable)–结构•纤维关节：颅骨骨缝，…•软骨关节：耻骨联合，…•滑液关节：髋关节，…://educacionfisicamaruxamallo.wikispaces.com/The+human+body.滑液关节分类(I)•滑动关节(glidingplanejoint)•椭圆关节(ellipsoidal/condyloidjoint)31滑液关节分类(II)•绞链关节(hingejoint)•鞍状关节(saddlejoint)32滑液关节分类(III)•车轴关节(pivotjoint)•球窝关节(ball-and-socketjoint)33关节稳定度•防止关节有不正常的活动–位移或是转动•两大关节–髋关节•由于骨头间接触面积大，因此较稳定•少量的滑动–肩关节•骨头间接触少，较不稳定•可有较大的滑动•稳定度柔软度://关节的活动•运动学(kinematics)–矢状面•屈曲/伸直(flexion/extension)–冠状面•内收/外展(adduction/abduction)–横切面•内转/外转(internalrotation/externalrotation)•动力学(kinetics)–关节反作用力–肌肉、韧带力量http:/