生物力学:载荷如何对骨骼产生影响
2015-05-15 15:28:11    浏览次数:
不同载荷对骨的作用 人体骨骼受到肌肉内力和各种外力的作用,由于施加于骨的方向不同,产生了拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。 (1) 拉伸载荷:拉伸载荷为自结构表面外施加相等而相反的载荷,在结
       不同载荷对骨的作用 人体骨骼受到肌肉内力和各种外力的作用,由于施加于骨的方向不同,产生了拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。
      (1)   拉伸载荷:拉伸载荷为自结构表面外施加相等而相反的载荷,在结构内部产生拉应力和应变。拉应力可看作许多自结构表面向外的内力。最大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上。结构在拉伸载荷作用下伸长同时变窄,骨组织在拉伸载荷下断裂的机制主要为骨单位的脱离。
       拉伸载荷所致的骨折通常见于骨松质,如跟腱附着点附近的跟骨骨折,小腿三增头肌的强烈收缩对跟骨产生异常高的拉伸载荷。
     (2)   压缩载荷:压缩载荷为加于结构表面的相等而方向相反的作用载荷。在结构内部产生压缩应力长期应变。压缩应力可看作许多自表面朝向结构内的内力。最大压缩应力出现在与载荷相垂直的平面上。在压缩载荷作用下,结构因此缩短和变宽,骨组织在压缩载荷下破坏的机制主要是骨单位的斜行破裂。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。关节周围肌肉异常强烈收缩造成关节的压缩骨折。
     (3)   剪切载荷:剪切载荷为施加于结构表面的方向与结构横断面平行的载荷。在结构内部产和剪应力和应变。剪应力可看作许多小的内力作用与载荷 平行的平面上。结构承受剪切载荷时其内部发生角变形,直角为钝角或锐角。结构承受拉伸或压缩载荷时的角变形。
剪切骨折通常见于骨松质,如股骨髁和胫骨平台骨折。成年人骨质的极限应力在压缩、拉伸和剪切载荷时是不同的。骨密质所能承受的压应力大于拉应力,所能承受的拉应力又大于剪应力。
     (4)   弯曲载荷:弯曲载荷为使结构沿其轴线发生弯曲的载荷。结构在弯曲时受到拉伸和压缩。骨骼承受弯曲载荷时,拉应力和应变作用于中性轴的一侧,压应力和应变作用于另一侧,而在中性轴上没有应力和应变。应力的大小现至骨骼中性轴的距离成正比,距中性轴越远,应力越大,由于骨骼是不对称的,所以,拉应力与压应力可不相等。
        成年人骨骼破裂开始于拉伸侧,因成年人骨骼抗拉能力弱于抗压能力。未成熟骨则首先自压缩侧破裂,而在压缩侧开成皱曲骨折。
      (5)   扭转载荷:扭转载荷为施加于结构上使其沿轴线产生扭曲的载荷。结构受到扭转时,剪应力分布于整个结构。剪应力的大小与距中性轴的距离成正比,离中性轴越远,剪应力也就越大,因此,扭转产生的骨折开始于骨质的表面。
     (6)   复合载荷:在活体上,很少有一种形式的载荷作用于骨上,而是几种载荷同时作用,比较复杂。
        近年来,有人在活体上测定行走和小跑时成年人胫骨前内侧面的应变,证明在日常生理活动中载荷的复杂性,Carter(1978)按上述应变测量结果计算了应力值。正常行走时,跟着地时为压应力,站立时为拉应力,距离地时为压应力,表示有显著的扭转载荷,这一扭转载荷提示在站立相和趾离地时胫骨外旋。


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