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骨的力学性质第一页，本课件共有53页骨是有生命的器官骨是有生命的器官从力学角度讲，骨是人体受力的主要载体从力学角度讲，骨是人体受力的主要载体分类分类 部位部位 形态形态第二页，本课件共有53页骨的形态骨的形态n 成人全身骨约占体重的成人全身骨约占体重的20，206块块。n 形态多样，分为四类：形态多样，分为四类：长骨长骨：主要分布于四肢，起支持和杠杆作用；：主要分布于四肢，起支持和杠杆作用；长骨中间部为骨干，呈长管状，骨干长骨中间部为骨干，呈长管状，骨干 内空腔为骨髓腔，两端膨大，为骺。内空腔为骨髓腔，两端膨大，为骺。如肱骨。如肱骨。短骨短骨：形似立方形，多分布于既能承受压力：形似立方形，多分布于既能承受压力 又能活动的部位，如手的腕骨和足的又能活动的部位，如手的腕骨和足的 跗骨；跗骨；第三页，本课件共有53页骨的形态骨的形态n 成人全身骨约占体重的成人全身骨约占体重的20，206块块。n 形态多样，分为四类：形态多样，分为四类：扁骨扁骨：呈板状，富有较大的弹性和坚固性，：呈板状，富有较大的弹性和坚固性，围成空腔对腔内器官起保护作用，围成空腔对腔内器官起保护作用，如顶骨、枕骨等；如顶骨、枕骨等；不规则骨不规则骨：形状不规则，如椎骨、蝶骨。：形状不规则，如椎骨、蝶骨。第四页，本课件共有53页第一节 骨的成分有机质有机质胶原纤维、无定形基质胶原纤维、无定形基质四种骨组织细胞：四种骨组织细胞：骨祖细胞骨祖细胞成骨细胞成骨细胞骨细胞骨细胞破骨细胞破骨细胞无机盐无机盐-主要是羟基磷灰石主要是羟基磷灰石水水第五页，本课件共有53页第六页，本课件共有53页无机物无机物碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。作用作用：使骨挺硬坚实。：使骨挺硬坚实。有机物有机物大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白作用作用：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，使骨具有基本形态。使骨具有基本形态。第七页，本课件共有53页第二节 骨的构造 骨骨膜膜：紧紧贴贴在在除除关关节节面面以以外外的的骨骨表表面面的的一一层层致致密密纤纤维维结结缔缔组组织织膜膜，很很坚坚韧韧，分分为为内内外外两两层层。内内层层中中有有一一些些细细胞胞可可分分化化为为成成骨骨细细胞和破骨细胞。胞和破骨细胞。骨骨膜膜内内含含有有丰丰富富的的血血管管和和神神经经，对对骨骨起起营营养作用。养作用。骨骨由由骨骨膜膜、骨骨质质和和骨骨髓髓构构成成，有有丰丰富富的的血血管管和和神神经经。活活体体内内的的每每一一块块骨骨都都是是一一个个活的器官。活的器官。第八页，本课件共有53页骨膜 骨骨膜膜内内的的成成骨骨细细胞胞在在生生长长发发育育期期能能形形成成新新骨骨，使使骨骨长长粗粗。成成年年以以后后则则处处于于相相对对静静止止状状态态，但但在在骨骨折折时，成骨细胞可再增生活动，促进骨的愈合。时，成骨细胞可再增生活动，促进骨的愈合。骨膜内的骨膜内的破骨细胞破骨细胞能破坏骨质。能破坏骨质。成成骨骨细细胞胞与与破破骨骨细细胞胞对对骨骨的的发发生生、生生长长改改造造、修修复复起着重要作用。起着重要作用。第九页，本课件共有53页骨质分骨密质和骨松质两类。分骨密质和骨松质两类。骨密质：骨密质：在在骨骨的的表表面面，由由层层层层紧紧密密排排列列的的骨骨板板构构成成，结结构构致致密密坚坚硬硬，抗抗压压、抗扭曲力强。抗扭曲力强。第十页，本课件共有53页骨松质骨松质：骨松质：骨松质在骨密质的内面，结构疏松，骨松质在骨密质的内面，结构疏松，弹性较大，由许多片状的弹性较大，由许多片状的骨小梁骨小梁交织排列交织排列而成。而成。呈蜂窝状，骨小梁与压力的传递方呈蜂窝状，骨小梁与压力的传递方向一致，能承受很大的压力。向一致，能承受很大的压力。第十一页，本课件共有53页 骨密质和骨松质的骨密质和骨松质的分布分布 长骨骨干长骨骨干：有很厚的骨密质，骨干有很厚的骨密质，骨干 中央为骨髓腔。中央为骨髓腔。长骨骨骺及短骨长骨骨骺及短骨：表面有一层薄的骨密表面有一层薄的骨密 质，中央为骨松质。质，中央为骨松质。扁骨扁骨：内外表面都是骨密质形内外表面都是骨密质形 成的骨板，中央为骨松质成的骨板，中央为骨松质第十二页，本课件共有53页骨髓 在在胎胎儿儿和和幼幼儿儿时时期期全全部部都都是是红红骨骨髓髓，具具有有造造血血功功能能。随随着着年年龄龄的的增增长长(约约57岁岁)，骨骨髓髓腔腔中中的的红红骨骨髓髓逐逐渐渐被被脂脂肪肪组组织织所所代代替替，颜颜色色变变黄黄称称为为黄黄骨骨髓髓，失失去去造造血血功功能能。但但当当大大失失血血或或严严重重贫贫血血时时，黄黄骨骨髓髓可可再转变为红骨髓，恢复造血功能。再转变为红骨髓，恢复造血功能。在在骨骨骺骺、短短骨骨及及扁扁骨骨的的骨骨松松质质内内的的红红骨髓终生保持造血功能。骨髓终生保持造血功能。充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。第十三页，本课件共有53页骨的显微结构 作作用用：骨骨组组织织与与软软骨骨组组织织均均属属于于具具有有支支持持和保护作用的结缔组织。和保护作用的结缔组织。骨质、骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓骨膜（血管、神经）、骨髓骨组织骨组织骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏 在固体状态基质中在固体状态基质中基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。具有一定的形状和强大的坚韧性具有一定的形状和强大的坚韧性 和弹性。和弹性。软骨组织软骨组织骨组织骨组织透明软骨、弹力软骨和纤维软骨透明软骨、弹力软骨和纤维软骨第十四页，本课件共有53页骨的显微结构第十五页，本课件共有53页第三节 骨的力学特性具有很高的抗拉、压性能具有很高的抗拉、压性能有一定的硬度有一定的硬度从骨的结构而言，经过生物优化过程，具从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优的力学性能，既优化为最大的强度、有最优的力学性能，既优化为最大的强度、最省的材料、最轻的重量。最省的材料、最轻的重量。第十六页，本课件共有53页骨的可塑性骨的可塑性：在生长、发育过程中，由于：在生长、发育过程中，由于各种条件的影响使得骨的形态有所改变。各种条件的影响使得骨的形态有所改变。骨的粘弹性骨的粘弹性：在外力作用下，骨产生的形：在外力作用下，骨产生的形变与时间相关。变与时间相关。第十七页，本课件共有53页力学性质：力学性质：极限极限强度强度：抗张强度抗张强度 抗压强度抗压强度 弯曲强度弯曲强度 刚度刚度：弹性模量弹性模量：韧性韧性：应力应变曲线：应力应变曲线：在此施加压力在此拉伸体重的着力点 人 体 股 骨 的 应 力 分 布 第十八页，本课件共有53页应力与应变曲线应力与应变曲线STRESS骨密质 骨松质Greater Area:Absorbs more Energy第十九页，本课件共有53页骨骼及其力学性质骨骼及其力学性质（极限压缩强度和压缩率）（极限压缩强度和压缩率）股骨股骨切向颅骨切向颅骨径向颅骨径向颅骨椎骨椎骨骨试件压缩应力骨试件压缩应力应变曲线（应变曲线（图）图）第二十页，本课件共有53页骨力学特性的基本概念力学性质：力学性质：（极限）（极限）强度强度：抵抗破坏的能力抵抗破坏的能力 抗张强度抗张强度 抗压强度抗压强度 弯曲强度弯曲强度刚度刚度：抵抗变形的能力抵抗变形的能力稳定性：保持相对位置的能力稳定性：保持相对位置的能力弹性模量弹性模量：韧性韧性：应力应变曲线：应力应变曲线：第二十一页，本课件共有53页骨的材料力学性能特点有生命有生命非均匀、各向异性的复合材料非均匀、各向异性的复合材料接近于工程材料，用工程学方法分析骨的接近于工程材料，用工程学方法分析骨的力学性能力学性能第二十二页，本课件共有53页骨材料力学试样的选取单质试样单质试样选取单一种类的骨质材料最为试样（如只选取选取单一种类的骨质材料最为试样（如只选取密致骨）密致骨）多质试样多质试样多针对扁骨这样的结构多针对扁骨这样的结构整体骨骼试样整体骨骼试样第二十三页，本课件共有53页骨的材料力学性能拉伸压缩拉伸压缩剪切剪切弯曲弯曲扭转扭转骨的疲劳性能骨的疲劳性能骨的断裂韧性骨的断裂韧性第二十四页，本课件共有53页骨的拉伸和压缩骨的拉伸和压缩成人湿润密质骨试件的拉伸应力成人湿润密质骨试件的拉伸应力应变曲线（应变曲线（图）图）桡骨桡骨腓骨腓骨肱骨肱骨=117Mpa=1.5%线弹性第二十五页，本课件共有53页年龄、部位、性别年龄、部位、性别同一骨的不同方向的试同一骨的不同方向的试样样湿骨和干骨湿骨和干骨加载速度加载速度 第二十六页，本课件共有53页骨的剪切受一对大小相等、方向相反，相距很近的受一对大小相等、方向相反，相距很近的力的作用。力的作用。影响因素影响因素：干骨湿骨、性别、年龄等：干骨湿骨、性别、年龄等各向异性各向异性第二十七页，本课件共有53页骨的弯曲骨在与轴垂直方向上受骨在与轴垂直方向上受力会产生弯曲变形，骨力会产生弯曲变形，骨在弯曲时受到有拉应力在弯曲时受到有拉应力、压应力以及剪应力，、压应力以及剪应力，情况较为复杂。情况较为复杂。长骨长骨-简化为等厚度的简化为等厚度的椭圆环形截面的直杆。椭圆环形截面的直杆。第二十八页，本课件共有53页骨的扭转实验表明，骨的抗扭能力较差实验表明，骨的抗扭能力较差密致骨受压能力最好、受拉性能其次、受密致骨受压能力最好、受拉性能其次、受剪性能最差。剪性能最差。松质骨各项强度均小的多松质骨各项强度均小的多第二十九页，本课件共有53页骨的疲劳性能运动过程骨反复受力，运动过程骨反复受力，当作用超过某一限度，当作用超过某一限度，骨组织会发生损伤骨组织会发生损伤疲劳损伤疲劳损伤自行修复能力自行修复能力过度疲劳过度疲劳永久损永久损伤伤第三十页，本课件共有53页骨受冲击性能影响因素影响因素冲击载荷大小冲击载荷大小冲击载荷作用时间（能量）冲击载荷作用时间（能量）骨的结构骨的结构第三十一页，本课件共有53页骨的断裂韧性断裂韧性断裂韧性某种材料阻止裂纹扩展的能某种材料阻止裂纹扩展的能力，描述材料抵抗脆性破坏的能力。力，描述材料抵抗脆性破坏的能力。骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨骨上存在孔洞、缺陷、裂隙等，降低了骨的断裂韧性。的断裂韧性。第三十二页，本课件共有53页第四节 软骨软骨由软骨组织及其周围的软骨膜构成，软骨由软骨组织及其周围的软骨膜构成，软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三种，其中以透明软骨的分布较广，结骨三种，其中以透明软骨的分布较广，结构也较典型。构也较典型。软骨是具有某种程度硬度和弹性的支持器软骨是具有某种程度硬度和弹性的支持器管。管。第三十三页，本课件共有53页 一、透明软骨一、透明软骨(Hyaline Cartilage)透明软骨间质内仅含少量胶原原纤维，基质透明软骨间质内仅含少量胶原原纤维，基质较丰富，新鲜时呈半透明状。主要分布于关节软较丰富，新鲜时呈半透明状。主要分布于关节软骨、肋软骨等。骨、肋软骨等。二、纤维软骨二、纤维软骨(Fibrous Cartilage)：纤维软骨分布：纤维软骨分布于椎间盘、关节盘及耻骨联合等处。基质内富含胶原于椎间盘、关节盘及耻骨联合等处。基质内富含胶原纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞较小而少，成纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞较小而少，成行排列于胶原纤维束之间。行排列于胶原纤维束之间。第三十四页，本课件共有53页三、弹性软骨三、弹性软骨(Elastic Cartilage)弹性软骨分布于耳廓及会厌等处。结构类似透明软骨，弹性软骨分布于耳廓及会厌等处。结构类似透明软骨，仅在间质中含有大量交织成网的弹性纤维，纤维在软骨中部仅在间质中含有大量交织成网的弹性纤维，纤维在软骨中部较密集，周边部较稀少。这种软骨具有良好的弹性。较密集，周边部较稀少。这种软骨具有良好的弹性。四、软骨膜四、软骨膜(Perichondrium)除关节面的软骨表面以外，软骨的周围均覆有一层较致除关节面的软骨表面以外，软骨的周围均覆有一层较致密的结缔组织，即软骨膜。其外层纤维较致密，主要为保护密的结缔组织，即软骨膜。其外层纤维较致密，主要为保护作用；内层较疏松，富含细胞、神经及一些小血管。在紧贴作用；内层较疏松，富含细胞、神经及一些小血管。在紧贴软骨处的软骨膜内还有一种能形成骨或软骨的幼稚细胞软骨处的软骨膜内还有一种能形成骨或软骨的幼稚细胞(干细干细胞胞)，呈梭形，可增殖分化为软骨细胞。软骨膜能保护及营养，呈梭形，可增殖分化为软骨细胞。软骨膜能保护及营养软骨，同时对软骨的生长有重要作用。软骨，同时对软骨的生长有重要作用。第三十五页，本课件共有53页关节软骨关节软骨主要的功能是缓解压力的作用，在压力作用下，软关节软骨主要的功能是缓解压力的作用，在压力作用下，软骨被压缩，解除压力，又可伸展，可以保护软骨下的骨骼不骨被压缩，解除压力，又可伸展，可以保护软骨下的骨骼不受破坏，或者仅发生轻微的损伤。受破坏，或者仅发生轻微的损伤。除此之外，关节软骨还有润滑作用，使骨端滑动。除此之外，关节软骨还有润滑作用，使骨端滑动。由于弹性作用，可迅速恢复原状，因此关节软骨的形状改由于弹性作用，可迅速恢复原状，因此关节软骨的形状改变而体积不变。在青年人，这种弹性作用较强，缓冲效果变而体积不变。在青年人，这种弹性作用较强，缓冲效果亦佳。然而老年人其纤维变性，弹性减弱，关节软骨的延亦佳。然而老年人其纤维变性，弹性减弱，关节软骨的延伸能力也减弱，且恢复原状的能力也变得不如青年人，再伸能力也减弱，且恢复原状的能力也变得不如青年人，再加上老年人关节液减少，使关节软骨变得干燥，因此老年加上老年人关节液减少，使关节软骨变得干燥，因此老年人的关节软骨易受损伤，经常发生退行性骨关节病。人的关节软骨易受损伤，经常发生退行性骨关节病。第三十六页，本课件共有53页第五节 骨的连接直接连接直接连接韧带连接韧带连接软骨结合软骨结合骨结合骨结合间接连接间接连接关节关节第三十七页，本课件共有53页韧带连接 两骨之间靠结缔组织直接连结的叫韧带连接。韧两骨之间靠结缔组织直接连结的叫韧带连接。韧带多呈膜状、扁带状或束状，由致密结缔组织构带多呈膜状、扁带状或束状，由致密结缔组织构成。肉眼观呈白色，有光泽，附着于骨的地方与成。肉眼观呈白色，有光泽，附着于骨的地方与骨膜编织在一起，很难剥除，有的韧带由弹性结骨膜编织在一起，很难剥除，有的韧带由弹性结缔组织构成，肉眼观呈淡黄色，叫做黄韧带（如缔组织构成，肉眼观呈淡黄色，叫做黄韧带（如项韧带）。一般的韧带连接允许两骨间有极微的项韧带）。一般的韧带连接允许两骨间有极微的动度。但有些骨与骨之间，两直线缘相对或互以动度。但有些骨与骨之间，两直线缘相对或互以齿状缘相嵌，中间有少量结缔组织纤维穿入两侧齿状缘相嵌，中间有少量结缔组织纤维穿入两侧的骨质中，使连结极为紧密，叫做缝，如颅骨的的骨质中，使连结极为紧密，叫做缝，如颅骨的冠状缝和人字缝。冠状缝和人字缝。第三十八页，本课件共有53页软骨结合相邻两骨之间以软骨相连接叫软骨结合。相邻两骨之间以软骨相连接叫软骨结合。软骨组织属结缔组织的一种，呈固态有弹软骨组织属结缔组织的一种，呈固态有弹性，由大量的软骨细胞和间质构成，由于性，由大量的软骨细胞和间质构成，由于间质的成分不同，又有透明软骨、纤维软间质的成分不同，又有透明软骨、纤维软骨和弹力软骨的区分。第一助骨连于胸骨骨和弹力软骨的区分。第一助骨连于胸骨的软骨属透明软骨，而相邻椎骨椎体之间的软骨属透明软骨，而相邻椎骨椎体之间的椎间盘则由纤维软骨构成。由于软骨具的椎间盘则由纤维软骨构成。由于软骨具有一定弹性，所以能做轻微的活动。有的有一定弹性，所以能做轻微的活动。有的软骨结合保持终生，而大部分软骨结合在软骨结合保持终生，而大部分软骨结合在发育过程中骨化变为骨结合。发育过程中骨化变为骨结合。第三十九页，本课件共有53页骨结合由软骨结合经骨化演变而成，完全不能活由软骨结合经骨化演变而成，完全不能活动，如五块骶椎以骨结合融为一块骶骨。动，如五块骶椎以骨结合融为一块骶骨。第四十页，本课件共有53页关节尽管人体的关节有多种多样，但其基尽管人体的关节有多种多样，但其基本结构不外有关节面、关节囊和关节本结构不外有关节面、关节囊和关节腔。腔。1、关节面：各骨相互接触处的关节面：各骨相互接触处的光滑面叫关节面。关节面为一层软骨光滑面叫关节面。关节面为一层软骨覆盖称关节软骨。覆盖称关节软骨。2、关节囊：由结缔组织组成，关节囊：由结缔组织组成，它附着于关节面周围的骨面上。可分它附着于关节面周围的骨面上。可分为内外两层，外层为纤维层，由致密为内外两层，外层为纤维层，由致密结缔组织构成；内层为滑膜层，由薄结缔组织构成；内层为滑膜层，由薄层疏松结缔组织构成，可分泌滑液，层疏松结缔组织构成，可分泌滑液，起到润滑作用。起到润滑作用。3、关节腔：就是关节软骨和关节腔：就是关节软骨和关节囊间所密闭的腔隙。关节囊间所密闭的腔隙。第四十一页，本课件共有53页第六节 骨的功能适应性原理Wolf定律定律：活体骨按其所受应力而改变成：活体骨按其所受应力而改变成分、内部结构以及外部形态分、内部结构以及外部形态重建（内重建（内部重建、表面重建）部重建、表面重建）第四十二页，本课件共有53页第七节 骨折不同受力形式下的骨折不同受力形式下的骨折拉伸力拉伸力压缩力压缩力弯曲力弯曲力扭转力扭转力复合力复合力外力作用性质和骨折外力作用性质和骨折静力静力冲击力冲击力交变载荷交变载荷骨折愈合的力学环境骨折愈合的力学环境骨痂愈合过程骨痂愈合过程直接骨愈合直接骨愈合接触愈合接触愈合间隙愈合间隙愈合影响骨折愈合的力学环境影响骨折愈合的力学环境第四十三页，本课件共有53页不同受力形式下的骨折不同受力形式下的骨折不同受力形式下的骨折拉伸力拉伸力压缩力压缩力常发生于脊柱，原因是破坏性的压缩力常发生于脊柱，原因是破坏性的压缩力弯曲力弯曲力骨折常先发生于张应力一侧骨折常先发生于张应力一侧扭转力扭转力常见于长骨，骨折形状表现为螺旋形常见于长骨，骨折形状表现为螺旋形复合力复合力第四十四页，本课件共有53页外力作用性质和骨折外力作用性质和骨折外力作用性质和骨折静力静力冲击力冲击力 造成骨折的主要原因造成骨折的主要原因交变载荷交变载荷第四十五页，本课件共有53页骨折愈合的力学环境骨折愈合的力学环境骨折愈合的力学环境骨痂愈合过程骨痂愈合过程直接骨愈合直接骨愈合接触愈合接触愈合间隙愈合间隙愈合第四十六页，本课件共有53页骨痂愈合过程固定稳定性较差的骨折，在多个方向应力固定稳定性较差的骨折，在多个方向应力刺激下，通过骨痂的形成和改建、塑形获刺激下，通过骨痂的形成和改建、塑形获得骨折愈合。得骨折愈合。阶段：阶段：炎症期炎症期修复期修复期改建塑形期改建塑形期第四十七页，本课件共有53页骨折修复期骨折修复期1、血肿的形成：、血肿的形成：血肿血肿软组织损伤、血管破裂软组织损伤、血管破裂骨折骨折巨噬细胞、血小板、血细胞巨噬细胞、血小板、血细胞生化反应生化反应毛细血管通透性毛细血管通透性纤维蛋白原纤维蛋白原不溶纤维蛋白素不溶纤维蛋白素凝血因子：凝血酶、血小板、凝血因子：凝血酶、血小板、钙钙纤维网架纤维网架纤维细胞纤维细胞胶原、骨基质胶原、骨基质骨折处肉芽组织骨折处肉芽组织入侵细胞、毛细血管增生入侵细胞、毛细血管增生使血块吸收，形成使血块吸收，形成收集入侵细胞收集入侵细胞第四十八页，本课件共有53页骨折修复期骨折修复期2、纤维骨痂的形成：、纤维骨痂的形成：肉芽组织肉芽组织骨内膜骨内膜成骨细胞成骨细胞骨髓内骨髓内软骨质软骨质骨小梁骨小梁骨外膜内层骨细胞骨外膜内层骨细胞成软骨细胞成软骨细胞骨外膜软骨骨外膜软骨3、骨痂改建期：、骨痂改建期：成骨细胞成骨细胞 破骨细胞破骨细胞 骨移除和骨代替骨移除和骨代替第四十九页，本课件共有53页直接骨愈合无肌肉应力遮挡无肌肉应力遮挡紧密接触紧密接触弯曲、扭转、剪切力完弯曲、扭转、剪切力完全被控制全被控制只有轴向压力只有轴向压力血供良好血供良好第五十页，本课件共有53页间隙愈合紧密接触不可能无间隙紧密接触不可能无间隙间隙处通过新骨生成而间隙处通过新骨生成而愈合愈合第五十一页，本课件共有53页影响骨折愈合的力学环境固定牢固程度固定牢固程度应力遮挡应力遮挡应力替代应力替代接触面积接触面积接触紧密程度接触紧密程度第五十二页，本课件共有53页骨组织再生能力强，可完全愈合。骨组织再生能力强，可完全愈合。长骨单纯性骨折愈合分三期：长骨单纯性骨折愈合分三期：血肿的形成与急性炎症期血肿的形成与急性炎症期 修复期修复期 重建期重建期第五十三页，本课件共有53页