浅论骨生物力学ppt课件

骨生物力学 1 第一节 生物力学概念 人体活动对骨骼的三种力1作用于骨的外力2肌肉收缩和韧带的张力对骨骼的内力3骨的内反应力 负荷 2 力 负荷作用于骨骼可使骨发生形变微观 显微骨折 青枝骨折 骨折骨折因素 1 力的大小方向面积和几何学 2 骨的材料特性 3 1 应力和应变 应力 骨骼某点内力的强度 单位面积所受的力应变 骨骼受力时 其内部任何一点发生变形 称为该点的应变 4 两种应力 正常应力 垂直于所给平面的单位面积的力 使立方体前面变薄变长 剪式应力 平行于所给平面的单位面积的力 使立方体变为平行六面体 5 6 2 拉力和压力 骨骼系统的特点几何学复杂 管状骨 不规则骨 扁骨等力的类型复杂应力和应变复杂 7 屈服 失控 应力达到某一点时 提示骨小梁断裂开始 屈服用Y点 且持续时间较长 骨小梁断裂逐渐增多 极限用U点 材料的硬度 弹性模量 应力比应变 拉力和压力作用于棒产生45 剪应力 8 9 3 弯曲 长管状骨 1 纯弯曲 凹侧 压应变 力 凸侧 张应变 力 中位轴 应变 力 为0 压力点 横切面 不会产生剪式应力2 三点弯曲 骨骼受力较常见 两端支撑 对侧受力 受力点 弯矩 应力点 横切面 会产生剪式应力 10 4 弯曲联合轴向负荷 长管状骨受两方向外力压力负荷弯曲负荷 侧张应力侧压应力压力 弯曲 联合负荷 常见 11 5 扭转 长管状骨不规则骨扭转剪性应变横向及纵向剪性应变联合剪性应力骨折方向 斜形或螺旋形 12 第二节 骨与关节软骨的生物力学 骨组织材料特性硬组织应力 应变关系骨折 取决于其材料特性骨成分 基质胶原 骨小梁结构 皮质骨 骨干 骨孔5 30 松质骨 骨端 骨孔30 90 13 1 骨皮质 骨皮质其材料特性取决于骨组织负荷或变形率 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大 骨组织应力 应变特征 骨皮质纵向骨小梁排列比横向强度大 硬度也较强 长骨长轴比横轴更对抗应力 14 应变率表示骨受力过程中变形迅速的程度 单位 S 如正常骨低于0 01 S骨折瞬间超过10 0 S 15 2 拉力 压力和剪力 骨皮质的拉力 压力和剪力与工程材料相似 骨皮质有一定范围的弹性变形能力骨组织材料极限强度取决于负荷类型和承受负荷的方向 负荷作用下拉力及压力超过弹性变形范围发生骨折 16 不同载荷造成的骨折类型拉力压力旋转弯曲压力 17 成人股骨骨皮质极限程度 负荷类型极限程度 MPa 纵向拉力133压力193剪力 纵向扭转 68横向拉力51压力133 18 3 骨松质 骨松质 多孔硬度较皮质骨差屈服 当应力超过弹性极限后 变形增加较快 此时除了产生弹性变形外 还产生部分塑性变形 当应力达到一定程度 塑性应变急剧增加 这种现象称为屈服 19 屈服 提示骨小梁断裂开始 且持续时间较长 骨小梁断裂逐渐增多 骨皮质和骨松质标本负荷应变水平在0 036和0 5时有能量吸收现象 骨松质能量吸收超过骨皮质 20 4 关节软骨的生物力学 关节软骨功能 1 减少接触应力2 润滑 21 4 1软骨的负荷变形 软骨的负荷变形软骨承受负荷时 发生瞬间变形蠕动期 负荷恒定 压痕增加 去除负荷 恢复原形 关节软骨承受负荷2分钟内发生变形 去除负荷 90 可瞬间恢复 软骨的渗透性很低 通过压力梯度和挤压渗透 机械反刍调节机制 22 4 2软骨的张力特性 软骨主要抗张力成分 胶原纤维 软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少和排列次序 张力继发于压力软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力垂直关节产生的最大表面张力相一致 张力强度随关节面下的深度增加而减少 23 4 3关节内应力分布 90 225kg 6 45c 使应力分解 吸收震荡 避免软骨下骨的应力损伤干骺部受力1 负重大时骨变形 2 骨松质排列呈放射状软骨损伤软骨下骨损伤骨关节炎骨坏死 24 4 4关节软骨的粘弹性 蛋白多糖含有水分 调节水的流动 胶原组成基质内的张力 维持蛋白多糖的含量 软骨承受负荷基质内液体压变化水分由基质孔流出 海绵 产生非线性形变粘弹性 有赖于应变率的形变 变形与承受外力速度有关 25 4 5关节软骨的磨损力学 关节软骨的磨损力学磨损 通过机械作用去除固体表面的物质两个方面 承载面之间互相作用引起界面磨损接触体变形引起的疲劳性磨损 26 4 6关节软骨的润滑作用 界面润滑 玻尿酸盐 滑液润滑 滑液嵌在滑动面之间 即可发生液膜润滑 又可产生界面润滑 27 关节软骨磨损两种因素缺一不可机械因素是软骨磨损的主要因素特别是骨外露酶 化学因素 代谢因素可降低软骨屈服强度 28 软骨组织 易疲劳性材料周期性负荷时间过长导致软骨胶原纤维疲劳短裂软骨负荷时 其内部的胶原纤维方向与负荷相垂直 分解应力 软骨损害 软骨疲劳性磨损破坏的成分 1 胶原纤维 2 蛋白多糖大分子网 3 纤维和原纤维基质之间界面 29 第三节骨折与固定生物力学 骨折与固定的生物力学 30 1 骨折力学原理 骨某一区域应力超过极限强度 发生骨折 骨结构 弯曲 本身 减低弯应力骨空心结构 比实心结构承受弯曲及旋转应力强棒的压力和张力和横断面面积成正比 31 面积112张力和压力100 100 200 强度弯曲和旋转100 210 495 强度 32 骨折原因 创伤骨病积累劳损 33 扭转应力导致螺旋骨折受力机制为剪应力旋转轴45度时应力最大 34 轴向压力易在长管状骨纵轴方向形成最大的剪力进而造成骨干斜行骨折通常长管状骨的轴向压力不是单一的 35 36 37 38 骨病骨肿瘤 骨缺损造成 骨的几何学改变骨的强度改变骨缺损部位产生应力集中 骨折机制 39 2 疲劳断裂 疲劳断裂 40 骨每天承受负荷 或长时间锻炼 积累损伤 导致疲劳骨折常见于长途行军 从事长距离行走及长跑者最常见于双足第二趾骨远端 41 疲劳 材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性损伤 显微镜下损伤 在周期性负荷条件下 材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单次负荷时 就会发生损伤 42 材料的疲劳极限 Fatiguelimit 任何材料具有一应力水平 低于该水平疲劳寿命是无限的 该应力水平称疲劳极限 疲劳极限是一个安全控制数据 只要应力低于它 不管周期数目多少是不会短裂的 43 骨单位密度较高的骨 抗疲劳性能较好 有助于防止骨折 因骨的胶接线及中央管制止裂隙扩展 44 3 骨折治疗生物力学 接骨原则 1 血供 2 维持骨生理和力学环境 弹性固定好 活动度难掌握 牢固固定 缺点骨愈合不牢固 长骨骨折 因长力臂易移位 骨痂形成使骨折稳定 骨折愈合有利 一定活动量和允许小的剪力 不利 剪力或弯曲力过度 45 4 张力带固定 张力来自 弯曲应力 扭转应力 肌力 骨折固定于张力侧 使骨保持原有序列和对抗张力 张力带用于 髌骨 尺骨鹰咀 大粗隆 内外踝 张力带和张力带板 46 5 钢板固定 骨折愈合后尽快去除内固定 牢固内固定有利