骨科生物力学概述

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1、生物力学第一章 概论第一节 生物力学概貌一.生物力学概念及学习的重要性力学-研究力及物体机械运动与其应用的科学.生物学-研究生命结构、功能、发生、发展规律的科学.生物力学-力学、生物学、医学结合的一门边缘学科，是力学原理在生物学中的应用，以此来研究生物与力学有关的问题.人的整体各个器官生命的过程运动生物力学运动生物力学工程生物力学工程生物力学医学生物力学医学生物力学流体生流体生物力学物力学固体生固体生物力学物力学重视：1.力学是其他科学的基础 2.生物力学是力学发展的动力3.生物力学将自然界的启示应用于工程技术-仿生学 空气动力学 飞机 生物力学 生理学、诊断学、外科学、修复学 鸟、响尾蛇、蝙

2、蝠、海豚、鸭子、锯草 二.生物力学的发展渊源* 英国 Willian Harvey 1615年血液循环血液循环1小时心输出量：* Galileo 1638年 * Boreli 1680年 论动物的运动论动物的运动生物力学史上生物力学史上第一部专著第一部专著* Poiseuille水银压强计水银压强计* 德国 Von Helmboltz眼底镜，神经传播速度眼底镜，神经传播速度30m/s30m/s1638 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186

3、7 瑞士学者 骨的结构形态于承载大小、方向有关1892 Wollf 骨转化定律在骨力学研究方面：1967 第一届国际生物力学讨论会1978 我国将生物力学纳入力学发展规划第二节 骨力学及其研究中的几个问题 1.骨结构研究 3.骨的应力适应性 2.应力-应变研究 4.骨折治疗研究5.脊柱生物力学6.关节生物力学7.骨骼肌力学8.颅脑损伤力学第三节 骨伤生物力学在我国的发展骨伤生物力学-根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。骨伤生物力学研究内容 骨的力学性质 肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质 寻找环

4、境效应对生物组织的影响 骨折的病因、病理、治疗 骨矫形、延长、移植的手术疗法 骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制 伤筋与骨错缝的研究 骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题 现行骨伤疗法的改进和完善第四节 力效应与骨伤科疾病的关系 1.骨伤科疾病的发生是力作用的结果 外力内力 直接暴力 间接暴力 肌力 慢性劳损 2.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现 力的三要素 大小 方向 作用点 胸大肌 肱二头肌 三角肌 3.骨伤科疾病的治疗是力学原理的应用 4.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高 石膏固定、夹板固定、手术内固定第二章 力学、材料力学基础知识 骨力学性质刚体-运动规律-力的外效应-力学弹性体-

5、形变规律-力的内效应-材料力学第一节 力的概念力的性质 常见力肌肉力生理横截面积力的分量肌肉力的稳固分量和转动分量FmWaG力矩力偶WhFmJ31第二节 静力平衡 1.颈椎关节WhFmJ 2.踝关节FmNN=WFm5cm7.5cmJ 3.肩关节FmWaGG=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT 4.髋关节FmNWlN=WFmWa= W72010.8cm3.2cm7cmJNWl74.2305.髌骨受力髌韧带骨直肌 骨中间肌骨内侧肌骨外侧肌屈膝 300F=W 600900 屈膝 900F=4WF=6WF=8W6.夹板治疗骨折时受力第三节 骨的载荷、内力和变形弹性体-形变规律-力的内

6、效应-材料力学外力作用形变一、物体的应力和应变屈服断裂1.外力、内力、应力P1P2P3P4P5mmIIIP1P2P3mmIP4P5II内力外力内力-外力作用物体使物体发生形变，其内部各部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用力称附加内力，简称内力。P4P5IIP截面中任一点P的内力-应力-应力应力单位：PaPa2.形变与应变uxvy形变:u、v应变：正应变（线应变）：xyxyx形变:x应变：切应变（角应变）：3.应力与应变关系弹性模量弹性模量4.杆件变形的基本形式（1）拉伸或压缩形变xP受大小相等、方向相反、作用线与轴线重合的一对力的作用而发生的形变，表现为长度拉伸或缩短。（2）剪切形变受

7、大小相等、方向相反、作用线垂直于轴线且相距很近的一对力的作用而发生的形变，表现为两个面发生错动。（3）扭转形变受大小相等、转动方向相反、作用面垂直于轴线的一对力偶的作用而发生的形变，表现为两个截面饶轴相对转动。（4）弯曲形变受垂直于轴的横向力作用而产生的形变，表现为杆件由直线变为曲线。二、拉伸及压缩PP1、横截面上的应力mmPPfabab平面假设截面各处的应力相等截面各处的应力相等3、应变4、应力集中概念2、斜截面上的应力PPPN三、剪切形变 四、扭转形变实验中看出：1.各圆周线大小、形状、间距不变，只是绕轴转过了不同角度。说明：横截面仍为平面（平面假设）。圆周线相距不变，无正应力； 2.各纵

8、线都倾斜了一角度，矩形变成平行四边形。 xAA截面上任一点，半径为有切应变，且发生在垂直于半径的圆周面上。 五、弯曲形变实验中看出：1.横线仍为直线，只转过一角度，但仍垂直于纵线。说明：横截面仍为平面（平面假设）。 2.纵线为曲线，靠近底部变长，靠近顶部变短。 根据变形连续性可知，中间必有一层中性层、中性轴。 靠近底部被拉伸，靠近顶部被压缩，同一高度处伸长或缩短相等。 o1o2bao1o2cddy第四节 骨的基本力学性质第四节 骨的基本力学性质一、 拉压力学性质AEDCB两个范围弹性范围OB塑性范围BE五个阶段正比阶段OA弹性阶段OB屈服阶段BC强化阶段CD颈缩阶段DE五个极限A正比极限A弹性

9、极限B屈服极限C强度极限D断裂极限E一块面积S表吸收能量OAOA的斜率表刚度的斜率表刚度BEBE的长度：延伸率的长度：延伸率 截面收缩率截面收缩率两条直线两条直线OA OA BEBEOAA12OAOA的斜率表刚度的斜率表刚度OEEBBEBE的长度表示脆、韧性的长度表示脆、韧性骨的力学性质及各种因素的影响1.性别、年龄的影响性别、年龄的影响2.骨的各向异性及解剖部位的差异骨的各向异性及解剖部位的差异3.骨干湿度的影响骨干湿度的影响4.加载速率的影响加载速率的影响加载速率加载速率-单位时间内载荷的增长量。单位时间内载荷的增长量。应变速率应变速率-单位时间内应变的改变量。单位时间内应变的改变量。5.

10、应力集中的影响应力集中的影响钻空钻空并拧上螺钉8周能量比5025100二.剪切力学特性三.扭转力学特性四.弯曲力学特性设计实验：骨的力学性质及各种因素的影响1.骨的各向异性及解剖部位的差异骨的各向异性及解剖部位的差异2.性别、年龄的影响性别、年龄的影响3.骨的脆性与年龄的关系骨的脆性与年龄的关系延伸率延伸率年龄年龄15-1950-5920-2930-3940-4960-6970-7980-89作业：设计实验作业：设计实验1.说明骨的力学性质是各向异性的说明骨的力学性质是各向异性的2. 药物对骨质疏松症的治疗作用药物对骨质疏松症的治疗作用3. 推荐两套康复计划，试评价其效果推荐两套康复计划，试评

11、价其效果取材：取材：分组：分组：方法：测量哪些物理量、怎么测量方法：测量哪些物理量、怎么测量实验结果的表达：实验结果的表达：实验目的：实验目的：骨的力学性质及各种因素的影响压缩拉伸顺剪横剪1.骨骼为各向异性材料，载荷方向不同其力学性质不同；局部解剖部位不同其力学性质也存在差异。2.成熟的密质骨压缩强度最大，拉伸次之；松质骨强度远小于密质骨。3.应力集中使骨骼强度降低。4.加载速度增加，骨的强度、刚度也增加，且吸收更多能量。 一. 应力状态第五节 不同载荷下的骨折类型受力杆件内一点的所有截面上应力的集合，称该点的应力状态。剪应力互等定理：二. 轴向拉压时，斜面应力及骨折类型PPPN横断型斜型 锯齿型 压缩 脆性塑性三. 剪切骨折四. 扭转时斜面应力及螺旋骨折nx 横剪纵剪螺旋型五.弯曲骨折第六节 骨的粘弹性粘弹性-具有弹性、粘性的性质，包括蠕变、松弛、 滞后环。ttt弹性粘弹性ttt弹性粘弹性蠕变蠕变松弛松弛滞后环滞后环粘弹性模型具有蠕变、松具有蠕变、松弛现象弛现象加载速率加载速率弹簧弹簧1、2同时作用同时作用EX加载速率加载速率弹簧弹簧1作用作用EX12