1、骨生物力學(xué),天津武清區(qū)中醫(yī)院 骨傷科,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(fù)荷）,力負(fù)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.力的大小方向面積和幾何學(xué)。 2.骨的材料特性。,1.應(yīng)力和應(yīng)變,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。,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）,2.拉力和壓力,骨骼系統(tǒng)的特點 幾何學(xué)復(fù)

2、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,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。,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-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,4.彎曲聯(lián)合軸向負(fù)荷,長管狀骨 受兩方向外力壓力負(fù)荷 彎曲負(fù)荷側(cè)張應(yīng)力 側(cè)壓應(yīng)力 壓力+彎曲=聯(lián)合負(fù)荷（

3、常見）,5.扭轉(zhuǎn),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 骨折方向：斜形或螺旋形,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%）,1.骨皮質(zhì),骨皮質(zhì) 其材料特性取決于骨組織負(fù)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）,應(yīng)變率 表示骨受力過程中變形迅速的程度 （單位/S） 如 正常骨 低于0.01/S 骨折瞬間 超過1

4、0.0/S,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力 骨組織材料極限強度取決于負(fù)荷類型和承受負(fù)荷的方向。 負(fù)荷作用下 拉力及壓力超過彈性變形范圍 發(fā)生骨折,不同載荷造成的骨折類型 拉力 壓力 旋轉(zhuǎn) 彎曲 壓力,成人股骨骨皮質(zhì)極限程度,負(fù)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 133,3.骨松質(zhì),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。,屈服

5、： 提示骨小梁斷裂開始，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(fù)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)。,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),1.骨折力學(xué)原理,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.,骨折原因,創(chuàng)傷 骨病 積累勞損,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。,軸向壓力 易在長管狀骨縱軸 方向形成最大的剪力 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。,骨病 骨腫

6、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）,2.疲勞斷裂,疲勞斷裂,骨每天承受負(fù)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(yuǎn)端,疲勞： 材料在周期性和間歇負(fù)荷下發(fā)生的進行性損傷(顯微鏡下?lián)p傷)，在周期性負(fù)荷條件下，材料負(fù)荷水平低于能引起的材料損傷的單次負(fù)荷時，就會發(fā)生損傷。,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。,骨單位密度較高的骨，抗疲

7、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。,3.骨折治療生物力學(xué),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。,所有的活體細(xì)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。,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

8、應(yīng)力，無活動，骨折端間隙內(nèi)的細(xì)胞（干細(xì)胞）無形變（2%），所以細(xì)胞成骨，骨愈合。,如固定不牢靠，骨折端在外力下出現(xiàn)活動，如形變在10%，則形成軟骨，軟骨連接。,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。,骨折或損傷后局部會聚集許多干細(xì)胞以修復(fù)損傷。,干細(xì)胞能否形成骨細(xì)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。,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

9、穩(wěn)定性要求越高。 粉碎性骨折可耐受更大的變形。,10%左右可形成骨痂,骨折端吸收的機理：增加（干）細(xì)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(xì)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。,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。,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。,4.張力帶固定,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。,5.鋼板固定,骨折愈