骨折的生物力学ppt课件.ppt
骨折的生物力学,力学基本概念,生物力学,生物力学(biomechanics) 是力和能量在生物系统中的作用的科学,生物力学中力的形式,1.外力：通过接触点的作用力:重力，地面反作用力2.内力：肌肉收缩力，关节囊及韧带的约束力,力矩,力矩 使物体围绕某个轴旋转 的力的作用，称为力矩或扭矩,力矩力力到旋转轴的垂直距离,应力与应变,应力：作用在某种结构单位面积上的负荷,应变：物体受到负荷后的内部变形,应变尺寸的改变/原始尺寸,应力应变曲线,Y:屈服点U:断裂点,应力集中,在常规负荷下，一个物体内部的应力可因局部影响而增加，如结构或材料的缺陷。此现象为应力集中，可导致断裂。,材料缺陷如裂痕、空隙、空洞或凹槽；形状突然改变，锐角转角,临床：骨钻孔，开创,应力集中,疲劳,疲劳是材料的特性，它导致材料在被施加许多次较小负荷时破坏；这个负荷小于单周期破坏材料所需的负荷,不同加载下骨的特性,拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、及复合加载,不同加载下骨的特性,拉伸,结构变长变细,跟骨撕脱骨折,不同加载下骨的特性,压缩,变短变粗,锥体骨折,不同加载下骨的特性,剪切,结构内部发生角变形,跟骨、股骨髁、胫骨平台,不同加载下骨的特性,弯曲,A.三点弯曲,B.四点弯曲,不同加载下骨的特性,弯曲,中位轴,沿中位轴，弯曲和扭转的应力是0，弯曲时凸侧为张力区，凹侧为压力区,不同加载下骨的特性,扭转,几种固定物的力学特点,骨板,板的抗弯能力与厚度的立方成正比， 板的厚度加倍，抗弯能力增加8倍板被用于抵抗张力置于骨的张力侧，也可用于抗压缩、扭转或支持作用板的预弯允许骨折端的更均匀的加压，并防止对侧张开,骨螺钉,把持力由外径和螺纹间距决定螺钉本身强度由杆的直径决定,髓内针,大直径抗扭转能力好实心髓内针提供更大的抗扭转和抗弯曲能力,DHS,承受弯曲负荷，并提供折端加压角钢板可抵抗扭转但不提供折端加压,外固定架,稳定性取决于：针直径，抗弯刚性与针直径4次方成正比针数目骨与连杆的距离不同平面的针、杆增加杆的质量或数量,张力带原则,Tension band principle,力学环境与骨折愈合,传统骨折愈合模式,直接愈合间接愈合,DCP固定后也可以发生骨痂愈合！,Chao和Aro修订的骨折愈合分类,1.非骨性愈合2.骨性愈合,A.一期愈合 （1）一期接触愈合 （2）一期间隙愈合B.二期愈合 （1）二期接触愈合 （2）二期间隙愈合,骨折愈合的影响因素,血供、生物学因子、化学因子、力学环境、电磁刺激、超声刺激等,影响骨折端力学环境的因素,骨折固定的强度、骨折形态、骨折复位情况、活动及负重时骨折间隙产生应力的类型及大小,影响骨折端力学环境的因素,一期和二期愈合完全恢复骨骼正常的力量和强度所需的时间没有明显的差别。而骨折愈合早期，外骨痂的形成，可在哈佛氏成骨之前增加骨折部位的强度。这是骨折二期愈合的优点,而骨痂的伸展与分布及分化速度均受到施加于折端的力学刺激的影响,通过骨折部位力学环境的控制，达到骨折的二期愈合已成为骨干骨折的首选,微动及骨折愈合,早期，Sarmieno等发现，骨折端的一定程度的活动刺激骨痂形成,Goodship等通过动物及临床研究：外固定架固定下，可控制的微动与坚强固定相比促进骨折愈合,微动的时机,微动在骨折愈合早期，一些特异性的细胞募集或分化之前最有效，而在骨折愈合负重阶段的周期微动使骨折愈合延迟,微动的频率,实验证实短时间的周期低频率微动与坚强外固定相比明显促进骨折愈合,而高频率微动对完整骨骼的重建有效，但对骨折愈合的影响还没统一认识,微动的方向,轴向周期微动，不论其作用力方向如何，均刺激骨折愈合 而骨折块间剪切活动诱导软骨痂中大量的软骨分化，而不是骨折延迟愈合和不愈合的主要原因,LCP及其应用,对抗拉出的力量最大,钢板断裂的原因及预防策略,应力大小与次数的关系,循环载荷对不锈钢与钛的影响,相同载荷下钛抗变形度是不锈钢的2倍,钛的弹性模量是骨的6倍,不锈钢弹性模量是骨的12倍,影响骨折固定效果的几种因素,骨 骼,具有复杂的生物特性无与比拟的修复特性特殊的结构材料,生物学因素（骨折周围的血运）力学因素（尽早恢复其稳定）,骨愈合的环境,将骨块解剖复位？,1. 防止骨折区域软组织再度损伤2. 相对稳定的愈合条件3. 医生的经验,骨折治疗的成功条件,1. 日常生活中，骨每天承受重复性载荷，但该 载荷极低，不足以造成骨折2. 当载荷增加时，骨承受重复性载荷的次数相 应下降,人体骨骼载荷的环境,Loading Mode Ultimate StrengthTension 135 MPaCompression 205 MPaShear 71 MPa, 骨量下降进行性丢失（50岁女性） 骨密度下降 力学特性改变 组织学改变,年龄因素与骨结构变化的关系,每十年： 弹性模量下降1.5 极限应变下降57 骨骼变脆（Brittle） 骨吸收外力的能力下降,力学强度上的改变, 刚度较低的骨将减少钢板抗剪力的能力 骨质疏松或其它骨疾患可影响骨钢板和 骨螺钉界面的骨再塑形，从而最终影响 骨钢板力学作用,骨的力学特性对骨钢板系统的影响,骨折愈合的生物力学, 大部分骨愈合是二期骨愈合，其特性是骨痂 形成,骨折固定后力学传导方式, 骨折近端 - 钢板-骨折远端 稳定性是通过钢板与骨的摩擦阻力完成,狗的动物实验证明 812周 钢板固定的骨强度逐渐加强 20周以后 达到正常骨强度80,钢板固定下的骨愈合,20周后取板 骨强度在4周内轻度下降 取板8周后，骨强度甚至高于对侧完整骨,钢板固定下的骨愈合,什麽因素造成钢板断裂？,？,骨折的愈合和钢板的断裂始终是一场竞技！,病人自身的因素,1 病人的配合-智障、帕金森氏病等 2 骨折周围软组织损伤严重-高能量损伤3 全身因素-癌症、糖尿病等,1手术技术使用不当（减少手术步骤、内固定的选择等）2 间接复位技术3 软组织剥离广泛4 医生的经验-病人的情况 医院现有的条件 器械情况,医源性因素,质量问题,预防措施, 树立骨保护钢板的概念 采用骨牵开器复位 依据骨折的特点选用正确的内固定物 正确的康复训练（CPM使用、地秤使用、 严格复查）,钢板 髓内针,适用于长管状骨粉碎骨折,生物学固定 尽可能保留有生物活性的组织间接复位获解剖对线，适合的稳定。,髓内针可完全替代钢板？,不可能邻近关节的骨折多发损伤尤其是胸外伤国内现有条件,关于钢板使用长度的变化,S. R. Rozbruch Clin Orthop (Vol.354 1998) 分析81例股骨干骨折钢板内固定 7 0年代；80年代；90年代；,骨折长度：复位后骨折线长度钢板跨越率：钢板与骨折长度比拉力钉指数：钢板外拉力钉数与骨折 线长度（厘米）的百分比,骨折螺钉密度：经钢板的 螺钉数与骨折 长度（厘米）的比值骨痂测量：骨折愈合后在其最大宽度处 测量其正侧位,结 果 钢板跨越率增加 固定螺钉数目减少 拉力螺钉指数下降 单皮质固定螺钉密度为零,结 论 在恒定的弯曲力矩下，钢板越长， 其发生的应变越小，且作用在螺 钉上的 应力也越小 粉碎骨折中损伤面积 的增大， 也可使应变变小。,Gotzen 尸体截骨研究证实 10 孔钢板两端各用两枚螺钉 8 孔钢板两端各用四枚螺钉 前者作用优于后者。,Laurence: 在钢板上超过四枚螺钉固定 作用已足够。 因弯曲应力作用于任何一个 螺钉上的最高张力即使在骨 最薄弱区，也不超过须拔出 它的力的二分之一。,目前： 钢板跨越率 6 钢板螺钉密度 50%,使用多长的钢板 ？ 使用多少枚螺钉 ？,男39术后9m,男，46,骨盆的生物力学,切断SP韧带加大SP分离但并不影响SI切断SI前韧带加大SI移位而不影响SP切断SS、ST韧带对SI、SP影响很小,尸体实验证实,通常认为,合并后方损伤时存在垂直不稳定，单纯固定前SP稳定性不够，仅提供完整骨盆 强度的 5 双针三角形外固定架可提供最大稳定性，但仅可承受300N载荷。,Tile,对所有外固定架进行测试 其失败载荷均低于200N 前路应用1-2钢板固定，失败载荷 亦低于200N,多数作者认为,对于垂直不稳定型损伤前后 均应实施固定。 如垂直稳定而旋转不稳定， 前路固定仍是最好的指征（Tile）。,外固定常用于控制骨盆的出血 3枚针强度高于2枚针 5mm直径针强于4mm直径针 （Dather 1984）,尸体生物力学实验证明,垂直不稳定： 骶骨棒 + 前钢板 骶骨棒 + 2块前钢板 骶骨棒 + 前外固定架,失败载荷均大于1000N（Stock G. 1991）,Thank You for Your Attention!,谢谢！,
