淺談骨折生物力學(xué)

1、骨生物力學(xué)第一節(jié)：生物力學(xué)概念 人體活動(dòng)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(diǎn)內(nèi)力的強(qiáng)度，單位面積所 受的力 應(yīng)變：骨骼受力時(shí)，其內(nèi)部任何一點(diǎn)發(fā)生 變形，稱為該點(diǎn)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(diǎn) 幾何學(xué)復(fù)雜：管狀骨、不規(guī)則骨、扁骨等 力

2、的類型復(fù)雜 應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)雜 屈服(失控) ： 應(yīng)力達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點(diǎn)）。 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(diǎn)(橫切面)不會(huì)產(chǎn)生剪式應(yīng)力 2.三點(diǎn)彎曲：骨骼受力較常見.兩端支撐，對側(cè)受力。（受力點(diǎn)：彎矩） 應(yīng)力點(diǎn)(橫切面)會(huì)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（常見） 5.扭轉(zhuǎn) 長管狀骨 不規(guī)則骨

3、 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(qiáng)度大，硬度也較強(qiáng)。（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10.0/S2.拉力、壓力和剪力 骨皮質(zhì)的

4、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(qiáng)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 1333.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(shí)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(dá)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 ： 提示骨小梁斷裂開始，且持續(xù)時(shí)間較 長。骨小梁

5、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(shí)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(qiáng)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(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn) 應(yīng)力強(qiáng) 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(jī)制為剪應(yīng)力 旋轉(zhuǎn)軸45度時(shí)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(jìn)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 骨腫瘤、骨缺損 造成：骨的幾何學(xué)改變 骨的強(qiáng)度改變 骨缺損部

6、位產(chǎn)生應(yīng)力集中 （骨折機(jī)制）2.疲勞斷裂疲勞斷裂 骨每天承受負(fù)荷，或長時(shí)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(jìn)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(shí)，就會(huì)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(gè)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(huì)短裂的。 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(kuò)展

7、。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(dòng)度難掌握。牢固固定，缺點(diǎn)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(dòng)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(jiān)強(qiáng)固定，在生理活動(dòng)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(dòng)，骨折端間隙內(nèi)的細(xì)胞（干細(xì)胞）無形變（2%），所以

8、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(dòng)，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(dòng)，如形變在100%，則形成纖維，不愈合。 骨折或損傷后局部會(huì)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

9、成骨痂 骨折端吸收的機(jī)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(shí)，對個(gè)別細(xì)胞的拉力相對減低。 骨折端的吸收由活動(dòng)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(yàn)驗(yàn)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(dòng)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

10、力帶板。5.鋼板固定 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?。?鋼板置張力面，骨折受到通過骨折面上肌力的壓縮。 骨折間有空隙用兩塊鋼板固定。6.螺釘固定 垂直骨折面-抗扭轉(zhuǎn)。垂直骨長軸-抗彎曲。 松質(zhì)釘（加壓釘）和皮質(zhì)釘謝謝兩種應(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） 屈服(失控) ： 應(yīng)力達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，提示骨小梁斷裂開始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點(diǎn)）。 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。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%） 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10.0/S3.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(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，