骨科生物力学专家讲座

第一章骨科生物力学

一、概述

１.介绍

骨是一个器官，主要由骨组织（骨细胞、胶原纤维和基质）组成，含有一定形态和结构，外被骨膜，内容骨髓，含有丰富血管、淋巴管及神经，不停进行新陈代谢和生长发育，并有修复、再生能力。经常锻炼可促使骨良好发育，基质中有大量钙盐和磷酸盐沉积，是钙、磷储存库，参加体内钙、磷代谢，骨髓还有造血功效。

成人有206块骨，可分为颅骨、躯干骨和四肢骨三部分。前二者统称中轴骨

1骨科生物力学第1页２.骨骼作用：支撑身体自重

与关节配合实现运动功效

３.形态：

长骨(longbone)呈长管状，分布于四肢，分一体两端。体又称骨干，内有空腔称髓，容纳骨髓。体表面有l～2个血管出入孔，称滋养孔。两端膨大称骺，有一光滑关节面，与相邻关节面组成关节。骨干与骺相邻部分称于骺端，幼年时保留一片软骨，称骺软骨，骺软骨细胞不停分裂繁殖和骨化，使骨不停加长。成年后，骺软骨骨化，骨干与骺融为一体，其间遗留一骺线。2骨科生物力学第2页长骨短骨扁骨不规则骨3骨科生物力学第3页

短骨(shortbone)形似立方体，多成群分布于连结牢靠且稍灵活部位，如腕骨。

扁骨(flatbone)呈板状，主要组成颅腔、胸腔和盆腔壁，起保护作用，如颅盖骨和肋骨。

不规则骨(irregularbone)形状不规则，如椎骨。有些不规则骨内有腔洞，称含气骨，如上颌骨。4骨科生物力学第4页

４.结构

骨质由骨组织组成，分密质和松质。

骨密质质地致密，耐压性较大，分布于骨表面。

骨松质呈海绵状，由相互交织骨小梁排列而成，分布于骨内部，骨小梁排列与骨所承受压力和张力方向一致，因而能承受较大重量。

颅盖骨表层为密质，分别称外板和内板，外板厚而坚韧，富有弹性，内板薄而松脆，故颅骨骨折多见于内板。5骨科生物力学第5页6骨科生物力学第6页

骨膜：覆盖在新鲜骨表面（关节面除外）。骨膜由纤维结缔组织组成，含有丰富神经和血管，对骨营养、再生和感觉有主要作用。骨膜可分为内外两层，外层致密有许多胶原纤维束穿入骨质，使之固着于骨面。内层疏松有成骨细胞和破骨细胞，分别含有产生新骨质和破坏骨质功效，幼年期功效非常活跃，直接参加骨生成；成年时转为静止状态，不过，骨一旦发生损伤，如骨折，骨膜又重新恢复功效，参加骨折端修复愈合。如骨膜剥离太多或损伤过大，则骨折愈合困难。7骨科生物力学第7页

骨髓充填于骨髓腔和松质间隙内。胎儿和幼儿骨髓内含发育阶段不一样红细胞和一些白细胞，呈红色，称红骨髓，有造血功效。5岁以后，长骨骨干内红骨髓逐步被脂肪组织代替，呈黄色，称黄骨髓，失去造血活力。但在慢性失血过多或重度贫血时，黄骨髓可转化为红骨髓，恢复造血功效。而在椎骨、骼骨、肋骨、胸骨及肽骨和股骨近侧端松质内，终生都是红骨髓。8骨科生物力学第8页５.骨成份

骨主要由有机质和无机质组成。

有机质主要是骨胶原纤维束和粘多糖蛋白等，作成骨支架，赋予骨以弹性和韧性。

无机质主要是碱性磷酸钙，使骨坚硬挺实。

脱钙骨（去掉无机质）仍具原骨形状，但柔软有弹性；

煅烧骨（去掉有机）虽形状不变，但脆而易碎。

9骨科生物力学第9页两种成份百分比，随年纪增加而发生改变。幼儿有机质和无机质各占二分之一，故弹性较大，柔软，易发生变形，在外力作用下不易骨折或折而不停，称青枝状骨折。成年人骨有机质和无机质百分比约为3：7，最为适当，因而骨含有很大硬度和一定弹性，较坚韧。老年人骨，无机质所占百分比更大，脆性较大，易发生骨折。

６.性能要求：足够强度：抵抗破坏能力

足够刚度：抵抗变形能力

足够稳定性：保持原有形状能力

耐磨损10骨科生物力学第10页二、骨组织力学特征

１.骨骼力学特点

骨骼受力性能好：所受应力分布合理，关节之间摩擦力小

骨骼性能有变异性：机械性能随年纪、性别、职业、个体环境差异有所不一样

骨骼力学体系处于平衡状态以适应人体任何体位

骨骼有自动反馈控制特点

２.骨形态对力学性能影响

３.化学成份对力学性能影响

有机物使骨含有弹性，无机物使骨硬而脆11骨科生物力学第11页三、骨机械性质

１.骨在拉伸时机械性能

在线性范围内应力应变成正比，σ＝Ｅε

干燥骨：ε=0.4%，湿润骨，ε=1.2%

人和动物骨机械性能见表１

２.骨压缩时机械性质见表２

３.人体骨力学特征见表３12骨科生物力学第12页

四、应力遮挡

１.应力遮挡：发生骨折骨经固定后，负重情况下产生应力重新分配造成骨受力减小现象。

２.影响原因：内外固定器械刚度与固定方式

骨折类型与骨端接触程度

肢体负重方式与程度13骨科生物力学第13页第二章骨科内固定器械

一、螺丝钉

1.自攻丝螺丝钉：使用时在骨上打导向孔，螺丝钉拧入时，自动切割出螺纹。拧入尤其是在骨密质时时阻力较大

非自攻丝螺丝钉：使用时先在骨上钻导向孔，然后在导向孔上攻丝，拧入时阻力小，无骨屑排出

２.皮质骨螺钉：应用在骨密质螺钉，属于非自攻丝，整个长度上都有螺纹。

松质骨螺钉：螺纹外径较大底径较小，为自攻螺钉，使用时不需攻丝。

14骨科生物力学第14页螺丝钉钢板螺丝钉钢板、螺丝钉15骨科生物力学第15页16骨科生物力学第16页３.使用：能经过对侧皮质骨对骨折端施加压力到达固定目标。

二、钢板

１.钢板：是紧贴在骨骼经过与螺钉配合而进行骨折内固定方法。

２.保护性钢板（中和钢板）：骨折部位由拉力螺钉固定，由钢板对骨折区域进行保护。

钢板使用前通常要进行塑性变形，使钢板外形与骨骼外形一致。变形时常使用模板。

３.支持钢板：骨干骺区由骨松质和很薄骨密质组成，该组织损伤后用于固定钢板叫支持钢板。17骨科生物力学第17页４.特殊形状支持钢板：有些骨骼两端有特殊形状，用于这些骨骼钢板叫特殊形状支持钢板。

有Ｔ、Ｌ形钢板、匙形钢板、三叶形钢板，这种钢板结构薄、强度较低。

５.加压钢板：横断和斜断形骨折不能用拉力螺钉进行固定，经过加压钢板与加压器配合使用使骨骼在轴线方向产生压力进行固定。

６.角钢板：由刃板和钢板组成，刃板与钢板间有一定角度（130°）。18骨科生物力学第18页钢板钢板三叶型钢板19骨科生物力学第19页钢板20骨科生物力学第20页21骨科生物力学第21页加压器加压器使用22骨科生物力学第22页

三、髓内钉：在骨骼髓腔内置入一生物相容性好、含有一定强度内在物，以到达骨折连接与固定作用，这种方法叫髓内钉固定，该内置物叫髓内钉。

1.材料：要求生物相容性好、化学性能稳定、良好韧性、高机械强度、无毒、无致癌性等

主要有：不锈钢、铬钴合金、钛合金、钴镍合金

２.髓内钉截面：

形状：三叶草形、菱形、正方形、圆环形等，对承载能力有影响。

截面直径：直径越大，髓内钉刚度越好。23骨科生物力学第23页髓内钉加压骑缝钉24骨科生物力学第24页髓内钉25骨科生物力学第25页髓内钉26骨科生物力学第26页３.髓内钉长度：

总长太长从远端突出，太短不易固定

工作长度髓内钉负担大部分载荷长度

４.附加固定装置：锁钉、固定翼、钩子等

５、常见髓内钉系统

单钉系统

多钉系统

带锁髓内钉

６.髓内钉类型：不扩髓髓内钉

扩髓髓内钉27骨科生物力学第27页四、形状记忆合金内固定器械

１.形状记忆合金：在设定温度下含有形状记忆功效同时含有超弹性功效新型材料。

在发生塑性变形后，经升温至某一温度（该温度能够设定）之上，可完全回复到变形前形状。钛镍基形状记忆合金、铜基形状记忆合金。

２.加压骑缝钉：挑选大小适当骑缝钉，浸入在消毒冰水中，用特制工具使骑缝钉变形，量取骑缝钉变形后跨距，在对合后骨上钻两个孔，将骑缝钉从冰水中取出后插入孔中，骑缝钉受热后恢复原形，起到固定效果。

28骨科生物力学第28页３.环抱器：采取镍钛形状记忆合金制成，用于治疗长骨骨折。意在保持骨折稳定性同时，降低对压缩应力遮挡作用和骨骼损伤。

4.优点

人为损伤小，生物相容性好，力学性能好，操作简便，连续自加压功效，愈合周期短，体积小重量轻，可降低骨质疏松率。29骨科生物力学第29页环抱器加压骑缝钉30骨科生物力学第30页第三章：基础骨科器械

电动式电钻手摇式电钻充电式摆锯咬骨钳丝锥31骨科生物力学第31页下肢骨折器械包髋关节假体器械包32骨科生物力学第32页第四章骨外固定器械

第一节概述

一、定义

骨外固定技术：在骨折处穿放钢针，再用一个金属或高强度非金属材料制成特殊装置把裸露在皮肤外针端连接固定起来，用固定、加压、牵引作用到达治疗骨折、骨与关节矫形作用技术。

骨外固定器：用于这种技术装置

二、发展趋势

１.结构形式多元化、系列化、通用性好

２.钢针直径减小，粗针与细针、全针与半针相结合

３.功效上更实用，有固定、牵伸、加压兼顾骨折再整形。

４.材料强度高、生物相容性好、重量轻

33骨科生物力学第33页外固定器械指骨用外固定器械34骨科生物力学第34页第二节骨外固定器械特点及适应症

一、特点

１.对各种复杂骨折都能够进行及时有效固定

２.不影响伤肢血液循环

３.可改变固定刚度，实现早期牢靠固定与后期弹性固定。

４.提供各种生物力学环境，可依据不一样骨折实施固定。

５.架空创伤处，很好地处理了固定与伤口处理之间矛盾

35骨科生物力学第35页６.骨愈合快、治愈率高、并发症少，发生并发症轻易处理。

７.操作比钢板内固定简单、易于掌握，无需广泛切开、创伤小。比石膏或小夹板固定稳固、不影响关节活动。

８.术后允许再调整，

９.骨折处不存留异物，无需二次手术

10.治疗时间短36骨科生物力学第36页外固定器械指骨用外固定器械37骨科生物力学第37页

二、适应症

１.广泛软组织损伤、伤口污染严重及难以彻底清创开放式骨折

２.感染性骨折

３.多发性骨折

４.一些闭合性骨折：骨折粉碎严重或关节骨折

５.需屡次搬动和分期处理骨折

６.烧伤合并骨折

７.开发性骨盆骨折

８.因各种原因不能手术治疗骨折

９.作为非坚强骨内固定补充38骨科生物力学第38页第三节组合式骨外固定器

一、概述

１.特点：固定牢靠、机构灵巧、随意穿针、并发症少

２.类型：治疗骨折－－固定功效为主

矫形－－固定、牵引、加压

肢体延长－－牵伸功效为主

二、结构特点

１.结构：骨外固定器各构件之间相互联络，相互作用方式，超静定空间结构

２.特点结构多元化

钢针布局灵活

刚度可调控

功效件优化组合

操作方便

39骨科生物力学第39页固定架

40骨科生物力学第40页第四节组合式骨外固定器使用方法

一、操作步骤

1、使用前对产品、工具进行常规术前消毒。

2、清创消毒铺无菌巾，依据骨折部位X光片选好穿针位置方向。

3、穿针位置用手术刀切开5~10mm，用止血钳分离组织达骨膜。

4、将肌肉护套插入切口处达骨膜，拔出内芯，用骨锤轻扣护套顶部使尖端入骨。

5、选取与骨针相对应钻头钻至对侧骨膜。

6、取出钻头旋入骨针使其穿出对侧1~2mm为宜，取下护套。

7、用一样方法旋入其余三只骨针。41骨科生物力学第41页8、将固定架连接器（2）上压紧顶丝（6）松开旋转1/2圈，外旋加压器（3）留出2.5~5mm距离，松开模块（4）上（7）及（9），取下（4）将模块（4）接装到四只骨针上，离皮肤10~15mm，球柄（5）与骨杆成90°旋紧（9），骨折复位达理想位置，将主体（1）卡入四个模块（4）将紧固螺丝（7）可靠固定，然后可靠固定骨针紧固顶丝（9）。

9、旋转加压器（3）使骨折断端融合，可靠固定压紧顶丝（6）。

10、如许跨关节固定，半环型固定可用组合块连接主体或半环。

42骨科生物力学第42页43骨科生物力学第43页二、注意事项

1、严重骨质疏松者禁用。

2、紧固螺丝（7）时先紧两端再紧其它，以降低内应力。

3、加压不易过紧，以免影响骨折生长。

4、本产品禁止二次使用。44骨科生物力学第44页骨科外固定示意图45骨科生物力学第45页第五节组合式骨外固定器惯用类型

１.单边式骨外固定器

结构简单，操作方便，穿越肌肉少，对人体损伤小

２.双边式骨外固定器

结构较简单，牵引、加压方便

３.方框式骨外固定器

固定可靠、穿越肌群少

４.半环式骨外固定器

固定可靠，受力均匀，针孔少，

46骨科生物力学第46页骨外固定器半环式骨外固定器47骨科生物力学第47页双边式骨外固定器单边式骨外固定器48骨科生物力学第48页第五章人工关节

第一节概述

人工关节：利用人工材料制成假体，取代被疾病破坏关节，缓解疼痛、畸形和功效障碍，重建一个靠近正常功效关节，

人工髋关节、人工膝关节49骨科生物力学第49页人工髋关节人工髋关节人工膝关节人工膝关节50骨科生物力学第50页

第二节人工关节惯用材料

一、人工关节材料要求

足够强度、疲劳强度、耐磨损、抗腐蚀

有很好生物相容性，无毒副作用，耐腐蚀

弹性模量靠近人体

二、金属材料

１.不锈钢：杂质含量低、延展性好，易加工，疲劳强度、耐腐蚀性及生物相容性比钛合金差，以被其它材料替换。

２.钛合金：弹性模量低，生物相容性好，疲劳强度高，耐腐蚀性好，摩擦系数高。缺点是耐磨性差

３.钴合金：耐磨性、耐磨性和综合机械性能好，是较优良植入材料51骨科生物力学第51页三、非金属材料

１.超高分子聚乙烯

摩擦系数低，磨损碎屑易引发溶骨反应，影响人工关节寿命，惯用来制作关节中髋臼杯。

２.陶瓷：假体硬度高，组织相容性好，表面光洁，耐磨性好，产生碎屑少，脆性大

３.聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）PMMA

由单体与粉剂组成，单体由聚阻剂和促进剂组成

粉剂由甲基丙烯酸甲酯好引发剂组成

发展方向：提升耐剪力、耐张力，降低骨水泥松动和断裂。

４.其它材料：

52骨科生物力学第52页第三节人工髋关节

一、介绍：髋关节受力复杂，负重大，同时承受拉、压、扭转、和界面剪切作用，要求材料必须有足够强度、韧性、疲劳强度、抗磨损、抗腐蚀能力，髋关节长久植入人体，材料要含有良好生物相容性，无毒副作用，耐腐蚀，弹性模量靠近与人体皮质骨，

二、组成：髋臼、股骨头、关节柄53骨科生物力学第53页54骨科生物力学第54页55骨科生物力学第55页三、骨水泥型全髋关节型置换系统

将金属股骨柄用骨水泥固定到股骨髓腔内，金属股骨头与超高分子聚乙烯髋臼杯连接，髋臼用骨水泥固定。

四、无骨水泥型全髋关节置换系统

经过植入人体和周围组织间所建立相互配合来实现，常经过以下形式实现固定：

表面活性材料、表面组构材料、多孔涂层材料

五、髋关节头臼配伍

光滑钴合金－－高强度超高分子聚乙烯髋臼结合

56骨科生物力学第56页第四节人工膝关节

一、介绍：对运动功效要求高，解剖结构复杂

材料：钴合金－－超高分子聚乙烯

二、固定方式：

骨水泥固定效果很好

非骨水泥经过紧密压配和骨组织长入假体到达固定效果

三、限制程度

限制型人工膝关节：手术后膝关节只能在一个平面内活动，易引发应力集中，普通不用于首次置换患者。

非限制型人工膝关节：活动不受限制，应用广，尤其是首次置换患者。

四、特殊膝关节57骨科生物力学第57页人工膝关节人工膝关节58骨科生物力学第58页人工肩关节人工肘关节59骨科生物力学第59页人工椎间盘60骨科生物力学第60页第六章假肢、矫形器与功效辅助装置

第一节概述

当肢体形态结构与功效遭受损害，不能经过锻炼建立适当代偿功效时，就必须依赖康复工程伎俩提供功效替换设备，以减轻功效障碍程度，改进肢体活动能力，这类设备包含假肢、矫形器、助行器、轮椅等

61骨科生物力学第61页第二节假肢

一、介绍：假肢是人体缺损肢体人造替换物，用于填补缺损肢体形状和功效。

二、假肢发展趋势

１.假肢结构、种类更新

２.假肢接收腔材料工艺改进

３.假肢装配工具科学化

４.综合康复

三、上肢假肢：用于替换整体或部分上肢假肢

特点：人手功效复杂，动作灵巧、感觉敏锐，当前极难完全替换，

１.分类：

按截肢部位：假手、前臂假肢、肩部假肢

按使用功效：装饰性假肢、功效性假肢

按作用原理：索控式上肢假肢、肌电式上肢假肢62骨科生物力学第62页上肢假肢上肢假肢63骨科生物力学第63页上肢假肢下肢假肢64骨科生物力学第64页２.装饰性上肢假肢

是用健康手来开闭假手被动式假肢，无自动活动功效，主要起恢复自然外表装饰作用，大多用塑料制成，含有仿真外形，前臂和肘部可被动活动，惯用于上臂残肢过短等难以安装功效性假肢情况。

３.索控式假肢又叫主动式抓握手臂

截肢者能够利用本身力量操纵控制，去完成各种特点功效主动式上肢假肢

肩部力量、残肢力量，需要进行强化训练65骨科生物力学第65页４.肌电式上肢假肢

由人体生物电控制假肢，截肢者作手伸屈动作，残肢会发出一个肌电信号，开启假肢做对应动作，是当前最先进假肢。

四、下肢假肢：

从骨盆以下至趾关节以上截肢每个部位所安装假肢，都叫下肢假肢，由假脚、机械关节、容纳残肢接收腔组成

66骨科生物力学第66页１.分类：

按截肢部位：半足假肢、趾骨截肢假肢、踝关节离断假肢、小腿假肢、膝离断假肢、大腿假肢、髋离断假肢

按结构形式：骨骼式、壳式假肢

按适用范围：生活型、运动型假肢

２.壳式下肢假肢

假肢臂筒起支撑作用，木质接收腔下肢假肢重量轻、透气性好、保暖性好。

３.骨骼式下肢假肢

由下肢假肢标准零部件组装而成，能为下肢截肢患者提供优良功效、行走步态良好假肢，

67骨科生物力学第67页下肢假肢68骨科生物力学第68页五、假肢保养与维护

１.保持接收腔内清洁，使用接收腔内衬套时尽可能保持干燥清洁

２.注意接收腔裂纹

３.发觉关节及结合部有松动、异常时，及时进行检验维修

４.装饰外套易破损，要及时维修

５.假肢中塑料部件，不能与酸、碱、火、有色溶液、硬物接触

６.假肢中精密机械系统，应防止潮湿、冲击，定时检验

７.定时到假肢生产厂检验假肢69骨科生物力学第69页第三节矫形器

一、介绍：矫形器又叫辅助器，是用于四肢、躯干等部位，经过力作用以预防、矫正畸形，治疗骨关节及神经肌肉疾病并赔偿其功效器械。

二、基本功效

１.稳定与支持

２.矫正功效

３.助动功效

４.分担重力负荷以减轻关节受力

三、矫形器类型：上肢矫形器、下肢矫形器、脊柱矫形器70骨科生物力学第70页

１.上肢矫形器：用于保持不稳定肢体于功效位，提供牵引力以预防变形，预防或矫正肢体畸形，帮助无力肢体运动

固定性上肢矫形器：局部相对制动，用于辅助治疗骨不连、关节炎、腱鞘炎等

矫正性上肢矫形器：对一些关节萎缩起到连续矫正作用，或限制关节等异常运动预防畸形。

功效性上肢矫形器：上肢部分肌肉瘫痪时，经过稳定松弛等关节来维持功效活动。71骨科生物力学第71页上肢矫形器下肢矫形器72骨科生物力学第72页２.下肢矫形器：足矫形器、膝踝矫形器、长腿支具、

足矫形器（矫形鞋）：经过特制等高帮皮鞋，矫治轻度等足内翻或外翻畸形

承重性下肢矫形器：用于下肢骨不连或关节融合术后愈合未愈

稳定性下肢矫形器：惯用于肌肉弛缓性瘫痪，稳定关节，以利负重行走

73骨科生物力学第73页脊柱矫形器下肢矫形器74骨科生物力学第74页３.脊柱矫形器

颈椎矫形器：用于辅助治疗颈椎病及一些外伤引发或先天性疾病引发颈椎不稳，

软式围领、硬式围领、颈椎矫形器

固定式脊柱矫形器用于脊柱术后及骨折愈合早期，围腰、硬式脊柱矫形器，

矫正式脊柱矫形器：惯用于小儿原发性脊柱侧弯矫正75骨科生物力学第75页助行器76骨科生物力学第76页第四节助行器

１.作用：分担体重减轻下肢关节应力负荷

扩大下肢支撑面积

确保步行练习安全性

２.手杖：用于轻度步行功效障碍

３.拐杖：有腋杖和臂杖

４.步行器：可提供稳固四点支撑，用于下肢和躯干肌力及平衡功效严重减弱患者，有四轮式、二轮式、移动式、步行车。77骨科生物力学第77页

第五节轮椅

１.普通轮椅

２.特征轮椅

３.电动轮椅

第六节腿部功效训练器

１.介绍：用微电脑自动控制，模拟人体自然运动，经过激发人体自然复原力，充分激发人体自然复原力，充分发挥组织代偿作用，能够促进组织愈合，减轻术后痛苦，预防关节内粘连。

78骨科生物力学第78页２.适用范围：

腿部骨折

关节囊切除或关节松解术后

下肢股关节和膝关节置换术后

关节软骨大面积缺损

急性化脓性关节炎，手术清创、引流后

肌腱损伤修复好肌腱重建固定后