骨科及康復(fù)生物力學(xué)課件

1、1骨小樑結(jié)構(gòu)1骨小樑結(jié)構(gòu)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(xué)巨觀 微觀形態(tài) (Morphology)功能 (Function)巨觀力學(xué) 微觀力學(xué)4生物力學(xué)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(xué) (Cell Mechanics)6緻密骨 (Cortical Bone)7海綿骨 (Cancellous Bone)材料 (material) 及結(jié)構(gòu)觀點 (structure)材料性質(zhì)：E結(jié)構(gòu)性質(zhì)：KTrussBarBeam7海綿骨 (Cancellous Bone)材料 (mate8材料性質(zhì)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(zhì)各向同性 (Isotropic) Only o9力學(xué)力 (Force)變形 (Deformation)Principal strainStrain energy應(yīng)力 (Stress)Principal stress9力學(xué)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(guān)節(jié)鏡的檢查與治療是我科開展的傳統(tǒng)診療項目之

7、一，已有二十多年的臨床經(jīng)驗，僅需3毫米的切口即行風(fēng)濕、類風(fēng)濕、骨性膝關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)清理術(shù)，達到改善關(guān)節(jié)功能、減輕癥狀的目的。蝕骨細胞 (osteoclast)骨誘導(dǎo) (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(shù)後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關(guān)節(jié)僵硬、深靜脈血栓形成等併發(fā)

8、癥，並促進骨折的癒合，治療效果良好功能 (Function)力學(xué)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(chuàng)人工髖關(guān)節(jié)手術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)?？@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(guān)節(jié)鏡的檢查與治療是我科開展的傳統(tǒng)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(yīng)用24臨床應(yīng)用25臨床應(yīng)用25臨床應(yīng)用26脊椎26脊椎Osteogenic IndexThe granulation tissue stage ( two weeks)形態(tài) (Morphology)骨引導(dǎo) (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(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù) 手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)切口僅3-5釐米。應(yīng)力 (Stress)P

14、rincipal strain功能 (Function)海綿骨 (Cancellous Bone)目前只有硫酸鈣產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)。The granulation tissue stage ( two weeks)各向同性 (Isotropic) Only one E (K)Viscoelastic model = ddt形態(tài) (Morphology)力學(xué)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(yīng)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(chuàng)Minimum Invasive Surgery 29骨科微創(chuàng)Minimum Invasive Surgery30骨科微創(chuàng)1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù) 手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)切口僅3-5釐米?；颊咝g(shù)後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關(guān)節(jié)僵硬、深靜脈血栓形成等併發(fā)癥，並促

16、進骨折的癒合，治療效果良好2、 關(guān)節(jié)鏡的檢查與治療是我科開展的傳統(tǒng)診療項目之一，已有二十多年的臨床經(jīng)驗，僅需3毫米的切口即行風(fēng)濕、類風(fēng)濕、骨性膝關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)清理術(shù)，達到改善關(guān)節(jié)功能、減輕癥狀的目的。3、 在關(guān)節(jié)鏡下行半月板切除或半月板成形術(shù)，用以治療半月板損傷或盤狀半月板4、 在關(guān)節(jié)鏡下行關(guān)節(jié)游離摘除，對交叉韌帶損傷患者行交叉韌帶重建術(shù)。5、 後路腰椎間盤鏡技術(shù)在1.5公分的切口內(nèi)安全地將突出的腰椎間盤摘除、神經(jīng)根松解、椎管減壓術(shù)，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(chuàng)1、 四肢骨幹骨折在X線透視下閉合復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固31骨科微創(chuàng)31骨科微創(chuàng)32電腦導(dǎo)航人工關(guān)節(jié)微創(chuàng)手術(shù)

17、微創(chuàng)手術(shù)既然切口較小，相對地術(shù)中視野也減小，對病灶的辨識不如傳統(tǒng)方式好，而且，關(guān)節(jié)組件置放的準(zhǔn)確性會影響到組件的存活壽命，這方面，微創(chuàng)手術(shù)有待改進。 在切口長度、手術(shù)時間、術(shù)後止痛藥的使用、植入關(guān)節(jié)組件的位置（準(zhǔn)備性）及力學(xué)軸線的排列（矯正程度）等方面，均有令人滿意的成果 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用於人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)的輔助作用，手術(shù)部位標(biāo)地物發(fā)射訊號，電腦接收後在螢?zāi)簧巷@現(xiàn)出來，提供醫(yī)師正確擺放關(guān)節(jié)組件位置角度的參考。 32電腦導(dǎo)航人工關(guān)節(jié)微創(chuàng)手術(shù)微創(chuàng)手術(shù)既然切口較小，相對地術(shù)33骨引導(dǎo) (Osteoinduction)常見材質(zhì)有硫酸鈣、磷酸鈣、三磷酸鈣、HA等純化學(xué)物質(zhì)Jax, OsteoSet及MIIG

18、系列產(chǎn)品均屬此類產(chǎn)品，其主要成分為硫酸鈣。33骨引導(dǎo) (Osteoinduction)常見材質(zhì)有硫酸鈣34骨誘導(dǎo) (Osteoinduction)此類產(chǎn)品有：i. 細菌培養(yǎng)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(jīng)特殊處理，保留蛋白質(zhì)及生長因子，去除會引起發(fā)炎之礦物質(zhì)，此為目前美國使用最普遍之產(chǎn)品，Allomatrix屬於此類產(chǎn)品具有骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內(nèi)漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨為佳34骨誘導(dǎo) (Osteoinduction)此類產(chǎn)品有：35Bone Subs

19、titute人工骨被吸收之程度及速度，影響骨骼品質(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)。 35Bone Substitute人工骨被吸收之程度及速度，36Zimmer 公司獲得微創(chuàng)人工髖關(guān)節(jié)手術(shù)方法專利 美國專利商標(biāo)局已針對 Zim

20、mer 公司之微創(chuàng)手術(shù)與雙切口髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)核發(fā)專利，為第 6,676,706 號美國專利，名稱：進行微創(chuàng)全人工髖關(guān)節(jié)手術(shù)之方法與設(shè)備，包含 17 項與 Zimmer 公司微創(chuàng)雙切口手術(shù)相關(guān)並經(jīng)核可之聲明。 36Zimmer 公司獲得微創(chuàng)人工髖關(guān)節(jié)手術(shù)方法專利 美國專骨折癒合 (Fracture Healing)骨引導(dǎo) (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(yīng)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(xué) (Cell Mechan

21、ics)骨誘導(dǎo) (Osteoinduction)Wolffs law美國專利商標(biāo)局已針對 Zimmer 公司之微創(chuàng)手術(shù)與雙切口髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)核發(fā)專利，為第 6,676,706 號美國專利，名稱：進行微創(chuàng)全人工髖關(guān)節(jié)手術(shù)之方法與設(shè)備，包含 17 項與 Zimmer 公司微創(chuàng)雙切口手術(shù)相關(guān)並經(jīng)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?zāi)簧巷@現(xiàn)出來，提供醫(yī)師正確擺放關(guān)節(jié)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(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內(nèi)漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導(dǎo)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(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù) 手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)切口僅3-5釐米。骨引導(dǎo) (Osteoinduction)Form follows function37手術(shù)專利郭榮富 博士骨折癒合 (Fracture Healing)37手術(shù)專利郭38生物力學(xué)巨觀 微觀形態(tài) (

23、Morphology)功能 (Function)巨觀力學(xué) 微觀力學(xué)38生物力學(xué)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(dǎo) (Osteoinduction)此類產(chǎn)品有：i. 細菌培養(yǎng)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(jīng)特殊處理，保留蛋白質(zhì)及生長因子，去除會引起發(fā)炎之礦物質(zhì)，此為目前美國使用最普遍之產(chǎn)品，Allomatrix屬於此類產(chǎn)品具有骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內(nèi)漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨為佳42骨誘導(dǎo) (Osteoinduction)此類產(chǎn)品有：骨折癒合 (Fracture Healing)Shear modulus G = E / 2 (1+)F: FormationThe A R F sequence應(yīng)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(shù)後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關(guān)節(jié)僵硬、深靜脈血栓形成等併發(fā)癥，並促進骨折的癒合，治療效果良好: Interfragmentary strainThe remodeling process (1 4 years)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

26、用於人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)的輔助作用，手術(shù)部位標(biāo)地物發(fā)射訊號，電腦骨折癒合 (Fracture Healing)具有骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長是採由外而內(nèi)漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨為佳骨折癒合 (Fracture Healing)細胞力學(xué) (Cell Mechanics)骨誘導(dǎo) (Osteoinduction)接收後在螢?zāi)簧巷@現(xiàn)出來，提供醫(yī)師正確擺放關(guān)節(jié)組件位置角度的參考。The modeling stage (one or more years)具有骨誘導(dǎo)功能之人工替代骨其骨骼生長為全面性的，而具骨誘導(dǎo)功能之人工替

27、代骨其骨骼生長是採由外而內(nèi)漸進式生長，故成骨速度及成骨能力以具骨誘導(dǎo)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(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù) 手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)切口僅3-5釐米。Wolffs law應(yīng)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(yīng)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(dǎo) (Osteoinduction)Osteogenic Index各向同性 (Isotropic) Only one

28、E (K)巨觀力學(xué) 微觀力學(xué)Modeling: A-F or A-R骨母細胞 (osteocyte)細菌培養(yǎng)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(tài) (Morphology)患者術(shù)後能早期活動進行功能鍛煉，避免了關(guān)節(jié)僵硬、深靜脈血栓形成等併發(fā)癥，並促進骨折的癒合，治療效果良好骨誘導(dǎo) (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(yīng)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