骨折生物力學(xué)課件

第一節(jié)：生物力學(xué)概念人體活動(dòng)對(duì)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(duì)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(chēng)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(zhǎng)）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、扁骨等力的類(lèi)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(kāi)始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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。骨折或損傷后局部會(huì)聚集許多干細(xì)胞以修復(fù)損傷。結(jié)構(gòu)：皮質(zhì)骨（骨干）（骨孔5%-30%），松質(zhì)骨（骨端）（骨孔30%-90%）最常見(jiàn)于雙足第二趾骨遠(yuǎn)端肉芽組織和纖維組織比骨和軟骨更能耐受變形。骨空心結(jié)構(gòu)：比實(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn)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。如正常骨低于0.三點(diǎn)彎曲：骨骼受力較常見(jiàn).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(zhǎng)）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。骨皮質(zhì)的拉力、壓力和剪力應(yīng)力：骨骼某點(diǎn)內(nèi)力的強(qiáng)度，單位面積所疲勞極限是一個(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。最常見(jiàn)于雙足第二趾骨遠(yuǎn)端如正常骨低于0.骨組織材料極限強(qiáng)度取決于負(fù)荷類(lèi)型和承受負(fù)荷的方向。與工程材料相似，骨皮質(zhì)有一定范圍的彈性變形能力骨折間有空隙用兩塊鋼板固定。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(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，提示骨小梁斷裂開(kāi)始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點(diǎn)）。3.彎曲（長(zhǎng)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(jiàn).兩端支撐，對(duì)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(zhǎng)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(jiàn)）5.扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)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(qiáng)度大，硬度也較強(qiáng)。（長(zhǎng)骨長(zhǎng)軸比橫軸更對(duì)抗應(yīng)力）應(yīng)變率表示骨受力過(guò)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(guò)10.0/S2.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(qiáng)度取決于負(fù)荷類(lèi)型和承受負(fù)荷的方向。負(fù)荷作用下拉力及壓力超過(guò)彈性變形范圍發(fā)生骨折不同載荷造成的骨折類(lèi)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(lèi)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(guò)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(chēng)為屈服。骨折方向：斜形或螺旋形拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。骨折瞬間超過(guò)10.骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差骨組織材料特性硬組織應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系側(cè)壓應(yīng)力剪式應(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(kāi)始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點(diǎn)）。屈服：提示骨小梁斷裂開(kāi)始，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。屈服(失控)：應(yīng)力達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，提示骨小梁斷裂開(kāi)始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，骨小梁斷裂逐漸增多（極限用U點(diǎn)）。不利：剪力或彎曲力過(guò)度。骨折或損傷后局部會(huì)聚集許多干細(xì)胞以修復(fù)損傷。（骨折機(jī)制）其材料特性取決于骨組織負(fù)荷或變形率。剪力（縱向扭轉(zhuǎn)）68如不固定或僅簡(jiǎn)單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?00%，則形成纖維，不愈合。牢固固定，缺點(diǎn)骨愈合不牢固。橫向及縱向剪性應(yīng)變力的大小方向面積和幾何學(xué)。骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力棒的壓力和張力和橫斷面面積成正比.屈服：提示骨小梁斷裂開(kāi)始，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。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(shí)有能量吸收現(xiàn)象，骨松質(zhì)能量吸收超過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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)度改變骨缺損部位產(chǎn)生應(yīng)力集中（骨折機(jī)制）骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差肉芽組織和纖維組織比骨和軟骨更能耐受變形。所有的活體細(xì)胞都有自己的特性，有自己的應(yīng)變。骨空心結(jié)構(gòu)：比實(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn)3骨的內(nèi)反應(yīng)力（負(fù)荷）如不固定或僅簡(jiǎn)單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?00%，則形成纖維，不愈合。如不固定或僅簡(jiǎn)單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?00%，則形成纖維，不愈合。臨床見(jiàn)到：粉碎骨折打石膏比橫斷骨折打石膏容易長(zhǎng)。拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。骨折固定于張力側(cè)-使骨保持原有序列和對(duì)抗張力。最常見(jiàn)于雙足第二趾骨遠(yuǎn)端拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。應(yīng)力強(qiáng)如正常骨低于0.松質(zhì)釘（加壓釘）和皮質(zhì)釘如正常骨低于0.屈服：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)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。常見(jiàn)于長(zhǎng)途行軍，從事長(zhǎng)距離行走及長(zhǎng)跑者如正常骨低于0.其材料特性取決于骨組織負(fù)荷或變形率。骨空心結(jié)構(gòu)：比實(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn)骨組織材料特性硬組織應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系壓力+彎曲=聯(lián)合負(fù)荷（常見(jiàn)）骨空心結(jié)構(gòu)：比實(shí)心結(jié)構(gòu)承受彎曲及旋轉(zhuǎn)剪力（縱向扭轉(zhuǎn)）68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。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(chēng)為屈服。屈服：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)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。表示骨受力過(guò)程中變形迅速的程度骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差如不固定或僅簡(jiǎn)單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?00%，則形成纖維，不愈合。骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差骨組織應(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)。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(guò)程。科雷氏骨折復(fù)位后骨折線消失，兩周后拍片又見(jiàn)骨折線而且有所增寬，之后又慢慢消失。拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。拉力和壓力作用于棒產(chǎn)生45°剪應(yīng)力。應(yīng)力強(qiáng)如正常骨低于0.骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差應(yīng)力點(diǎn)(橫切面)會(huì)產(chǎn)生剪式應(yīng)力2.疲勞斷裂疲勞斷裂骨每天承受負(fù)荷，或長(zhǎng)時(shí)間鍛煉，積累損傷，導(dǎo)致疲勞骨折常見(jiàn)于長(zhǎng)途行軍，從事長(zhǎng)距離行走及長(zhǎng)跑者最常見(jiàn)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（Fatiguelimit）任何材料具有一應(yīng)力水平，低于該水平疲勞壽命是無(wú)限的，該應(yīng)力水平稱(chēng)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。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(zhǎng)骨骨折，因長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(wú)活動(dòng)，骨折端間隙內(nèi)的細(xì)胞（干細(xì)胞）無(wú)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(dòng)，如形變?cè)?0%，則形成軟骨，軟骨連接。如不固定或僅簡(jiǎn)單外固定，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?00%，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(guò)2%的形變后骨組織不能形成，超過(guò)10%軟骨不可形成，但肉芽組織和纖維組織還能形成。這些都是微觀下的常見(jiàn)于長(zhǎng)途行軍，從事長(zhǎng)距離行走及長(zhǎng)跑者科雷氏骨折復(fù)位后骨折線消失，兩周后拍片又見(jiàn)骨折線而且有所增寬，之后又慢慢消失。牢固固定，缺點(diǎn)骨愈合不牢固?？评资瞎钦蹚?fù)位后骨折線消失，兩周后拍片又見(jiàn)骨折線而且有所增寬，之后又慢慢消失。骨結(jié)構(gòu)(彎曲)本身：減低彎應(yīng)力骨某一區(qū)域應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度，發(fā)生骨折。應(yīng)力點(diǎn)(橫切面)會(huì)產(chǎn)生剪式應(yīng)力骨成分：基質(zhì)膠原—骨小梁如正常骨低于0.如固定不牢靠，骨折端在外力下出現(xiàn)活動(dòng)，如形變?cè)?0%，則形成軟骨，軟骨連接。骨折方向：斜形或螺旋形骨組織應(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)。骨折—取決于其材料特性如正常骨低于0.結(jié)構(gòu)：皮質(zhì)骨（骨干）（骨孔5%-30%），松質(zhì)骨（骨端）（骨孔30%-90%）3骨的內(nèi)反應(yīng)力（負(fù)荷）側(cè)壓應(yīng)力應(yīng)力：骨骼某點(diǎn)內(nèi)力的強(qiáng)度，單位面積所骨某一區(qū)域應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度，發(fā)生骨折。牢固內(nèi)固定有利早期愈合，晚期不利用塑形。如正常骨低于0.骨松質(zhì)：多孔硬度較皮質(zhì)骨差臨床見(jiàn)到：粉碎骨折打石膏比橫斷骨折打石膏容易長(zhǎng)。所以：越是粉碎骨折對(duì)固定的穩(wěn)定性要求越低，越是簡(jiǎn)單的骨折對(duì)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(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(jiàn)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(duì)個(gè)別細(xì)胞的拉力相對(duì)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(guò)程。4.張力帶固定張力來(lái)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(duì)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?。╀摪逯脧埩γ妫钦凼艿酵ㄟ^(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)）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(kāi)始（屈服用Y點(diǎn)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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(guò)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(guò)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(guò)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)