人体运动学第一章第一节.ppt

第二章骨运动学,第一节 骨的结构与机能解剖高 利 国,骨与骨骼的区别：骨：指单独某一块具体的骨头，可指一个器官或一种组织。如 肱骨 骨骼：指由多块骨通过一定的形式连接而的整体。如 脊柱、全身骨骼。骨的总特点及作用：1 骨依其不同的功能，按一定方式和力学结构，借助多种形式的骨连接，构成完整的骨骼系统，起到形成和保持机体的基本构架、支撑体重、载荷重量、保护内脏器官等作用。2 骨是体内最坚硬的器官之一，又具有一定的韧性和弹性，并呈现着鲜活的生命力。骨作为运动系统的重要组成部分在运动中发挥着杠杆的作用。3 骨的更新伴随着人的一生，与生命活动和身体健康息息相关。,前 言,一、人体骨骼的组成及形态,正常成人有206块骨，分躯干骨、头颅骨和四肢骨三部分 名称总数各骨名称与块数头颅骨29 脑颅骨8：额骨 1 顶骨 2 颞骨 2 枕骨 1 筛骨 1 蝶骨 1 面颅骨15：成对的：上颌骨腭骨颧骨鼻骨 泪骨下鼻甲骨 不成对的：下颌骨1犁骨1舌骨1 听小骨6：锤骨2砧骨2镫骨2躯干骨51 椎骨 24：颈椎 7胸椎 12腰椎 5 骶骨 1 尾骨 1 胸骨 1 肋骨 24四肢骨 126 上肢骨64：肩胛骨2锁骨2肱骨2尺骨2桡骨2 腕骨16掌骨10指骨14 下肢骨62：髖骨2 股骨2 髌骨2胫骨2腓骨2 跗骨14：跖骨10趾骨14,骨的形态,骨干：位于长骨中部较细，呈中空性。长骨的中空性管状 结构符合其生理需要，即可作为骨髓的贮存库及为长骨供血。从力学角度上分析，长骨的中空性管状结构还体现出了机体的最佳工程设计，即可使长骨在矢状面和额状面上能有效抗弯曲及在骨的长轴上有效抗扭曲。骨骺：为骨的两端膨大，骨骺顶端光滑为关节面，活体上为关节面软骨所覆盖。经测算，骨关节面的摩擦系数极低，约为0.0026，是所有固体材料中摩擦系数最低者。因此，被软骨覆盖所构成的关节面具有高效率的关节功能。干骺端：为骨骺和骨干相连处，幼年时期干骺端处有一骺软骨，参与骨的生长。成年后，骺软骨板骨化，骺与骨干相互愈合后遗留成骨骺线，骨的生长也随之停止。骨骺损伤可导致骨骼生长障碍，影响幼儿的生长发育。骺板分离或骨折和骨软骨炎是儿童少年时期特有的骨损伤。骺板分离大多由间接外力所致，最常见的外力是剪力、撕脱力、劈力和挤压力。,长 骨,短骨：呈立方形，仅表面为密质骨，内部则为松质骨。有多个关节面，可与相邻的数块骨构成多个关节。常以多个短骨集群存在，当承受压力时，各骨紧密聚集，形成拱桥结构。因此，多分布于承受压力较大、运动形式较复杂而运动又灵活的部位，如踝部和腕部。扁骨：形状宽扁，呈板状。多分布于头部、胸部及四肢带部。常围成体腔保护内部器官，如头颅骨围成颅腔、胸骨和肋骨围成胸廓、盆带骨围成盆腔等。不规则骨：其外形极不规则，典型者如椎骨。“含气骨”：位于头颅，共有5块，分别是上颌骨、额骨、蝶骨和筛骨。含气骨中间的空腔，既有利于减轻头颅的重量又可形成与鼻腔相通的骨性气窦。籽骨：位于某些肌腱内的小骨，其体积一般较小，在运动中起减少摩擦和转变肌牵引方向的作用，髌骨是人体最大的籽骨。,骨的表面形态,骨由于受邻近器官的影响，如肌肉的牵引、血管神经的走行以及周围一些脏器的接触，可形成骨面的不同形态。1骨面突起:突然高起的称为突，较尖锐的小突起称为棘，基底较广的突起称隆起，粗糙的隆起称粗隆，圆形的隆起称结节和小结节，细长的边缘称嵴，低而粗涩的嵴称线。2骨面凹陷:大的凹陷称窝，小的称凹或小凹；长形的凹称沟，浅的凹陷称压迹。3骨的空腔:骨内的腔洞称腔、窦或房，小的称小房，长形的称管或道，腔或管的开口，称口，或孔，不整齐的口称裂孔。4骨端的膨大:较圆者称头或小头，头下略细的部分称颈，椭圆的膨大称髁，髁上的突出部分称上髁。5面：平滑的骨面称面，骨的边缘称缘，边缘的缺损称切迹。,二、骨的结构,骨的结构可从器官水平、组织水平及细胞水平等不同层次进行描述。（一）器官水平的骨结构在器官水平上可分为骨膜、骨质、关节面软骨、骨髓及血管、神经等。,1.骨膜,(1)骨外膜：覆盖于除关节面外的骨外表面的致密结缔组织膜。骨外膜富有血管、神经及淋巴管，对骨的营养、新生及感觉有重要意义。此膜又由两层构成，其外层结构致密，有粗大的胶原纤维穿过骨质，起固定骨膜的作用。内层疏松，其细胞在幼年期非常活跃，进行分裂繁殖，可分化为成骨细胞直接参与骨的生成。到成年期转为静止状态，但能终生保持分化能力。当发生骨的损伤如骨折时，可重新分化为成骨细胞，形成骨痂，愈合折端。因此，被剥离骨外膜后，骨易于坏死，且不易修复。(2)骨内膜：是被覆于骨髓腔及松质骨表面的薄层结构。除衬在长骨骨髓腔的骨内膜在幼年时通过破骨细胞参与骨的长粗外，骨内膜尚具有终生的生骨潜能。,2.骨质,骨质是骨的主体成分，根据其结构的致密程度分为骨密质与骨松质。骨密质结构复杂，由规则且紧密成层排列的骨板构成。长骨的骨密质由外到内分别为外环骨板层、骨单位及内环骨板层。(1)外环骨板层：外环骨板层是由靠表面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。外侧与骨膜紧密相连，中间有与骨干垂直并横行穿过骨板层的管道，称穿通管，是营养血管进入骨内的管道。(2)内环骨板层：内环骨板层是由靠近骨髓腔面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。最内层与骨内膜相连，其中亦有穿通管出现。(3)骨单位：是骨密质的基本结构单位。位于骨内、外环骨板之间，是骨干骨密质的主体。从骨单位的横断面可以看到同心分布的骨板，成为不同直径的、一层套一层的封闭的圆柱，这种结构又被称为哈佛氏系统。哈佛氏系统的中心有一管道，称为哈佛氏管，哈佛氏管之间由佛克曼管联结，在这些管系中走行有血管、淋巴管及神经。密质骨板里的纤维向各个方向分布，并以定的角度互相交错。骨密质的这种结构使骨具有高度的坚固性质，并且随着应力的变化而不断的增多和改建。骨密质因结构致密，具有抗压、抗拉力强的特点，常分布于骨的表面及长骨的骨干。,骨松质,松质骨是由针状或片状的骨板构成，呈网状结构，形成骨小梁。骨小梁按压力及张力的方向排列，负责力学上的支撑机能。如股骨的骨小梁在分担体重时所起的作用十分重要。骨松质的疏松结构及骨小梁的力学特性，大大地减轻了骨的重量，又使骨达到最大的力学性能。由于骨松质结构疏松，常分布于长骨骨骺内部及其他骨的内部。,松质骨的结构类型 I型：由纤细的杆状骨小梁构成。II型：主要由杆状和板状骨小梁连接构成。III型：由不同大小和形态的板状骨小梁构成。,3.骨髓骨髓分红骨髓与黄骨髓。红骨髓具有造血功能。成人的短骨及扁平骨的松质骨网眼中的红骨髓伴随人的终生。长骨骨髓腔中的红骨髓，约5岁后便转化为黄骨髓。黄骨髓富含脂肪组织，不具有造血功能，但在应急状态下黄骨髓可转化为红骨髓而再次具有造血功能，如恶性贫血或外伤大出血时。4.关节面软骨一般是由透明软骨组成，覆盖在骨关节面上。薄而光滑且具有弹性，在功能上主要起减少摩擦、缓冲震动的作用。,（二）组织水平的骨结构,骨组织是由骨细胞系、骨胶原基质和无机盐形成的坚硬的结缔组织。骨细胞系包括骨细胞、成骨细胞和破骨细胞等。在骨形成、骨吸收、骨基质矿化平衡和骨修复过程中，骨细胞系扮演着各种不同的角色。1.骨细胞在成年人骨组织细胞中占90%以上几乎所有骨基质表面都被骨细胞体和质突覆盖骨细胞的这种大面积覆盖和复杂的网状结构可以很敏感地感觉作用于骨上的各种应力，具有控制离子进出骨基质的作用。此外，骨细胞和成骨细胞等所形成的细胞网络关系可以很好地感觉和处理骨骼变形，调节骨吸收和形成，调节矿物质离子在骨基质和细胞外液之间的流动和交换。,2成骨细胞排列在骨表面或紧紧包靠在邻近成骨细胞上。当成骨细胞被骨基质包埋、细胞质突伸进骨基质时，它们就在骨基质中形成骨细胞；当成骨细胞一旦被激活，则会从钙化骨基质的缝隙中游离出来。成骨细胞的主要功能有：(1)合成和分泌有机骨基质（骨胶纤维和基质），称类骨质，参与骨的形成并影响骨基质钙化；(2)在甲状旁腺素(PTH)等激素及一些局部细胞因子的刺激下，成骨细胞释放某些细胞介质，以激活破骨细胞。,3破骨细胞多核巨细胞，含有250个核，主要分布在骨质表面、骨内血管通道周围。破骨细胞的数量较少。具有非常大的降解骨基质的能力，它通过改变其作用区域内的酸碱度（由原来约7.0的pH值降低到约4.0），以溶解骨矿物质；通过分泌酸性蛋白酶以降解有机骨基质。一旦完成了骨吸收任务，破骨细胞便分裂成单核细胞，后者若被再次激活又可形成新的破骨细胞。临床上骨硬化症是由于破骨细胞吸收钙化软骨和骨细胞功能丧失所致，采用骨髓移植的方法可成功地治愈动物和人骨硬化症。,骨的有机质,主要是骨胶原纤维及骨非胶原蛋白。骨胶原纤维（简称骨胶原，又可分为型和型胶原等）占有机物的90%；其余10%由非胶原黏蛋白和骨特异性黏蛋白组成。遗传性型胶原异常(包括数量减少和结构异常)称为成骨不全，临床上主要表现为骨脆性增加。骨非胶原蛋白可影响基质结构、骨钙化和骨细胞的功能。非胶原蛋白包括骨钙素、骨结合素、骨涎蛋白、骨磷蛋白和少量黏蛋白。其它可能影响骨细胞功能的生长因子。如-转化生长因子簇(FGFs-)、胰岛素样生长因子和(IGF-和 IGF-)、骨形成蛋白(BMP)、血小板源性生长因子(PDGF)、白介素-1和6(IL-1和IL-6)和集落刺激因子(CSF)等。有机物使骨具有一定的弹性与韧性。胶原纤维的结构和排列方向是影响松质骨力学性能的主要国素之一。,无机质,无机质的主要成分是磷酸钙、碳酸钙和枸橼酸钙。无机质有两个基本功能，即离子库和维持骨的刚度和强度。人体中约99%的钙离子、约85%的磷离子、40%的钠离子和60%的镁离子贮存于骨矿结晶中。其中磷酸钙、碳酸钙和枸橼酸钙以羟基磷灰石结晶Ca(PO4)3OH和无定形的胶体磷酸钙的形式分布于骨的有机质中。骨中的羟基磷灰石结晶呈柱状或针状，其特点是脆而易碎。但骨矿物质中钙-磷结晶耦联作用可产生一种具有力学特性的坚硬材料，以抵御正常人体活动施加在骨骼上的外力。,骨基质主要由胶原纤维和充填其内的致密羟基磷石灰构成，骨的力学性能主要由骨基质提供。一般认为，胶原纤维的方向决定了羟基磷灰石沉积的位置，而胶原纤维排列方向在老年人中逐渐失去纵向排列特征，可能与老年人骨的力学性能下降有关。有机质与无机质按一定的比例（前者约1/3，后者约2/3）有机地结合在一起，使骨组织具有坚硬、抗冲击力的特征，而又能获得很高的机械性能和生理功能。因此，有机物和无机物的结合，加之骨的结构特点，使骨具有一定的坚固性和弹性。有机物和无机物的比例随着年龄及其他因素的变化而会发生相应的变化。如有机质与无机质的比例具有明显的年龄特征：少年儿童有机质的含量相对较多，因而其骨具有弹性好、坚固性差、不易骨折但易变形的特点。老年人的骨无机质的含量相对较多，其骨脆性大，容易骨折，且骨折后不易愈合。因此，在日常生活及体育运动中应充分注意骨成分的年龄特征，以避免骨变形或骨折的发生。,三、骨的代谢,骨的代谢是通过成骨细胞和破骨细胞参与的骨形成与骨吸收来实现的，其代谢活动是一个动态平衡过程。在人的生长期，骨形成大于骨吸收，骨量呈线性增长，表现为骨皮质增厚，骨松质更密集，这一过程称为骨构建（Modeling）或称骨塑形。在成人期，骨生长停止，但骨的形成和吸收仍在继续，处于一种平衡状态，称为骨重建（remodling）。,骨重建过程,骨重建过程可分为5期。第一期：休止期，又称静止期，此期既无骨吸收也无骨形成。第二期：激活期，破骨细胞的前驱细胞分化成破骨前细胞，并附着在骨表面上。第三期：吸收期，破骨前细胞与暴露表面接触、融合、分化成破骨细胞，进行骨吸收。在破骨细胞吸收一定数量的骨质后即消失，正常人约持续1个月，在吸收期骨表面形成一个陷窝，称为吸收陷窝。第四期：转换期，吸收期结束，破骨细胞移向其他部位。第五期：形成期，成骨细胞在陷窝的表面上相继出现并分化、增殖，形成类骨。随后，类骨成熟骨化成骨。待陷窝接近填平时成骨细胞失去成骨活性，成为表面上的衬托细胞。,一个骨重建周期约需3个月。一个骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（BRU）。在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成，但吸收与形成的骨量大致相当。骨的吸收与形成连续进行，最终使骨能不断地自我修复和适应新的应力要求。骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载功能的骨组织，可维持或降低骨强度和骨量。每年在骨表面上出现的BRU数量称为BRU的激活率，激活率越高，骨表面BRU数量则越多，更新的骨量也就越多，一般将其称为高转换，反之则称之为低转换。1年中全身骨的95参与骨重建过程。影响骨重建的因素有二大方面，即促进骨吸收和促进骨形成的因素。促进骨吸收的因素有甲状腺激素、甲状旁腺激素、皮质类固醇激素、前列腺素E2及雌激素等。促进骨形成的因素有维生素D、胰岛素、运动等。当任何一种因素缺乏时均会影响到骨代谢的过程。,四、骨的钙化,骨的钙化主要是指在成骨细胞合成并分泌骨的有机成分（有机基质）后、在一定的条件下无机盐有序地沉积于有机质内的过程。骨的钙化过程极为复杂而微妙，它涉及细胞内、外生物化学和生物物理学的过程。,（一）骨钙化的基本物质与途径,骨钙化的基本物质是钙与磷离子，其次还有镁、钠、钾及其他微量元素。骨胶原纤维则为骨钙化提供基本结构场所。骨钙化的途径是：首先，成骨细胞合成并分泌骨的有机成分（主要是骨胶原，其次还少量的骨钙素蛋白、多糖类等）。有机物为骨钙化提供结构基础。其次，体内的钙离子与磷离子结合形成晶体形式的羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2（无机盐）。羟基磷灰石结晶呈针状或板状，经转运至骨胶原间隙区域内。然后，无机盐再与有机质相螯合形成螯合物，最后形成正常骨质。,在此过程中有机质以骨胶原为主体，无机质以羟基磷灰石为主要物质。因此，钙化后的骨基质实际上是无机盐成分以晶体的针状或板状结构沉着于胶原纤维的空隙内所形成的物质。在整个钙化过程中，钙和磷酸盐离子在非晶体和晶体的磷酸钙盐中是平衡的，这种平衡受局部pH值、降钙素、成骨细胞等多种因素的调节与控制。,（二）影响骨钙化的因素,骨钙化是一个复杂的生理生化过程，骨钙化既受全身多种离子、激素等的调节，在钙化局部也受许多细胞内、外因子的影响。影响骨钙化的主要因素有：1胶原骨胶原含有丝氨酸和甘氨酸，大量的丝氨酸以磷酸丝氨酸盐的形式存在，在胶原基质的纤维上、纤维内与钙离子结合或与磷离子结合，形成羟磷灰石结晶。2黏多糖类黏多糖是大分子的蛋白多糖类物质，这种蛋白多糖复合物和钙化作用有关。酸性蛋白多糖的游离阴离子可选择性地结合钙离子，减少羟磷灰石结晶的形成，从而抑制钙化作用。当蛋白多糖被酶分解后，即可解除该抑制作用。3基质小泡基质小泡是由成骨细胞向类骨质中释放的小泡，泡内含钙、小的骨盐结晶和钙结合蛋白。基质小泡是使类骨质钙化的重要结构。基质小泡内还含有高脂质及碱性磷酸酶、焦磷酸酶等多种酶类。可通过多种途径促进软骨钙化。,五、骨的血液供应，淋巴与神经,（一）血管成熟骨具有丰富的血管并形成精巧的血液供应管道系统，为骨组织、骨膜提供血液来源。即使在致密的皮质骨组织内，仍有骨血管系统保证血液的供应。骨膜本身有一套完整的供血系统，在骨膜表面，纤维层和肌肉血管广泛吻合形成血管丛。小儿骨膜生长层血管特别发达，随着年龄增加，骨膜血管的营养作用逐渐减退，骨的血供也随之减少，但仍是一生中骨血供的重要部分。（二）骨的淋巴管骨膜具有丰富的淋巴管，但骨内是否有淋巴管，目前尚有争论。（三）骨的神经长骨的关节端、较大的扁骨、椎骨及骨膜是骨的神经分布最丰富的部位。骨的神经常与滋养血管伴行进入骨内，分布到哈佛氏管的血管周围。骨的神经纤维分二类：一类是骨内脏传出神经纤维，大多分布于血管壁及骨髓。另一类是躯体传入神经纤维，主要分布于骨膜及关节软骨的深面。,六、骨的机能,（一）力学机能1支撑机能骨是全身最坚硬的组织，通过骨连接构成一个有机的整体，使机体保持一定的形状和姿势，对机体起着支撑作用，并负荷身体自身的重量及附加的重量。2杠杆机能运动系统的各种机械运动均是在神经系统的支配下，通过骨骼肌的收缩、牵拉骨围绕关节运动而产生的。3保护机能某些骨按一定的方式互相连接围成体腔或腔隙，如胸腔，此外，骨骼形成的某些结构能维持血管的正常形态和避免神经受压，如足弓的拱形结构能免于足底的血管和神经受压。总之，骨的材料力学性质既保证了骨的强度和刚度，使其很好地完成其支持和保护功能，又使其具有一定的弹性和韧性，因而能很好地完成运动中的杠杆功能。,（二）生理学机能,骨的生理学机能包括钙、磷贮存机能、物质代谢机能、造血机能和免疫机能等。1钙、磷贮存机能与物质代谢机能骨是人体最大的钙库和磷库，与机体的钙、磷代谢有密切关系，在维护血中的钙、磷含量的恒定中起调节作用。当血液中钙、磷含量增高时，则贮存在骨内，而当血液中钙、磷含量降低时骨内的钙、磷则释放至血中。2.造血机能和免疫机能出生后，红骨髓是唯一的造血器官。在正常的生理状态下，血液中各种血细胞的生成、发育、释放、死亡和清除均处于动态平衡，并发挥着运送气体、防御、免疫等生理功能。这种动态平衡及生理功能的实现则依赖于红骨髓的正常造血功能。,为了教学相长，欢迎各位同学以各种 途径提出任何批评、意见或建议！我的手机：,第二节骨生物力学,骨生物力学是以骨骼为主要对象、研究骨的机械运动规律的科学。它由力学、生物学、生理学、解剖学等有关学科结合而成，其研究目的在于剖析骨关节系统的力学性质及力的传导，揭示骨骼生长、发育、退化、病变、死亡与力作用的关系。为预防、诊断及治疗骨疾病、骨移植、骨矫形，控制骨生长，促进骨愈合，以及假体的研制与应用等提供理论依据。,一、骨的承载能力,骨骼是身体运动的轴柱和身体的坚强支柱。在日常生活、劳动和运动中要求骨有足够的承载能力。对骨承载能力的衡量主要有骨的强度、骨的刚度及骨的稳定性三方面：第一，骨的足够的强度。在日常生活与运动中，保证骨的正常功能，首先要求其具有足够的强度，能在载荷下不发生破坏。即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。如四肢骨在剧烈运动和大强度劳动时不应该发生骨折。第二，骨的足够的刚度。即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。在日常的生活和运动中，骨的形状和尺寸会因承载负荷的作用而变形，但变形不应超过正常生活所允许的限度，如脊柱在弯曲时不应该发生损伤或侧凸。第三，骨的足够的稳定性。即指骨保持原有平衡形态的能力。例如，长骨在压力作用下有被压弯的可能性。为了保证正常的生活和运动，要求它始终保持原有的直线平衡形态不变。,二、骨的载荷及变形,在日常生活与运动中，人体骨会承受来自多方的不同形式的载荷。如人在跑步时受到体重、迎面风力及地面的反作用力等均是骨承受的载荷。（一）骨的载荷载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。作用于骨骼上的外力可分体积力与表面力两类。体积力直接作用于物体内部各点，如重力及惯性力均为体积力。表面力是作用于物体表面的力，如撞击力、挤压力等。在作用面积较大时称为分布力或分布载荷，有均匀分布与不均匀分布之分。在外力分布的面积远小于物体时，可以把这外力简化成集中作用一点，这种外力称为集中力或集中载荷。人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合等载荷。,1拉伸载荷拉伸载荷是指在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。如图2-10A所示，骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。另外，通常状态下人们从事的牵引、提拉重物的活动，也是机体承受拉力的表现。2压缩载荷压缩载荷是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷(图2-10B)。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。当压缩载荷超出骨组织的生理承载极限时，骨组织可能因压缩载荷作用而产生短缩形变。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩则是机体承受压缩载荷的表现。挤压应力可以看成是许多自表面朝向骨组织内的小内力，而且最大挤压应力出现在与载荷相垂直的平面之上。,3弯曲载荷 如图2-10C所示，弯曲载荷是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。存在于中性轴两侧的应力与应变，其二者既相对立，又互相依存，并通过附于周围的软组织的协调，达到相对平衡状态。应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距中性轴越远，其应力就越大。此特征在人体的长骨中表现尤为明显。值得注意的是在施加弯曲载荷的同时，往往同时存在拉伸与压缩的作用。,4剪切载荷表现为在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用(图2-10D)，在骨内部也会产生剪切应力和应变。例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。5扭转载荷加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。如图2-10E所示。例如体操运动员作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用即为扭转载荷。在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼结构中。与弯曲一样，剪切应力力度的大小与距中性轴的距离成正比，即离中性轴越远，其剪切应力就越大。扭转载荷作用下所形成的最大剪切应力作用在与骨中性轴平行和垂直的平面上，最大的拉应力与压应力则作用在与骨中性轴成角度的斜面上。,6复合载荷人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷(图2-10F)。如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压缩力等多种力综合作用的结果。另外，持续载荷对骨也会产生一定的影响。即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生缓慢变形或蠕变。在加载后的最初数小时（68小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。,（二）骨的基本变形,任何物体在外力作用下其尺寸和形状都会发生改变。骨骼在承受各种不同载荷时同样也会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸就是受力变形的典型例子。根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形,力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复。如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材料特性等。,骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲(bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大差异。大骨抵抗力的能力优于小骨。骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要。例如，松质骨与正常骨有同样的几何学结构，但在负荷情况下，会发生较大的变形，而在较小的力作用下，会发生骨断裂。这便是与松质骨的结构特性有关。,骨在外力作用下会发生变形。当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为弹塑性。钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。,三、骨的应力与应变骨力学与一般材料力学相似，包含二个最基本的元素，即应力和应变，可用于描述骨骼受力后的内部效应。（一）骨的应力当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力。应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。如前所述，由于力的方向不同，作用于骨的力分别有压力、拉力、剪切力和扭转力。当骨受到这些力的作用时，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，应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。（二）应变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，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示。当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。,当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。按照应力和应变的方向关系，可以 将应力分为正应力 和切应力，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转 应力。,物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位 置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。,（三）应力-应变曲线骨的应力-应变曲线是用来表示应力和应变之间的关系的。应力-应变曲线分成两个区：即弹性变形区和塑性变形区。在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。该点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。屈服点以后的区称塑性区，此时的材料已出现结构的损坏和永久变形。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。导致骨折所需的应力称为骨的最大应力或极限强度。在应力-应变曲线弹性区的斜率称为弹性模量或杨氏模量(Youngs Modules)，表示材料抗形变的能力。一般而言，弹性模量是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。,弹性模量是指材料受到变形应力时恢复其原形状和结构的能力.现有的髓内钉材料多为不锈钢或钛.不锈钢的弹性模量大于钛,且这两种材料的弹性模量均大于骨骼,即不锈钢的刚度大于钛,而骨的刚度最弱3、弹性模量是指材料抵抗变形的能力,其值越高,产生一定应变所需应力越大,材料越坚强.弹性模量是指在无侧限受压情况下,应力与相应应变间的比值.确切地说,它反映了岩体在受力方向上的物理力学性质 弹性模量是指正应力s与弹性正应变（即可恢复应变）ed的比值,（四）骨应变能量达到极限负荷时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。,四、骨的生物力学特性,骨的生物力学特性包括骨的材料力学特性和结构力学特性。骨的材料力学特性是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。骨的结构力学特性是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。（一）骨组织的基本生物力学特性骨组织的化学成分及结构特点决定其基本的生物力学属性。,1.各向异性骨的结构为中间多孔介质的夹层结构材料，这种材料称为各向异性体，即不同方向的力学性质不同。如骨皮质由5个结构层次的介质组成，因此它的弹性性质在各个方向并不相同。但与其生理功能相适应。骨松质同样具有多孔结构特点，因而也呈现出较明显的各向不均匀性质，并服从Wolf定律。如局部的骨小梁因要适应其承受应力的需要，在不同解剖部位的骨小梁结构差异很大。骨松质的各向异性性质明显大于骨密质。实验表明，在骨松质的负重部位，各向异性性质明显大于非负重部位，主要存在于股骨近端、胫骨远端和髌骨等部位，以椎体的骨松质各向异性最为显著。椎体骨松质由较厚的垂直骨小梁和连接垂直骨小梁之间的水平骨小梁构成，椎体力学性质取决于垂直骨小梁的厚度和骨小梁间距。由于骨改建的结果，骨松质各向异性性质随年龄而增加。在女性中，由于水平骨小梁数量下降，导致其椎体的力学性质急剧下降。,2弹性和坚固性骨组织大约有2530是水，其余7075是无机物和有机物，其中无机物(磷酸钙与碳酸钙)占6070，有机物(骨胶原)占2040。骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，具有抗张能力。骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力，能承受各种形式的应力。3抗压力强、抗张力差骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏，这主要和骨小梁的排列有关。,4耐冲击力和持续力差载荷作用时，在骨中所引起的张力分布虽然一样，但效果不一样。两者相等时，冲击力在骨中所引起的变化较大，即骨对冲击力的抵抗比较小。另外，同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。5.应力强度的方向性因为皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也就不同。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。,6.骨的强度和刚度 如前所述骨强度和刚度是衡量骨承载能力的两个重要指标。(1)骨强度：骨强度是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。在压缩载荷的试验中，载荷-变形曲线能反映结构强度的三个参数是：1)结构在破坏前所能承受的载荷。2)结构在破坏前所能承受的变形。3)结构在破坏前所能贮存的能量。(2)骨的刚度：骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。影响骨强度与刚度的因素有：1)压应力：肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生。2)骨的大小和形状：骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。,7.机械力对骨的影响,在骨承受载荷的限度内，根据沃尔夫定律，成人骨对机械力的反应是由应力值所决定的。一般而言，机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。在平衡状态下，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性大体相同。当人体活动增加、应力增大时，成骨细胞活性增强，骨质生成增加，骨的承载面增大，以适应大的运动量的需要。与此同时，使应力下降而达到了新的平衡。反之，当应力降低时，破骨细胞的活性则增强，骨吸收功能增大，骨组织量下降，结果使应力增加。可见，骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。所以，保持相当的运动量（尤其是中老年人和更年期妇女）是预防骨质疏松的重要措施之一。,8.骨是人体理想的结构材料,骨在人体中起到承重和杠杆作用，因此，要求骨既要强度大又要质量轻。从表2-2 人体胫骨与其他几种材料的比较可以看出，骨从满足这一要求。如下表所示，骨的密度比钢和花岗石要小，但骨的强度虽比钢低，却比花岗石高。可见，骨的质量要比钢和花岗石轻得多。另外，骨对纵向压缩的抵抗强，说明在压力情况下不易损坏。在张力情况下易损坏，这是因为骨小梁的排列是与骨轴平行的。从上述各种材料的密度与强度进行评价，骨是人体支架最理想的结构材料。,人体胫骨与其他材料比较物理性能 钢 骨 花岗石 密度(g/cm2)7.8 l.871.97 2.6沿纵轴的最高张力强度(kgf/cm2)4242 9301200 50沿纵轴的最高压力强度(kgf/cm2)4240 12102100 1350,（二）骨受载时的生物力学特性骨在受载时呈现出明显的、具有自身结构特征的生物力学特性：1.骨对应力的反应在骨承受负荷的限度内，成人骨对各种生理应力都能作出相应的反应，其反应的大小由应力的值所决定。一般情况下，骨对生理应力刺激的反应往往处于平衡状态，应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提高了骨的生理应力能力。(1)密质骨对应力的反应：骨质分骨密质和骨松质，VictorH Frmlkel在骨骼系统的生物力学基础一书中提出，骨密质和骨松质可看作是疏松度变化幅度很大的同一材料。疏松度为骨骼内非矿化组织所占的比例，可用百分比来表示。骨密质的疏松度为530，骨松质的疏松度为3090。由于骨结构中密质骨和松质骨的疏松度不同，它们所能承受的力也就不相同。密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。经反复试验证实，骨的极限强度随负荷的类型和负荷方向的不同而有不同。,成人股骨皮质骨极限强度,Reilly和Burstein测定的成人股骨在不同类型负荷下的皮质骨极限强度的结果。负 荷 类 型 极限强度(MPa)纵向 拉力 133 压力 193 剪力(纵向扭转试验)68 横向 拉力 5l 压力 133,(2)松质骨对应力的反应：由于骨松质的疏松度为3090，其应力-应变特征与密质骨有很大差异。拉力试验表明，松质骨的拉力强度和压力强度大约相等，松质骨的弹性模量在拉力负荷与压力负荷方面亦大体相等。但松质骨在拉力负荷、压力负荷下的应力-应变特性有较大的差异。松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。可见，松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。,2.骨密质在受载时的生物力学特性由于骨结构的各向非均匀性和各向异性性质，使得骨在承受不同的载荷时，具有不同的强度极限和极限应变。骨在受压缩时的强度极限要比受拉伸时的强度极限大；而受拉伸时的弹性模量要比受压缩时大。以成年人的股骨为例，其压缩时的强度极限是1704.3Mpa，拉伸时的强度极限是1241.1Mpa，弹性模量为3.2Gpa。而拉伸时的剪切强度极限为54.10.6 Mpa。人类骨骼80%是皮质骨。在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的2时就发生断裂，而骨松质的应变超过7时才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。,骨的强度随着人的年龄、性别、骨的位置、载荷的方向、实验的取样(比如试样的干与湿，是否新鲜等)等不同而有较大的变化，比如干燥的人股骨的拉伸强度极限要比新鲜的人股骨的拉伸强度极限高出百分之二十以上。图2-14为人的股骨受到单轴拉伸时的应力一应变关系曲线。从图中干骨和鲜骨应变的取值可以看到，干骨应变为0.4时就发生破坏，没有明显的屈服点和塑性变形，一达到屈服点就出现破坏，呈现较明显的脆性。而鲜骨应变为1.2时才破坏，虽然无明显的屈服点，但是塑性变形却很明显，呈现一定的塑性。因此，干骨呈现较明显的脆性，鲜骨则呈现一定的塑性。此外，同一块骨的不同部位的力学性能也存在差异。如长骨骨干的主要组织是骨密质，所以各种长骨在其管状部位的强度极限最高。,3.骨松质在受载时的生物力学特性由于骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。因此，骨松质在人体骨骼系统中，特别是在椎体、股骨近端、桡骨远端等位置的应力分布及应力传递方面起着十分重要的作用。(1)骨松质的结构特点：骨松质的微结构十分复杂，它是由许多针状或片状的骨小梁相交织成的网状结构。其结构特征与工程上的多孔泡沫体极相似。有学者在研究了骨松质显微结构与力学关系后，将骨松质的显微结构分为四种基本结构类型：针状非对称形开放网格、片状非对称形封闭网格、针状圆柱体形开放网格、片状圆柱体形封闭网格。,(2)骨松质结构特征与应力适应性通过显微镜观察人的脊椎骨、肋骨、股骨头和胸骨上的骨松质，可以发现骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。由于骨的密度依赖于外加载荷的大小，因此，不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构，也表现出对不同受力特点和不同力学环境的适应性。骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在密度相对较低的骨松质部位，骨小梁主要表现为开放型的针状结构，即低密度的针状开放网格与低应力区域相对应；在密度相对较高的骨松质部位，因有较多的骨组织聚集在骨小梁上，则形成封闭式的片状结构，即高密度的片