第三章 第一节 骨的生物力学特性
骨骼的生物力学
骨骼模型在人体工程学、康复医学、假肢设计等领域有广泛应用， 为相关研究和产品设计提供依据。
骨骼模型的验证与优化
通过实验数据验证模型的准确性和可靠性，并根据实际需求对模型 进行优化和改进。
假肢设计的生物力学基础
假肢设计的需求分析
01
了解截肢者的功能需求和身体状况，为个性化假肢设计提供依
高精度测量技术
研发高精度、非侵入性的测量 技术，用于实时监测骨骼的力
学状态和变化。
创新实验方法
发展新型实验方法，模拟人体 骨骼在不同生理和病理状态下 的力学行为。
数据处理与分析
建立高效的数据处理和分析方 法，处理大规模的生物力学数 据，挖掘其中有价值的规律和 信息。
伦理与法律问题
关注骨骼生物力学研究中的伦 理和法律问题，确保研究的合
据。
假肢的生物力学特性
02Байду номын сангаас
研究假肢与人体骨骼、肌肉和神经系统的相互作用机制，确保
假肢能够实现自然、舒适和高效的运动。
假肢材料与工艺
03
选择合适的材料和工艺制作假肢，确保其耐用性和功能性，同
时考虑成本和美观因素。
05
骨骼生物力学的未来发展
骨骼生物力学的跨学科研究
生物学与医学
深入研究骨骼生物力学与生物学、 医学的交叉领域，探索骨骼生长、
分类
根据部位可分为颅骨、躯干骨和四肢 骨。
结构
骨骼由骨皮质和骨松质组成，内部有 骨髓腔和血管、神经等通道。
骨骼的生长与发育
生长
骨骼通过骨细胞不断增生和骨化，使骨骼逐渐增粗和变硬。
发育
骨骼的发育与生长激素、甲状腺激素等激素有关，同时受到 遗传因素的影响。
康复医学与治疗技术(基础知识) 第3章 运动学
➢ 多轴旋转：围绕多于一轴并产生多于一平面的骨骼运动，其代表了生活 中大部分功能动作，又称功能运动。
➢ 正常关节的运动可产生滚动一滑动。 ➢ 无论关节表面凸或凹，滚动方向总是与成角骨运动的方向一致。
2．骨骼的线形位移
➢ 治疗面是指经过关节凹面，垂直于旋转中心与关节接触面中 点连线的平面。
23个椎间盘，除C1、C2外，其他椎体间均有椎间盘。
椎间盘功能
➢保持脊柱的高度； ➢联结椎体，使椎体有一定的活动度，使椎体表面承受相同压力； ➢对纵向负荷起缓冲作用； ➢维持后方关节突间一定的距离和高度，保持椎间孔的大小； ➢维持脊柱的生理曲度。
四、骨与关节生物力学
1．骨骼旋转：分单轴旋转和多轴旋转。
2. 应力对骨生长的作用
① 骨的再生和修复：骨的增殖与再吸收过程受诸多因素的影响， 如性别、年龄、某些激素水平以及所受应力等。
➢ 所有骨骼都有特定的最适宜的应力范围，所受应力过高或过 低都会加速其吸收。
2. 应力对骨生长的作用
② 应力与骨折愈合：骨折后的骨愈合需形成骨痂，而形成骨痂 需要应力的作用。骨的重建是骨对应力的适应过程，即骨在 需要承受应力的部位生长，而在不需要的部位吸收。
➢ 骨骼的线形位移是由作用于骨骼上的外力而形成的，分为牵 引、压缩和滑行。
五、骨骼肌生物力学
1．肌肉的类型
① 肌细胞分化：骨骼肌、心肌、平滑肌。 ② 运动作用：原动肌、拮抗肌、固定肌、协同肌。 ③ 肌纤维类型：I型或慢氧化型纤维，又称红肌，收缩和
舒张的时间长，比较抗疲劳。Ⅱ型纤维可分为ⅡA、 ⅡB型两种，又称白肌。
互连接组成的结构称关节。
关节
人体生物力学
向外侧
60 70 70 70 80
• 第三节 人的生物力学特性
• 二、人体各部分的操纵力 操纵力是指人为完成某一动作所需付出的力量（N）
人的头、躯干、肩、四肢、手掌、手指、脚掌、脚趾均 可发出一定的力量（N）。力量的大小与肌肉的质量与数量 有重要关系，还与施力姿势（坐、站、卧）、施力部位（手、 肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、 向上）等有密切关系。
• 第三节 人的生物力学特性
• 一、《人体生物力学》一般知识 分析人体结构可以发现，人体完成各种动作的运动器官，
原来是由骨骼、关节、肌肉等组成的。它们巧妙地组成一个 统一体，在大脑的指挥下、在神经系统的支配和协调下，按 照人的意志，完美、准确地做出各种动作。
骨的作用： ①保护壳，保护重要器官如大脑、心脏、肺、肝、胆 ②搭起人体的架子，没有骨，人就是一堆稀泥
• 操纵力是指操作者为完成某一动作所需付出的 力量（N）。
• 肢体的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时所产生 的力称为肌力。 • 在操作活动中，肢体所能发挥的力量大小除了 取决人体肌肉的生理特征外，还与施力姿势、 施力部位、施力方式和施力方向有密切关系 （见图3-21 ）
图3-21 立姿弯臂时的力量分布
1、手的操纵力 ①坐姿：图3-22，表3-22 ②立姿：图3-23
• 第三节 人的生物力学特性
• 二、人体各部分的操纵力 操纵力是指人为完成某一动作所需付出的力量（N）
人的头、躯干、肩、四肢、手掌、手指、脚掌、脚趾均 可发出一定的力量（N）。力量的大小与肌肉的质量与数量 有重要关系，还与施力姿势（坐、站、卧）、施力部位（手、 肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、 向上）等有密切关系。
骨的生物力学
骨的生物力学01骨对外力作用的反应02骨结构的生物力学特征03运动对骨力学性能的影响04骨的运动损伤及防治目录| Contents3骨的生物力学人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆关节为枢纽，肌肉收缩为动力的运动系统运动系统受神经中枢“软件”的控制通过内力和外力的相互作用完成目标动作和适应外界环境变化4骨对外力作用的反应拉伸压缩弯曲剪切扭转复合载荷根据外力外力作用的不同，人体骨骼的受力可分为以下几种形式5应力作用于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、拉压力等应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用对于骨来说，存在一个最佳的应力范围6应变初始长度L 0力F形变应变=形变初始长度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的7应变-应变曲线8骨结构的生物力学特征特征一即其力学性能对成分和结构的具有较强的依赖性特征二壳形(管形）结构（以长骨为例）特征三均匀强度分布下肢骨应力分布曲线，与骨小梁的排列十分相近9骨结构的生物力学特征10运动对骨的力学性能的影响•适宜应力对骨的力学性能的良好影响•1、体育锻炼对骨的力学性能的良好影响•2、不同运动项目对骨的力学性能的影响•3、适宜应力原则骨折的断裂形式及载荷方式骨折受拉伸载荷所致骨折受压缩载荷所致骨折受弯曲载荷所致骨折受剪切载荷所致实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的13骨折治疗的生物力学原理充分利用生理功能状态下的力学状态去控制骨重建在治疗的过程中应遵循一条生物力学原则而不要干扰或尽量减少干扰骨应承受的力学状态常见运动性骨损伤生物力学分析剧烈运动存储能量的能力的丧失步态改变载荷失常改变应力分布加强压力复合斜行裂缝斜行骨折骨骼分离横行裂缝加强张力横行骨折疲劳骨折谢谢欣赏。
材料力学、骨的生物力学
骨密质的力学性质：
1、应力-应变关系：
应 力
C
B
A
应变
上图为胫骨骨密质做拉伸试验结果的应力-应变关系示意图。B为屈服点，A-B区应 力-应变成正比，反映了骨的弹性性质。B点往后发生了粘弹体性质变化。C为断裂 点。
2、不同载荷作用下骨密质的特性：
（1）、拉伸： 骨组织自拉伸载荷下断裂的机理主要为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通常见于松质骨： 如腓骨短肌腱附着点附近的第五跖骨基底骨折。 小腿三头肌的强力收缩对跟骨产生异常高的拉伸载荷所致跟踺附 丽区拉脱 。
粘弹性材料具有三个特点： 应力松弛
应变一定，应力下降。如：橡皮筋 拉长后固定，长时间后出现老化。
蠕变。
应力一定，应变变化。如：固定在 两点间的绳子长时间后变松弛。
滞后。
与弹性材料应力-应变曲线的比较。
骨的生物力学
一、骨结构的生物力学特性： （一）、骨形态结构和物理化学属性对力学特性的影响： 1、骨形态结构的影响： 骨按形态分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。
（2）、载荷形式： ①、拉伸载荷：
人体的大多数组织都承受拉伸载荷
②、压缩载荷：
人体内受压载的主要表现为骨、软骨结构
③、弯曲载荷：
人体内受压载的主要表现为骨 （特别是长骨）
④、剪切载荷：
股骨颈受到剪切载荷示意图
⑤、扭转载荷：
扭转载荷示意图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
⑥、复合载荷：
人受到的大部分为复合载荷。
2、应变： 物体在受到外力作用时，其中 任意两点间的距离和任意两直 线或两平面间的夹角会发生变 化，他们反映了物体的尺寸和 几何形状的变化，称之为变形。
线应变
第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》
二、在体肌收缩生物力学
▪ （一）肌肉的激活状态：肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变 化。
▪ 肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生张力，起初被串联弹 性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展， 整块肌肉的张力达到一定程度后，收缩元主动张力才能直接对 肌肉起止点施力，表现出肌肉收缩力。
2
载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数：
①结构在破坏前所能承受载荷; ②结构在破坏时发生的变形； ③结构在破坏前所储存的能量
由载荷与形变所表达的强度， 用极限断裂点来表示。由能量 贮存所表达的强度，则一整个 曲线下方的面积大小来表示。 此外结构的刚度，则用弹性范 围的曲线斜率来表示。
载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同 物体的强度和刚度。（但必须是试件和试验条件标准化。）
▪ （2）多个模型并联而成的肌肉：各个模型受外力 之和等于肌肉外力，而肌肉的变形与模型变形相等。 因此，肌肉生理横断面的增加，导致收缩力的增加， 但不影响其收缩速度。
12
▪ （二）肌肉结构力学模型的性质 ▪ 1、肌肉张力 —— 长度特性 ▪ A→肌肉被动张力为零时,肌肉所
能达到的最大长度称为肌肉的平 衡长度。 ▪ B→收缩元的张力随长度变化,表 现最大张力时的长度称肌肉的静 息长度,约为平衡长度的125％。 ▪ 2、Hill方程（肌肉收缩力—速度 曲线） ▪ V＝b（T0－T）/（T+a）； ▪ T＝a（V0－V）/（V+b）
弹性。
当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。
▪ 总张力＝主动张力＋被动张力
11
▪ 2、模型的串联构成肌肉的长度；
并联构成肌肉的厚度。
▪ （1）多个模型串联而成的肌肉：每个模型受外力
第三章骨和肌肉的力学特性
第三章骨和肌肉的力学特性一、基本概念刚度强度屈服点三元件模型元静息长度肌肉松弛二、判断题1. 材料在应力作用下都会产生弹性形变和塑性形变()2. 推铅球最后用力时，手臂的推的动作中肱二头肌做退让性收缩()3. 人体骨骼承受剪切应力的能力最差()4. 被拉长的肌肉，其张力有随时间的延长而下降的的特点()5. 人体运动的速度越大，在空气或水中所受的阻力也就越大()6. 体操中的直体空翻动作比团身空翻难的原因是直体时人体转动惯最大()7. 跨栏时身体下压手臂前伸的目的是为了降低人体的重心()三、选择题1. 材料的强度是指材料抗破坏的能力，材料的刚度是指材料变形的能力。
人体的骨骼强度受种族、性别和的影响。
a) 年龄b) 运动项目c) 骨重量d) 骨长短2. 机械应力与骨组织之间存在一种生理平衡，在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。
下面的描述正确的是。
a) 机械应力增加破骨细胞活跃b) 机械应力增加成骨细胞活跃c) 机械应力减小破骨的承载面减小d) 机械应力减小成骨细胞活跃3. 肌肉是蛋白质组成的活机器，其功能是把化学能转变为机械能。
我们用三元件力学模型来讨论人体肌肉活动规律。
在三元件中，主动收缩部分为。
a) 收缩元b) 串联弹性元c) 并联弹性元d) 弹性元4. 在肌肉的收缩过程中，在相同刺激下，肌肉收缩力有随肌肉长度变化的特征。
当出现最大收缩力时的长度称为肌肉的静息长度。
肌肉静息长度约为平衡常的倍。
a) 1b) 1.25c) 1.5d) 1.755. Hill方程说明了肌肉收缩时肌肉张力与收缩速度的关系,即。
a) 肌肉张力大收缩速度快b) 肌肉张力大收缩速度慢c) 肌肉张力小收缩速度慢d) 肌肉张力与收缩速成正比例关系6. 肌肉功率反映了肌肉的收缩效率。
一般女子比男子的收缩功率小，其原因是。
a) 女子的肌纤维数量男子的少b) 女子的肌力男子的小c) 女子的肌纤维收缩速度量男子的慢d) 女子的肌纤维收缩速度量男子的快7. 鞭打动作是最常见的人体运动动作，从运动生物力学的角度上讲是人体环节依次加速、制动，使人体远端环节获得极大的线速度的人体环节运动。
第三章运动系统1骨与骨联结的概述
两骨间以纤维结缔组织相连，如韧带连结、缝隙连结。
（2）.软骨连结
Cartilaginous joint
两骨间借软骨相连，如透明软骨结合 纤维软骨联合
（3）.骨性结合
两骨间以骨组织连结，常由纤维连结或软骨骨化而成
2、间接连结
关节
(articulation)：滑膜关节，是骨连结的最高
分化，骨面互相分离，相对骨面间有滑液腔，周围 借结缔组织相连，活动度大。
骨髓：富有血液的软组织，分红骨髓和黄骨髓，4岁前全为红骨
髓，5~7岁以后骨髓腔内骨髓被脂肪组织代替，变为黄骨髓，具 有造血潜能，但骨松质网眼内骨髓终身都是红骨髓，维持血液代 谢。
人出生时，红骨髓充满全身骨髓腔，随着年龄增大，脂肪细
胞增多，相当部分红骨髓被黄骨髓取代，最后几乎只有扁平骨 骨髓腔中有红骨髓。此种变化可能是由于成人不需全部骨髓腔 造血，部分骨髓腔造血已足够补充所需血细胞。成人的红骨髓 主要分布在扁骨，不规则骨及长骨骨骺端的松质骨中，具有活 跃的造血功能。当机体严重缺血时，部分黄骨髓可被红骨髓替 代，骨髓的造血能力显著提高。
腰椎骨质增生：以腰3、4、5椎体最为常见。临床上常出现腰椎及 腰部软组织酸痛、胀痛、僵硬与疲乏感，甚至弯腰受限。如邻近的 神经根受压，可引起相应的症状，出现局部疼痛、发僵、后根神经 痛、麻木等。如压迫坐骨神经可引发臀部,大腿后侧,小腿后外侧和脚 的外侧面的疼痛 ，出现患肢剧烈麻痛、灼痛、抽痛、串痛、向整个 下肢放射。
占体重60%。
骨----杠杆； 骨连结----支点； 骨髂肌----动力装置。 功能：具有运动、支持、保护、
维持体形。 体表标志：骨骼或肌肉在体表形成 能摸到或看到的凸起和凹陷
一.概述
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二、骨的受力形式及其表现
4、弯曲
表示三点弯曲的受力状态。骨发生弯曲变形时，骨的凸 侧受拉，凹侧受压，中性轴上没有应力和应变。应力的 大小与距骨中性轴的距离成正比，最大应力位于骨的凸 侧或凹侧的最外表面。由于骨骼的不对称性，最大拉应 力与最大压应力可以不相等。任何偏心载荷都会引起弯 曲变形，拉应力较压应力具有更大的破坏性，因此通常 由弯曲引起的骨折是拉应力所致。临床上这一机理发生 的骨折多见于长骨，如直接暴力引起的胫骨干上段横行 骨折。
2、压缩 压缩载荷在骨内部产生压应力和压应变。最 大压应力出现在与载荷相垂直的平面上。 在压 缩载荷的作用下，骨缩短变粗，其破坏机理是 骨单位和骨小梁斜行断裂或微观失稳。临床上 这类载荷引起的骨折主要见于松质骨，如不能 控制的大幅度坠落伤所致的胸椎或腰椎体压缩 骨折。
二、骨的受力形式及其表现
3、剪切 骨受到大小相等、方向相反而又相距 很近的一对力的作用，就会产生剪切变 形，在剪切面上则产生剪应力和剪应变。 临床上因剪切载荷导致的骨折常见于松 质骨，如股骨颈骨折。
第一节
骨的生物力学特性
一、骨的力学特性
（一） 骨骼的成分与性能 ——弹性与坚硬性 弹性——骨中的有机物中含骨胶原纤维和粘多糖 蛋白。 坚硬性——骨中的有机物主要是钙盐。 （二） 管状骨的材料力学特性
（三） 骨的载荷——形变曲线
载 荷
范围
屈服阶段 B A屈服点
塑性范围 C 断裂点（载荷与形 变所表达的强度）
第三章 骨、肌肉的力学特性 及人体基本活动原理
人体模型——运动生物力学研究人体结构机能的 特性，主要研究对于完成运动活动 有重要意义的那些结构及机能的生 物力学特性。避开运动器官系统解 剖学结构及生理机制的一些详细内 容，而把它视为生物力学系统。 运动偶——身体相邻环节的活动连结构成运动偶。 运动链——运动偶的连结构成运动链。
二、骨的受力形式及其表现
1、拉伸 拉伸载荷在骨内部产生拉应力和拉应变，最 大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上，骨 在拉伸载荷作用下伸长同时变窄，其发生骨折 的主要机理是骨结合线的分离和骨单位被拔出。 临床上拉伸载荷引起的骨折主要见于肌腱附着 点或松质骨，如因股四头肌强力收缩所致的髌 骨横骨折。
二、骨的受力形式及其表现
弹性
曲线围成的面积表示能 量贮存所表达的强度
O
变形
（四） 骨的应力——应变曲线
应 力
范围
屈服阶段 B A屈服点
塑性范围
量贮存所表达的强度
斜率表示刚度 O 应变
拉伸实验时皮质骨的应力 ——应变曲线
二、骨的受力形式及其表现
在体骨总是处于一定的应力场中。骨 变形的基本方式有拉伸、压缩、弯曲、 扭转和复合载荷。现在简要介绍这几种 加载方式导致骨折的受力分析。
二、骨的受力形式及其表现
5、扭转 载荷作用于骨使其沿轴线产生扭曲，称为扭 转．骨受扭转时，剪应力分布于整个受扭的 骨，最大剪应力作用于与骨中性轴平行和垂直 的平面，同时，最大拉应力和压应力作用于中 性轴的对角线平面内。临床上扭转所致的骨折 多见于长骨干，骨干首先受到剪切应力作用产 生一平行于骨中性轴的裂纹，随后裂纹沿最大 拉应力平面扩展，故骨折形状为螺旋形。
小
7、肌力对在体骨的保护作用
四、机械应力对骨结构的影响 机械应力与骨组织之间存在着一种生理 平衡，在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破 骨细胞的活性是相同的。当应力增大时成骨 细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，使 应力下降，达到新的平衡。当应力下降时破 骨细胞活跃，骨组织量下降，使应力增加。 因此骨能通过改变它的大小、形状和结构一 适应力学需要的功能进行重建。这种适应性 骨骼在需要处多生 是按Wolff定律进行的，即 定律进行的，即骨骼在需要处多生 因此使骨组织量 长，而在不需要处多吸收。 长，而在不需要处多吸收。因此使骨组织量 与英里成正比。
二、骨的受力形式及其表现
6、复合载荷 活体骨很少只受一种载荷的作用，在体内骨 所承受的载荷是复杂的，主要原因是骨骼的几 何形状不规则，且始终受到多种不定的载荷的 作用。在骨折的成因中主要表现为压缩与弯曲、 压缩与扭转及弯曲与扭转三种类型。
骨的强度大小的排列顺序是：
压缩、
大
拉伸、 弯曲、 扭转、 剪切。