生物力学 骨力学
骨生物力学(4学时)
（ occupation ）、健康保健（ health maintenance ）
和医生对病人治疗（medical patient care）方面的应
用被很好的认识并且有高度的有效性和实用性。
骨骼生物力学是生物力学的重要分支,尽管骨力学的 研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于 有待深入研究的状态。
绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用骨骼生物力学的临床应用举例第一节绪论第一节绪论一一
de Vinci, Vesalius Galileo, Borelli Newton, Harvey Marey, Stenonivs, Bell, Duchenne, etc.
（3）分析时期(Analysis Period)
从1850年到1930年,这是一个用理论和实验方法对人类和动物骨骼肌肉 系统进行广范分析的时期。俄国、德国和法国各专业学派均致力于这方 面的研究，他们主要是从基础科学的观点结合有限的医学应用进行研究。 由德国的Wolff和Roux、美国的Koch和几个其他的研究者建立了各种有 关于骨骼结构与其负力功能之间的相关性理论。丹麦的Stenonis进行了 类似骨骼而与肌肉相关的研究。Bernstein在1926年出版了他的有关 “生物力学”的论文，文中对长骨、下肢及颞下颌关节负荷力及人类步 态分析进行了大量研究。尽管这些以肌肉骨骼生物力学为主题的理论研 究是非常重要而具革命性，但这些研究在这个时期面临各种困难，主要 是因为欧美各国正面临如火如荼的工业革命期间，它吸引了众多科学和 工程方面的人才并用尽了所有的研究发展投资的基金。医疗和生物研究 与应用也受到同样的影响，因为大多数的医师随着无菌技术的进展和麻
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。
生物力学中的力学模型研究
生物力学中的力学模型研究生物力学是研究生物体运动和力学原理的学科。
在生物力学领域中，力学模型的研究是一项重要的任务，它可以帮助人们更好地理解生物体的运动和力学特性。
本文将深入探讨生物力学中的力学模型研究，并介绍一些典型的力学模型。
一、生物力学的发展与应用生物力学作为跨学科的领域，源于对生物体运动和机制的探索。
它综合运用物理学、力学、工程学等多学科的知识，研究生物体的运动规律和力学特性。
生物力学的发展在医学、运动训练、健康管理等领域具有广泛的应用。
二、力学模型的作用与意义力学模型是生物力学研究的基础，它可以通过一系列的假设和推理，模拟生物体的运动和力学过程。
力学模型的建立可以帮助研究人员更好地理解生物体的运动规律和力学特性，为相关疾病的防治提供科学依据。
三、典型的力学模型研究1. 骨骼力学模型骨骼力学模型是生物力学中的重要研究方向。
它通过建立骨骼系统的力学模型，分析人体骨骼在运动和负载条件下的力学响应。
骨骼力学模型的研究可以为骨科手术、骨折康复等提供理论依据。
2. 肌肉力学模型肌肉力学模型是研究生物体肌肉运动的重要手段。
它通过建立肌肉的力学模型，探索肌肉在运动中的力学原理和力学特性。
肌肉力学模型的研究对于理解运动机制、改进运动训练等方面具有重要意义。
3. 关节力学模型关节力学模型是研究人体关节运动和力学特性的重要工具。
它通过建立关节体系的力学模型，模拟关节在运动中的力学变化。
关节力学模型的研究对于临床诊断、康复训练等方面有着重要的应用价值。
四、力学模型的研究方法1. 实验测量法实验测量法是力学模型研究的重要手段。
通过使用传感器和测量仪器，对生物体的运动和力学参数进行实时监测和测量。
实验测量法可以提供真实的数据支持，从而帮助研究人员更准确地建立力学模型。
2. 数值模拟法数值模拟法是力学模型研究的一种重要方法。
通过建立数学模型、运用数值计算方法，对生物体的运动和力学过程进行仿真模拟。
数值模拟法可以快速得到结果，为力学模型的建立和优化提供参考。
骨的力学性质实验：弯曲与压缩
三点弯曲实验示意图
压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。
若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。
压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。
松质骨的拉压性能远差于密质骨。
骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。
骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。
下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图：
从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著减小（10%），极限应变显著减小（35%）。
最大力 矩形试样抗弯强度σbb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 单位 N
MPa
MPa MPa 试样1 439.526 32.582 1431.2173 1431.2173 平均值
439.526 32.582
1431.2173 1431.2173 标准偏差(n) 0.000
0.000
0.0000
0.0000
骨头压缩实验数据：试样高度h:13.04mm ，样品直径d ：11.5mm
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0510152025
303540应力/δ
应变/ε
骨头应力—应变曲线图。
骨科生物力学试题及答案
骨科生物力学试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 骨科生物力学主要研究的是（）。
A. 骨骼的形态学B. 骨骼的生物力学特性C. 骨骼的生物化学特性D. 骨骼的细胞学特性答案：B2. 骨折愈合过程中，下列哪项不是影响因素（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应答案：D3. 骨折的生物力学分类中，不包括以下哪项（）。
A. 简单骨折B. 复杂骨折C. 闭合性骨折D. 开放性骨折答案：B4. 下列哪项不是骨折固定的原则（）。
A. 保持骨折端的稳定B. 允许骨折端的微动C. 保护骨折周围的软组织D. 尽快恢复骨折部位的功能答案：B5. 骨折愈合过程中，下列哪项不是骨痂形成的标志（）。
A. 骨折端的血肿形成B. 骨折端的软骨形成C. 骨折端的骨膜增生D. 骨折端的骨痂形成答案：B6. 骨折愈合的第二阶段是（）。
A. 血肿机化期B. 骨痂形成期C. 软骨内骨化期D. 骨性骨痂形成期答案：B7. 骨折愈合过程中，下列哪项不是骨痂形成的标志（）。
A. 骨折端的血肿形成B. 骨折端的软骨形成C. 骨折端的骨膜增生D. 骨折端的骨痂形成答案：B8. 骨折愈合过程中，下列哪项不是影响因素（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应答案：D9. 骨折的生物力学分类中，不包括以下哪项（）。
A. 简单骨折B. 复杂骨折C. 闭合性骨折D. 开放性骨折答案：B10. 下列哪项不是骨折固定的原则（）。
A. 保持骨折端的稳定B. 允许骨折端的微动C. 保护骨折周围的软组织D. 尽快恢复骨折部位的功能答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分）1. 骨科生物力学研究的内容包括（）。
A. 骨骼的生物力学特性B. 骨骼的生物化学特性C. 骨骼的细胞学特性D. 骨骼的形态学E. 骨骼的生物力学模型答案：A, C, D, E2. 骨折愈合过程中的影响因素包括（）。
A. 骨折类型B. 骨折部位C. 患者年龄D. 骨折部位的血液供应E. 患者的营养状况答案：A, B, C, D, E3. 骨折的生物力学分类包括（）。
骨科生物力学
抗张性
骨骼能够抵抗拉伸和扭曲 力，保持身体的完整性和 运动能力。
弹性
骨骼具有一定的弹性，能 够在一定程度上吸收和分 散外力，减少损伤。
骨骼的生物力学模型
有限元分析
通过将骨骼划分为有限个元素，并分 析这些元素在各种外力作用下的反应， 可以预测骨骼在各种情况下的行为。
生物力学实验
数值模拟
利用计算机技术模拟骨骼在各种外力 作用下的行为，可以预测骨骼在不同 情况下的响应，为骨科疾病的诊断和 治疗提供依据。
通过实验方法测量骨骼在不同外力作 用下的响应，可以了解骨骼的实际生 物力学特性。
03
关节的生物力学特性
关节的结构与功能
总结词
关节的结构与功能是相互关联的，其结构决定了其功能，而功能的需求又会影 响其结构的发展。
详细描述
关节的结构复杂，包括骨骼、软骨、韧带、肌肉等组织，这些组织协同工作， 使关节能够进行各种运动。关节的功能主要包括运动、支撑和缓冲等。
运动医学
骨科生物力学在运动医学领域的应用主要涉及运动损伤的 预防和治疗，如肌肉拉伤、韧带撕裂、骨折等。
康复工程
在康复工程中，骨科生物力学可以帮助设计康复训练设备 ，制定康复治疗方案，提高康复效果。
骨关节炎治疗
骨科生物力学可以帮助理解骨关节炎的发病机制，为骨关 节炎的治疗提供理论支持和实践指导。
骨科生物力学的发展历程
位。
应力分散
内固定物应能够分散骨折部位的应 力，降低局部应力集中，减少骨折 端的活动。
材料选择
内固定物的材料应具备足够的强度 和耐久性，能够承受骨折愈合过程 中的生理应力。
外固定物的生物力学原理
稳定性
外固定物应提供足够的稳定性， 保持骨折部位的固定和位置。
人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性
人體生物力學分析人體骨骼肌肉系統的運動特性人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性人体生物力学是一门研究人体结构与功能之间相互关系的学科，它通过运用物理学和工程学原理，分析和评估人体在各种运动状态下的运动特性。
在人体运动过程中，骨骼和肌肉系统起着重要的作用，其结构和功能对于人体的运动表现具有重要影响。
本文将以人体生物力学的视角，对人体骨骼肌肉系统的运动特性进行深入分析。
一、骨骼系统骨骼系统是人体结构的基础，由骨骼和关节组成。
骨骼具有支撑和保护内脏器官的功能，同时也为肌肉运动提供支撑和固定点。
运动过程中，骨骼通过关节的活动，使身体的各个部位能够协调运动。
二、肌肉系统肌肉系统由肌肉和肌腱组成，是人体力量和动作的主要来源。
肌肉通过肌腱与骨骼相连接，通过收缩和放松来实现骨骼的运动。
肌肉的主要功能包括产生力量、维持身体姿势、稳定关节和调节身体的运动。
三、人体运动特性的测量方法为了分析人体骨骼肌肉系统的运动特性，研究者们采用了多种测量方法。
其中包括：1.运动学：通过测量身体不同部位的位置和角度的变化，来研究运动的过程和特性。
运动学可以提供运动的轨迹、速度和加速度等信息。
2.动力学：通过测量外界施加在身体上的力和人体做出的反作用力，来研究运动的动力学特性。
动力学可以提供力和力矩等信息，用于分析运动过程中的力学变化。
3.电生理学：通过测量神经和肌肉的电活动，来研究肌肉收缩和神经控制的特性。
电生理学可以提供肌肉的激活和疲劳状态等信息。
四、人体骨骼肌肉系统的运动特性1.力学特性：人体骨骼肌肉系统的运动特性受到肌肉的力量和韧性的影响。
肌肉产生的力量决定了人体的运动能力，而肌肉的韧性则决定了人体的柔韧性和弹性。
力学特性的测量可以通过力平台和力传感器实现。
2.运动的稳定性：人体运动过程中，骨骼肌肉系统需要保持稳定性以避免受伤。
稳定性的测量可以通过加速度计和陀螺仪等设备实现。
3.动作的协调性：人体运动需要各个部位的协调配合才能完成复杂的动作。
骨骼肌肉生物力学一般知识
骨骼肌肉系统生物力学一般知识一、骨骼生物力学（一）一般知识骨骼系统是人体重要的力学支柱，不仅承受着各种载荷，还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。
骨组织主要由骨细胞、有机纤维、粘蛋白、无机结晶体和水组成。
其生物活性来源于骨细胞。
胶原纤维借助粘蛋白的结合形成网状支架，微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固的附着与纤维表面，这种结构具有较好的弹性和韧性，还具有较大的强度和刚度，胶原平行有序排列并与基质结成片状骨板，是形成密质骨的单元。
胶原与基质粘附交错无序则形成棒状骨小梁，是形成疏质骨的单元。
其力学性质受人的年龄、性别、部位等因素影响。
骨的变形以弯曲和扭转最为常见，弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变的分布，扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。
骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。
（二）应力对骨生长的作用应力刺激对骨的强度和功能的维持有积极的意义，骨是再生和修复的生物活性材料，有机体内的骨处于增值和再吸收两种相反过程中，此过程受很多因素的影响，如应力、年龄、性别以及某些激素水平，但应力是比较重要的因素。
研究表明，骨胳都有其适宜的应力范围，应力过高或过低都会使其吸收加快。
一般认为，机械应力对骨组织是有效地刺激。
骨的力学特性是由其物质组成、骨量、和几何结构1决定的，当面临机械应力刺激时，常常出现适应性的变化，否则将会发生骨折。
负重对维持骨小梁的连续性、提高交叉区面积起积极作用施加于骨组织上的机械应力可引起骨骼的变形，这种变形导致成骨细胞活性增加，破骨细胞活性抑制。
如瘫痪的患者，骨胳长期缺乏肌肉运动的应力作用，使骨吸收加快，产生骨质疏松。
另外，失重也可造成骨钙丢失。
骨的重建是骨对应力的适应，骨在需要应力的部位生长，在不需要的部位吸收。
制动或活动减少时，骨缺乏应力刺激而出现骨膜下骨质吸收，骨的强度降低。
相反，反复承受高应力的作用，可引起骨膜下的骨质增生。
二、肌肉的生物力学（一）肌肉的分型骨骼肌按其在运动中的作用不同，分为原动肌、拮抗肌、固定肌和协同肌。
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生长理论 断裂类型
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*5.脊柱生物力学 *6.关节生物力学 *7.骨骼肌力学 *8.颅脑损伤力学
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三、骨力学的四个基本概念
1.骨强度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗破坏的能力 断裂或过大
的塑性变形
1867瑞士学者 骨的内部结构和外部形态与承载大小、
方向有关
1892 Wollf 《骨转化定律》
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二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题
1.骨结构研究 （引言） 2.应力-应变研究
（骨的力学性质）
本构曲线 影响因素
3.骨的应力适应性 （骨功能适应性理论）
微观结构 宏观力学性质
（三）骨结构： 1、骨的微观结构
在显微镜下，构成 骨的基本结构单位 称之为骨单位，即 哈佛氏系统。
哈佛管：
内含神经和血管。
板层骨：
包绕在管的周围。
骨的构造
2、骨的宏观结构
骨分为密质骨和松质骨
密质骨一般位于骨的外层 松质骨位于骨的内层，由 骨小梁形成筛状结构，小 梁之间的空隙充满了红骨 髓。
密质骨的骨小体的板层结构 松质骨的骨小梁的桁架结构
第四章
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第一节 引言
一、骨力学研究方面的简史：
1638 Galileo 发现加载与骨形态的关系
1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷
1838 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成
1852 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性
1862德国学者 加压对骨生长的影响
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1、骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包
括有机成份和无机成份,含水极少。
有机质： 胶原纤维（主要由Ⅰ型胶原蛋白构成） 无定形基质（蛋白多糖及其复合物） 无机盐：羟磷灰石
（3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）
●羟磷灰石是针状结晶体，长约200A，横截 面面积为2500A。晶体是沿着胶原纤维长度方 向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为 165GPa,与钢的弹性模量200GPa相近。
（一）骨功能：
一方面：组成骨骼系统 提供对动物体的支撑 维持人体的正常形态 使肌肉附着带动肢体运动作用 保护内脏器官、颅腔
另一方面：调节血液的电解质浓度 调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度 保持体内矿物质的动态平衡 即骨髓的造血、钙磷的储存与代谢
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（二）骨形态：
2.骨刚度： 生物材料或非生物材料组成的构件 抵抗变形的能力 弹性变形的
允许限度
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3.骨韧性： 生物材料或非生物材料组成的构件 在外力作用下发生断裂前所能达到 的最大变形程度
4.骨稳定性：生物材料或非生物材料组成的构件 保持其原有平衡形态的能力
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四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转 化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。
（1）骨祖细胞：
骨组织的干细胞，位于骨膜内，体积小，呈梭形， 弱嗜碱性。
可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取 决于所处的部位和所受的刺激性质。
例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞 活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。
四、骨的基本知识
（功能 形态 结构 组织成分）
• 骨是一个有生命的器官 ——骨中有血液循环
• 骨是一个能运动的器官 ——通过关节肌肉承受外力
• 骨是一个良好适应性材料
——能再生和能自我修复
• 骨是一个粘弹性材料
——即具有弹性又具有粘性
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●胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹 性模量为1.24GPa。胶原纤维具有韧性和柔软 性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展 性。
可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合 材料，它具有优异的力学性能。 因为：
柔韧的胶原可阻止硬材料的脆性断裂， 而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。
钢筋混泥土结构
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松质骨: •松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量
储存能力。 •松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的，
但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。
松 质 骨 骨 小 梁
（四）骨的成分
骨是由骨组织、骨膜和骨髓等构成的 骨组织是骨的结构主体 由细胞和钙化的细胞外基质及纤维组成 其特点是细胞外基质有大量的骨盐沉积还有部 分有机质，使骨组织成为人体最坚硬的而又有 一定韧性的结缔组织
无机盐等矿物质产生位移少 胶原纤维等有机成分组织中充满液体承担较大变形
从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复 合材料，一相为无机物，另一相为胶原和 无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一 种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合 材料的性能比其中任何一种单纯材料更加 坚韧。
2、 种骨细胞
骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
密质骨
松质骨
•骨质致密坚硬
（疏松度为5—30%） •骨板排列规整结合紧密 仅留下一些部位作为血 管和神经的通道
•……松 软 （疏松度为30—90%）
•……排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管 神经
•表面积相对小
•……巨大
• 强度高变形能力差
• 强度低应变能力好
（变形超过2%会断裂） （变形可达7%左右）
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骨细胞 ：骨原细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
（骨细胞最多，位于骨基质内，其余三种细胞均位于骨组织的 边缘）
骨基质： 大量钙化的细胞间质 。
（基质含有大量的固体无机盐——羟基磷灰石晶体71.8%，有 机质——粘多糖蛋白28.2%）
骨纤维： 骨胶原纤维
（分层 交叉）
人体共有206块骨，依所在部位可分为: 颅骨、躯干骨和四肢骨。
按其形状可分为： 长骨，呈管状 如胫骨、股骨； 短骨，类正方体 承压有能动 如腕骨、跗骨； 扁骨，呈板状 如颅骨中的枕骨、顶骨； 不规则骨，如椎骨。
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这些形状不同的骨， 是长期自然演变的结 果，它符合最优化原 则，即用最小的结构 材料承受最大的外力， 同时还具有良好的功 能适应性。