膝关节生物力学课件
膝关节生物力学
膝关节生物力学
介绍 Introduction
• 膝盖由2个关节组成 The knee is comprised of 2 joints
o 胫股关节 tibiofemoral joint
o 髌股关节 patellofemoral joint
髌股关节 Patellofemoral Articulation
• 功能 Function
将股四头肌产生的拉力传递给髌腱 transmits tensile forces
generated by the quadriceps to the patellar tendon
增加伸肌机构的杠杆臂 increases lever arm of the extensor
mechanism
髌骨切除术使伸展力降低30％ patellectomy decreases
extension force by 30%
• 生物力学 Biomechanics
o 髌股关节反作用力 patellofemoral joint reaction force
高达蹲下时体重7倍 up to 7x body weight with squatting
下楼梯时是体重2-3倍 2-3x body weight when descending stairs
o 运动 Motion
“滑动”关节 'sliding' articulation
完全屈曲时，髌骨向尾侧移动7cm patella moves 7cm
caudally during full flexion
股骨和髌骨之间的最大接触是45度屈曲 maximum contact
between femur and patella is at 45 degrees of flexion o
• 稳定性 Stability
(完整版)膝关节解剖
(完整版)膝关节解剖 1 / 16
膝关节层次解剖 (完整版)膝关节解剖 2 / 16
前交错韧带起自股骨外侧髁的内侧面， 斜向前下方，止于胫骨髁间隆
起的前部和内、 外侧半月板的前角； 后交错韧带起自股骨内侧髁的外
侧面，斜向后下方，止于胫骨髁间隆起的后部和外侧半月板的后角。 (完整版)膝关节解剖 3 / 16 (完整版)膝关节解剖 4 / 16 (完整版)膝关节解剖 5 / 16 (完整版)膝关节解剖 6 / 16 (完整版)膝关节解剖 7 / 16 (完整版)膝关节解剖 8 / 16 (完整版)膝关节解剖 9 / 16 (完整版)膝关节解剖 10 / 16 (完整版)膝关节解剖 11 / 16 (完整版)膝关节解剖 12 / 16 (完整版)膝关节解剖 13 / 16 (完整版)膝关节解剖 14 / 16
膝关节后外侧构造（膝关节后外侧角）
膝后外侧角（ posterior lateral corner，PLC）是膝关节后外侧地区肌
腱、韧带、关节囊等构造的总称。
生物力学特色
膝外侧副韧带伸膝位紧张，屈膝位废弛，屈膝位外旋时膝外侧副
韧带的张力变化不大；腘腓韧带自伸膝位到屈膝 90°位一直保持紧
张，在胫骨被动外旋时紧张度增添。豆腓韧带、弓装韧带、关节囊等
构造伸膝时紧张，屈膝时废弛。 (完整版)膝关节解剖 15 / 16
膝外侧副韧带、豆腓韧带和弓装韧带、腘腓韧带等三组构造切断
后，膝关节内翻活动度显然增添。
PLC构造是位于膝关节后外侧地区，周边上胫腓结合处的肌腱、韧带、关节囊等构造的总称。上界为股骨外上髁平面，下界约相当于腓骨颈平面；内侧为膝关节纵向中轴线， 外侧是髂胫束下方的后内缘。
骨、关节、肌肉的生物力学
骨、关节、肌肉的生物力学
第一节 骨的生物力学
人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。
一、骨的生物力学特征
（一）骨对外力作用的反应
1．骨对简单（单纯）外力作用的反应
（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。
（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。
（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。
（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。
（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。
2．骨对复合（实际）外力作用的反应
在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。
（二）骨结构的生物力学特征
骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。
猪膝关节与人膝关节的对比及其在生物力学测试中的应用
- 1 - 猪膝关节与人膝关节的对比及其在生物力学测试中的应用
膝关节是人体中最复杂的关节之一，它不仅支撑着体重，而且具有灵活性，可以实现不同的动作。膝关节损伤是非常常见的，可以由运动、疾病，以及其它原因引起。为了解决膝关节损伤的问题，研究者们一直在寻求答案。一种方法是利用猪的膝关节来模拟人类的膝关节，并使用生物力学测试来比较二者之间的差异。
猪是与人类在解剖学和生理学方面有很多相似之处的动物，其膝关节的结构与几乎所有人类膝关节的结构非常相似（其他动物的膝关节，如犬和猫，具有不同的结构）。因此，运用猪膝关节来模拟人类膝关节，可以基本反映出人类膝关节的特征。
生物力学测试是一种常用的方法，能够测量物体的性能以及它们在某种外力下的反应。一般来说，可以测量力学参数（如力、速度、势能和应变），以便对物体的动态和运动状态进行研究。生物力学测试可以在实验室中进行，也可以在体内进行。这是通过使用传感器（如力传感器、能量传感器等），来采集体内或体外活动过程中发生的参数，进行数据分析，从而实现对被试物体的性能分析和研究。
最近，研究者们使用生物力学测试，对人类膝关节和猪膝关节的不同进行测量。结果发现，猪的膝关节具有高度的稳定性，更容易支撑载荷，而人类的膝关节只能够支撑有限的载荷，其稳定性较差。此外，猪膝关节更容易在运动时达到极限，而人类膝关节不容易达到极限。
猪的膝关节对研究的重要性在于它能够帮助研究人员更好地理 - 2 - 解人类膝关节，并有助于设计更有效的物理治疗方案。此外，研究人员还可以使用猪的膝关节，通过实验，来验证和比较人类膝关节的一些模型。
在研究过程中，猪膝关节的应用非常有效，可以帮助研究人员对人类膝关节进行更详细的研究，从而探究膝关节损伤的原因，并提出更有效的疗法和修复方案。大多数研究都表明，猪膝关节在模拟人类膝关节时，表现出了良好的效果，因此，猪膝关节的应用受到了广泛的认可。
下肢膝关节 骨骼模型
下肢膝关节 骨骼模型
一、膝关节骨骼模型概述
下肢膝关节骨骼模型是指模拟人类膝关节骨骼结构的模型，它由股骨、胫骨、髌骨等主要骨骼组成。该模型主要用于骨骼结构、运动生物力学、医学影像学、康复医学等领域的研究和教学。
二、膝关节骨骼模型的历史发展
膝关节骨骼模型的发展可以追溯到19世纪末，当时医学界开始关注骨骼结构和运动机制的研究。随着医学影像技术的发展，人们逐渐认识到膝关节的复杂结构，以及其对于行走、跑跳等运动的重要性。20世纪初，随着材料科学和制造技术的发展，膝关节骨骼模型逐渐被用于研究和教学中。
三、膝关节骨骼模型的制作方法
膝关节骨骼模型的制作方法主要包括以下步骤：
1. 获取膝关节影像数据：使用X光、CT、MRI等医学影像技术获取膝关节的影像数据。
2. 数据处理：将获得的影像数据进行处理，提取出骨骼的结构信息。
3. 模型设计：根据处理后的数据，使用计算机辅助设计软件进行模型设计。
4. 模型制造：使用3D打印技术或其他制造方法，将设计的模型制造出来。
5. 模型装配：将制造好的各个骨骼部件进行装配，形成完整的膝关节骨骼模型。
四、膝关节骨骼模型的应用场景
1. 医学教育：用于医学院校和医院的教学和培训，帮助医学生和医生更好地理解膝关节的解剖结构和运动机制。
2. 康复医学：用于康复治疗师的培训和实践中，帮助患者进行膝关节康复训练。
3. 运动生物力学研究：用于研究膝关节的运动生物力学特性，探讨膝关节损伤的机制和预防措施。 4. 医学影像学研究：用于医学影像学的研究和诊断中，帮助医生更好地理解膝关节病变和损伤。
五、膝关节骨骼模型的技术参数
1. 精度：模型精度要求高，应尽可能准确地反映真实膝关节的解剖结构和运动机制。
2. 材料：要求材料具有足够的强度和耐用性，以承受使用过程中的各种应力。
3. 制造工艺：要求制造工艺稳定可靠，以保证模型的制造质量和一致性。
4. 装配精度：要求模型装配精度高，以保证模型在使用过程中的稳定性和可靠性。
人体运动的生物力学特性
第5章 人体运动的生物力学特性(修改后)(总17页)
--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可--
--内页可以根据需求调整合适字体及大小-- 第5章 人体运动的生物力学特性
人体运动系统
人体运动系统由骨、骨连结和骨骼肌三部分构成，它们约占人体质量的58％左右。肌肉附着在骨架上，受神经系统的支配，能产生各种不同方式的收缩，肌肉收缩时牵动着骨绕骨连结(尤其是骨关节)转动，使人体产生各种各样的运动和操作姿势。因此，骨是人体运动的杠杆，骨连结是支点，骨骼肌是动力。
骨是人体内部最坚固的组织。骨与骨之间的连结方式有直接连结与间接连结两大类，直接连结的相对骨面间无间隙，不活动或仅有少许活动；间接连结称为关节，以相对骨面间具有间隙为特征，人体运动主要是骨绕关节的运动所形成的。
人体骨骼
人体骨骼共有206块，其中只有177块直接参与人体运动。
人体骨骼分为两大部分：中轴骨和四肢骨。中轴骨包括颅骨29块(其中有6块听小骨和l块舌骨)、椎骨26块(颈椎7块、胸椎12块、腰椎5块、骶骨和尾骨各1块)、肋骨12对和胸骨1块。四肢骨分上肢骨和下肢骨：上肢骨64块，下肢骨62块。如图3—30所示，人体骨骼有下列功能： 33
(1) 支撑人体 骨与骨相连结，构成人体支架，支持人体的软组织，承担全身重量。
(2) 保护内脏 骨形成体腔，保护脑、心、肺等内脏器官。
(3) 运动的杠杆 肌肉牵引着骨绕关节转动，使人体可产生各种各样的运动。
(4) 造血 骨的红骨髓有造血的功能，黄骨髓有储藏脂肪的作用。
(5) 储备矿物盐 主要储备钙和磷，供应人体的需要。
关节
1.关节的分类
按其关节面的形态和运动形式，关节可分为下列三大类：
(1) 单轴关节 只有一个运动轴，骨仅能沿该轴作一组运动。单轴关节又有屈戌关节和车轴关节之分：
屈戌关节，又名滑车关节，凸的关节面呈滑车状，如手指关节。通常是绕冠状轴作屈、伸运动。 车轴关节，关节头的关节面呈圆柱状，常以骨和韧带连成一环，围绕关节头，作为“关节窝”，如环枢正中关节、桡尺近侧关节等，可绕铅垂轴作旋转运动。
膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析
中国组织工程研究 第20卷 第31期 2016–7–22出版
Chinese Journal of Tissue Engineering Research July 22, 2016 Vol.20, No.31
P.O. Box 10002, Shenyang 110180 4658 ·研究原著·
陈文栋，男，1981年生，云南省剑川县人，白族，2012年昆明医科大学毕业，博士，主治医师，主要从事生物医学系统建模及仿真方面的研究。
通讯作者：陈文栋，博士，主治医师，昆明医科大学第一附属医院麻醉科，云南省昆明市 650032
中图分类号:R318
文献标识码:B
文章编号:2095-4344
(2016)31-04658-07
稿件接受：2016-05-10
膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析
陈文栋1，杨 光2(1昆明医科大学第一附属医院麻醉科，云南省昆明市 650032；2常州市第四人民医院骨科，江苏省常州市
213001)
引用本文：陈文栋，杨光. 膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析[J].中国组织工程研究，2016，20(31):4658-4664.
DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.014 ORCID: 0000-0002-9388-7653(陈文栋)
文章快速阅读：
文题释义：
半月板三维有限元生物力学模型：随着计算机及相关软件技术的进步，有限元法发展非常迅速，在骨科生物力学领域中占有重要地位，成为了解人体骨骼力学性能非常有用的工具，模型的条件越来越接近正常标本，结构更加可信，并取得了显著研究成果。然而，半月板的生物力学研究一直是众多临床科研工作者的研究热点。
动态仿真：是一个接近真实载荷屈曲过程的根据膝关节半月板相似性能进行的生物力学模拟过程，在该过程中获取膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时的生物力学指标，揭示半月板的生物力学变化过程，有助于更好地了解半月板正常的生物力学功能变化规律。
第五章 人体运动系统的生物力学
复习：
一、人体生物力学材料的分类
人体生物力学材料的力学性质是多种多样的，依据其性能可分为弹性材料、粘性材料、塑性材料、粘弹性材料。
弹性材料的特点：应力与应变成正比，材料能保证固定的形状，在外力的作用下，外力功转变为弹性能。外力消失或恢复原状。如体育器材中的撑杆
粘性材料：应力取决于应变率，粘性流体无固定形状，流动过程不可逆，在外力作用下，外力功转化为分子热消耗。如运动高强度粘性绷带，
塑料材料：应力与应变成非线性，在外力作用下外力功转变为变形能，外力消失后材料的变形不可修复。如我们体育器械手柄中的塑性材料
粘弹性材料：如果有一种材料，其力学性质既具有弹性材料的力学性质，又具有粘弹性材料的力学性质，那么这种材料就叫做粘弹性材料。如我们玩的碰碰车，属于粘弹性材料，还有我们的血管、皮肤、韧带等等人体材料也属于粘弹性材料。
二、粘弹性材料的特点
1）当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力随时间的增加而下降，这种现象叫应力松弛，从而导致变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐降低的现象。打包带变松、橡皮筋变松。
2）若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象叫蠕变（缓慢变形）。水滴石川。
3）对物体做周期性的加载和卸载，则加载时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合，这种现象称为滞后。
三、骨载荷的分类
1.按照载荷作用的性质，我们可以将载荷分为静载荷和动载荷
静载荷是逐渐加于物体上的，由零逐渐增至某一值以后不再改变，在这种载荷作用下，物体各部分不产生加速度或是加速度小得可以忽略不计。例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷属于静载荷。
动载荷是物体在载荷的作用下，它的某些部分或各部分所引起的加速度相当显著，这种载荷称为动载荷。动载荷又分为冲击载荷和交变载荷。
如排球的扣球属于冲击载荷，长途行军属于交变载荷
2.骨骼受力的形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷
生物力学重点
骨力学：以骨骼为研究对象，研究骨组织在负荷作用下的力学特性和变化规律的学科
Wolff定律（骨转化定律）：骨的功能的每一改变，都按照数学法则，以某一定的方式来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应了其功能。
物体的重力和重量不同
1）物体的重量是物体对它所处表面的压力或拉力，是物体施加于其它物体的力
2）物体的重力是物体本身所受的地球的吸引力
3）当物体相对地球静止时，其重力和重量的大小相等。
骨重建：活体骨不断进行生长、加强和再吸收过程称之为骨重建。
活体骨重建的目标是：骨使其总的结构适应于其载荷环境的变化。
弹性形变：外力撤出后，物体能恢复原来形状的形变
塑性形变：外力撤出后，物体不能完全恢复原来的形状，这种形变称为塑性变形。
蠕变现象：对黏弹体物质施加恒定外力时，开始有一迅速的较大的应变，随后有意缓慢的逐渐增加的应变过程，直到有恒定应变量的平衡状态。
撤去外力时，如果材料是黏弹性固体材料，则变形会完全消失，材料最终会完全复原；若材料是黏弹性流体材料，则材料最终不会完全复原，还会有变形存在。
力系：力学上，把作用在物体上的若干力的集合称为力系。
压力骨小梁：起自股骨干上端内侧骨皮质，向股骨颈上侧放射状分布止于股骨头外上方1/4软骨下方
张力骨小梁：起自股骨颈外侧皮质，沿股骨颈外侧上行与压力骨小梁交叉，止于股骨头内下方1/4处软骨下方
Ward三角：压力骨小梁和张力骨小梁在股骨颈交叉部位形成的脆弱的区域。
股骨矩：位于股骨颈、干连接部后内方，小粗隆深部多层致密骨形成的纵行骨板，向内下与小粗隆下方的股骨干后内侧皮质相融合，向上与股骨颈内后侧骨皮质相衔接。
生物力学意义：是股骨上段负重系统的重要组成部分
加强了颈干部承受压应力的能力
内固定原则
1、解剖复位，如有骨缺损一定要植骨后固定
2、内固定要有足够的强度和刚度，又不能有太大的轴向应力遮挡
3、允许早起功能活动
4、胫骨外侧入路，钢板放在胫骨外侧