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外固定支架的力学原理

 lygs999 2017-04-29

历史回顾

Malgaigne 1843年提出一个机械装置(髌骨),1902年比利时Lambotte扩展了应用并首先系统应用了简单的单边半针外固定架,随后Lambotte进行了改进加压牵引,1938年,Raul hoffman设计了带有球形的万向节的外固定架能在三维层面上进行复位,Roger Andersen设计了单边全针外固定架,前苏联把技术集中在带有张力的全针的应用上(Ilizarov环形全针外固定架)。


发展过程

单边外固定架 →双边外固定架  →环形外固定架

外固定架的作用

中和强大外力,维持骨折端的机械稳定性!维持折端稳定与哪些量相关?能否用力学术语描述?

基本概念

1、构件与结构

结构 建筑物受力部分的整体构造

构件 组成整体构造的元件

连接 将各个元件连成一体的各个连接转换点。

2、应力与应变

应力  指物体单位面积所受的力的大小,应力=力/受力面积。单位与压强单位一致,为帕斯卡。

应变 指在应力的作用下物体局部发生的形态变化率,应变=形态变化量/原形态量(如图),是百分比,无单位。

3、刚度与强度

刚度  某受力物体发生单位量的    应变时所需的应力,刚度 =应力/应变,单位为牛顿/米。是描述受力物体抵抗变形能力的概念。

强度  某物体受力发生永久变形和断裂时所需要的应力,单位与力的单位一致,为牛顿。是描述受力物体坚固程度的概念。


4、刚心与质心

刚心 刚度中心,抵抗受力变形的主力区。

质心 质量中心,各种外力的作用点,如重心。

形心 形状的几何中心。

外固定架稳定的基本原理

1、稳定性相关因素

1.1固定刚度

一种固定结构最终形成的约束折端外力变形的约束刚度。与折端应变密切相关

1.2固定强度

一种固定结构最终形成的抵抗外力毁损的约束强度。与应力集中点密切相关,因为断裂毁损首先发生于应力集中处。


2、固定强度相关因素

主要与固定物横截面相关,外固定架放置于体外,可以无限大

3、固定刚度相关因素

3.1跨度段刚度  主要与跨度段长度、横截面积相关

3.2结合段刚度  主要与结合螺钉数、骨与针杆距离、连接刚度相关

3.3偏心距的大小  

总固定刚度=应力/应变总量

支点到力作用线的距离           

旋转中心到力的作用线距离

结构质心与承重刚心的距离

应变总量是以上三因素之和       

注意:骨质疏松钉道松动是属于结合刚度范畴

3.3.1质心:质量中心,与密度分布相关; 

立正站立状态人体质心、形心与重心重合

3.3.2刚心:刚度中心,与受力构件布置相关;

布置对称结构刚心与形心重合;布置不对称结构刚心偏向构件刚度集中区。

3.3.3偏心原理

竖向载荷----弯曲

横向载荷----旋转

3.3.4外固定架偏心距分析-----刚心

3.3.5外固定架偏心距分析----人体质心


总结1-------单边外固定架稳定性相关因素

共有8个因素

针-骨接触面积 

连接杆的成分

连接杆的粗细

固定针的粗细

固定针数量

固定针之间的距离

骨与连接杆距离

固定针到旋转中心距离

总结2-----外固定架构型对稳定性的影响

外固定架的稳定能力

   环形------三维稳定好

   双边------二维稳定尚好,三维稳定不如环形

   单边------二维及三维稳定性均相对较差


外固定架应用时应该在构型上进一步思考!

简支梁及三维构型是良好的选项,尽量减少悬臂梁的构型。

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