生物力学复习资料-广中医

生物力学的分类

按传统力学的分类方法分为生物固体力学、生物流体力学、生物运动力学。

从医学应用角度和理论研究的科学分类分为组织与器官力学、血流动力学、生物热力学。

生物力学的发展特点

1.内涵扩大

2.有机融合性

3.微观深入

4.宏观-微观相结合

5.多学科交叉

应力

作用在物体某截面的单位面积上的内力。

当物体受拉力作用时是张应力，当物体受压力作用时是压应力。

应变

物体在正应力的作用下单位长度的改变量。

物体受张应力的作用而伸长，为张应变；物体受压应力的作用而缩短，为压应变。

弹性模量

在材料弹性极限范围内，材料的应变和应力是正比关系，这一规律称为胡克定律。弹性模量为该比例系数。

黏弹性材料的特性

1.蠕变现象：材料在恒定应力的作用下，开始有一迅速的较大的应变，随后有一缓慢的逐渐增加的应变过程，直到具有恒定应变量的平衡状态；

2.应力松弛现象：材料在产生恒定应变时，黏弹性材料最初产生的高应力开始会随着时间快速减小，随后随时间缓慢减小直至达到恒定值；

3.滞后现象：材料加卸载的应力-应变关系曲线不重合。

刚度：抵抗变形的能力。

强度：抵抗破坏的能力。

韧性：材料在外力作用下发生断裂前所能达到的最大变形程度。

稳定性：构件承受载荷作用时在其原有形状下保持为稳定的平衡的能力。

Wolff定律/骨变化定律：骨功能的每一改变，都按照数学法则，以某一定的方式改变其内部结构和外部形态，即骨的外部形态和内部结构反映了其功能。

骨的功能适应性表现为黏弹性、各向异性、壳形（管形）结构、均匀强度分布。

骨力学性能的影响因素

1.骨的成分因素：孔隙率、矿化、密度

2.骨的结构因素：骨小梁结构、皮质骨结构、胶原纤维定向排列、疲劳

3.运动负荷

4.年龄和衰老

骨痂形成和修复包括炎症、软骨痂、硬骨痂和塑形期4期

张力带原则要满足以下3个条件：

1.骨和骨折能够承受压力；

2.固定器械能够承受张力；

3.张力带对侧（即压力侧）必须有完整的骨皮质支撑。

应力遮挡：骨折运用固定器械固定之后，这两种或两种以上具有不同弹性模量的材料(骨和固定系统之间)就随之组成一个机械系统，

由于固定材料的弹性模量较高（其中不锈钢的弹性模量为骨骼的12倍，钛合金为6倍），加载后则会出现弹性模量较大的固定材料承担更多的负荷来保护另一个具有较低弹性模量的材料，从而使后者所承担的载荷减少。

应力集中：由于截面尺寸改变而引起的应力局部增大的现象。

在长斜形骨折中，当沿骨纵轴存在外力时，螺钉的最佳拧入角度为骨折线和纵轴线夹角的中分线。

钢板的功能包括：中和、支撑、加压、抗滑、桥接和张力带。

钢板的张力带固定必须满足四个条件：

1.骨折发生在有偏心负荷的骨骼，如股骨

2.钢板必须放在张力侧

3.钢板必须能承受张力作用

4.钢板对侧的皮质必须能承受加压力（最好是皮质完整或能提供骨性支撑），这一点至关重要。

弹性固定准则/顾孟准则：

1.固定稳定；

2.非功能替代；

3.断端生理应力。

夹板外固定治疗骨干骨折的力学分析

夹板外固定的力学效应分为外固定力和内部稳定因素。

外固定：

1.布带约束力；

2.夹板的弹性固定力；

3.纸垫的效应力。

内部因素：

1.肌肉的收缩力；

2.软组织的束缚力；

3.骨折端间的啮合力。

关节具有共同的特征：

1.运动灵活性强。可做三维方向的屈曲和旋转，并且往往是多种运动同时发生；

2.关节囊摩擦系数小，而且有较强的耐磨性；

3.关节不但有一定的强度、刚度，而且有一定的稳定性。

维持关节的稳定性有三个主要因素：

1.组成关节的关节面的构造形式，骨骼的协调和稳定；

2.韧带维持的静态稳定作用；

3.关节周围的肌肉起到的动态稳定作用。

关节的基本结构：关节面、关节囊和关节腔

关节的辅助结构：韧带、关节内软骨和关节盂缘。

在这些结构中，维持关节灵活性的因素主要是：关节面、关节腔、滑膜层和关节腔内的滑液；关节稳定性的因素主要是：关节囊、韧带、关节盂缘及关节腔内的负压。这两个方面的因素相互制约，相互依存，实现关节的运动功能。

两关节面弧度差越大，这个关节的运动幅度也大。

肩关节由肩胛骨的关节盂和肱骨头构成，是典型的球关节。

肱骨头为球形的关节面，肱二头肌的长头腱跨过结节间沟，随肱骨内收、外展、旋转的活动而上下滑行，因此，导致结节间沟变窄的因素均可引起肱二头肌腱鞘炎的发生。

肩关节的关节囊为纤维组织构成的松弛囊，由于囊松弛，关节盂较浅，因此肩关节的稳定性主要依赖于韧带和盂肱关节周围的肌肉群。但因其下方肌肉较少，关节囊较弱，因此常发生前脱位。

正常髋关节的稳定性依靠髋臼的形态和方向、髋臼对股骨头的覆盖以及髋关节周围肌肉的动力平衡等。髋臼盂唇加深了髋臼，增加了关节稳定性。

当双腿平衡站立时，股骨头承担上身和上肢的重量。由解剖学可知上身及上肢重约为体重的2/3，即作用在单侧股骨头上的力为体重的1/3。试验证明：单腿站立时作用在股骨头上的力为体重的2.6倍，在慢步行走时为体重的1.6倍，在跑步时约为5倍。

股四头肌角（Q角）：股四头肌的力线与髌腱纵轴线之间存在的外翻角度，因此髌骨存在着向外侧移位的倾向。

半月板把压力分散到胫骨平台上。

踝关节的稳定性

(1)背伸:

1.骨的影响：当背伸到极致，距骨颈的上表面与胫骨的前缘接触，限制背伸的运动幅度，否则会引起距骨颈骨折；

2.关节囊和韧带的影响：背伸时关节囊和并行韧带的后纤维被拉紧，限制背伸的幅度；

3.肌肉的影响：肌肉常在其他两个因素之前就开始限制踝关节的背伸运动，参与的肌肉主要是比目鱼肌和腓肠肌。

(2)跖屈：

1.骨的影响:距骨的后结节（尤其是后外结节）压在胫骨表面的后缘限制踝关节的跖屈；

2.关节囊和韧带的影响：关节囊前缘和并行韧带的前纤维被拉紧；

3.肌肉的影响：背屈肌的强直收缩而产生的阻力是第一个限制因素。

椎间盘的特性

1.压缩特性：首先发生破坏的是椎体而不是椎间盘。

2.张力特性：椎体前后部位的椎间盘强度比两侧的高，中间的髓核强度最低。沿纤维走向的强度是水平方向强度的3倍。

3.弯曲特性：引起椎间盘损伤的主要原因是弯曲及扭转载荷而不是压应力载荷。在脊柱侧弯时，椎间盘向凹侧膨出。卧平板床或轻度屈曲脊柱可防治腰腿痛。

4.扭转特性：大的椎间盘有较大的抗扭转强度，圆形的椎间盘比椭圆形的抗扭转强度高。

5.剪切特性：水平剪切强度高，表明单纯的剪切暴力很少造成纤维环破裂。

6.松弛和蠕变特性：退变的椎间盘吸收冲击的能力减弱，也不能将冲击均匀地分布到软骨终板。

7.滞后特性：反复的冲击载荷对椎间盘有害。汽车驾驶员的腰椎间盘脱出发病率高，可能就是由于反复承受轴向震动。

8.疲劳耐受

9.椎间盘内压

10.自动封闭现象

椎体

皮质骨：椎体是脊柱的主要负载成分，40岁前，皮质骨壳承载45%而松质骨核承载55%，40岁后，皮质骨壳承载65%而松质骨核承载35%，说明随年龄改变，椎体的韧性不断降低而脆性不断升高。

松质骨：椎体损伤首先发生皮质骨的断裂而不是松质骨的显微骨折。

脊柱的韧带

7条，前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、关节囊韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带。

脊柱的运动

颈椎

运动方式：屈伸活动（Qx）发生在枕寰和寰枢，轴向旋转（Qy）发生在寰枢，侧屈活动（Qz）发生在枕寰。

耦合特征：棘突向侧弯的相反方向移动。

腰椎

耦合特征：与颈胸椎脊柱不同的是轴向旋转伴侧弯时，棘突偏向侧弯相同的方向。

稳定性脊柱的三柱概念

前柱——前纵韧带、椎体及椎间盘的前2/3部分

中柱——后纵韧带、椎体及椎间盘的后1/3部分

后柱——椎后韧带复合结构

脊柱的稳定性：脊柱维持自身生理平衡位置的能力。

脊柱临床不稳定：生理载荷下，失去保持脊椎骨之间的相互关系的能力，损坏和刺激脊髓和神经根，并且发生由于结构变化而引起的不允许的变形和疼痛。

生理载荷是指患者正常活动时承受的载荷；不允许的变形是指患者感到不能承受的最大的变形；不允许的疼痛是指非麻醉药物不能控制的疼痛。

为了保持临床稳定性，必要的解剖结构应当是全部前部元素加一个后部的元素，或全部后部元素加一个前部的元素。

脊柱侧弯：脊椎骨之间或之内不正常的变形，既在正面有过多的弯曲，又在不当的方向上绕竖直轴的转动太大。

脊柱侧弯的临床表现：椎骨之间的相对位置不正常、椎骨变形、额面过度弯曲、绕轴转动方向不正常、一侧椎弓宽而另一侧椎弓窄、中间的横突不对称、棘突发生弯曲且不在中线上、椎板及椎体不对称。

Cobb角：在上终椎椎体上缘及下终椎椎体下缘各画一平线，对这两条线各作一垂线，这两条垂线的夹角就是Cobb角。

轴向力使脊柱拉长，以矫正角度。这种角度的修正，主要是通过椎间盘之间空间不同引起的弯矩，而非通过张力来实现的。

轴向力和径向力一起作用是有利的。轴向分量在变形较大时提供大部分矫正弯矩，而径向分量在变形轻微时起矫正作用。

P95图

脊柱的功能单位：也叫运动单位，是表现整个脊柱生物力学特性的最小单位，由相邻椎体和连接它们的韧带组织构成（胸椎还包括肋椎关节），脊柱由多个运动单位连接而成，所以它的整体特征是由单个运动单位组合而成。

软组织的生物力学特性

1.非线性：不服从胡克定律。

2.加载试验时的预调：多次重复加载使加载卸载曲线接近重叠，称为预调。

3.黏弹性：应力-应变曲线滞后、应力松弛、蠕变。

肌肉的生物力学特性

并联弹性元：肌肉在完全松弛后的力学性质。

串联弹性元：肌浆球蛋白微丝、肌动蛋白微丝与连接两种微丝的横桥组成的结构的力学性质。

血管的生物力学特性

1.血管壁的黏弹性；

2.血管的体膨胀系数、顺应性；

3.血管壁的张力。

关节软骨的生物力学特性

1.关节软骨的渗透性

2.非线性

3.黏弹性

4.润滑作用

5.磨损

流体的三大特性：流动性、黏滞性和可压缩性。

流线密集，流速较大；流线系数，流速较小。

流体的连续性方程说明：不可压缩的流体作稳定流动时，单位时间内通过同一流管各横截面的体积相等，且等于常量。流速与横截面积成反比，截面面积大处流速小，截面面积小处流速大。S1v1=S2v2Sv=常量

伯努利方程说明：理想流体在流管中作稳定流动时，单位体积的动能、重力势能以及该点的压强能之和为一常量。ρv2/2与流速有关称为动压，P和ρgh与流速无关称为静压。P1+ρv12/2+ρgh1=P2+ρv22/2+ρgh2P+ρv2/2+ρgh=常量

如果流体在水平管中流动（h1=h2）那么P+ρv2/2=常量。可以看出，在水平管中流动的流体，流速小的地方压强较大，流速大的地方压强较小。

层流：流体分层流动，相邻两层流体之间只作相对滑动，流层间没有横向混杂。

湍流：当流体的速度超过一定数值时，流体不再保持分层流动，而向各个方向运动，在垂直于管轴的方向上有分速度，因而各流体层混淆，形成漩涡，整个流动显得杂乱而不稳定。

内摩擦力/黏滞力：流体作层流时，相邻两层流体作相对滑动，两层之间存在着切向的相互作用力。

雷诺数R e=ρvr/ηR e<1000时流体作层流R e>1500时流体作湍流1000

微循环包括小动脉、毛细血管和小静脉。

微循环的流动效应

1.分层效应——血浆层与红细胞径向迁移

2.分流效应——血浆撇取效应与Fahraeus效应

3.管径效应——Fahraeus-Lindvist效应、∑效应、毛细血管的逆转现象

4.管壁效应

正间隙流动：当红细胞模型直径小于管径时，管内流动的红细胞模型基本不变形，或在流速较高时才有较小变形。

负间隙流动：当红细胞模型直径大于管径时，流入管内的红细胞模型严重失稳变形，前沿凸出，后沿凹陷，呈弹头形，且总是侧着进入管口。

血浆层的润滑原理：壁面切应力不仅不起阻碍红细胞运动的作用，反而推进红细胞向前运动，使流动阻力减，即是说，间隙中的血浆倒流，对红细胞起润滑作用。

在心室收缩主动脉瓣开启后，血液从左心室射出，这时主动脉和其他大动脉中的血压上升；而在舒张时，心脏停止射血，主动脉和其他的大动脉中的压力下降。压力的上升与下降伴随着血管膨胀-回弹式的周期振荡。血管的周期振荡，对应于心动周期的周期振荡。血液的流动是不定常的脉动流。

血液的流动区别于水的流动是血液具有明显的黏滞性。