生物力学骨力学.ppt

1、骨力学,第四章,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Galileo 发现加载与骨形态的关系1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性1862德国学者 加压对骨生长的影响1867瑞士学者 骨的内部结构和外部形态与承载大小、 方向有关 Wollf 骨转化定律,一、骨力学研究方面的简史：,第一节 引言,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、骨力学的研究内容和涉及的几个问题,1.骨结构研究,3.骨的应力适应性,2.应力-应变研究,4.骨折治疗研究,(骨的生长与断裂）,（骨功能适应性理论）,（骨的力学性质）,机

2、动 目录 上页 下页 返回 结束,（引言）,本构曲线 影响因素,微观结构 宏观力学性质,生长理论 断裂类型,*5.脊柱生物力学,*6.关节生物力学,*7.骨骼肌力学,*8.颅脑损伤力学,机动 目录 上页 下页 返回 结束,三、骨力学的四个基本概念,1.骨强度：,2.骨刚度：,生物材料或非生物材料组成的构件抵抗破坏的能力,生物材料或非生物材料组成的构件抵抗变形的能力,断裂或过大的塑性变形,弹性变形的允许限度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3.骨韧性：,4.骨稳定性：,生物材料或非生物材料组成的构件 在外力作用下发生断裂前所能达到 的最大变形程度,生物材料或非生物材料组成的构件保持其原有平衡

3、形态的能力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,四、骨的基本知识（功能 形态 结构 组织成分）,骨是一个有生命的器官 骨中有血液循环,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨是一个能运动的器官 通过关节肌肉承受外力,骨是一个良好适应性材料,能再生和能自我修复,骨是一个粘弹性材料,即具有弹性又具有粘性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）骨功能：,一方面：组成骨骼系统,另一方面：调节血液的电解质浓度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,提供对动物体的支撑维持人体的正常形态使肌肉附着带动肢体运动作用保护内脏器官、颅腔,调节钙离子、氢离子、磷酸氢根离子的浓度保持体内矿物质的动态平衡即骨髓的造血、

4、钙磷的储存与代谢,（二）骨形态：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,按其形状可分为：,人体共有206块骨，依所在部位可分为:颅骨、躯干骨和四肢骨。,长骨，呈管状 如胫骨、股骨；短骨，类正方体 承压有能动 如腕骨、跗骨；扁骨，呈板状 如颅骨中的枕骨、顶骨；不规则骨，如椎骨。,这些形状不同的骨，是长期自然演变的结果，它符合最优化原则，即用最小的结构材料承受最大的外力，同时还具有良好的功能适应性。,1、骨的微观结构,哈佛管： 内含神经和血管。板层骨： 包绕在管的周围。,（三）骨结构：,在显微镜下，构成骨的基本结构单位称之为骨单位，即哈佛氏系统。,骨的构造,2、骨的宏观结构 骨分为密质骨和松质骨密质

5、骨一般位于骨的外层松质骨位于骨的内层，由骨小梁形成筛状结构，小梁之间的空隙充满了红骨髓。,密质骨的骨小体的板层结构,松质骨的骨小梁的桁架结构,密质骨,松质骨,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨质致密坚硬（疏松度为530%）,骨板排列规整结合紧密 仅留下一些部位作为血管和神经的通道,表面积相对小,松 软（疏松度为3090%）,排列呈蜂窝网状 网孔内充满骨髓血管神经,巨大,强度高变形能力差（变形超过2%会断裂）,强度低应变能力好（变形可达7%左右）,松质骨:松质骨具有多孔结构，因而有较高的能量 储存能力。松质骨内胶原纤维的排列看似是纷乱的， 但它并非无序，它是根据主要的受力状态 沿着主应力的方

6、向排列，形成最优的受力 结构，即用最少的材料承受最大的外部 载荷。,松质骨骨小梁,（四）骨的成分,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨是由骨组织、骨膜和骨髓等构成的骨组织是骨的结构主体由细胞和钙化的细胞外基质及纤维组成其特点是细胞外基质有大量的骨盐沉积还有部分有机质，使骨组织成为人体最坚硬的而又有一定韧性的结缔组织,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨细胞 ：骨原细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞（骨细胞最多，位于骨基质内，其余三种细胞均位于骨组织的边缘）骨基质： 大量钙化的细胞间质 。（基质含有大量的固体无机盐羟基磷灰石晶体71.8%，有机质粘多糖蛋白28.2%） 骨纤维： 骨胶原纤维（分

7、层 交叉）,1、骨基质 钙化的骨组织的细胞外基质。包括有机成份和无机成份,含水极少。,有机质：胶原纤维（主要由型胶原蛋白构成）无定形基质（蛋白多糖及其复合物）无机盐：羟磷灰石 （3Ca3（PO4）2Ca（OH）2 ）,羟磷灰石是针状结晶体，长约200A，横截面面积为2500A。晶体是沿着胶原纤维长度方向排列的。非常坚硬,沿轴向的弹性模量为165GPa,与钢的弹性模量200GPa相近。胶原纤维不严格遵守胡克定律，其纵向弹性模量为1.24GPa。胶原纤维具有韧性和柔软性，因此可以抵抗拉伸，并具有部分可延展性。,可见骨是由胶原纤维和羟磷灰石组成的复合材料，它具有优异的力学性能。因为： 柔韧的胶原可阻

8、止硬材料的脆性断裂，而坚硬的骨盐又可阻止软材料的屈服。,无机盐等矿物质产生位移少胶原纤维等有机成分组织中充满液体承担较大变形,钢筋混泥土结构,从力学角度讲，骨组织是一种双相的的复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和无定形基质，当坚固的脆性材料嵌入另一种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧。,2、 四种骨细胞骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞,四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。,（1）骨祖细胞：骨组织的干细胞，位于骨膜内，体积小，呈梭形，弱嗜碱性。可分化成为成骨细胞和成软骨细胞。分化方向取决于所处的部位和所受的刺激

9、性质。例如，当骨生长、改建或骨折修复时，骨祖细胞活跃，不断分裂、分化为成骨细胞。,成骨细胞：分布于骨组织表面，胞体有细小突起，矮柱状或椭圆形，胞质嗜碱性。电镜下可见大量的和高尔基复合体。成骨细胞合成和分泌骨基质的有机成分，形成类骨质。成骨时，成骨细胞还释放基质小泡。泡内有细小的钙化结晶，是钙化的起始部位。成骨细胞分泌类骨质后被包埋于其中，便成为骨细胞。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,其数量、形状、合成分泌功能受应力环境影响，如应力的性质、大小、频率等，它还受年龄、遗传、疾病、内分泌的影响。在良好的力学环境下。成骨细胞数量增加，胞体增大，合成分泌功能明显增强，因此可以加速骨折愈合，使骨密度

10、增加，刚度明显增加。在有害应力或低应力环境下，骨折愈合迟缓，甚至不愈合，骨质疏松，强度下降。,*成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞。力离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理活动。,位于骨板内或骨板间，胞体较小，有许多细长突起，胞体呈扁椭圆形。胞体所在的腔隙陷窝；突起所在的腔隙称骨小管。骨细胞的结构和功能与其成熟度有关。刚转变的骨细胞与成骨细胞相似，仍能产生类骨质。随着类骨质逐渐钙化为骨质，细胞逐渐变为成熟的骨细胞。体积

11、变小，减少，突起延长，相邻骨细胞的突起以相连，骨小管彼此相通。骨陷窝和骨小管内含有少量组织液。骨细胞具有一定的溶骨和成骨作用，参与调节钙、磷平衡。成骨细胞产生类骨质后，自身被包埋其中，分泌能力逐渐减弱，转变为骨细胞。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（3）骨细胞：,破骨细胞：数量少，主要分布于骨组织的边缘，是一种的大细胞，直径30100m，含有650个核。目前认为它由多个融合而成，无分裂能力。胞质为嗜酸性，细胞器丰富，尤以和线粒体居多。功能活跃的破骨细胞有明显的极性，光镜下可见破骨细胞贴近骨基质的一侧有皱褶缘。电镜下呈许多大小和长短不一的突起。胞质内含多种水解酶和有机酸，溶解骨盐，分解骨有

12、机成分。表明破骨细胞具有很强的溶骨和吸收能力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,吞噬和分解非受力骨组织和坏死骨组织。合成并分泌溶胶原酶，对失去应力的胶原进行溶解；合成分泌多种水解酶,对羟基磷灰石进行水解破坏；其形状、数量和合成功能受应力环境影响，在低应力区，破骨骨细胞数量增加，体积变大，骨组织以破坏、吸收为主，骨质疏松，强度、刚度降低。,总之：正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连续过程成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着动态平衡机械力学刺激是必不可少的条件之一,五、骨的粘弹性,实验：,（骨加盐酸）脱钙骨,（脱钙骨燃烧）骨炭,骨外形保留,坚固性脱去,富弹性柔韧性,骨外形保留,坚固性脱去,弹性柔韧

13、性脱去,机动 目录 上页 下页 返回 结束,得出模量随应变率的变化而变化的时变性,（骨是一个粘弹性材料）,得出弹性、粘性的双重性,六、骨的各向异性,物质成分,结构,机动 目录 上页 下页 返回 结束,复合材料的力学性质（模量 极限应力应变 粘弹性等）,七、骨的管形结构 （以长骨为例）,截面,外形,八、骨的均匀强度分布（密度分布于应力分布相适应）,强度大,重量轻,结构强度=比强度 结构模量=比模量,（介绍）骨伤生物力学在我国的发展,骨伤生物力学-根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。,机动 目录 上页

14、 下页 返回 结束,（介绍）骨伤生物力学研究内容,骨的力学性质 肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质 寻找环境效应对生物组织的影响 骨折的病因、病理、治疗 骨矫形、延长、移植的手术疗法 骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制 伤筋与骨错缝的研究 骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题 现行骨伤疗法的改进和完善,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第二节 骨的基本力学性质,机动 目录 上页 下页 返回 结束,一、骨的应力应变关系 （一）曲线：拉压力学性质(为例）,对比低碳钢、合金钢、铸铁,低碳钢,合金钢,骨,铸铁,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（各段都有）,（无cd段）,（无oa cd ef段）,（无

15、cd ef段）,1、拉伸,例如：其他材料的拉伸,低碳钢,合金钢,硬铝,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨、金属和玻璃的力学性质比较,三种材料的应力-应变曲线,由韧性材料组成的结构体的载荷-形变曲线,强度,刚度,能量积累,脆性,密质骨在拉伸实验中的应力-应变曲线,因此，工程学方法可以应用于分析骨的力学性能。目前，骨实验生物力学的测试技术为万能实验机测量法、电测法和光测法。,与其它生物材料相比，如肌肉、血管，骨的性能，如应力应变关系等，更接近工程材料。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、压缩,低碳钢属展性材料,屈服段前拉伸与压缩的本构曲线重合屈服段后得不到压缩强度,骨属脆性材料，压缩与拉

16、伸时有较大差别,抗压强度大极限应变大弹性模量小,机动 目录 上页 下页 返回 结束,剪切力学特性扭转力学特性弯曲力学特性,略,结论：,骨的抗压强度远大于抗拉强度,骨的抗拉强度略大于抗切强度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）力学指标：（总结）,刚度：,屈服应力：骨单元分离 细微骨折,极限强度：,极限应变：,能量损耗：,直线段斜率,曲线段割线模量、微分模量,平线段直接读,曲线段残余应变的20%法,直接读,直接读,滞后环面积,长度延伸率,截面收缩率,展性与脆性：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,残余应变：,直接读,二、各种影响骨力学性质的因素,机动 目录 上页 下页 返回 结束,说明：

17、不同骨骼的力学性质会有所不同 相同骨骼拉、压、剪切、扭转、弯曲的力学性质也会有所不同,骨的力学性质受到性别、年龄、取材部位和方向、骨的状态（干骨或湿骨）、加载速度等因素的影响，会在某一范围变化。,（一）骨的各向异性及解剖部位的差异,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料，表现出非均匀性和各向异性。在不同部位，即使在同一部位的不同方向，骨的力学性能都有很大的差别。,1、解剖部位：,长骨的管状部位及常受力部位,非均匀性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨强度最高弹性模量最大,例如 无机盐针状晶体抗压骨胶原纤维抗拉,2、各向异性：,沿骨轴线方向 ,各向异性,

18、机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨强度最高弹性模量最大极限应变最高,例如 纵向排列的纤维较多可提高骨的拉伸强度横向排列的纤维较多可提高骨的压缩强度,人股骨干密质骨四个方向加载实验,约为1,约为4/5,约为1/2,约为1/5,（二）骨的干湿度,干骨,湿骨,含水量不同,干骨比湿骨 ,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨强度高弹性模量大极限应变小能量储存少,孔隙度的多少,密质骨比松质骨 ,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨强度高弹性模量大极限应变小能量储存少,区分骨的腔隙与固体基质,区分固体基质中的无机和有机成分,矿化率的大小,随着孔隙度的增加，骨强度和骨刚度下降。,随着矿化率的增加，骨强

19、度和骨刚度上升。,表面密度不同,（三）骨的松密质,密质骨松质骨压缩实验中的应力-应变关系,（四）性别和年龄（职业、经历、遗传、营养）,（15到19岁女性除外）,随年龄的增加 ,1、年龄：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨强度下降（明显）弹性模量减小极限应变降低（横向比纵向下降明显）,年龄相关性骨退化性 随着年龄的增加，骨密度会发生进行性降低，纵向骨小梁变细，横向骨小梁被吸收。随之的结果就是松质骨的数量显著下降和皮质骨变薄。,年轻,年长,骨量、年龄和性别之间的关系,2、性别：,（15到19岁女性除外）,更年期后男性力学参数下降比女性明显,机动 目录 上页 下页 返回 结束,更年期前女性力学

20、参数下降比男性明显,无论男性女性 ,骨强度下降（明显）弹性模量减小极限应变降低（横向比纵向明显）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,生化成分和显微结构发生变化,矿化增加 胶原老化,继发骨单位的数量有关,哈弗系统的数量及平均直径的增加导致骨小体数目减少孔隙度增加骨小梁数目减少断裂增加,年龄相关的骨量丢失取决于很多因素，如年龄、性别、内分泌异常、活动减少、费用和钙不足等。,拉伸实验中年轻人和老年人胫骨的应力-应变曲线,两者的骨强度相近,但是老年人骨脆性更大，失去了形变能力。,(五）运动负荷的影响,1、加载速率-单位时间内载荷的增长量。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨反复受较大载荷作用次数

21、多可使骨强度骨刚度骨极限应变逐渐丧失引起疲劳骨折,显微损伤的积累结果纤维损伤增加快于修复过程,加载速率与塑性变形传播速率比较,骨的疲劳性能 人在不断的运动的过程中，骨会反复受力，当这种反复作用的力超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳损伤。,疲劳曲线显示载荷与载荷反复次数之间的相互作用,许多研究者试图用数学关系来表达疲劳寿命N与载荷(应力)、密度()、温度(T)等因素之间的关系。 logN = A+B， A、B为常数 LogN = A+B， A、B为常数 Log(2N) = Alog+ BT + C Log(2N) = ALog+ BT + C + D该式表明，

22、疲劳寿命随负荷增加而减小，随温度升高亦减小，而随密度的增加而增加。,骨的疲劳过程不仅仅受到载荷强度和反复次数的影响，还受到载荷频率的影响。 体内骨具有自我修复能力，只有在骨重建不足以弥补骨疲劳损伤才发生骨折。,在一般情况下，如果因疲劳而使骨产生细小裂纹时,由于活体骨骼具有自我修复能力,因而活骨的疲劳寿命要比尸骨长，从而保证人体可以长期运动和反复受力。但是这种自行修复的能力也是有一定限度的，过度的疲劳导致永久性的损伤。,疲劳骨折往往发生在持续过度活动的部位，这种持续过度活动使肌肉疲劳，收缩乏力，导致它们积累能量的能力和抵消应力的能力大大减弱。随之发生的骨应力分布变化使骨受到的应力异常增高，疲劳损

23、伤逐渐积累，最终导致骨折。,加载应变速率与塑性变形传播速率比较,静载荷,动载荷,随加载速率的增加骨强度增大；弹性模量增大；极限应变升高；能量储存多。,随加载速率的增加骨强度增大；弹性模量增大；极限应变降低；能量储存少。,手型记忆,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、应变速率-单位时间内应变的改变量。,未成年骨：通过塑形和改建共同完成,成年骨：主要是保持骨的力学性质,发育的不同阶段应变率大小与骨量增加关系不一致,3s-1,在体内，应变每天都发生着相当大的变化。,五种应变率下皮质骨的应变率依赖性,骨的应变率依赖性 骨是一种粘弹性材料，它的力学性能随受到的加载速率的变化而发生改变。加载于骨的载荷

24、速率越高，骨在骨折前表现的刚度就越高，能承受的载荷也就越高。,在临床上，了解加载速度是非常重要的。因为它能影响骨折方式和软组织损伤数量。,当骨折发生时，它积累的能量就会释放。 加载速度低，能量通过单一形式的骨折线，骨和软组织相对保持完整，此时骨折端没有或发生很小的位移。 加载速度较高时，更多的积累能量不能够通过单一骨折线很快释放，会发生粉碎性骨折和广泛性软组织损伤。,（六）应力集中,圆孔 沟横 切口 细纹等,应力集中系数：,应力不再均匀分布，有破损的局部应力最大。,应力集中使骨强度降低。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*骨的断裂韧性 是指某种材料阻止裂纹扩展的能力，一般用它描述材料抵抗脆

25、性破坏的能力。 骨经常会因受到某种损伤或内在的缺陷而存在小的裂纹，此时必须要考虑这种裂纹对骨材料强度的影响以及骨材料所具有的抗裂能力，因而引进骨的断裂韧性这力学参数。,由于骨内骨质分布的非均匀性以及骨内存在着孔洞、缺陷和裂纹等，使得对骨断裂韧性的研究更为困难和复杂，同时也降低了骨的断裂韧性。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,7.骨的受冲击性能 (1) 骨在冲击载荷作用下产生损伤的程度和损伤的形式，一方面取决于冲击载荷具有的能量大小，另一方面还要取决于冲击载荷的作用时间。,冲击能量越大，冲击时间越短，造成骨的损伤程度越大。,例：当颗高速飞行的子弹打人头颅中去时，尽管子弹具有很大的动能，但在穿

26、入骨中去的过程中能量大量被吸收，其结果只将骨打穿一个洞而不产生骨折。 但是用一钝器猛击头部却使颅骨破碎，这是因为在颅骨表面冲击时间很短，冲击能量来不及被吸收所致。,(2)骨承受冲击能力的大小与骨的结构关系密切 进行冲击实验比较，发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高40% 左右。原因：一方面在于颅骨为扁骨，内外表面是密质骨骨板，中间一层海绵骨，具有吸收冲击能的作用。 另一方面颅骨呈薄壳状结构，具有良好的承受外部载荷的能力。,对于活体中的骨，耐冲击能力还应考虑到骨周围的肌肉、皮肤、内脏器官组织等的影响，在进行实验时应尽可能模拟真实情况以便获得较为客观的数据。,作业：设计实验,1.说明骨的力学性质是各向异

27、性的,2. 药物对骨质疏松症的治疗作用,3. 推荐两套康复计划，试评价其效果,取材：,分组：,方法：测量哪些物理量、怎么测量,实验结果的表达：,实验目的：,骨的力学性质及各种因素的影响,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨与其他工程材料相比：,骨是一个有生命的器官,骨是一个粘弹性材料,骨是一个运动的器官,骨是一个良好适应性材料,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第三节 骨功能适应性理论,骨与其它工程材料相比其最大的特点是:具有丰富的血供和良好的自我修复重建的能力。（功能适应性）,骨的改变（生长、增值、吸收、萎缩）受(遗传、激素活性、载荷）三种因素的控制,这主要体现于它的结构、成分和性能随着

28、力学环境的改变而改变。 （几何特征 力学特征 组成成分）（粘弹性 各向异性 管形结构 均匀强度分布）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,如宇航失重和长期卧床、肢体制动的人员均可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、骨形成速度的降低。,例如：应力对骨的生长、吸收起着调节作用，每一块骨都对应一个最适宜的应力范围，应力过高、过低都会造成骨密度的改变导致萎缩。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,一、Wolff定律,德国医学博士 Wolff 1892年 提出关于骨变化定律：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,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。,机动 目录 上页 下页

29、 返回 结束,Roux 骨生长的最小-最大原理 松质骨的桁架结构 （Kummer根据上原理算出了股骨头三维桁架结构）（Hayes据髌骨应力分析和实验表明骨小梁结构确是按最小正应力法线方向排列的）,理论基础：最小的结构材料，承受最大的外力。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Evans 压力能刺激新生骨的生长理论 骨折愈合的重要因素 （Pauwels 对上原理做了理论证明）,理论基础：骨是压电晶体,最完美的几何结构（外部和内部）,最合理的组成成分（有机物和无机物）,最具说服力的力学指标（强度、刚度和密度）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,目标：优化设计原则,说明：,骨功能适应性理论是对多种

30、功能而言的，符合综合优化设计原则。,机体可能通过四种方式对载荷做出动态响应,（骨细胞 骨胶原 骨矿物质 骨细胞外液）,图,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Wolff定律的反馈机制：,Wolff定律可能的作用方式,二、骨的功能适应性,1、遗传,2、激素活性,生长素加快细胞分裂，加速次级过程。,肾上腺皮质激素,内分泌素,雌性激素,维生素A C D,降钙素,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨功能适应性：骨有使其形态结构、组成成分及力学性质适应于其载荷环境变化的本领。,3、载荷,骨的重建：定义活体骨不断地进行着生长、加强、再吸收的过程。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,条件施加应力与骨组织

31、所习惯的应力不同时骨将重建。,分成内部重建 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积。,内部重建：指的是通过改变骨组织的体积密度时骨组织内部的再吸收或加强。,几何特征上的适应,外部：,凸起 表面积增大 体积增大,凹进 表面积减小 体积减小,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（以股骨为例）,股骨要承受向内侧弯曲与压缩负荷的作用,最大压应力出现在截面内侧,最大拉应力出现在截面外侧,截面前后为中性层通过低应力区,杆类弯曲梁,截面类工字型,骨干壳形结构,图,内部：,排列有序度增加 数目增多 厚度增加,排列有序度减弱 数目减少 厚度减小,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨小梁的

32、桁架结构，排列的有序、数目适中,骨小体的板层结构，排列的有序、数目适中,图,力学指标上的适应,强度：,密度：,强度、密度与应力的分布有很好的一致性。,强度与密度的分布有不完全一致性。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,图,强度增加 密度增大,强度减弱 密度减小,组成成分上的适应,无机物：,有机质：,孔隙度减少 X光片透过率减弱,孔隙度增多 X光片透过率增强,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如 干骨横断面上每平方毫米骨单元平均数16.39（外）14.7（内）12.6（前）12.1（后）,图,废用和活动减少状态对骨骼是有害的。,正常组和制动组猕猴腰椎载荷变形曲线图,不动猴的骨组织有可观的吸

33、收现象。,例子：松质骨的内部重建,1、反馈平衡理论,生长、增殖与吸收、萎缩之间互相平衡,三、骨的功能适应性理论,应力是最优值时：生长与吸收平衡,应力上线和应力下线：,当应力大于最优值时,当应力小于最优值时,当应力大于应力上线时,当应力小于应力下线时,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨的功能适应性理论反馈图,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、控制机理,压电效应：,钙的生化活性：,是骨感受应力引起骨再造的机理。,应力增大电场成骨细胞中的蛋白络合 生长占优成骨细胞活跃,应力增大羟磷灰石晶体的溶解度 生长占优钙的生化活性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第四节 生长与断裂,一、断裂：骨折

34、的发生,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折的定义 成因 分类 骨折段的移位,二、生长：骨折的治疗,影响骨折愈合的因素,骨折的急救骨折的治疗原则 （复位固定用药锻炼）开放性骨折的处理开放性关节损伤的处理,骨折的发生,1、骨折的定义,骨的完整性 和连续性 中断时称骨折。,2、骨折的成因,直接暴力间接暴力积累性劳损病理性骨折,一、断裂：骨折的发生及愈合,（一）概念：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,直接暴力,骨折发生在暴力直接作用的部位。特点：多为横骨折或粉碎骨折，软组织损伤重，开放性骨折多见，双骨骨折时骨折线在同一平面 。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,开放性骨折的分度,开放性骨折

35、的分度：第一度：皮肤被自内向外骨折端刺破第二度：皮肤被割裂或压碎，皮下组织、 肌肉有中度损伤第三度：广泛的皮肤、皮下组织与肌肉的 严重损伤，常合并血管神经损伤,间接暴力,暴力通过传导 ，杠杆或旋转作用使远处发生骨折。特点：多为斜骨折或螺旋骨折,软组织损伤轻，闭合性骨折多见,双骨骨折时骨折线不在同一平面。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,积累性劳损,长期、反复、轻微的直接或间接伤力集中在骨骼的某一点上发生骨折，称为疲劳性骨折。特点：骨折无移位 愈合慢。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,病理性骨折,因骨髓炎、骨结核、骨肿瘤等骨骼本身病变引起的骨折。 特点

36、：不易愈合，给患者的生理和心理造成巨大伤害。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨囊肿：多房型、骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨囊肿伴病理骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、骨折的分类,根据骨折处是否与外界相通可分为：,闭合性骨折开放性骨折,第一种分类方法,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第二种分类方法,根据骨折的程度及形态分类,1、不完全骨折(1)裂缝骨折(2)青枝骨折,2、完全骨折(1)横骨折(2)斜骨折(3)螺旋骨折（粉碎骨折）(5)嵌插骨折(6)压缩骨折（墩儿）(7)碟骨折（蝶皱）(8)骨骺分离（单纯剪切）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,裂缝骨折,机动

37、 目录 上页 下页 返回 结束,青枝骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,横骨折 斜骨折 螺旋骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,粉碎骨折 嵌插骨折 压缩骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨骺损伤,机动 目录 上页 下页 返回 结束,脆性,展性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,横断型,临床上（根据骨折的形状）的骨折类型：,螺旋型,斜面型,垂直压缩型,剪切型,碟型,第三种分类方法,根据骨折复位后的稳定性分类,稳定骨折：裂缝骨折青枝骨折嵌插骨折横骨折,不稳定骨折：斜骨折螺旋骨折粉碎骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,临床上，根据骨折时能量的释放将骨折分为三种类型：,第四

38、种分类方法,低能量：运动损伤，滑雪等高能量：车祸超高能量：高速的枪弹伤,机动 目录 上页 下页 返回 结束,*4、骨折段的移位,发生原因：暴力，重力，肌牵拉力，搬运不当。,成角移位侧方移位缩短移位分离移位旋转移位,移位的种类：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,成角移位:两骨折段的纵轴线交叉成角,以其顶角的方向为准有向前、后、内、外成角。侧方移位:以近侧骨折段为准,远侧骨折段向前、后、内、外的侧方移位。缩短移位:两骨折段相互重叠或嵌插,使其缩短。分离移位:两骨折段在纵轴上相互分离,形成间隙。旋转移位:远侧骨折段围绕骨之纵轴旋转。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）骨折的发生,应力形式

39、和骨的结构特点 决定骨折的发生和愈合,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨受到力偶的作用可产生：拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转等变形形式导致骨折,1、轴向拉伸及压缩时应力及骨折,应力分析：,f,平面假设：,截面各处的应力相等(均匀分布）,横截面上：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,斜截面上:,（以拉伸为例）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,据平衡条件：,将该分离体上所有的力投影到n,t轴上,机动 目录 上页 下页 返回 结束,结论：,正应力和切应力均随斜角变化,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折形成：,当载荷增大到一定程度骨单位之间的粘合线失去衔接而被拉开,当载荷增大到一定程度骨

40、小梁受力失稳变形,（多指密质骨骨折形成原因）,（多指松质骨骨折形成原因）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折类型：,骨受拉伸载荷作用主要是横断型（从应力分析情况来看） 也有斜面型,若密质骨（骨干） （强度大 刚度大 延伸率小） 骨折面橫形 斜形 锯齿形,若松质骨（骨骺） （强度小 刚度小 延伸率大） 骨折面杯口形,临床上拉伸引起的骨折多见于松质骨,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如：,腓骨短肌腱附着点附近的第五跖骨基底骨折跟腱附着点附近的跟骨骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨受压缩载荷作用主要是斜面型（从应力分析情况来看） 垂直压缩型,若密质骨（骨干） （抗压强度远远大于

41、抗切强度） 骨折面斜形,若松质骨（骨骺） 骨折面敦儿形,临床上压缩引起的骨折常见于椎骨,（强度大 刚度大 延伸率小）,（强度小 刚度小 延伸率大）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如：,人腰椎椎体压缩骨折,2、剪切骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨受到沿着与载荷平行的界面上产生切应力导致侧移骨折（侧移骨折：骨折块之间接触程度改变即对位不良）,松质骨强度低易出现单纯性剪切骨折,临床上常见：股骨髁骨折股骨颈骨折胫骨平台骨折跟骨骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、扭转时应力及骨折,横,纵,机动 目录 上页 下页 返回 结束,应力分析：,横、纵截面上：,斜截面上:,绕骨轴线转

42、动的力偶矩作用时：,横,纵,机动 目录 上页 下页 返回 结束,据平衡条件：,将该分离体上所有的力投影到n,t轴上,横剪,纵剪,机动 目录 上页 下页 返回 结束,结论：,正应力和切应力均随斜角变化,螺旋型,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折形成：,顺骨纤维的方向骨的抗切强度最差 骨的抗拉强度也较差,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折类型：,骨受扭转载荷作用会出现螺旋型骨折（从应力分析情况来看） （粉碎型骨折）,当载荷增大到一定程度首先沿骨轴线、垂直骨轴线方向形成剪切裂纹（抗切强度最小 抗拉强度次小）,随后裂纹沿最大拉、压应力方向作用的平面上扩展,机动 目录 上页 下页 返回 结束

43、,由于 骨的形状不规则 受力不均匀导致 断裂会出现几个螺旋形断口,粉碎型骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,人胫骨在高速扭转力作用下发生骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,4、弯曲骨折,机动 目录 上页 下页 返回 结束,应力分析：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折形成：,骨折发生在挠矩最大的地方 （凸侧和凹侧）,成人骨抗拉强度低 骨折先发生在受拉的凸侧未成人骨抗压强度低 骨折先发生在受压的凹侧,如加载速度缓慢 可出现完全压裂拉断的骨折如加载速度较快 可迅速出现全骨拉断,机动 目录 上页 下页 返回 结束,骨折类型：,骨受弯曲载荷作用会出现蝶型骨折（从应力分析情况来看）,当载荷增大到一定程度凸侧多为橫断型（以受拉为主）,凹侧多为斜面型 （以受压为主）,整个骨折面为碟型,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,胫骨三点弯曲实验,机动 目录 上页 下页 返回 结束,5、夹板治疗骨折时受力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第一.由于不同载荷下各点的应力状态不同， 骨折与危险点的应力状态直接相关。,总之：,