骨折的生物力学

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1.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2.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3.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Tensionbandprinciple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J.S.T北京积水潭医院男39术后9m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J.S.T北京积水潭医院北京积水潭医院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LoadingModeUltimateStrengthTension135MPaCompression205MPaShear71MPa△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5～7％△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，其特性是骨痂形成术后16周骨折愈合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☆8～12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.RozbruchClinOrthop(Vol.3541998)■分析81例股骨干骨折钢板内固定■70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1.切断SP韧带加大SP分离但并不影响SI2.切断SI前韧带加大SI移位而不影响SP3.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（Dather1984）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（StockG.1991）ThankYouforYourAttention!谢谢！