骨折的生物力学（课堂PPT）

1、骨折的生物力学骨折的生物力学力学基本概念力学基本概念生物力学生物力学生物力学生物力学(biomechanics) 是力和能量在生物系统是力和能量在生物系统中的作用的科学中的作用的科学生物力学中力的形式生物力学中力的形式1.外力外力：通过接触点的作用力：通过接触点的作用力:重力，地面反作用力重力，地面反作用力2.内力内力：肌肉收缩力，关节囊及韧带的约束力：肌肉收缩力，关节囊及韧带的约束力力矩力矩力矩力矩 使物体围绕某个轴旋转使物体围绕某个轴旋转 的力的作用，称为力矩或扭矩的力的作用，称为力矩或扭矩力矩力力矩力力到旋转轴的垂直距离力到旋转轴的垂直距离应力与应变应力与应变应力应力：作用在某种结构单位

2、面积上的负荷：作用在某种结构单位面积上的负荷应变应变：物体受到负荷后的内部变形：物体受到负荷后的内部变形应变尺寸的改变应变尺寸的改变/原始尺寸原始尺寸应力应变曲线应力应变曲线Y:屈服点屈服点U:断裂点断裂点应力集中应力集中在常规负荷下，一个物体内部的应力在常规负荷下，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，可导致的缺陷。此现象为应力集中，可导致断裂。断裂。材料缺陷如裂痕、空隙、空洞或凹槽；形状材料缺陷如裂痕、空隙、空洞或凹槽；形状突然改变，突然改变，锐角转角锐角转角临床：骨钻孔，开创临床：骨钻孔，开创应力集中应力集中疲劳疲劳疲

3、劳疲劳是材料的特性，它导致材料是材料的特性，它导致材料在被施加许多次较小负荷时破坏；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这个负荷小于单周期破坏材料所需的负荷的负荷拉伸、压缩、拉伸、压缩、弯曲、剪切、弯曲、剪切、扭转、及复扭转、及复合加载合加载拉伸拉伸结构变长结构变长变细变细跟骨撕脱跟骨撕脱骨折骨折压缩压缩变短变粗变短变粗锥体骨折锥体骨折剪切剪切结构内部结构内部发生角变形发生角变形跟骨、股骨跟骨、股骨髁、胫骨平台髁、胫骨平台弯曲弯曲A.三点弯曲三点弯曲B.四点弯曲四点弯曲弯曲弯曲中位轴中位轴沿中位轴，弯曲和扭转的应力是沿中位轴，弯曲和扭转的应力是0，弯曲时凸侧为张力区，凹

4、侧为，弯曲时凸侧为张力区，凹侧为压力区压力区扭转扭转几种固定物的力学特点几种固定物的力学特点骨板骨板 板的抗弯能力与厚度的立方成正比，板的抗弯能力与厚度的立方成正比， 板的厚度加倍，抗弯能力增加板的厚度加倍，抗弯能力增加8倍倍 板被用于抵抗张力置于骨的张力侧，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板的预弯允许骨折端的更均匀的加压，并防止对侧张开，并防止对侧张开骨螺钉骨螺钉把持力由外径和螺纹间距决定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螺钉本身强度由杆的直径决定髓内针髓内针大直径抗扭转能力好大直

5、径抗扭转能力好实心髓内针提供更大的抗实心髓内针提供更大的抗扭转和抗弯曲能力扭转和抗弯曲能力DHS承受弯曲负荷，并承受弯曲负荷，并提供折端加压提供折端加压角钢板可抵抗扭转角钢板可抵抗扭转但不提供折端加压但不提供折端加压外固定架外固定架稳定性取决于：稳定性取决于：针直径，抗弯刚性与针直径针直径，抗弯刚性与针直径4次方成正比次方成正比针数目针数目骨与连杆的距离骨与连杆的距离不同平面的针、杆不同平面的针、杆增加杆的质量或数量增加杆的质量或数量张力带原则张力带原则力学环境与骨折愈合力学环境与骨折愈合传统骨折愈合模式传统骨折愈合模式直接愈合直接愈合间接愈合间接愈合 DCP固定后也可以发生骨痂愈合！固定后也

6、可以发生骨痂愈合！Chao和和Aro修订的骨折愈合分类修订的骨折愈合分类1.非骨性愈合非骨性愈合2.骨性愈合骨性愈合A.一期愈合一期愈合 （1）一期接触愈合）一期接触愈合 （2）一期间隙愈合）一期间隙愈合B.二期愈合二期愈合 （1）二期接触愈合）二期接触愈合 （2）二期间隙愈合）二期间隙愈合骨折愈合的影响因素骨折愈合的影响因素血供、生物学因子、化学因子、力血供、生物学因子、化学因子、力学环境、电磁刺激、超声刺激等学环境、电磁刺激、超声刺激等影响骨折端力学环境的因素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复位情况、活

7、动及负重时骨折间隙产生应力的类型及大小应力的类型及大小影响骨折端力学环境的因素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部位的强度。这是骨折二期愈合的优点点 而骨痂的伸展与分布及分化速度均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，达通过骨折部位力学环境的控制

8、，达到骨折的二期愈合已成为骨干骨折的首到骨折的二期愈合已成为骨干骨折的首选选微动及骨折愈合微动及骨折愈合 早期，早期，Sarmieno等发现，骨折端等发现，骨折端的一定程度的活动刺激骨痂形成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：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固定相比促进骨折愈合微动的时机微动的时机 微动在骨折愈合早期，一些特异性的细胞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段的周期微动

9、使骨折愈合延迟微动的频率微动的频率 实验证实短时间的周期低频率微动与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，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但对骨折愈合的影响还没统一认识微动的方向微动的方向 轴向周期微动，不论其作用力方向如轴向周期微动，不论其作用力方向如何，均刺激骨折愈合何，均刺激骨折愈合 而骨折块间剪切活动诱导软骨痂中大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量的软骨分化，而不是骨折延迟愈合和不愈合的主要原因愈合的主要原因LCP及其应用及其应用

10、对抗拉出的力量最大对抗拉出的力量最大钛的弹性模量是骨的钛的弹性模量是骨的6倍倍不锈钢弹性模量是骨的不锈钢弹性模量是骨的12倍倍 影响骨折固定效果的几种因素影响骨折固定效果的几种因素具有复杂的生物特性具有复杂的生物特性无与比拟的修复特性无与比拟的修复特性特殊的结构材料特殊的结构材料J.S.T北京积水潭医院北京积水潭医院北京积水潭医院北京积水潭医院u生物学因素（骨折周围的血运）生物学因素（骨折周围的血运）力学因素（尽早恢复其稳定）力学因素（尽早恢复其稳定）将骨块解剖复位？将骨块解剖复位？u1. 防止骨折区域软组织再度损伤防止骨折区域软组织再度损伤2. 相对稳定的愈合条件相对稳定的愈合条件3. 医生

11、的经验医生的经验u1. 日常生活中，骨每天承受重复性载荷，但该日常生活中，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当载荷增加时，骨承受重复性载荷的次数相 应下降应下降Loading Mode Ultimate StrengthTension 135 MPaCompression 205 MPaShear 71 MPau 骨量下降骨量下降进行性丢失（进行性丢失（50岁女性）岁女性） 骨密度下降骨密度下降 力学特性改变力学特性改变 组织学改变组织学改变u每十年每十年： 弹性模量下降弹性模量下降1.5 极限应变下降极限应

12、变下降57 骨骼变脆（骨骼变脆（Brittle） 骨吸收外力的能力下降骨吸收外力的能力下降u 刚度较低的骨将减少钢板抗剪力的能力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骨质疏松或其它骨疾患可影响骨钢板和钢板和 骨骨螺钉界面的骨再塑形，从而最终影响螺钉界面的骨再塑形，从而最终影响 骨骨钢板力学作用钢板力学作用u 大部分骨愈合是二期骨愈合，其特性是骨痂大部分骨愈合是二期骨愈合，其特性是骨痂 形成形成术后术后16周骨折愈合周骨折愈合u 骨折近端骨折近端 - 钢板钢板-骨折远端骨折远端 稳定性是通过钢板与骨的摩擦阻力完成稳定性是通过钢板与骨的摩擦阻力完成u狗的动物实验证明狗的动

13、物实验证明 812周周 钢板固定的骨强度逐渐加强钢板固定的骨强度逐渐加强 20周以后周以后 达到正常骨强度达到正常骨强度80u20周后取板周后取板 骨强度在骨强度在4周内轻度下降周内轻度下降 取板取板8周后，骨强度甚至高于对侧完整骨周后，骨强度甚至高于对侧完整骨 ？u1 病人的配合病人的配合-智障、帕金森氏病等智障、帕金森氏病等 2 骨折周围软组织损伤严重骨折周围软组织损伤严重-高能量损伤高能量损伤3 全身因素全身因素-癌症、糖尿病等癌症、糖尿病等u1手术技术使用不当（减少手术步骤、内固定的选手术技术使用不当（减少手术步骤、内固定的选择等）择等）2 间接复位技术间接复位技术3 软组织剥离广泛软

14、组织剥离广泛4 医生的经验医生的经验-病人的情况病人的情况 医院现有的条件医院现有的条件 器械情况器械情况u 树立骨保护钢板的概念树立骨保护钢板的概念 采用骨牵开器复位采用骨牵开器复位 依据骨折的特点选用正确的内固定物依据骨折的特点选用正确的内固定物 正确的康复训练（正确的康复训练（CPM使用、地秤使用、使用、地秤使用、 严格复查）严格复查） 钢板钢板 髓内针髓内针 适用于长管状骨粉碎骨折适用于长管状骨粉碎骨折 生物学固定生物学固定 4尽可能保留有生物活性的组织尽可能保留有生物活性的组织4间接复位间接复位4获解剖对线，适合的稳定。获解剖对线，适合的稳定。髓内针可完全替代钢板髓内针可完全替代钢板

15、？不可能不可能邻近关节的骨折多发损伤邻近关节的骨折多发损伤尤其是胸外伤尤其是胸外伤国内现有条件国内现有条件 关于钢板使用长度的变化关于钢板使用长度的变化 S. R. Rozbruch Clin Orthop (Vol.354 1998) 分析分析81例股骨干骨折钢板内固定例股骨干骨折钢板内固定 7 0年代；年代；80年代；年代；90年代；年代；骨折长度：复位后骨折线长度骨折长度：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拉力钉指数：钢板外拉力钉数与骨折 线长度（厘米）的百分比线长度（厘米）的百分比 骨折螺钉密度：经钢板的骨折螺钉密度

16、：经钢板的 螺钉数与骨折螺钉数与骨折 长度（厘米）的比值长度（厘米）的比值骨痂测量：骨折愈合后在其最大宽度处骨痂测量：骨折愈合后在其最大宽度处 测量其正侧位测量其正侧位 结结 果果 钢板跨越率增加钢板跨越率增加 固定螺钉数目减少固定螺钉数目减少 拉力螺钉指数下降拉力螺钉指数下降 单皮质固定螺钉密度为零单皮质固定螺钉密度为零 结结 论论 在恒定的弯曲力矩下，钢板越长，在恒定的弯曲力矩下，钢板越长， 其发生的应变越小，且作用在螺其发生的应变越小，且作用在螺 钉上的钉上的 应力也越小应力也越小 粉碎骨折中损伤面积粉碎骨折中损伤面积 的增大，的增大， 也可使应变变小。也可使应变变小。Gotzen 尸体截骨研究证实尸体截骨研究证实 10 孔钢板两端各用两枚螺钉孔钢板两端各用两枚螺钉 8 孔钢板两端各用四枚螺钉孔钢板两端各用四枚螺钉 前者作用优于后者。前者作用优于后者。 Laurence: 在钢板上超过四枚螺钉固定在钢板上超过四枚螺钉固定 作用已足够。作用已足够。 因弯曲应力作用于任何一个因弯曲应力作用于任何一个 螺钉上的最高张力即使在骨螺钉上的最高张力即使在骨 最薄弱区，也不