《生物力學》課件CHP4骨力學新

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文檔簡介

1、骨力學第四章機動目錄上頁下頁返回結束 Galileo 發現加載與骨形態的關系1834 Bell 骨可以使盡可能少的材料承擔載荷 Ward 增加壓縮載荷，可增加骨形成 Ludwig 重力、肌力對維持骨質量的必要性1862德國學者加壓對骨生長的影響1867瑞士學者骨的內部結構和外部形態與承載大小、方向有關 Wollf 骨轉化定律一、骨力學研究方面的簡史：第一節引言機動目錄上頁下頁返回結束二、骨力學的研究內容和涉及的幾個問題 1.骨結構、形態、組成、功能的研究 3.骨的應力適應性 2.應力-應變研究 4.骨折治療研究 (骨的生長與斷裂）（骨功能適應性理論）（骨的力學

2、性質）機動目錄上頁下頁返回結束（引言）本構曲線影響因素微觀結構宏觀力學性質生長理論斷裂類型治療措施*5.脊柱生物力學*6.關節生物力學*7.骨骼肌力學*8.顱腦損傷力學機動目錄上頁下頁返回結束三、骨力學的四個基本概念 1.骨強度： 2.骨剛度：生物材料或非生物材料組成的構件抵抗破壞的能力生物材料或非生物材料組成的構件抵抗變形的能力斷裂或過大的塑性變形彈性變形的允許限度機動目錄上頁下頁返回結束 3.骨韌性： 4.骨穩定性：生物材料或非生物材料組成的構件在外力作用下發生斷裂前所能達到的最大變形程度生物材料或非生物材料組成的構件保持其原有平衡形態

3、的能力機動目錄上頁下頁返回結束四、骨的基本知識（功能形態結構組織成分）骨是一個有生命的器官骨中有血液循環機動目錄上頁下頁返回結束骨是一個能運動的器官通過關節肌肉承受外力骨是一個良好適應性材料能再生和能自我修復骨是一個粘彈性材料即具有彈性又具有粘性遺傳激素活性外加載荷（一）骨功能：一方面：組成骨骼系統另一方面：調節血液的電解質濃度機動目錄上頁下頁返回結束提供對動物體的支撐維持人體的正常形態使肌肉附著帶動肢體運動作用保護內臟器官、顱腔調節鈣離子、氫離子、磷酸氫根離子的濃度保持體內礦物質的動態平衡即骨髓的造血、鈣磷的儲存與代謝（二）骨形態：

4、機動目錄上頁下頁返回結束按其形狀可分為：人體共有206塊骨，依所在部位可分為:顱骨、軀干骨和四肢骨。長骨，呈管狀如脛骨、股骨；短骨，類正方體承壓有能動如腕骨、跗骨；扁骨，呈板狀如顱骨中的枕骨、頂骨；不規則骨，如椎骨。這些形狀不同的骨，是長期自然演變的結果，它符合最優化原則，即用最小的結構材料承受最大的外力，同時還具有良好的功能適應性。機動目錄上頁下頁返回結束哈佛管：內含神經和血管。板層骨：包繞在管的周圍。（三）骨結構：在顯微鏡下，構成骨的基本結構單位稱之為骨單位，即哈佛氏系統。機動目錄上頁下頁返回結束骨分為密質骨和松質骨骨的構造機動目錄上頁

5、下頁返回結束密質骨一般位于骨的外層松質骨位于骨的內層，由骨小梁形成篩狀結構，小梁之間的空隙充滿了紅骨髓。密質骨的骨小體的板層結構松質骨的骨小梁的桁架結構機動目錄上頁下頁返回結束松質骨骨小梁機動目錄上頁下頁返回結束密質骨松質骨機動目錄上頁下頁返回結束骨質致密堅硬（疏松度為530%）骨板排列規整結合緊密僅留下一些部位作為血管和神經的通道表面積相對小松軟（疏松度為3090%）排列呈蜂窩網狀網孔內充滿骨髓血管神經巨大強度高變形能力差（變形超過2%會斷裂）強度低應變能力好（變形可達7%左右）松質骨:松質骨具有多孔結構，因而有較高的能量儲存能力。松

6、質骨內膠原纖維的排列看似是紛亂的，但它并非無序，它是根據主要的受力狀態沿著主應力的方向排列，形成最優的受力結構，即用最少的材料承受最大的外部載荷。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束（四）骨的成分機動目錄上頁下頁返回結束骨是由骨組織、骨膜和骨髓等構成的骨組織是骨的結構主體由細胞和鈣化的細胞外基質及纖維組成其特點是細胞外基質有大量的骨鹽沉積還有部分有機質，使骨組織成為人體最堅硬的而又有一定韌性的結締組織機動目錄上頁下頁返回結束骨細胞：骨原細胞成骨細胞

7、骨細胞破骨細胞（骨細胞最多，位于骨基質內，其余三種細胞均位于骨組織的邊緣）骨基質：大量鈣化的細胞間質。（基質含有大量的固體無機鹽羥基磷灰石晶體71.8%，有機質粘多糖蛋白28.2%）骨纖維：骨膠原纖維（分層交叉）1、骨基質鈣化的骨組織的細胞外基質。包括有機成份和無機成份,含水極少。有機質：膠原纖維（主要由型膠原蛋白構成）無定形基質（蛋白多糖及其復合物）無機鹽：羥磷灰石（3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）機動目錄上頁下頁返回結束羥磷灰石是針狀結晶體，長約200A，橫截面面積為2500A2。晶體是沿著膠原纖維長度方向排列的。非常堅硬,沿軸向的彈性模量為165GPa

8、,與鋼的彈性模量200GPa相近。膠原纖維不嚴格遵守胡克定律，其縱向彈性模量為1.24GPa。膠原纖維具有韌性和柔軟性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束可見骨是由膠原纖維和羥磷灰石組成的復合材料，它具有優異的力學性能。因為：柔韌的膠原可阻止硬材料的脆性斷裂，而堅硬的骨鹽又可阻止軟材料的屈服。無機鹽等礦物質產生位移少膠原纖維等有機成分組織中充滿液體承擔較大變形鋼筋混泥土結構機動目錄上頁下頁返回結束從

9、力學角度講，骨組織是一種雙相的的復合材料，一相為無機物，另一相為膠原和無定形基質，當堅固的脆性材料嵌入另一種力度較弱但柔韌性強的材料中后，復合材料的性能比其中任何一種單純材料更加堅韌。機動目錄上頁下頁返回結束 2、四種骨細胞骨祖細胞成骨細胞骨細胞破骨細胞四種細胞在不同的生物力學環境中能相互轉化，互相配合而吸收舊骨質，產生新骨質。機動目錄上頁下頁返回結束（1）骨祖細胞：骨組織的干細胞，位于骨膜內，體積小，呈梭形，弱嗜堿性?？煞只蔀槌晒羌毎统绍浌羌毎?。分化方向取決于所處的部位和所受的刺激性質。例如，當骨生長、改建或骨折修復時，骨祖細胞活躍，不斷分裂、分化為成骨細

10、胞。機動目錄上頁下頁返回結束成骨細胞：分布于骨組織表面，胞體有細小突起，矮柱狀或橢圓形，胞質嗜堿性。電鏡下可見大量的和高爾基復合體。成骨細胞合成和分泌骨基質的有機成分，形成類骨質。成骨時，成骨細胞還釋放基質小泡。泡內有細小的鈣化結晶，是鈣化的起始部位。成骨細胞分泌類骨質后被包埋于其中，便成為骨細胞。即細胞漿液顯堿性，使鈣鹽沉淀成為針狀晶體排列于細胞間質中。機動目錄上頁下頁返回結束其數量、形狀、合成分泌功能受應力環境影響，如應力的性質、大小、頻率等，它還受年齡、遺傳、疾病、內分泌的影響。在良好的力學環境下。成骨細胞數量增加，胞體增大，合成分泌功能明顯增強，因此可以加速骨折

11、愈合，使骨密度增加，剛度明顯增加。在有害應力或低應力環境下，骨折愈合遲緩，甚至不愈合，骨質疏松，強度下降。機動目錄上頁下頁返回結束 *成骨細胞是其中重要的感受與效應細胞。力離子通道、G蛋白與酪氨酸激酶、整合素受體與細胞骨架等多種途徑，感受體內外力學刺激，并將力學刺激信號轉化為細胞生物化學信號，介導力相關敏感基因表達，合成各種酶類等活性物質，激活信號網絡級聯反應，參與一系列復雜的生理病理活動。機動目錄上頁下頁返回結束位于骨板內或骨板間，胞體較小，有許多細長突起，胞體呈扁橢圓形。胞體所在的腔隙陷窩；突起所在的腔隙稱骨小管。骨細胞的結構和功能與其成熟度有關。剛轉變的骨細胞與成骨

12、細胞相似，仍能產生類骨質。隨著類骨質逐漸鈣化為骨質，細胞逐漸變為成熟的骨細胞。體積變小，減少，突起延長，相鄰骨細胞的突起以相連，骨小管彼此相通。骨陷窩和骨小管內含有少量組織液。骨細胞具有一定的溶骨和成骨作用，參與調節鈣、磷平衡。成骨細胞產生類骨質后，自身被包埋其中，分泌能力逐漸減弱，轉變為骨細胞。機動目錄上頁下頁返回結束（3）骨細胞：破骨細胞：數量少，主要分布于骨組織的邊緣，是一種的大細胞，直徑30100m，含有650個核。目前認為它由多個融合而成，無分裂能力。胞質為嗜酸性，細胞器豐富，尤以和線粒體居多。功能活躍的破骨細胞有明顯的極性，光鏡下可見破骨細胞貼近骨基質的一側有皺褶緣。電

13、鏡下呈許多大小和長短不一的突起。胞質內含多種水解酶和有機酸，溶解骨鹽，分解骨有機成分。表明破骨細胞具有很強的溶骨和吸收能力。機動目錄上頁下頁返回結束吞噬和分解非受力骨組織和壞死骨組織。合成并分泌溶膠原酶，對失去應力的膠原進行溶解；合成分泌多種水解酶,對羥基磷灰石進行水解破壞；其形狀、數量和合成功能受應力環境影響，在低應力區，破骨骨細胞數量增加，體積變大，骨組織以破壞、吸收為主，骨質疏松，強度、剛度降低。機動目錄上頁下頁返回結束總之：正常骨骼處于一個吸收與生長重建的連續過程成骨細胞與破骨細胞的生理活性保持著動態平衡機械力學刺激是必不可少的條件之一機動目錄上頁下頁

14、返回結束五、骨的粘彈性實驗：（骨加鹽酸）脫鈣骨（脫鈣骨燃燒）骨炭骨外形保留堅固性脫去富彈性柔韌性骨外形保留堅固性脫去彈性柔韌性脫去機動目錄上頁下頁返回結束得出模量隨應變率的變化而變化的時變性（骨是一個粘彈性材料）得出彈性、粘性的雙重性六、骨的各向異性物質成分結構機動目錄上頁下頁返回結束復合材料的力學性質（模量極限應力應變粘彈性等）七、骨的管形結構（以長骨為例）截面外形八、骨的等強度分布（密度分布于應力分布相適應）強度大重量輕結構強度=比強度結構模量=比模量（介紹）骨傷生物力學在我國的發展骨傷生物力學-根據人體構件的解剖特征和力學性

15、質，用力學原理和方法研究骨折、脫位、矯形、移植及各種急慢性軟組織損傷等病因、病理、治療及愈合機理的科學。機動目錄上頁下頁返回結束（介紹）骨傷生物力學研究內容骨的力學性質肌肉、肌腱、韌帶、腱鞘、滑囊力學性質尋找環境效應對生物組織的影響骨折的病因、病理、治療骨矯形、延長、移植的手術療法骨重建的反饋機理及骨生長的人為控制傷筋與骨錯縫的研究骨缺血壞死問題、骨性關節炎問題現行骨傷療法的改進和完善機動目錄上頁下頁返回結束第二節骨的基本力學性質機動目錄上頁下頁返回結束一、骨的應力應變關系（一）曲線：拉壓力學性質(為例）對比低碳鋼、合金鋼、鑄鐵低碳鋼合

16、金鋼骨鑄鐵機動目錄上頁下頁返回結束（各段都有）（無cd段）（無oa cd ef段）（無cd ef段）1、拉伸例如：其他材料的拉伸低碳鋼合金鋼硬鋁機動目錄上頁下頁返回結束骨、金屬和玻璃的力學性質比較三種材料的應力-應變曲線機動目錄上頁下頁返回結束由韌性材料組成的結構體的載荷-形變曲線強度剛度能量積累脆性機動目錄上頁下頁返回結束密質骨在拉伸實驗中的應力-應變曲線機動目錄上頁下頁返回結束因此，工程學方法可以應用于分析骨的力學性能。目前，骨實驗生物力學的測試技術為萬能實驗機測量法、電測法和光測法。與其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，

17、如應力應變關系等，更接近工程材料。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束 2、壓縮低碳鋼屬展性材料屈服段前拉伸與壓縮的本構曲線重合屈服段后得不到壓縮強度骨屬脆性材料，壓縮與拉伸時有較大差別抗壓強度大極限應變大彈性模量大機動目錄上頁下頁返回結束剪切力學特性扭轉力學特性彎曲力學特性略例如無機鹽針狀晶體抗壓骨膠原纖維抗拉結論：骨的抗壓強度遠大于抗拉強度骨的抗拉強度略大于抗切強度機動目錄上頁下頁返回結束順切：順骨纖維方向橫切：與骨纖維方向正交（二）力學指標：（總結）剛度：屈服應力：骨單元分離細微骨折極限強度：極限應變：能量損耗：直線段斜率曲線

18、段割線模量、微分模量平線段直接讀曲線段殘余應變的20%法直接讀直接讀滯后環面積長度延伸率截面收縮率展性與脆性：機動目錄上頁下頁返回結束殘余應變：直接讀二、各種影響骨力學性質的因素機動目錄上頁下頁返回結束說明：不同骨骼的力學性質會有所不同相同骨骼拉、壓、剪切、扭轉、彎曲的力學性質也會有所不同骨的力學性質受到性別、年齡、取材部位和方向、骨的狀態（干骨或濕骨松質骨或密質骨）、加載速度等因素的影響，會在某一范圍變化。機動目錄上頁下頁返回結束（一）骨的各向異性及解剖部位的差異機動目錄上頁下頁返回結束骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復合材料，表現

19、出非均勻性和各向異性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力學性能都有很大的差別。1、解剖部位：長骨的管狀部位非均勻性機動目錄上頁下頁返回結束骨強度最高彈性模量最大2、各向異性：沿骨軸線方向各向異性機動目錄上頁下頁返回結束骨強度最高彈性模量最大極限應變最高例如縱向排列的纖維較多可提高骨的拉伸強度橫向排列的纖維較多可提高骨的壓縮強度人股骨干密質骨四個方向加載實驗約為1約為4/5約為1/2約為1/5機動目錄上頁下頁返回結束（二）骨的干濕度干骨濕骨含水量不同干骨比濕骨機動目錄上頁下頁返回結束骨強度高彈性模量大極限應變小能量儲存少孔隙度的多少

20、密質骨比松質骨機動目錄上頁下頁返回結束骨強度高彈性模量大極限應變小能量儲存少區分骨的腔隙與固體基質區分固體基質中的無機和有機成分礦化率的大小隨著孔隙度的增加，骨強度和骨剛度下降。隨著礦化率的增加，骨強度和骨剛度上升。表面密度不同（三）骨的松密質密質骨松質骨壓縮實驗中的應力-應變關系機動目錄上頁下頁返回結束皮質骨屈服段極不明顯，松質骨有一定的屈服區間（四）性別和年齡（職業、經歷、遺傳、營養）（15到19歲女性除外）隨年齡的增加 1、年齡：力學性質年齡15-1950-5920-2930-3940-4960-6970-7980-89機動目錄上頁下頁返回結束骨強度

21、、骨密度下降（明顯）彈性模量減小極限應變降低（橫向比縱向下降明顯）年輕年長機動目錄上頁下頁返回結束骨密度機動目錄上頁下頁返回結束骨小梁年輕年長學生拉伸實驗中年輕人和老年人脛骨的應力-應變曲線兩者的骨強度相近,但是老年人骨脆性更大，失去了形變能力。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束生化成分和顯微結構發生變化礦化增加膠原老化繼發骨單位的數量有關骨單元數有關骨小體的數量及平均直徑的減少孔隙度增加，骨密度會發生進行性降低。骨小梁被吸收變細、數目減少骨小梁斷裂增加，骨強度會發生進行性下降。年齡相關性骨退化性成因：應該指出年齡相關的骨量丟失

22、還取決于很多因素。如性別、內分泌異常、活動減少和鈣不足等。機動目錄上頁下頁返回結束 2、性別：（15到19歲女性除外）更年期后男性力學參數下降比女性明顯機動目錄上頁下頁返回結束更年期前女性力學參數下降比男性明顯無論男性女性骨強度、骨密度下降（明顯）彈性模量減小極限應變降低（橫向比縱向明顯）骨量、年齡和性別之間的關系機動目錄上頁下頁返回結束 (五）運動負荷的影響1、載荷大小及加載次數機動目錄上頁下頁返回結束骨反復受較大載荷作用次數多可使骨強度骨剛度骨極限應變逐漸喪失引起疲勞骨折顯微損傷的積累結果纖維損傷增加快于修復過程載荷大小與次數與塑性變形重建速率

23、比較骨的疲勞性能人在不斷的運動的過程中，骨會反復受力，當這種反復作用的力超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，這種循環載荷下造成骨的損傷為疲勞損傷。機動目錄上頁下頁返回結束體內骨具有自我修復能力，只有在骨重建不足以彌補骨疲勞損傷才發生骨折。疲勞曲線顯示載荷與載荷反復次數之間的相互作用機動目錄上頁下頁返回結束許多研究者試圖用數學關系來表達疲勞壽命N與載荷(應力)、次數（n)、密度()、溫度(T)等因素之間的關系。一般設方程： lnN = A+B， A、B為常數（待定） LnN = A+B， A、B為常數（待定） Ln(2N) = Aln+ BT + C （系數待定）

24、Ln(2N) = ALn+ BT + C + D（系數待定）該式表明，疲勞壽命隨負荷及作用次數增加而減小，隨溫度升高亦減小，而隨密度的增加而增加。機動目錄上頁下頁返回結束指出：骨的疲勞過程不僅僅受到載荷強度和反復次數的影響，還受到載荷頻率快慢的影響。機動目錄上頁下頁返回結束加載應變速率與塑性變形傳播速率比較靜載荷動載荷隨加載速率的增加骨強度增大；彈性模量增大；極限應變升高；能量儲存多。隨加載速率的增加骨強度增大；彈性模量增大；極限應變降低；能量儲存少。手型記憶機動目錄上頁下頁返回結束 2、應變速率-單位時間內應變的改變量。未成年骨：通過塑形和改建共同完成成年

25、骨：主要是保持骨的力學性質發育的不同階段應變率大小與骨量增加關系不一致3s-1在體內，應變每天都發生著相當大的變化。五種應變率下皮質骨的應變率依賴性骨的應變率依賴性骨是一種粘彈性材料，它的力學性能隨受到的加載速率的變化而發生改變。加載于骨的載荷速率越高，骨在骨折前表現的剛度就越高，能承受的載荷也就越高。機動目錄上頁下頁返回結束在臨床上，了解加載速度是非常重要的。因為它能影響骨折方式和軟組織損傷數量。機動目錄上頁下頁返回結束當骨折發生時，它積累的能量就會釋放。加載速度低能量通過單一形式的骨折線，骨和軟組織相對保持完整，此時骨折端沒有或發生很小的位移。加載速度較高時更多的積

26、累能量不能夠通過單一骨折線很快釋放，會發生粉碎性骨折和廣泛性軟組織損傷。機動目錄上頁下頁返回結束（六）應力集中圓孔溝橫切口細紋等應力集中系數：應力不再均勻分布，有破損的局部應力最大。應力集中使骨強度降低。鉆空鉆空并擰上螺釘8周強度比5025100機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束 *骨的斷裂韌性是指某種材料阻止裂紋擴展的能力，一般用它描述材料抵抗脆性破壞的能力。骨經常會因受到某種損傷或內在的缺陷而存在小的裂紋，此時必須要考慮這種裂紋對骨材料強度的影響以及骨材料所具有的抗裂能力，因而引進骨的斷裂韌性這力學參數。由于骨內骨質分布的非均勻性

27、以及骨內存在著孔洞、缺陷和裂紋等，使得對骨斷裂韌性的研究更為困難和復雜，同時也降低了骨的斷裂韌性。機動目錄上頁下頁返回結束 *（七）骨的受沖擊性能 1、骨在沖擊載荷作用下產生損傷的程度和損傷的形式，一方面取決于沖擊載荷具有的能量大小，另一方面還要取決于沖擊載荷的作用時間。機動目錄上頁下頁返回結束沖擊能量越大，沖擊時間越短，造成骨的損傷程度越大。機動目錄上頁下頁返回結束例：當顆高速飛行的子彈打人頭顱中去時，盡管子彈具有很大的動能，但在穿入骨中去的過程中能量大量被吸收，其結果只將骨打穿一個洞而不產生骨折。但是用一鈍器猛擊頭部卻使顱骨破碎，這是因為在顱骨表面沖擊

28、時間很短，沖擊能量來不及被吸收所致。機動目錄上頁下頁返回結束 2、骨承受沖擊能力的大小與骨的結構關系密切進行沖擊實驗比較，發現頭顱骨耐沖擊能力要比長骨高40% 左右。原因：一方面在于顱骨為扁骨，內外表面是密質骨骨板，中間一層海綿骨，具有吸收沖擊能的作用。另一方面顱骨呈薄殼狀結構，具有良好的承受外部載荷的能力。機動目錄上頁下頁返回結束 3、對于活體中的骨，耐沖擊能力還應考慮到骨周圍的肌肉、皮膚、內臟器官組織等的影響，在進行實驗時應盡可能模擬真實情況以便獲得較為客觀的數據。機動目錄上頁下頁返回結束作業：設計實驗1.說明骨的力學性質是各向異性的2. 藥物對骨

29、質疏松癥的治療作用3. 推薦兩套康復計劃，試評價其效果取材：分組：方法：測量哪些物理量、怎么測量實驗結果的表達：實驗目的：骨的力學性質及各種因素的影響機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束第三節骨功能適應性理論骨與其它工程材料相比其最大的特點是:具有豐富的血供和良好的自我修復重建的能力。（功能適應性）骨的改變（生長、增值、吸收、萎縮）主要受(遺傳、激素活性、載荷）三種因素的控制。這主要體現于它的結構、成分和性能隨著力學環境的改變而改變。（幾何特征力學特征組成成分）（功能）粘彈性各向異性管形結構均勻強度分布機動目錄上頁下頁返回結束例如：

30、宇航失重和長期臥床、肢體制動的人員均可導致骨密度、骨鈣含量、骨基質蛋白、骨形成速度的降低。指出：應力對骨的生長、吸收起著調節作用，每一塊骨都對應一個最適宜的應力范圍，應力過高、過低都會造成骨性的改變。機動目錄上頁下頁返回結束一、最優化設計原則德國醫學博士 Wolff 1892年提出關于骨變化定律（Wolff定律）：機動目錄上頁下頁返回結束骨功能的每一改變，都有與數學法則一致的確定的內部結構、外部形態和組成成分及力學指標的變化。求極值機動目錄上頁下頁返回結束 Roux 1895年骨生長的最小-最大原理松質骨的桁架結構（Kummer根據上原理算出了股骨頭三

31、維桁架結構）（Hayes據髕骨應力分析和實驗表明骨小梁結構確是按最小正應力法線方向排列的）理論基礎：最小的結構材料，承受最大的外力。（Pauwels 對上原理做了理論證明）機動目錄上頁下頁返回結束 Evans 壓力能刺激新生骨的生長理論骨折愈合的重要因素理論基礎：骨是壓電晶體最完美的幾何結構（外部和內部）最合理的組成成分（有機物和無機物）最具說服力的力學指標（強度、剛度和密度）機動目錄上頁下頁返回結束目標：優化設計原則說明：骨功能適應性理論是對多種功能而言的，符合綜合優化設計原則。機體可能通過四種方式對載荷做出動態響應（骨細胞骨膠原骨礦物質骨細胞外液）機動目錄

32、上頁下頁返回結束 *Wolff定律的反饋機制：參考Wolff定律可能的作用方式框圖機動目錄上頁下頁返回結束二、骨的功能適應性1、遺傳2、激素活性生長素加快細胞分裂，加速次級過程。腎上腺皮質激素內分泌素雌性激素維生素A C D降鈣素機動目錄上頁下頁返回結束骨功能適應性：骨有使其形態結構、組成成分及力學性質適應于其載荷環境變化的本領。3、載荷骨的重建：定義活體骨不斷地進行著生長、加強、再吸收的過程。機動目錄上頁下頁返回結束條件施加應力與骨組織所習慣的應力不同時骨將重建。分類內部重建表面重建表面重建：指的是在骨的外表面上骨材料的再吸收或沉積。內部重建：指

33、的是通過改變骨組織的體積密度時骨組織內部的再吸收或加強。幾何特征上的適應外部：（正常）凸起表面積增大體積增大凹進表面積減小體積減小機動目錄上頁下頁返回結束（以股骨為例）股骨要承受向彎曲與壓縮負荷的作用最大壓應力出現在截面內側最大拉應力出現在截面外側截面前后為中性層通過低應力區桿類彎曲梁截面類工字型骨干殼形結構圖載荷變化引起骨干為密質骨內部：（正常）排列有序度增加數目增多直徑增加排列有序度降低數目減少直徑減小機動目錄上頁下頁返回結束骨小梁的桁架結構，排列的有序、數目適中骨小體的板層結構，排列的有序、數目適中載荷變化引起力學指標上的適應強度：剛度：密度：

34、強度與密度的分布有很好的一致性。強度、密度與結構強度的分布有不完全一致性。機動目錄上頁下頁返回結束強度增加密度增大強度減弱密度減小載荷變化引起機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束廢用和活動減少狀態對骨骼是有害的。正常組和制動組獼猴腰椎載荷變形曲線圖不動猴的骨組織有可觀的吸收現象。例子：松質骨的內部重建機動目錄上頁下頁返回結束組成成分上的適應無機物：有機質：孔隙度減少 X光片透過率減弱孔隙度增多 X光片透過率增強機動目錄上頁下頁返回結束例如股骨干骨橫斷面上每平方毫米骨單元平均數16.39（外）14.7（內）12.6（前

35、）12.1（后）載荷變化引起1、反饋平衡理論生長、增殖與吸收、萎縮之間互相平衡三、骨的功能適應性理論應力是最優值時：生長與吸收平衡應力上線和應力下線：當應力大于最優值時當應力小于最優值時當應力大于應力上線時當應力小于應力下線時機動目錄上頁下頁返回結束作業：骨的功能適應性理論反饋圖機動目錄上頁下頁返回結束 2、控制機理壓電效應：鈣的生化活性：是骨感受應力引起骨再造的機理。應力增大電場成骨細胞中的蛋白絡合體生長占優成骨細胞活躍應力增大羥磷灰石晶體的溶解度生長占優鈣的生化活性機動目錄上頁下頁返回結束第四節生長與斷裂當骨骼承受載荷超出骨的生理極限時會導致不同形式

36、的骨折（斷裂）機動目錄上頁下頁返回結束骨折愈合顯示出骨組織具有獨特的修復能力（生長）應力形式和骨的結構特點決定骨折的發生和愈后研究內容：一、斷裂：骨折的發生及其機制機動目錄上頁下頁返回結束骨折的定義成因分類骨折段的移位二、生長：生長理論略骨折的愈合與治療影響骨折愈合的因素*骨折的急救骨折的治療原則（復位固定用藥鍛煉）開放、閉合性骨折的處理*開放性關節損傷的處理骨折的發生1、骨折的定義骨的完整性和連續性中斷時稱骨折。2、骨折的成因直接、間接暴力骨折疲勞性骨折（應力骨折積累性勞損）骨質疏松性骨折病理性骨折一、斷裂：骨折的發生及愈合（一）概念：機動目錄上頁

37、下頁返回結束暴力骨折機動目錄上頁下頁返回結束骨一次性承受超過其極限強度的載荷作用。骨受到力偶的作用可產生拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉等變形形式，當骨骼的某個區域發生應力集中，局部應力或應變超過這個區域的極限強度或極限應變后骨組織材料遭到破壞，導致骨折。骨折發生在暴力直接作用的部位。特點：多為橫骨折或粉碎骨折，軟組織損傷重，開放性骨折多見，雙骨骨折時骨折線在同一平面。機動目錄上頁下頁返回結束直接暴力暴力直接作用使該處發生骨折。 *開放性骨折的分度開放性骨折的分度：第一度：皮膚被自內向外骨折端刺破第二度：皮膚被割裂或壓碎，皮下組織、肌肉有中度損傷第三度：廣泛的皮膚

38、、皮下組織與肌肉的嚴重損傷，常合并血管神經損傷機動目錄上頁下頁返回結束間接暴力暴力通過傳導杠桿或旋轉作用使遠處發生骨折。骨折發生在暴力作用的遠端部位。特點：多為斜骨折或螺旋骨折,軟組織損傷輕，閉合性骨折多見,雙骨骨折時骨折線不在同一平面。機動目錄上頁下頁返回結束疲勞性骨折長期、反復、輕微的（低載荷高載率下、遠小于屈服應力的外力作用下）直接或間接傷力集中在骨骼的某一點上發生骨折稱為積累性勞損或應力骨折。特點：骨折無移位愈合慢。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束疏松性骨折因骨質疏松而引起的骨折。特點：與年齡有關，老年骨折發病率高。

39、發病率隨骨密度的降低而增加機動目錄上頁下頁返回結束病理性骨折因骨髓炎、骨結核、骨腫瘤等骨骼本身病變引起的骨折。特點：不易愈合，給患者的生理和心理造成巨大傷害。機動目錄上頁下頁返回結束骨囊腫：多房型、骨折機動目錄上頁下頁返回結束骨囊腫伴病理骨折機動目錄上頁下頁返回結束 3、骨折的分類根據骨折處是否與外界相通可分為：閉合性骨折開放性骨折第一種分類方法機動目錄上頁下頁返回結束第二種分類方法根據骨折的程度及形態分類1、不完全骨折(1)裂縫骨折(2)青枝骨折2、完全骨折(1)橫骨折(2)斜骨折(3)螺旋骨折（粉碎骨折）(5)嵌插骨折(6)壓

40、縮骨折（墩兒）(7)碟骨折（蝶皺）(8)骨骺分離（單純剪切）機動目錄上頁下頁返回結束裂縫骨折機動目錄上頁下頁返回結束青枝骨折機動目錄上頁下頁返回結束橫骨折斜骨折螺旋骨折機動目錄上頁下頁返回結束粉碎骨折嵌插骨折壓縮骨折機動目錄上頁下頁返回結束骨骺損傷機動目錄上頁下頁返回結束脆性展性機動目錄上頁下頁返回結束橫斷型臨床上（根據骨折的形狀）的骨折類型：螺旋型斜面型垂直壓縮型剪切型碟型第三種分類方法根據骨折復位后的穩定性分類穩定骨折：裂縫骨折青枝骨折嵌插骨折橫骨折不穩定骨折：斜骨折螺旋骨折粉碎骨折機動目錄上頁

41、下頁返回結束臨床上，根據骨折時能量的釋放將骨折分為三種類型：第四種分類方法低能量：運動損傷，滑雪等高能量：車禍超高能量：高速的槍彈傷機動目錄上頁下頁返回結束 *4、骨折段的移位成角移位側方移位縮短移位分離移位旋轉移位移位的種類：機動目錄上頁下頁返回結束成角移位:兩骨折段的縱軸線交叉成角,以其頂角的方向為準有向前、后、內、外成角。機動目錄上頁下頁返回結束側方移位:以近側骨折段為準,遠側骨折段向前、后、內、外的側方移位。機動目錄上頁下頁返回結束縮短移位:兩骨折段相互重疊或嵌插,使其縮短。機動目錄上頁下頁返回結束分離移位:兩骨折段在

42、縱軸上相互分離,形成間隙。機動目錄上頁下頁返回結束旋轉移位:遠側骨折段圍繞骨之縱軸旋轉。機動目錄上頁下頁返回結束（二）各種骨折的發生機動目錄上頁下頁返回結束第一種暴力骨折1、軸向拉伸及壓縮時應力及骨折FF應力分析：mmFFf假設截面各處的應力相等(均勻分布）橫截面上：機動目錄上頁下頁返回結束斜截面上:FFFF（以拉伸為例）機動目錄上頁下頁返回結束據平衡條件：將該分離體上所有的力投影到n,t軸上機動目錄上頁下頁返回結束結論：正應力和切應力均隨斜角變化機動目錄上頁下頁返回結束骨折形成：當載荷增大到一定程度骨單位之

43、間的粘合線失去銜接而被拉開當載荷增大到一定程度骨小梁受力失穩變形（多指密質骨骨折形成原因）（多指松質骨骨折形成原因）機動目錄上頁下頁返回結束骨折類型：骨受拉伸載荷作用主要是橫斷型（從應力分析情況來看）斜面型若密質骨（骨干）（強度大剛度大延伸率小）骨折面橫、斜鋸齒形若松質骨（骨骺）（強度小剛度小延伸率大）骨折面橫、斜杯口形臨床上拉伸引起的骨折多見于松質骨（抗拉強度略大于抗切強度）機動目錄上頁下頁返回結束例如：腓骨短肌腱附著點附近的第五跖骨基底骨折跟腱附著點附近的跟骨骨折機動目錄上頁下頁返回結束骨受壓縮載荷作用主要是斜面型（從應力分析情況來

44、看）垂直壓縮型若密質骨（骨干）骨折面斜形若松質骨（骨骺）骨折面敦兒形臨床上壓縮引起的骨折常見于椎骨（強度大剛度大延伸率?。?（強度小剛度小延伸率大）（抗壓強度遠遠大于抗切強度）機動目錄上頁下頁返回結束例如：臨床上人腰椎椎體壓縮骨折2、剪切骨折機動目錄上頁下頁返回結束骨受到沿著與載荷平行的界面上產生切應力導致側移骨折（側移骨折：骨折塊之間接觸程度改變即對位不良）松質骨強度低易出現單純性剪切骨折臨床上常見：股骨髁骨折股骨頸骨折脛骨平臺骨折跟骨骨折機動目錄上頁下頁返回結束 *可通過增大剪切面控制切應力鋼板髓內釘機動目錄上頁下頁返回結束

45、3、扭轉時應力及骨折橫縱ntx橫縱機動目錄上頁下頁返回結束應力分析：橫、縱截面上：斜截面上:繞骨軸線轉動的力偶矩作用時：ntx橫縱機動目錄上頁下頁返回結束據平衡條件：將該分離體上所有的力投影到n,t軸上橫剪縱剪機動目錄上頁下頁返回結束結論：正應力和切應力均隨斜角變化螺旋型機動目錄上頁下頁返回結束骨折形成：無論橫切和順切骨的抗切強度最差機動目錄上頁下頁返回結束骨折類型：骨受扭轉載荷作用會出現螺旋型骨折（從應力分析情況來看）（粉碎型骨折）當載荷增大到一定程度首先沿骨軸線、垂直骨軸線方向形成剪切裂紋（抗切強度最小）隨后裂紋沿最大壓應力

46、方向作用的平面上擴展機動目錄上頁下頁返回結束由于骨的形狀不規則，受力不均勻骨的各向異性和非均勻性導致斷裂會出現多個螺旋形斷口粉碎型骨折機動目錄上頁下頁返回結束人脛骨在高速扭轉力作用下發生骨折機動目錄上頁下頁返回結束 4、彎曲骨折機動目錄上頁下頁返回結束應力分析：機動目錄上頁下頁返回結束骨折形成：骨折發生在撓矩最大的地方（凸側和凹側）成人骨抗拉強度低骨折先發生在受拉的凸側未成人骨抗壓強度低骨折先發生在受壓的凹側如加載速度緩慢可出現完全壓裂斷的斜骨折如加載速度較快可迅速出現全骨拉斷的橫骨折典型彎曲載荷所導致的骨折類型是碟型機

47、動目錄上頁下頁返回結束骨折類型：骨受彎曲載荷作用會出現蝶型骨折（從應力分析情況來看）當載荷增大到一定程度凸側多為橫斷型（以受拉為主）凹側多為斜面型（以受壓為主）整個骨折面為碟型機動目錄上頁下頁返回結束 *脛骨三點彎曲實驗機動目錄上頁下頁返回結束 5、夾板治療骨折時受力機動目錄上頁下頁返回結束骨折斷面與骨軸線的夾角a問題：壓墊效應力的作用1、減小斷面切應力2、增加斷面摩擦力第一.由于不同載荷下各點的應力狀態不同，骨折與危險點的應力狀態直接相關?？傊簷C動目錄上頁下頁返回結束第二.參考力學性質由于密質骨抗切、抗拉強度差，骨折最易于剪斷

48、或拉斷。由于松質骨強度遠低于密質骨，最易發生各類骨折。第三.將骨的應力狀態與骨的力學性質結合起來，骨折類型可得到滿意的解釋。第二種疏松性骨折表現：椎體壓縮骨折、橈骨遠端骨折、股骨近端骨折等機動目錄上頁下頁返回結束影響因素：骨密度隨年齡的增大而減小骨強度、骨剛度、骨極限應變隨骨密度的下降而降低骨的幾何特征和分布隨年齡的增大而改變（骨干內膜的骨吸收、髓腔的擴大）以上女性表現較男性突出機動目錄上頁下頁返回結束第三種疲勞性骨折機理：反復頻繁載荷作用超出新生骨生成的速度和能力破骨吸收為主骨骼質量降低出現微小空隙演變成小裂縫裂縫積累并連接機動目錄上頁

49、下頁返回結束表現：癥狀和體征是漸近的影響因素：月經飲食訓練條件骨骼形態機動目錄上頁下頁返回結束 * 在一般情況下，如果因疲勞而使骨產生細小裂紋時,由于活體骨骼具有自我修復能力,因而活骨的疲勞壽命要比尸骨長，從而保證人體可以長期運動和反復受力。但是這種自行修復的能力也是有一定限度的，過度的疲勞導致永久性的損傷。機動目錄上頁下頁返回結束 * 疲勞骨折往往發生在持續過度活動的部位，這種持續過度活動使肌肉疲勞，收縮乏力，導致它們積累能量的能力和抵消應力的能力大大減弱。隨之發生的骨應力分布變化使骨受到的應力異常增高，疲勞損傷逐漸積累，最終導致骨折。機動目錄上頁下頁返回

50、結束第四種病理性骨折機動目錄上頁下頁返回結束 *骨連接（預備知識）骨與骨之間的連接裝置稱骨連接，按連接形式及連接組織不同，分直接連接和間接連接兩種。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束直接連接骨與骨間借致密結締組織、軟骨或骨直接連接，其間無腔隙，稱直接連接。包括纖維連接、軟骨連接和骨性結合三種形式。其特點是活動幅度小或不能活動。如顱骨之間的骨縫、椎骨之間的椎間盤等。機動目錄上頁下頁返回結束間接連接骨與骨之間通過關節相連。它是全身骨的主要連接方式，其活動范圍大，可完成各種不同的運動。（一）骨折愈合過程骨組織重新獲得原有的剛度和強度

51、再現胚胎原始骨發育方式最終恢復原有骨結構和性能，承受正常生理載荷的生物組織修復過程。機動目錄上頁下頁返回結束骨折的愈合過程就是“瘀去、新生、骨合”的過程二、生長絕對穩定的固定方式（加壓固定）骨愈合分直接愈合、間接愈合1、直接愈合：（一期愈合）（直接皮質骨重建）消除骨折端的應變并產生無可見骨痂(外骨痂）生成的愈合過程機動目錄上頁下頁返回結束接觸愈合：骨折端緊密接觸并彼此產生壓力（1）修復機理：（接觸愈合、間隙愈合）間隙愈合：骨折線不平整使骨折端接觸時有未能完全對合的間隙形成新的哈佛系統修復（骨單位為厚壁的圓筒狀結構，與骨干的長軸呈平行排列，中央有一條細管稱哈佛管）沿骨

52、板層結構和方向的纖維軟骨支架修復注：無外骨痂、無皮質骨連接骨痂、無骨性肉芽組織機動目錄上頁下頁返回結束（2）影響因素（力學):關鍵：斷端加壓分靜態壓力（主要）和動態壓力有利于骨折表面的密切接觸使固定堅強；有利于遭受破壞的骨髓循環易于恢復；有利于斷端對合產生足夠的摩擦力以對抗各種移位；會產生一定的骨壞死。機動目錄上頁下頁返回結束 2、間接愈合：（二期愈合）（骨痂形成修復）通過骨痂的形成而連接骨折塊所達到的愈合過程相對穩定或彈性固定方式一般將骨折愈合分為 3個階段：血腫機化期原始骨痂形成期骨痂改造塑形期骨痂可以理解為骨頭受傷后的傷痂（皮膚愈合初的血痂），機動目錄上頁

53、下頁返回結束也有將骨折愈合分為6 個階段：撞擊期、誘導期、炎癥期、軟骨痂期、硬骨痂期和改建期。課本將骨折愈合分為 4個階段：炎癥期、軟骨痂期、硬骨痂期和骨痂塑形期；機動目錄上頁下頁返回結束血腫機化期（1）修復機理：（骨痂生長）骨折后，因骨折致髓腔、骨膜下及周圍組織血管破裂出血,在骨折部位形成了血腫。骨折端由于血循環中斷,逐漸發生約數毫米的骨質壞死。傷后 6 -8 小時時,骨折斷端的血腫開始凝結成血塊，與局部壞死組織引起無菌性炎性反應。隨后纖維蛋白滲出。機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束圖四肢長管骨骨干骨折縱剖面圖隨著纖維蛋白的滲出

54、，毛細血管的增生，血腫逐漸機化，形成肉芽組織，并進而演變成纖維結締組織，使骨折斷端初步連接在一起，這就叫纖維連接，這一過程約在骨折后 2 -3 周內完成。機動目錄上頁下頁返回結束同時，骨折端附近骨外膜的成骨細胞傷后不久即活躍增生，一周后即開始形成與骨干平行的骨樣組織，并逐漸向骨折處延伸增厚。骨內膜亦發生同樣改變，只是為時稍晚。圖骨折愈合過程的血腫肌化演進期骨折后血腫形成血腫逐漸機化，外膜處開始形成骨樣組織機動目錄上頁下頁返回結束原始骨痂形成期骨內膜和骨外膜的成骨細胞增生在骨折端內、外形成的骨樣組織逐漸骨化,形成新骨,稱為膜內化骨。機動目錄上頁下頁返回結束

55、隨新骨的不斷增多，緊貼骨皮質內外面逐漸向骨折端生長，彼此會合形成梭形，稱為內骨痂和外骨痂。骨折斷端及髓腔內的纖維組織亦逐漸轉化為軟骨組織，并隨軟骨細胞的增生、鈣化而骨化，稱為軟骨內化骨。而在骨折處形成環狀骨痂和髓腔內骨痂。圖骨折愈合過程中原始骨痂形成期膜內化骨及軟骨內化骨過程逐漸完成膜內化骨及軟骨內化骨過程基本完成機動目錄上頁下頁返回結束當骨痂會合后，這些原始骨痂不斷鈣化而逐漸加強，當其達到足以抵抗肌收縮及成角、剪力和旋轉力時，則骨折已達到臨床愈合，一般約需 4 8 周。骨折的痕跡從組織學和放射學上未消失。此時 x 線照片上可見骨折處四周有梭形骨痂陰影，且骨折線仍隱約可見。機動

56、目錄上頁下頁返回結束顯示骨小梁、骨板層未通過骨折線。骨痂改造塑形期原始骨痂中新生骨小梁、骨板層逐漸增加，且排列逐漸規則和致密，骨折斷端經死骨清除和新骨形成的爬行代替而復活，骨折部位形成骨性連接。這一過程一般約需 8 - 12 周。機動目錄上頁下頁返回結束隨著肢體活動和負重，應力軸線上的骨痂不斷得到加強，應力軸線以外的骨痂逐漸被清除，并且骨髓腔重新溝通，恢復骨的正常結構，最終骨折的痕跡從組織學和放射學上完全消失。顯示骨小梁、骨板層通過骨折線。此時 x 線照片上未見骨折線和梭形骨痂陰影，圖骨折愈合過程中骨痂改造塑形期外骨痂、內骨痂、環狀骨痂及腔內骨痂形成后的立體

57、剖面示意圖 (2)骨痂改造塑形已完成機動目錄上頁下頁返回結束（2）影響因素（力學):關鍵要使附加于骨折端的應力產生適當的應變應力過低（應變過小）對骨生長刺激不夠，會導致骨架中礦化較少。應力過高（應變過大）存在骨痂形成潛力，但不能使骨痂有效橋接骨折。機動目錄上頁下頁返回結束外力的強弱：主要取決于四方面骨折的間隙：橋接骨折區域組織的剛度：固定材料的剛度：考慮固定部位的應變程度，要調整固定方式和強度。實現骨折端的最佳移位，要調整骨折間隙。如果骨折端要獲得適宜的應變，骨折區組織可通過自我調節來實現。選擇適宜的剛度材料。（間接愈合低剛度較適宜）機動目錄上頁下頁返回結束

58、（二）骨折臨床愈合標準局部無壓痛和縱向叩擊痛局部無反常活動X線片骨折線模糊，有連續性骨痂通過骨折線上肢平舉一公斤重物超過一分鐘；下肢可步行超過三分鐘且不少于三十步連續觀察兩周骨折處不變機動目錄上頁下頁返回結束機動目錄上頁下頁返回結束 1、年齡兒童生長活躍，骨折愈合較成人快。（三）影響骨折愈合因素機動目錄上頁下頁返回結束 2、全身健康情況病人的一般情況不好，如患營養不良、糖尿病、鈣磷代謝紊亂、惡性腫瘤等疾病時，均可使骨折延遲愈合。機動目錄上頁下頁返回結束 3、局部因素引起骨折的原因電擊傷和火器引起骨折愈合較慢。骨折的類型嵌入骨折、斜形骨折、螺旋

59、形骨折因接觸面積大，愈合較橫形、粉碎形骨折快。閉合性較開放性快。機動目錄上頁下頁返回結束血循環不佳易發生延遲連接不連接或骨壞死骨折部的血運情況機動目錄上頁下頁返回結束例如：兩骨折段血液供應均良好多見于干骺端骨折。許多小血管從關節囊、韌帶和肌腱附著處進入骨內，血液供應豐富,骨折愈合快。如脛骨髁骨折、橈骨遠端骨折等。圖脛骨血液供應示意圖(1) 脛骨兩端有許多小孔。許多小血管即由關節囊、韌帶、肌腱等附著處穿過這些小孔進入骨內，故脛骨兩端有充足的血液供應。在脛骨干之中、下1/3內完全沒有血管孔，僅在上、中1/3交界處之后側面有一血管孔(2) 滋養動脈由此血管進入骨干內后，

60、即自上而下承擔整個中、下1/3骨干的大部分血液供應機動目錄上頁下頁返回結束例如：一骨折段血液供應較差如脛骨干中、下1/3骨折由于脛骨干主要靠從其中、上1/3交界處后側面進入髓腔內的滋養動脈自上而下來的血液供應。骨折后,滋養動脈斷裂,遠側骨折段僅靠骨膜下小血管維持,血液供應明顯減少，骨折愈合較慢。圖脛骨干中、下 1/3骨折后，骨折處的血液供應情況自上而下的滋養動脈斷裂后，遠側骨折段喪失了大部分血液供應，僅保有來自骨外膜下小血管網的血液供應機動目錄上頁下頁返回結束例如：兩骨折段血液供應均差如脛骨中、上段和中、下段兩處同時發生骨折上段骨折僅一骨折段血液供應較差,下段骨折

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