授課用-骨折生物力學(xué)課件

1、骨折生物力學(xué)骨折生物力學(xué)第一節(jié)：生物力學(xué)概念人體活動對骨骼的三種力1 作用于骨的外力2 肌肉收縮和韌帶的張力對骨骼的內(nèi)力3 骨的內(nèi)反應(yīng)力（負荷）第一節(jié)：生物力學(xué)概念人體活動對骨骼的三種力力負荷作用于骨骼可使骨發(fā)生形變微觀顯微骨折青枝骨折骨折骨折因素：1.力的大小材料特性。力負荷應(yīng)力：骨骼某點內(nèi)力的強度，單位面積所 受的力應(yīng)變：骨骼受力時，其內(nèi)部任何一點發(fā)生 變形，稱為該點的應(yīng)變。應(yīng)力：骨骼某點內(nèi)力的強度，單位面積所 純彎曲：凹側(cè)- 壓應(yīng)變（力），凸側(cè)- 張 應(yīng)變（力），中位軸-應(yīng)變（力）為0.壓力點(橫切面)不會產(chǎn)生剪式應(yīng)力不規(guī)則骨 扭轉(zhuǎn) 剪性應(yīng)變科雷氏骨折復(fù)位后骨折線消失，兩周后拍片又見骨折

2、線而且有所增寬，之后又慢慢消失。拉力 133骨皮質(zhì)快速受力較緩慢受力吸收的能量大。根據(jù)這一理論，局部骨折塊之間的應(yīng)變和骨痂組織的力學(xué)特性之間的平衡決定了一期和二期愈合的過程。骨折端的吸收由活動引起，間隙變大，減少骨折端間隙間的應(yīng)變。拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折剪式應(yīng)力：平行于所給平面的單位面積的 力（使立方體變?yōu)槠叫辛骟w）骨松質(zhì)：多孔 硬度較皮質(zhì)骨差骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴展。變形，稱為該點的應(yīng)變。當(dāng)間隙增寬時，對個別細胞的拉力相對減低。不利：剪力或彎曲力過度。兩種應(yīng)力：正常應(yīng)力：垂直于所給平面的單位面積的 力（使立方體前面變

3、薄變長）剪式應(yīng)力：平行于所給平面的單位面積的 力（使立方體變?yōu)槠叫辛骟w）純彎曲：凹側(cè)- 壓應(yīng)變（力），凸側(cè)- 張 應(yīng)變（力）授課用_骨折生物力學(xué)課件骨骼系統(tǒng)的特點幾何學(xué)復(fù)雜：管狀骨、不規(guī)則骨、扁骨等力的類型復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)雜骨骼系統(tǒng)的特點屈服(失控) ： 應(yīng)力達到某一點時，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點），且持續(xù)時間較長，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點）。材料的硬度：彈性模量（應(yīng)力比應(yīng)變）拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45剪應(yīng)力。屈服(失控) ： 應(yīng)力達到某一點時，提示骨小梁斷裂開始（屈服授課用_骨折生物力學(xué)課件3.彎曲 （長管狀骨）1.純彎曲：凹側(cè)- 壓應(yīng)變（力），凸側(cè)- 張 應(yīng)變（力），中位軸-

4、應(yīng)變（力）為0. 壓力點(橫切面)不會產(chǎn)生剪式應(yīng)力2.三點彎曲：骨骼受力較常見.兩端支撐，對側(cè)受力。（受力點：彎矩） 應(yīng)力點(橫切面)會產(chǎn)生剪式應(yīng)力3.彎曲 （長管狀骨）1.純彎曲：凹側(cè)- 壓應(yīng)變（力），4.彎曲聯(lián)合軸向負荷長管狀骨 受兩方向外力壓力負荷 彎曲負荷側(cè)張應(yīng)力 側(cè)壓應(yīng)力壓力+彎曲=聯(lián)合負荷（常見）4.彎曲聯(lián)合軸向負荷長管狀骨 受兩方向外力壓力負荷骨成分：基質(zhì) 膠原骨小梁骨每天承受負荷，或長時間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折骨的強度改變壓力點(橫切面)不會產(chǎn)生剪式應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力達到一定程度，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。骨折愈合有利：一定活動量和允許小的剪力。骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)標(biāo)本負荷應(yīng)

5、變水平在0.屈服(失控) ： 應(yīng)力達到某一點時，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點），且持續(xù)時間較長，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點）。其材料特性取決于骨組織負荷或變形率。骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴展。骨折愈合有利：一定活動量和允許小的剪力。不利：剪力或彎曲力過度。第二節(jié) 骨折與固定生物力學(xué)骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴展。拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折骨松質(zhì)：多孔 硬度較皮質(zhì)骨差拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折長管狀骨不規(guī)則骨 扭轉(zhuǎn) 剪性應(yīng)變 橫向及縱向剪性應(yīng)變 聯(lián)合剪性應(yīng)力 骨

6、折方向：斜形或螺旋形骨成分：基質(zhì) 膠原骨小梁長管狀骨第二節(jié)：骨的生物力學(xué)骨組織材料特性 硬組織 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系骨折取決于其材料特性 骨成分：基質(zhì) 膠原骨小梁結(jié)構(gòu) ：皮質(zhì)骨（骨干）（骨孔5%-30%），松質(zhì)骨（骨端）（骨孔30%-90%）第二節(jié)：骨的生物力學(xué)骨皮質(zhì)其材料特性取決于骨組織負荷或變形率。骨皮質(zhì)快速受力較緩慢受力吸收的能量大。骨組織應(yīng)力-應(yīng)變特征：骨皮質(zhì)縱向骨小梁排列比橫向強度大，硬度也較強。（長骨長軸比橫軸更對抗應(yīng)力）授課用_骨折生物力學(xué)課件應(yīng)變率表示骨受力過程中變形迅速的程度 （單位/S）應(yīng)變率2.拉力、壓力和剪力骨皮質(zhì)的拉力、壓力和剪力與工程材料相似，骨皮質(zhì)有一定范圍的彈性變形能

7、力骨組織材料極限強度取決于負荷類型和承受負荷的方向。負荷作用下拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折2.拉力、壓力和剪力骨皮質(zhì)的拉力、壓力和剪力不同載荷造成的骨折類型 拉力 壓力 旋轉(zhuǎn) 彎曲 壓力不同載荷造成的骨折類型 拉力 壓力 成人股骨骨皮質(zhì)極限程度負荷類型 極限程度（MPa）縱向拉力 133壓力 193剪力（縱向扭轉(zhuǎn)） 68橫向拉力 51壓力 133成人股骨骨皮質(zhì)極限程度負荷類型 骨松質(zhì)：多孔 硬度較皮質(zhì)骨差屈服：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達到一定程度，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。骨松質(zhì)：多孔 硬度較皮質(zhì)骨差屈服 ： 提示

8、骨小梁斷裂開始，且持續(xù)時間較 長。骨小梁斷裂逐漸增多。骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)標(biāo)本負荷應(yīng)變水平在0.036和0.5時有能量吸收現(xiàn)象，骨松質(zhì)能量吸收超過骨皮質(zhì)。屈服 ： 提示骨小梁斷裂開始，且持續(xù)時間較 長。骨小梁斷裂逐第二節(jié) 骨折與固定生物力學(xué)骨折與固定的生物力學(xué)第二節(jié) 骨折與固定生物力學(xué)骨某一區(qū)域應(yīng)力超過極限強度，發(fā)生骨折。骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力骨空心結(jié)構(gòu)：比實心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn) 應(yīng)力強棒的壓力和張力和橫斷面面積成正比.骨某一區(qū)域應(yīng)力超過極限強度，發(fā)生骨折。骨折原因創(chuàng)傷骨病積累勞損骨折原因扭轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致螺旋骨折受力機制為剪應(yīng)力旋轉(zhuǎn)軸45度時應(yīng)力最大。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力軸向壓力易在長管狀骨縱軸方向形成最大

9、的剪力進而造成骨干斜行骨折通常長管狀骨的軸向壓力不是單一的。軸向壓力授課用_骨折生物力學(xué)課件授課用_骨折生物力學(xué)課件授課用_骨折生物力學(xué)課件骨病 骨腫瘤、骨缺損造成：骨的幾何學(xué)改變 骨的強度改變 骨缺損部位產(chǎn)生應(yīng)力集中 （骨折機制）骨病 骨腫瘤、骨缺損疲勞斷裂授課用_骨折生物力學(xué)課件骨每天承受負荷，或長時間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折常見于長途行軍，從事長距離行走及長跑者最常見于雙足第二趾骨遠端骨每天承受負荷，或長時間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折疲勞：材料在周期性和間歇負荷下發(fā)生的進行性損傷(顯微鏡下?lián)p傷)，在周期性負荷條件下，材料負荷水平低于能引起的材料損傷的單次負荷時，就會發(fā)生損傷。疲勞：

10、材料的疲勞極限（Fatigue limit）任何材料具有一應(yīng)力水平，低于該水平疲勞壽命是無限的，該應(yīng)力水平稱疲勞極限。疲勞極限是一個安全控制數(shù)據(jù)，只要應(yīng)力低于它，不管周期數(shù)目多少是不會短裂的。材料的疲勞極限（Fatigue limit）骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接線及中央管制止裂隙擴展。骨單位密度較高的骨，抗疲勞性能較好，有助于防止骨折-因骨的膠接骨原則：1.血供。2.維持骨生理和力學(xué)環(huán)境。彈性固定好，活動度難掌握。牢固固定，缺點骨愈合不牢固。長骨骨折，因長力臂易移位。骨痂形成使骨折穩(wěn)定。骨折愈合有利：一定活動量和允許小的剪力。不利：剪力或彎曲力過度。接骨原則

11、：1.血供。2.維持骨生理和力學(xué)環(huán)境。所有的活體細胞都有自己的特性，有自己的應(yīng)變。所有的活體細胞都有自己的特性，有自己的應(yīng)變。不同的組織在斷裂前可以承受不同的最大張力應(yīng)變，肉芽組織可以承受100%的應(yīng)變，纖維組織和軟骨組織承受的應(yīng)變明顯降低，軟骨組織約為10%，致密的骨組織只能承受2%的應(yīng)變。不同的組織在斷裂前可以承受不同的最大張力應(yīng)變，肉芽組織可以承經(jīng)過加壓固定的骨折獲得堅強固定，在生理活動情況下所有應(yīng)力由鋼板承受，骨折端間不受應(yīng)力，無活動，骨折端間隙內(nèi)的細胞（干細胞）無形變（2%），所以細胞成骨，骨愈合。經(jīng)過加壓固定的骨折獲得堅強固定，在生理活動情況下所有應(yīng)力由鋼如固定不牢靠，骨折端在外力

12、下出現(xiàn)活動，如形變在10%，則形成軟骨，軟骨連接。如固定不牢靠，骨折端在外力下出現(xiàn)活動，如形變在10%，則形成如不固定或僅簡單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動，如形變在100%，則形成纖維，不愈合。如不固定或僅簡單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動，如形變在10骨折或損傷后局部會聚集許多干細胞以修復(fù)損傷。骨折或損傷后局部會聚集許多干細胞以修復(fù)損傷。干細胞能否形成骨細胞取決于骨折位置的力學(xué)環(huán)境。干細胞能否形成骨細胞取決于骨折位置的力學(xué)環(huán)境。肉芽組織和纖維組織比骨和軟骨更能耐受變形。超過2%的形變后骨組織不能形成，超過10%軟骨不可形成，但肉芽組織和纖維組織還能形成。肉芽組織和纖維組織比骨和軟骨更能耐受

13、變形。這些都是微觀下的這些都是微觀下的臨床見到：粉碎骨折打石膏比橫斷骨折打石膏容易長。所以：越是粉碎骨折對固定的穩(wěn)定性要求越低，越是簡單的骨折對穩(wěn)定性要求越高。粉碎性骨折可耐受更大的變形。臨床見到：粉碎骨折打石膏比橫斷骨折打石膏容易長。10%左右可形成骨痂10%左右可形成骨痂骨折端吸收的機理：增加（干）細胞量分擔(dān)形變，科雷氏骨折復(fù)位后骨折線消失，兩周后拍片又見骨折線而且有所增寬，之后又慢慢消失。當(dāng)間隙增寬時，對個別細胞的拉力相對減低。骨折端的吸收由活動引起，間隙變大，減少骨折端間隙間的應(yīng)變。骨折端吸收的機理：增加（干）細胞量分擔(dān)形變，在活體上用應(yīng)變梯度試驗驗證Perren理論：在不同的應(yīng)變下骨痂的產(chǎn)生量不同。不同的擺動頻率也可改變骨痂的產(chǎn)生量。在活體上用應(yīng)變梯度試驗驗證Perren理論：在不同的應(yīng)變下骨根據(jù)這一理論，局部骨折塊之間的應(yīng)變和骨痂組織的力學(xué)特性之間的平衡決定了一期和二期愈合的過程。根據(jù)這一理論，局部骨折塊之間的應(yīng)變和骨痂組織的力學(xué)特性之間的張力來自：彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，肌力。骨折固定于張力側(cè)-使骨保持原有序列和對抗張力。張力帶用于：髕骨，尺骨鷹咀，大粗隆，內(nèi)外踝。張力帶和張力帶板。張力來自：彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，肌力。骨折愈合后盡快去除內(nèi)固定。牢固內(nèi)固定有利早期愈合，晚期不利用塑形。牢固內(nèi)固定使板源骨質(zhì)減少，去除內(nèi)固定后再骨折。（骨折?。?/p>