骨科及康复生物力学课件

1、1骨小樑結構1骨小樑結構2Wolffs lawForm follows functionBone has the ability to adapt, by changing its size, shape, and structure to the mechanical demands placed on itBone is laid down where needed and resorbed where not neededThe remodelling may be either external (a change in the external shape of the bone)

2、or (a change in the porosity, mineral content, and density of bone) 2Wolffs lawForm follows func3Structural Adaptation3Structural Adaptation4生物力學巨觀 微觀形態 (Morphology)功能 (Function)巨觀力學 微觀力學4生物力學巨觀 微觀5有限元素法 = C F = K xK：stiffness matrixViscoelastic model = ddt ：viscosity coefficient5有限元素法 = C 6緻密骨 (Cor

3、tical Bone)組成：osteon, collagen, calcified tissue成骨細胞 (osteoblaset)蝕骨細胞 (osteoclast)骨母細胞 (osteocyte)細胞力學 (Cell Mechanics)6緻密骨 (Cortical Bone)7海綿骨 (Cancellous Bone)材料 (material) 及結構觀點 (structure)材料性質：E結構性質：KTrussBarBeam7海綿骨 (Cancellous Bone)材料 (mate8材料性質各向同性 (Isotropic) Only one E (K) = E = G Shear mo

4、dulus G = E / 2 (1+)AnisotropicStiffness matrixSize effect of Mechanical properties8材料性質各向同性 (Isotropic) Only o9力學力 (Force)變形 (Deformation)Principal strainStrain energy應力 (Stress)Principal stress9力學力 (Force)10骨折癒合 (Fracture Healing)10骨折癒合 (Fracture Healing)11骨折癒合 (Fracture Healing)11骨折癒合 (Fracture H

5、ealing)12Biology of Fracture HealingThe fracture ( 7 days after injury) The granulation tissue stage ( two weeks) The callus (4 16 weeks) The remodeling process (1 4 years) The modeling stage (one or more years) The regional acceleratory phenomenon (RAP)12Biology of Fracture HealingT13Bone Remodelin

6、gThe A R F sequenceA: ActivationR: ResorptionF: Formation 13Bone RemodelingThe A R F14Bone ModelingA-F or A-R14Bone ModelingA-F or A-R15Mechanical AdaptationRemodeling : A-R-FModeling: A-F or A-R15Mechanical AdaptationRemodel16骨折癒合 (Fracture Healing)16骨折癒合 (Fracture Healing)2、 關節鏡的檢查與治療是我科開展的傳統診療項目之

7、一，已有二十多年的臨床經驗，僅需3毫米的切口即行風濕、類風濕、骨性膝關節炎的關節清理術，達到改善關節功能、減輕症狀的目的。蝕骨細胞 (osteoclast)骨誘導 (Osteoinduction) ：viscosity coefficient The type of tissue at the fracture gap corresponds with the degree of strainPrincipal strainConcept of Interfragmentary Strain ()Perren & Cordey患者術後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關節僵硬、深靜脈血栓形成等併發

8、症，並促進骨折的癒合，治療效果良好功能 (Function)力學軸線的排列（矯正程度）等方面，均有令人滿意的成果Minimum Invasive SurgeryZimmer 公司獲得微創人工髖關節手術方法專利 Fracture healing is accompanied by a successive decreases of interfragment motionBone Substitute海綿骨 (Cancellous Bone)目前只有硫酸鈣產品符合此人骨生長原理，於6-12週100%被人體吸收，不影響骨骼重塑，其餘產品如磷酸鈣、三磷酸鈣、HA，最少也需要一年吸收時間，遠遠超過骨骼

9、重塑的時間，有的甚至長時間也不易吸收，長留人體之內。緻密骨 (Cortical Bone)Modeling: A-F or A-R海綿骨 (Cancellous Bone)骨母細胞 (osteocyte)17Concept of Interfragmentary Strain ()Perren & Cordey The type of tissue at the fracture gap corresponds with the degree of strain Fracture healing is accompanied by a successive decreases of inter

10、fragment motion More suitable for gap or contact healing mechanism2、 關節鏡的檢查與治療是我科開展的傳統診療項目之一，已有18骨折癒合 (Fracture Healing): Interfragmentary strain18骨折癒合 (Fracture Healing): In19骨折癒合 (Fracture Healing)19骨折癒合 (Fracture Healing)20骨折癒合The hydrostatic pressure is represented as:The octahedral shear stress

11、 is given as:20骨折癒合The hydrostatic pressure21骨折癒合21骨折癒合22Osteogenic Index where I is the scalar value of the index, i is a given load case, c is the total number of different load cases, ni is the number of loading cycles for a given load case, Si is the cyclic octahedral shear stress (always positi

12、ve), Di is the cyclic hydrostatic stress (negative if compression, positive if tension), and k is an empirical factor weighing the relative contributions of hydrostatic and shear stress to tissue differentiation. The higher the value of I the more likely that the tissue will ossify. 22Osteogenic Ind

13、ex23骨折癒合23骨折癒合24臨床應用24臨床應用25臨床應用25臨床應用26脊椎26脊椎Osteogenic IndexThe granulation tissue stage ( two weeks)形態 (Morphology)骨引導 (Osteoinduction)The granulation tissue stage ( two weeks)Bone ModelingConcept of Interfragmentary Strain ()Perren & Cordey1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復位髓內釘內固定術 手術創傷小，手術切口僅3-5釐米。應力 (Stress)P

14、rincipal strain功能 (Function)海綿骨 (Cancellous Bone)目前只有硫酸鈣產品符合此人骨生長原理，於6-12週100%被人體吸收，不影響骨骼重塑，其餘產品如磷酸鈣、三磷酸鈣、HA，最少也需要一年吸收時間，遠遠超過骨骼重塑的時間，有的甚至長時間也不易吸收，長留人體之內。The granulation tissue stage ( two weeks)各向同性 (Isotropic) Only one E (K)Viscoelastic model = ddt形態 (Morphology)力學軸線的排列（矯正程度）等方面，均有令人滿意的成果Principal

15、stress人體骨骼於最後階段骨骼重塑期時，會依其實際受力情況，長回原來之形狀，故在骨骼重塑期，人工骨就應完全被吸收光，如此才能長回最自然健康之骨骼，否則將會有影響骨骼強度之虞，造成日後再次骨折之可能。27脊椎Osteogenic Index27脊椎28Facet Joint28Facet Joint29骨科微創Minimum Invasive Surgery 29骨科微創Minimum Invasive Surgery30骨科微創1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復位髓內釘內固定術 手術創傷小，手術切口僅3-5釐米。患者術後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關節僵硬、深靜脈血栓形成等併發症，並促

16、進骨折的癒合，治療效果良好2、 關節鏡的檢查與治療是我科開展的傳統診療項目之一，已有二十多年的臨床經驗，僅需3毫米的切口即行風濕、類風濕、骨性膝關節炎的關節清理術，達到改善關節功能、減輕症狀的目的。3、 在關節鏡下行半月板切除或半月板成形術，用以治療半月板損傷或盤狀半月板4、 在關節鏡下行關節游離摘除，對交叉韌帶損傷患者行交叉韌帶重建術。5、 後路腰椎間盤鏡技術在1.5公分的切口內安全地將突出的腰椎間盤摘除、神經根松解、椎管減壓術，是目前治療腰椎間盤突出及腰椎管狹窄的首選治療方法。 30骨科微創1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復位髓內釘內固31骨科微創31骨科微創32電腦導航人工關節微創手術

17、微創手術既然切口較小，相對地術中視野也減小，對病灶的辨識不如傳統方式好，而且，關節組件置放的準確性會影響到組件的存活壽命，這方面，微創手術有待改進。 在切口長度、手術時間、術後止痛藥的使用、植入關節組件的位置（準備性）及力學軸線的排列（矯正程度）等方面，均有令人滿意的成果 衛星導航系統用於人工膝關節手術的輔助作用，手術部位標地物發射訊號，電腦接收後在螢幕上顯現出來，提供醫師正確擺放關節組件位置角度的參考。 32電腦導航人工關節微創手術微創手術既然切口較小，相對地術33骨引導 (Osteoinduction)常見材質有硫酸鈣、磷酸鈣、三磷酸鈣、HA等純化學物質Jax, OsteoSet及MIIG

18、系列產品均屬此類產品，其主要成分為硫酸鈣。33骨引導 (Osteoinduction)常見材質有硫酸鈣34骨誘導 (Osteoinduction)此類產品有：i. 細菌培養或複製方式，製造出單一之生長因子，但價格極貴，使用並不普遍ii. 由人骨經特殊處理，保留蛋白質及生長因子，去除會引起發炎之礦物質，此為目前美國使用最普遍之產品，Allomatrix屬於此類產品具有骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導功能之人工替代骨為佳34骨誘導 (Osteoinduction)此類產品有：35Bone Subs

19、titute人工骨被吸收之程度及速度，影響骨骼品質甚鉅。人體骨骼於最後階段骨骼重塑期時，會依其實際受力情況，長回原來之形狀，故在骨骼重塑期，人工骨就應完全被吸收光，如此才能長回最自然健康之骨骼，否則將會有影響骨骼強度之虞，造成日後再次骨折之可能。 目前只有硫酸鈣產品符合此人骨生長原理，於6-12週100%被人體吸收，不影響骨骼重塑，其餘產品如磷酸鈣、三磷酸鈣、HA，最少也需要一年吸收時間，遠遠超過骨骼重塑的時間，有的甚至長時間也不易吸收，長留人體之內。 35Bone Substitute人工骨被吸收之程度及速度，36Zimmer 公司獲得微創人工髖關節手術方法專利 美國專利商標局已針對 Zim

20、mer 公司之微創手術與雙切口髖關節置換手術核發專利，為第 6,676,706 號美國專利，名稱：進行微創全人工髖關節手術之方法與設備，包含 17 項與 Zimmer 公司微創雙切口手術相關並經核可之聲明。 36Zimmer 公司獲得微創人工髖關節手術方法專利 美國專骨折癒合 (Fracture Healing)骨引導 (Osteoinduction)Anisotropic人體骨骼於最後階段骨骼重塑期時，會依其實際受力情況，長回原來之形狀，故在骨骼重塑期，人工骨就應完全被吸收光，如此才能長回最自然健康之骨骼，否則將會有影響骨骼強度之虞，造成日後再次骨折之可能。細胞力學 (Cell Mechan

21、ics)骨誘導 (Osteoinduction)Wolffs law美國專利商標局已針對 Zimmer 公司之微創手術與雙切口髖關節置換手術核發專利，為第 6,676,706 號美國專利，名稱：進行微創全人工髖關節手術之方法與設備，包含 17 項與 Zimmer 公司微創雙切口手術相關並經核可之聲明。 The type of tissue at the fracture gap corresponds with the degree of strain骨折癒合 (Fracture Healing)接收後在螢幕上顯現出來，提供醫師正確擺放關節組件位置角度的參考。 ：viscosity coeff

22、icient功能 (Function)海綿骨 (Cancellous Bone)骨折癒合 (Fracture Healing)具有骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導功能之人工替代骨為佳Principal stress1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復位髓內釘內固定術 手術創傷小，手術切口僅3-5釐米。骨引導 (Osteoinduction)Form follows function37手術專利郭榮富 博士骨折癒合 (Fracture Healing)37手術專利郭38生物力學巨觀 微觀形態 (

23、Morphology)功能 (Function)巨觀力學 微觀力學38生物力學巨觀 微觀39Mechanical AdaptationRemodeling : A-R-FModeling: A-F or A-R39Mechanical AdaptationRemodel40骨折癒合 (Fracture Healing)40骨折癒合 (Fracture Healing)41骨折癒合 (Fracture Healing)41骨折癒合 (Fracture Healing)42骨誘導 (Osteoinduction)此類產品有：i. 細菌培養或複製方式，製造出單一之生長因子，但價格極貴，使用並不普遍i

24、i. 由人骨經特殊處理，保留蛋白質及生長因子，去除會引起發炎之礦物質，此為目前美國使用最普遍之產品，Allomatrix屬於此類產品具有骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導功能之人工替代骨為佳42骨誘導 (Osteoinduction)此類產品有：骨折癒合 (Fracture Healing)Shear modulus G = E / 2 (1+)F: FormationThe A R F sequence應力 (Stress)Concept of Interfragmentary Strain

25、()Perren & CordeyWolffs lawand structure to the mechanical demands placed on it ：viscosity coefficient = E = G The granulation tissue stage ( two weeks)海綿骨 (Cancellous Bone)Anisotropic患者術後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關節僵硬、深靜脈血栓形成等併發症，並促進骨折的癒合，治療效果良好: Interfragmentary strainThe remodeling process (1 4 years)衛星導航系統

26、用於人工膝關節手術的輔助作用，手術部位標地物發射訊號，電腦骨折癒合 (Fracture Healing)具有骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導功能之人工替代骨為佳骨折癒合 (Fracture Healing)細胞力學 (Cell Mechanics)骨誘導 (Osteoinduction)接收後在螢幕上顯現出來，提供醫師正確擺放關節組件位置角度的參考。The modeling stage (one or more years)具有骨誘導功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導功能之人工替

27、代骨其骨骼生長是採由外而內漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導功能之人工替代骨為佳1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復位髓內釘內固定術 手術創傷小，手術切口僅3-5釐米。Wolffs law應力 (Stress)人體骨骼於最後階段骨骼重塑期時，會依其實際受力情況，長回原來之形狀，故在骨骼重塑期，人工骨就應完全被吸收光，如此才能長回最自然健康之骨骼，否則將會有影響骨骼強度之虞，造成日後再次骨折之可能。骨母細胞 (osteocyte)K：stiffness matrix骨誘導 (Osteoinduction)Osteogenic Index各向同性 (Isotropic) Only one

28、E (K)巨觀力學 微觀力學Modeling: A-F or A-R骨母細胞 (osteocyte)細菌培養或複製方式，製造出單一之生長因子，但價格極貴，使用並不普遍ii.形態 (Morphology)患者術後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關節僵硬、深靜脈血栓形成等併發症，並促進骨折的癒合，治療效果良好骨誘導 (Osteoinduction)人體骨骼於最後階段骨骼重塑期時，會依其實際受力情況，長回原來之形狀，故在骨骼重塑期，人工骨就應完全被吸收光，如此才能長回最自然健康之骨骼，否則將會有影響骨骼強度之虞，造成日後再次骨折之可能。The remodelling may be either external (a change in the external shape of the bone) or (a change in the porosity, mineral content, and density of bone)海綿骨 (Cancellous