生物力学重点

骨力学 骨力学 以骨骼为研究对象 研究骨组织在负荷作用下的力学 特性和变化规律的学科 Wolff 定律 骨转化定律 定律 骨转化定律 骨的功能的每一改变 都按照数 学法则 以某一定的方式来改变其内部结构和外部形态 即骨 的外部形态和内部结构反应了其功能 物体的重力和重量不同物体的重力和重量不同 1 物体的重量是物体对它所处表面的压力或拉力 是物体施加 于其它物体的力 2 物体的重力是物体本身所受的地球的吸引力 3 当物体相对地球静止时 其重力和重量的大小相等 骨重建 骨重建 活体骨不断进行生长 加强和再吸收过程称之为骨重 建 活体骨重建的目标是 活体骨重建的目标是 骨使其总的结构适应于其载荷环境的变 化 弹性形变弹性形变 外力撤出后 物体能恢复原来形状的形变 塑性形变塑性形变 外力撤出后 物体不能完全恢复原来的形状 这种 形变称为塑性变形 蠕变现象蠕变现象 对黏弹体物质施加恒定外力时 开始有一迅速的较 大的应变 随后有意缓慢的逐渐增加的应变过程 直到有恒定 应变量的平衡状态 撤去外力时 如果材料是黏弹性固体材料 则变形会完全消失 材料最终会完全复原 若材料是黏弹性流体材料 则材料最终 不会完全复原 还会有变形存在 力系力系 力学上 把作用在物体上的若干力的集合称为力系 压力骨小梁压力骨小梁 起自股骨干上端内侧骨皮质 向股骨颈上侧放射 状分布止于股骨头外上方 1 4 软骨下方 张力骨小梁张力骨小梁 起自股骨颈外侧皮质 沿股骨颈外侧上行与压力 骨小梁交叉 止于股骨头内下方 1 4 处软骨下方 Ward 三角三角 压力骨小梁和张力骨小梁在股骨颈交叉部位形成 的脆弱的区域 股骨矩股骨矩 位于股骨颈 干连接部后内方 小粗隆深部多层致密 骨形成的纵行骨板 向内下与小粗隆下方的股骨干后内侧皮质 相融合 向上与股骨颈内后侧骨皮质相衔接 生物力学意义生物力学意义 是股骨上段负重系统的重要组成部分 加强了颈干部承受压应力的能力 内固定原则内固定原则 1 解剖复位 如有骨缺损一定要植骨后固定 2 内固定要有足够的强度和刚度 又不能有太大的轴向应 力遮挡 3 允许早起功能活动 4 胫骨外侧入路 钢板放在胫骨外侧 5 充分进行引流 必要时进行持续闭式引流冲洗 避免感 染 骨折内固定材料要求骨折内固定材料要求 1 生物相容性好 无毒副作用 2 良好的韧性 强度 刚度和抗疲劳性 3 与骨折愈合同步降解吸收 4 便于消毒 不变形 变性 变质 5 轻便 廉价 可塑性好 易加工 加压接骨板遵照的原则加压接骨板遵照的原则 1 置于骨折张力侧 2 加压适度 两断端间紧密全面接触即可 过度会引起钉 对侧皮质分离 3 按长骨生理弯曲度预弯接骨板 防止对侧皮质间分离 4 长斜行骨折用加压接骨板固定是 骨折线可产生剪切应 力 骨折断端加压时发生相对滑移 为避免滑移 将接骨板 置于既能支持稳定 又能加压的适当的位置 接骨板应用的注意事项接骨板应用的注意事项 1 遵循张力带原则 使张应力变为压应力 2 接骨板和螺钉材料一致 3 安装器械要全 质量可靠 配套完备 4 钻孔可在螺孔中央 也可偏心位 钻孔时钻孔必须与骨 面垂直 贯穿两侧皮质 钻孔时手牢稳的把握钻体 切勿摇 摆 以免折断钻头 上螺钉时螺钉要过对侧皮质 1 2 个螺纹 先测深 选长度 5 切口大小以能充分显露骨折 稍长于钢板 微创准则 最大限度的保护软组织和骨膜上的血供 6 选好接骨板 根据骨的粗细 肌肉丰厚程度 选择相应 宽度 厚度和长度的接骨板 长度 大于或等于被固定骨直 径的 4 5 倍 7 必要时选择内固定和外固定结合 8 接骨板取出时间 骨折骨性愈合 9 动静结合 固定允许情况之下 尽早开展功能锻炼 10 钢板对侧皮质如有缺损 需植骨 以防疲劳断裂发生 髌骨骨折为例分析骨折张力带原理髌骨骨折为例分析骨折张力带原理 钢丝单独固定髌骨前方两侧 纵行越过骨折线 绕髌骨上下 极 穿过股四头肌腱和髌韧带环形固定 不锈钢丝固定髌骨前方 两骨折端前方骨皮质互相接触处为 支点 膝关节屈曲时 股四头肌紧张 骨折端旋转对合 肌力越大 张力越大 骨折端挤压力越大 从而使骨折端获得间断性生 理应力 若钢丝放置于髌骨中段周围 膝关节屈曲时 骨折前方会在 张力作用下开口 关节面的生物力学特性关节面的生物力学特性 1 关节软骨使关节头和关节窝的形态更为适应 2 表面光滑 面间少许滑液 减小关节面间的摩擦系数 3 软骨具有弹性 减少股面见的摩擦和缓冲撞击 增加关节 的灵活性 关节稳定性基本因素关节稳定性基本因素 1 组成关节的关节面构造形式 骨骼的协调和稳定 2 韧带维持的静态稳定作用 3 关节周围的肌腱动态稳定 骨骼的疲劳变形骨骼的疲劳变形 虽作用在骨上的应力不大 但作用周期短 频率高 形成一 种交变性应力作用 变换速度超出了恢复变形的速度 导致 骨组织在不可恢复变形的应力环境中 最终出现骨折 疲劳骨折又称累积性应力骨折 AO 的由来的由来 AO 组织于 1958 年在瑞士成立 AO 是德文 Arbeitsgemeinschaft f r Osteosythese 的缩写 原意是接骨手术 集团 AO 的目的的目的 1 通过骨折端的加压固定和解剖结构的重建 消除骨折局部的微动 使骨折达到无骨痂性的一期愈合 如 果断端出现骨痂 通常认为是固定不稳的征兆 应该尽量避 免 2 在骨折愈合过程中 坚强固定可以使关节肌肉尽早进行 充分 主动 无痛的活动 而不需借助任何外固定 防止 骨 折病 的发生 AO 的功绩的功绩 AO 技术的核心是骨折端间的加压固定 以增 加骨折固定的稳定性 达到肢体早期活动的目的 折端间加 压后的紧密接触在有良好血运的情况下达到骨折一期愈合 对于复杂及关节内骨折取得优良的治疗效果 AO 的四大原则的四大原则 1 骨折的解剖复位 2 骨折端间的加压 坚强内固定 3 无创技术 4 早期无痛性功能锻炼 AO 治疗引起的问题治疗引起的问题 1 由于追求坚强内固定 特别是粉碎和复杂骨折 为达到 骨折端间的坚强固定 有时不得不进行广泛剥离 破坏周围 血供 而致固定端骨质疏松 骨折延迟愈合或不愈合 甚至 发生感染 2 AO 原则虽然也含有无创操作的内容 但是 为了达到坚 强固定和解剖复位的目的 常常以严重损伤骨的血供为代价 无创操作实际是不可能的 3 骨折经精确解剖复位 坚强内固定 断端不会发生坏死 吸收 也不产生外骨痂 骨折是由骨单位越过断端重建 这 种直接愈合或一期愈合并不牢固 往往在取出钢板后发生再 次骨折 4 经过这种严格措施后 并非总能达到早期无痛性功能锻 炼 相反 不是根据个别患者情况 为追求早期锻炼 效果 适得其反 甚至发生内植物断裂或再骨折 BO Biological Osteosynthesis 生物的 生物的 合理的接骨术合理的接骨术 AO 学派经过多年广泛实践 已形成从理论到技术 设备一整套 体系 尽管存在一些严重缺点 但毕竟在骨折治疗上做出巨大 贡献 从 AO 到 BO 应当说 BO 是在 AO 的基础上发展起来的新概 念 它正是针对 AO 出现的缺点加以修正 改进 发挥 而并 非对其替 对某些 AO 原有的行之有效的法则和技术仍应保 留 决不能一律排除 BO 的概念的概念 骨折的治疗必须着重与寻求骨折稳固和软组 织完整之间一种平衡 Palmar 强调骨折治疗要重视骨的 生物学特性 不破坏骨生长发育的正常生理环境 BO 的内容的内容 1 远离骨折部位进行复位 以保护骨折局部软组织的附着 2 不强求骨折的解剖复位 关节内骨折仍要求解剖复位 3 使用低弹性模量的内固定物 4 减少内固定物与骨皮质之间的接触面积等 BO 的宗旨的宗旨 保护骨的血供 在 BO 作用下 骨折愈合为典型 的二期愈合 即骨愈合历经血肿机化 骨痂形成和骨痂塑形 等阶段 表现在 X 片上的大量骨痂形成 与既往 AO 追求的 无骨痂性一期愈合相反 BO 的技术和方法的技术和方法 一 间接复位 在原离骨折部位采用牵引器 外固架或联合 应用多种方法 复位目的在于矫正旋转 成角及短缩畸形 而不苛求解剖复位 对粉碎骨块可用牵引协助复位 使其仍 保持与相邻软组织连接 需要注意的是对于关节内骨折仍需 解剖复位 尽最大可能保持关节面平整 二 对多数骨折采用我国传统手法多能取得成功 三 稳定固定 1 钢板 在传统加压钢板基础上 经过动力加压钢板不断在 钢板与骨骼接触的形式上几钢板的材料上进行了改进 a 有限接触 动力加压钢板 LC DCP 钢板的下面有多个凹 陷 目的在于最大限度地减少与骨膜及皮质骨的接触面约 50 保护骨的固有血供 还消除钢板的应力遮挡 凹陷下形成 的骨痂作为一种生理性张力带 增加骨强度 b 点状接触钢板 PC fix 钢板与骨之间仅有点状接触 螺 钉仅穿过近侧皮质 螺钉与钢板的钉孔锁定 这种钢板类似 皮下安放的外固定架 对骨的破坏更小 c 桥接钢板 分直形或波形 Weber 钢板 用于长管状骨严 重粉碎和有缺损者 钢板跨越粉碎骨片 仅两端用螺钉固定 其目的在于维持骨的长度及对线 虽属不稳定固定 但可保 存骨片与周围软组织的附着 多能获得二期愈合 2 材料 钛合金材料弹性模量低 应力遮挡 小 强度高 耐 腐蚀性强 无磁性 生物相容性好 已广泛应用于临床 3 交锁髓内钉 符合生物力学要求 将钢板的偏心固定改为 中心性固定 在股骨 胫骨及肱骨骨折广泛应用 当闭合穿 钉时 可避免骨折局部的血运遭到破坏 对开放性骨折可降 低术后感染率 并有利于伤口的处理 对骨质疏松性骨折 可增加把持力 对比钢板有明显的优势 4 骨外固定器 种类繁多 经过多年的临床实践 不论在构 件组成 形式 材料及简单化等方面都有很大改进 适应症 越来越广使用也越来越方便 属于微创范畴 骨外固定器同 样可用于断端加压 其多样化用途如开放骨折 骨质缺损 肢体短缩等如应用得当 常能取得意想不到的效果 CO 概念 概念 中西医结合治疗骨折称之中国接骨学 Chinese Osteosynthesis CO CO 系统的核心系统的核心 筋骨并重 动静结合 内外兼治 医患配 合 CO 系统治疗原则系统治疗原则 在有限手术配合下 将复杂骨折转变为 简单骨折 采用非关节外固定使患者早期功能锻炼 CO 系统骨折愈合模式系统骨折愈合模式 骨折二期愈合 CO 系统中药应用系统中药应用 骨折中药应用原则 促进骨折处血液循环加大局部血供 促 进血肿机化 成骨细胞增生 加速外骨痂形成 开放性创面中药应用原则 调节局部免疫功能 利用各种 细胞因子促进创面愈合 CO 系统力学基础系统力学基础 弹性固定在保持骨折断端微动的条件下的骨折加速愈合模式 任何一种内固定方法都不是十全十美 有时在微创术式指 引下 需联合应用 取长补短 如同时进行内 外固定 多种内固定同时并用 或在骨折不同部位 或在骨折不同 阶段采用不同方法等 认为骨折的治疗方向就是手术 这是错误的 尤其是对儿 童骨折的治疗如此 任何公认的适应症或禁忌症都是相对的 要充分估计儿童的塑形能力 对成人的骨折也应具体情况 具体分析 如此才能选择最合理的治疗方法 冯元桢冯元桢 生物力学开创者及奠基人 有 生物力学之父 美誉 主要贡献主要贡献 开创了生物力学研究领域 建立了肺的力学模型 奠定了肺力学 呼吸力学基础 生物组织的生长与应力的关系模型 冯元桢假说 生物力学 是近代生物力学的代表作之一 生物力学分类生物力学分类 1 按研究对象分 生物固体力学 骨骼力学 生物流体力学 心血管系统心血管系统 消化呼吸系统 泌尿系统泌尿系统 内分泌内分泌以及游泳 飞行等与水动力水动力学学 空气动力学空气动力学 边界边界 层理论层理论和流变学有关的力学问题 生物运动力学 2 按研究结果分 工程生物力学 医学生物力学 体育运动生物力学 目前 从医学应用的角度和理论研究的科学分类来看 生物 力学可以分为以下三个主要分支 1 组织与器官力学组织与器官力学 骨力学 软组织力学 肺力学 心脏 力学 子宫力学等等 2 血流动力学血流动力学 血液流变学 动脉中的脉动流 心脏动力 学和微循环力学 3 生物热力学生物热力学 生物传质传热理论 应用生物控制理论以 及药物动力学等 几个力的认识 几个力的认识 万有引力 万有引力 万有引力的大小和物体的质量质量以及两个物体之间 的距离距离有关 接触力接触力 物体之间相互接触变形而产生的力 物体接触时 接触部位会产生变形 变形的物体在一定限度 内总是企图恢复原状 所以在接触面间产生了相互作用的力 摩擦力摩擦力 当相互接触的物体有相对滑动或相对滑动的趋势时 在接触 面的切线方向出现了阻止相对滑动的力 这个力称为摩擦力 肌肉力肌肉力 运动中各种动作的形成 主要是由肌肉收缩产生的肌肉力作 用于骨骼的结果 肌肉兴奋收缩产生肌张力 并在肌腱的附着点产生对骨的拉 力 从而使肢体产生运动或保持一定的姿势 肌肉力简称肌力 外力外力 物体受到的其它物体的作用 包括载荷 主动力 和 约束反力 约束是指限制物体某些运动的条件 是与被约束 物体相接触的物体 内力 内力 组成物体的各个部分之间的相互作用力 物体受到外力作用时会发生变形 其内部产生内力抵抗变形 和破坏 但有一定的限度 弹性力弹性力 最典型的弹性力是弹簧的弹性力 实验证明 弹性限度内 弹性力的大小与弹簧的变形成正比 关系 应力与应变的关系应力与应变的关系 应力是作用在物体内单位截面积上的内力 反应了物体在应 力的作用下发生变形时物体内部的紧张程度 应变是物体在应力作用下相对的变形 反应物体的形变程度 是一个无量纲的物理量 材料的黏弹性材料的黏弹性 黏弹性材料具有固体和流体的双重特性 对黏弹性的物体施加外力时其变形是逐渐发生的 撤除外 力时 其变形是逐渐复原的 即具有弹性固体和黏滞性流体的力学性质 刚度 刚度 生物材料或非生物材料组成的构件抵抗变形的能力 表现为应力和应变之间的关系 骨抵抗外力而不发生变形的能力 即在外力作用下 骨仍 能保持固有形状和尺寸不发生改变的能力 当外力大于其最大刚度时 骨则发生变形 强度强度 构件抵抗破坏的能力 骨抵抗外力破坏的能力 骨在外力作用下保持自身连续性和完整性 不发生中 断的能力 外力超过骨最大承载能力时 则发生骨折 形变 形变 物体在外力作用下形状和大小总要发生改变 弹性形变 弹性形变 外力撤出后 物体能恢复原来形状的形变 塑性形变 塑性形变 外力撤出后 物体不能完全恢复原来的形状 这 种形变称为塑性变形 骨功能适应性 骨功能适应性 骨结构受遗传 激素活性和载荷三种因素控制 1638 年 伽利略首先发现负重与骨形态间的关系 1834 年 Bell 指出骨可以使用尽可能少的材料来承担载荷 1838 年 Ward 报道增加压缩载荷可以增加骨形成 1858 年 Ludwig 论及重力和肌肉力对维持骨的质量是必 要的 1862 年 两位德国学者各自报道了加压对骨生长的影响 1867 年 瑞士 Herman Von Meyer 教授报道骨的内部结构 和外部形态一样 与其承受载荷的大小和方向有直接的关 系 1892 年 德国医学博士 Jnlius Wollf 在前任工作的基础上 总结了他 30 多年工作的经验 体会和临床观察结果 提 出了骨变化的定律 骨功能的每一改变 都有与数学法则 一致的确定的内部结构和外部形态的变化 骨骼能承受骨组织的机械应变 并具有适应这些功能需要 的能力 骨骼结构受应力的影响 负荷增加骨增粗 负荷 减少骨变细 骨折再塑过程也遵循这一定律 骨折后如有移位 在凹侧将 有明显骨痂形成 其内部骨小梁将沿着压应力的传递方向排 列 而在凸侧将有骨的吸收 骨力求达到一种最佳结构 即 骨骼的形态与物质受个体活动水平的调控 使之足够承担 力学负载 但并不增加代谢转运的负担 骨折端的生理应力骨折端的生理应力 骨折后 骨端恢复正常功能的速度和质量与断端承受的应 力水平有关 把可加速骨折端愈合速度 提高愈合质量的断面应力 称 为生理应力生理应力 生理应力分为恒定的和间断性的 恒定的应力多由器械加载产生的 可增加断端摩擦力 增 强稳定性 缩小新生骨细胞爬行距离 间断应力多由功能锻炼 肌肉收