骨的生物力学

骨的生物力学河南中医学院第一附属医院康复中心郭健学习目标1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形；2.掌握骨的功能适应性原则；3.熟悉骨的生物力学特征；4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理；5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。学习内容一、骨的承载能力二、骨的载荷与变形三、骨的应力与应变四、骨的生物力学特性五、骨折的生物力学六、骨的功能适应性七、骨生物力学指标八、骨质疏松症运动防治骨的生物力学一、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。二、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的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。（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。1.拉伸载荷(图a)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。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。2.压缩载荷(图b)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。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(图c)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。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.剪切载荷(图d)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。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。5.扭转载荷(图e)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。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。6.复合载荷(图f)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合作用的结果。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。（二）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、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。★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。★骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。★在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要。★当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。★如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为弹塑性。★钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。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‘sModules)，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）骨应变能量概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。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。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。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。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1）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。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：①结构在破坏前所能承受的载荷;②结构在破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。2）骨的刚度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。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：①.压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；②.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、形状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。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，骨组织增生和骨密质增厚越明显。8.骨是人体理想的结构材料骨具有强度大质量轻的特点。（二）骨受载时的生物力学特性1.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，骨的增生和密度越大，最终，又提高了骨的生理应力能力。1）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。2）松质骨对应力的反应：骨松质的疏松度为30％～90％，其应力—应变特征与密质骨有很大差异。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，低于应变水平。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，其应变超过原长的2％时就发生断裂，而骨松质的应变超过7％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。3.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。（1）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。2).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。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；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、方向和力的类型。3）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，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。五、骨折的生物力学骨的完整性或连续性中断时称骨折。其常见原因有直接暴力、间接暴力、肌拉力、积累劳损及骨骼疾病。骨折往往与骨所受的拉伸、挤压、弯曲等载荷密切相关。(一)骨的受载形式与骨折类型的关系如前所述，在日常生活及运动中骨常受到拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转载荷和复合载荷，并产生各种变形。当骨的载荷超过了其生理承受极限时便会产生各种相应类型的骨折。因此，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、旋转和压力联合弯曲5种基本形式所致的骨折。这些类型的骨折与临床上所观察到的骨折类型相一致，只不过临床上常见的骨折往往是由多种负荷所致，其骨折类型也更为复杂多样，尤其在高能量负荷的作用下，由于应变率很快，则有可能引起严重的粉碎性骨折。由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类型。五、骨折的生物力学骨的完整性或连续性中断时称骨折。常见原因有：直接暴力、间接暴力、肌拉力、积累劳损及骨骼疾病。(一)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，一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲5种基本形式所致的骨折。（二）骨折的生物力学原理1.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。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。2.骨受压缩载荷所致的骨折其机制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，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。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。3.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。4.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，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断裂。5.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。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