骨運動學骨的運動適應性

關于骨運動學骨的運動適應性骨的運動學基礎內(nèi)容骨的運動適應性第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天骨的生物力學特性1骨的功能適應性2

二、骨的運動適應性

第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（一）骨的生物力學特性

1.骨的承載能力

衡量骨承載能力的三要素：

第一，要求骨有足夠的強度。即指骨在承載負荷的情況下抵抗破壞的能力。

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。

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。第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

2.骨的載荷及變形人體在日常生活與運動中都會對機體的每塊骨產(chǎn)生復雜的力。即骨會承受來自多方的不同形式的載荷。第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（1）骨的載荷

人體在運動或勞動時，骨要承受不同方式的載荷。當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和復合f等載荷。第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

1）拉伸載荷

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)生拉應力和應變，使骨伸長并同時變細。例如在進行吊環(huán)運動時上肢骨被拉伸。

第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2）壓縮載荷

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。該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應力和應變。如舉重運動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3）彎曲載荷

是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。例如當脊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)生拉應力和拉應變，另—側(cè)則產(chǎn)生壓應力和壓應變，在中性軸上則沒有應力和應變。應力的大小與至骨骼中性軸距離成正比，即距中性軸越遠，其應力就越大。第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4）剪切載荷

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)生剪切應力和應變。例如車床剪切斷肢體時即為剪切載荷。第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5）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。在生理狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)載荷常見于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動中。當骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應力便分布在整個骨骼結(jié)構(gòu)中。第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天6）復合載荷

人體在運動時，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時又受到多種不定的載荷，往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復合載荷。如人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復合。像跌倒后發(fā)生的橈骨遠端骨折，便是既有剪切力又有壓縮力等多種力綜合作用的結(jié)果。第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天持續(xù)載荷對骨也會產(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)生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時（6～8小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。一般而言，骨承受壓力負荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。骨所受的正常生理負荷是這些力的綜合。第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（2）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，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。第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3.骨的應力與應變骨力學包含二個最基本的元素，即應力和應變。（1）骨的應力

概念：當外力作用于骨時，骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應力。特點：應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/平方米。

計算公式：第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相應的應力，如壓應力、拉壓力等。

作用：應力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應力不足會使骨萎縮，應力過大也會使骨萎縮。因此，對于骨來說，存在一個最佳的應力范圍。第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

（2）應變

概念：骨的應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，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示。

由壓力、形變和樣本的大小計算出應力和應變的大小

當骨承受了很重的力并超出其耐受應力與應變的極限時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（3）應力-應變曲線表示應力和應變之間的關系。應力-應變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)和塑性變形區(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）。彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱屈服點。該點對應的應力是產(chǎn)生骨最大應力的彈性形變，亦稱為彈性極限。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。當載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

★導致骨折所需的應力叫骨的最大應力或極限強度?！镌趹?應變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量（Young’sModules），表示材料抗形變的能力。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應變所需的應力越大。

第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

（4）骨應變能量

概念：達到極限負荷時的應力-應變曲線下面積,表示導致骨折所需要的能量。一般骨的生理負荷使骨產(chǎn)生彈性變形，是彈性區(qū)內(nèi)骨所能承受應力的大小。當外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時被骨釋放，使骨恢復原狀。但當骨不斷受到外力重復作用時，其應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)，臨床上則表現(xiàn)為疲勞性骨折。第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4.骨的生物力學特性包括骨的材料力學特性和結(jié)構(gòu)力學特性。骨的材料力學特性：是指骨組織本身的力學性能，與骨的幾何形狀無關。骨的結(jié)構(gòu)力學特性：是指整個骨結(jié)構(gòu)的力學性能，不但與骨的材料力學特性有關而且受骨的幾何特性即形狀、尺寸等的影響。第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（1）骨組織的基本生物力學特性

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，其不同方向的力學性質(zhì)不同，即各向異性。2）彈性和堅固性

骨的有機成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，并具有抗張能力。骨的無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性，具有抗壓能力。

第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3）抗壓力強、抗張力差

骨對縱向壓縮的抵抗最強，即在壓力情況下不易損壞，在張力情況下易損壞。

4）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、耐疲勞性能較差。5）應力強度的方向性

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。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力的反應在不同方向各不相同。第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

6）骨的強度和剛度①骨強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)強度的三個參數(shù)是：a.結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的載荷，

b.結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的變形，

c.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24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

影響骨強度與剛度的因素有：①壓應力――肌收縮時所產(chǎn)生的壓應力能防止拉伸骨折的發(fā)生；②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度和剛度。如骨試件在壓縮時，骨的橫截面面積越大，強度和剛度也越大。破壞載荷及剛度的大小與橫截面積成正比。第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天7）機械力對骨的影響

機械應力與骨組織之間存在著生理平衡。骨對生理應力刺激的反應是處于動態(tài)平衡狀態(tài)，應力越大，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)材料骨具有強度大質(zhì)量輕的特點。第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

（2）骨受載時的生物力學特性

1）骨對應力的反應

骨對生理應力刺激的反應一般處于平衡狀態(tài)，應力越大，骨的增生和密度越大，最終，又提高了骨的生理應力能力。

密質(zhì)骨對應力的反應：密質(zhì)骨具有很高的強度，其抗壓強度大于骨松質(zhì)，可承受較大的壓縮應力。第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天松質(zhì)骨對應力的反應：骨松質(zhì)的疏松度為30％～90％，其應力—應變特征與密質(zhì)骨有很大差異。松質(zhì)骨在屈服之后，骨小梁進行性斷裂，使拉力負荷很快減低，低于應變水平。松質(zhì)骨在拉力負荷下的能量吸收能力明顯降低。第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2）骨密質(zhì)在受載時的生物力學特性

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)在斷裂前應變較小，其應變超過原長的2％時就發(fā)生斷裂；而骨松質(zhì)的應變超過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。

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3）骨松質(zhì)在受載時的生物力學特性

骨松質(zhì)具有多孔結(jié)構(gòu)而具有較高的能量儲存能力。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30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)特征與應力適應性★骨松質(zhì)的網(wǎng)格形式與其結(jié)構(gòu)密度有密切關系。不同部位骨松質(zhì)具有著不同類型的顯微結(jié)構(gòu)?！锕撬少|(zhì)的結(jié)構(gòu)密度與其所受的應力大小成正比，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)；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。★骨小梁的排列方向依賴于作用在骨松質(zhì)上的應力的大小、方向和力的類型。第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

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，最后速度又變快。第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

5.骨折的生物力學

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33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

（1）骨的受載形式與骨折類型的關系

常見的骨折類型與骨所受載荷的形式有關，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。

第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（2）骨折的生物力學原理

1）骨受拉伸載荷所致的骨折

其斷裂的機理主要為骨組織結(jié)合線的分離和骨單位的脫離。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。第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2）骨受壓縮載荷所致的骨折

其機理主要是骨單位的斜行破裂。如運動員在單杠失手或跳傘落地技術不正確時所導致的胸腰椎骨折，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36頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

3）骨受剪切載荷所致的骨折

當一對相距很短、方向相反的力的作用于骨時，往往會產(chǎn)生剪切骨折。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

當骨骼的彎曲載荷承受極限超出外力的突然襲擊時，造成拉應力大于壓應力，發(fā)生骨組織的彎曲斷裂。

第37頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

5）骨受復合載荷所致的骨折

骨受到多種不定的載荷的作用而致的骨折。臨床所見骨折的形式也較為復雜。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，都屬于復合載荷狀態(tài)下所導致的骨折類型。第38頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

6）骨松質(zhì)的微細骨折