史 迪,張浩萌，李國(guó)臣，鄭聯(lián)合

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)因武器威力巨大，容易造成脛骨開放性骨折，并伴有嚴(yán)重創(chuàng)面污染、軟組織及神經(jīng)血管損傷，這種情況下，常常需要對(duì)骨折進(jìn)行快速、穩(wěn)定的固定，以減少對(duì)周圍軟組織及神經(jīng)血管的進(jìn)一步損傷，降低休克的發(fā)生率，這無(wú)疑是現(xiàn)代戰(zhàn)創(chuàng)傷治療的挑戰(zhàn)[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，外固定架一直被用于治療脛骨開放性骨折及某些閉合性的伴有嚴(yán)重軟組織損傷的粉碎性脛骨骨折。雖然外固定架能夠減少對(duì)軟組織及血供的損傷，但也有其缺陷：固定穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致骨折斷端再移位，造成骨折延遲愈合、畸形愈合甚至不愈合，此外，臨床常用的外固定架由于其體積較大容易影響患者的日常生活，如穿衣及行走[3-5]。如何克服外固定架本身存在的諸多缺陷依舊是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。本課題組設(shè)計(jì)了脛骨板式外固定架(專利號(hào)：ZL201621380368.6)，與小腿外形高度匹配，利用鋼板與螺釘之間的角穩(wěn)定性，保證了骨折固定的穩(wěn)定性，有望避免臨床常見的外固定架及螺釘松動(dòng)的問(wèn)題，而且體積較小，對(duì)患者行走穿衣等日常生活影響較小。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較脛骨板式外固定架的兩種構(gòu)型與臨床常用的單邊式外固定架在固定牛脛骨中段骨折模型時(shí)的力學(xué)性能差異，評(píng)價(jià)脛骨板式外固定架治療脛骨粉碎性骨折時(shí)的穩(wěn)定性，為脛骨板式外固定架用于治療脛骨嚴(yán)重開放性骨折及粉碎性骨折提供理論支撐。

材料與方法

1 建模及分組

選擇15根新鮮成年直徑和長(zhǎng)度接近的牛脛骨，脛骨均來(lái)自同一品種，健康、體重接近且骨骼發(fā)育成熟的成年牛，平均長(zhǎng)度為340mm(310～375mm)，剔除所有軟組織。根據(jù)不同固定方式隨機(jī)分為板式經(jīng)典型組、板式延長(zhǎng)型組及單邊式外固定架組三組，用擺鋸在脛骨中段鋸開，制作成間距為20mm的骨折缺損，保證骨折斷端無(wú)接觸，模擬脛骨粉碎性骨折[6-7]。板式經(jīng)典型組用不銹鋼經(jīng)典型板式外固定架(遠(yuǎn)端固定板條完全嵌入近端固定板條中，長(zhǎng)300mm，寬21mm，厚10mm，共13個(gè)螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠(yuǎn)端各2枚鎖定螺釘固定(圖1)。板式延長(zhǎng)型組用不銹鋼延長(zhǎng)型板式外固定架(遠(yuǎn)端固定板條未完全嵌入近端固定板條，長(zhǎng)340mm，近端寬21mm，厚10mm，遠(yuǎn)端寬16mm，厚5mm，共16個(gè)螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠(yuǎn)端各2枚鎖定螺釘固定(圖2)。單邊式外固定架組用不銹鋼單邊式外固定架(連接桿直徑8mm，長(zhǎng)度為300mm，半針直徑5mm)固定，骨折近端及遠(yuǎn)端各2根半針固定(圖3)。三組骨折固定模型均先用4.5mm鉆頭鉆孔，然后順時(shí)針方向擰入鎖定螺釘或半針，均固定雙側(cè)皮質(zhì)。近端螺釘或半針距離骨折斷端20mm，遠(yuǎn)近端螺釘或半針之間間距為45mm，連接桿或外固定板距離骨表面30mm[8]。所用外固定器械材質(zhì)相同，均來(lái)自上海康定醫(yī)療器械有限公司。

圖1 經(jīng)典型板式外固定架 圖2 延長(zhǎng)型板式外固定架 圖3 單邊式外固定架

2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本課題組設(shè)計(jì)的板式外固定架，屬于一種脛骨外固定裝置，包括近端脛骨固定板條、遠(yuǎn)端脛骨固定板條。近端固定板條的遠(yuǎn)端設(shè)有插槽，遠(yuǎn)端固定板條的近端可以深入插槽中并沿插槽滑動(dòng)，根據(jù)人體脛骨長(zhǎng)度調(diào)節(jié)脛骨固定板條的長(zhǎng)度，保證了板式外固定架在長(zhǎng)度上的可調(diào)節(jié)性。近端固定板條近端設(shè)置有第一橫貼板，能夠與人體脛骨的近端部位橫向貼合；遠(yuǎn)端固定板條的遠(yuǎn)端設(shè)置有第二橫貼板，能夠與人體脛骨遠(yuǎn)端的部位橫向貼合。所述脛骨固定板條、第一橫貼板和第二橫貼板與人體小腿外形高度匹配，且體積較臨床常用的單邊式、組合式及環(huán)式外固定架小。脛骨固定板條及橫貼板上設(shè)有5mm鎖定螺釘孔，所用螺釘均為5mm自攻型鎖定螺釘。

3 測(cè)試方法

3.1 軸向壓縮實(shí)驗(yàn) 所有骨折模型兩端用牙科自凝牙托粉包埋，保證軸向壓縮時(shí)負(fù)荷傳遞模擬生理?xiàng)l件下力線的傳遞[1, 4]。在前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，板式外固定架的兩種構(gòu)型均可以承受超過(guò)1 000N的負(fù)荷，單邊式外固定架可以承受超過(guò)700N的負(fù)荷，故本次試驗(yàn)最大軸向載荷設(shè)置為700N，對(duì)應(yīng)一個(gè)體重為140kg的成年人雙足站立，完全負(fù)重時(shí)的軸向負(fù)荷。將骨折模型置于Z2005電子材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell Z2005，德國(guó))上(圖4)，采用位移控制的方式加載負(fù)荷，負(fù)荷以0.1mm/s的速度從0N加到700N，循環(huán)加載6次，同時(shí)以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的軸向位移數(shù)值，在電腦上建立相應(yīng)的載荷位移曲線，將每次循環(huán)前3次的數(shù)據(jù)丟棄用以排除系統(tǒng)誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計(jì)算軸向壓縮剛度，壓縮剛度定義為單位軸向位移下所施加的負(fù)荷(N/mm)[4]。

3.2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 將骨折模型置于安裝好彎曲工裝的Z2005電子材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上(圖5)，設(shè)定上方兩個(gè)負(fù)荷加載點(diǎn)間距為100mm，下方兩個(gè)負(fù)荷支撐點(diǎn)間距為200mm，采用位移控制的方式加載負(fù)荷，負(fù)荷以1mm/min的速度從0N加載到400N,對(duì)應(yīng)扭矩為0Nm到20Nm，循環(huán)加載6次，同時(shí)以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的位移數(shù)值，將每次循環(huán)前三次的數(shù)據(jù)丟棄用以排除系統(tǒng)誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計(jì)算四點(diǎn)彎曲剛度，彎曲剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[9]。

3.3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 將骨折模型置于安裝好扭轉(zhuǎn)工裝的Z2005電子材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，采用位移控制的方式以0.5°/s的速率加載負(fù)荷，最大扭矩設(shè)定為10Nm，循環(huán)加載6次，同時(shí)以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的角位移數(shù)值，每次循環(huán)前3次的數(shù)據(jù)丟棄以排除誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[4]。

圖4 骨折模型用于軸向壓縮測(cè)試 圖5 骨折模型用于四點(diǎn)彎曲測(cè)試

4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。組間比較采用單因素方差分析，若組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義則再用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

軸向壓縮實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為244.82N/mm，單邊式外固定架平均剛度為133.63N/mm，延長(zhǎng)型板式外固定架平均剛度為166.69N/mm，單因素方差分析表明F(2，12)= 90.099,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，見表1、圖6。用LSD-t檢驗(yàn)表明，經(jīng)典型板式較單邊式高83.21%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，延長(zhǎng)型板式較單邊式高24.74%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002)。四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為9.74Nm/deg，延長(zhǎng)型板式外固定架平均剛度為8.53 Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為7.55 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 17.873,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，見表2、圖7。用LSD-t檢驗(yàn)表明，經(jīng)典型板式較單邊式高29.01%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，延長(zhǎng)型板式較單邊式高12.98%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.021)。在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為1.65Nm/deg，延長(zhǎng)型板式外固定架平均剛度為1.08Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為0.76 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 50.397,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，見表3、圖8。用LSD-t檢驗(yàn)表明，經(jīng)典型板式較單邊式高117.11%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)；延長(zhǎng)型板式較單邊式高42.11%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.004)。本次實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組均未出現(xiàn)骨折間隙關(guān)閉或者外固定架出現(xiàn)難以恢復(fù)的彎曲或斷裂以及出現(xiàn)新發(fā)骨折等現(xiàn)象[8,10-11]。

表1 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較(N/mm)

表2 三組骨折模型四點(diǎn)彎曲剛度比較(Nm/deg)

表3 三組骨折模型扭轉(zhuǎn)剛度比較(Nm/deg)

討 論

近年來(lái)，對(duì)于伴有嚴(yán)重污染及軟組織損傷的開放性脛骨骨折，外固定架因?yàn)閷?duì)軟組織損傷小，對(duì)骨膜血供的破壞較小而越來(lái)越受骨科醫(yī)生的重視[12-15]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)所造成的戰(zhàn)創(chuàng)傷以開放性損傷及復(fù)合傷多見，常伴有四肢開放性骨折，伴有嚴(yán)重污染和軟組織損傷，外固定因其固定迅速且對(duì)軟組織損傷小，大大降低了鄰近血管及神經(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用價(jià)值。與常用的外固定架相比，脛骨板式外固定架設(shè)計(jì)巧妙，攜帶方便，適合于不同身高的人群，對(duì)操作環(huán)境的要求相對(duì)較低，操作方便，能夠?qū)钦圻M(jìn)行快速有效的固定，符合野戰(zhàn)條件下一線救治的需要，對(duì)多發(fā)傷、群體傷的早期救治有重要的意義。

在本次實(shí)驗(yàn)中，板式外固定的兩種構(gòu)型在軸向壓縮、四點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度上均優(yōu)于臨床上常見的單邊式外固定架。在軸向壓縮實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)負(fù)荷為200N時(shí)，經(jīng)典型板式組、延長(zhǎng)型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為0.89、1.20、1.21mm；當(dāng)負(fù)荷為400N時(shí)，經(jīng)典型板式組、延長(zhǎng)型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為1.71、2.23、2.51mm，可見在相同載荷時(shí)，板式外固定架組的位移均小于單邊式外固定架組，且隨著載荷的增加差距也隨之增大。國(guó)內(nèi)外關(guān)于外固定架剛度的文獻(xiàn)報(bào)道稱外固定架的軸向剛度最小為50N/mm，最大為400N/mm[4,16]，此范圍的剛度可刺激骨痂生長(zhǎng)，促進(jìn)骨折愈合，本實(shí)驗(yàn)所測(cè)的三種外固定架的剛度均在其范圍內(nèi)。板式外固定架的兩種構(gòu)型在四點(diǎn)彎曲剛度方面均優(yōu)于單邊式外固定架，有利于骨痂生長(zhǎng)并增加骨痂強(qiáng)度[17]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道外固定架的扭轉(zhuǎn)剛度范圍為0.1～6Nm/deg[18-19]，筆者所測(cè)的結(jié)果在其范圍內(nèi)，但是均偏小，這可能與選擇的骨標(biāo)本、設(shè)定的骨折間隙大小及外固定架與骨表面距離等有關(guān)。影響外固定剛度的主要因素有骨折間隙大小、螺釘?shù)臄?shù)量及直徑，外固定鋼板的長(zhǎng)度以及外固定鋼板與骨表面的距離[20]。鎖定鋼板外置是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但是鎖定鋼板由于鎖定螺釘孔數(shù)量有限導(dǎo)致螺釘數(shù)量的調(diào)節(jié)受到限制，而本課題組所設(shè)計(jì)的板式外固定架有橫貼板，而且遠(yuǎn)近端脛骨固定板條之間可以滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)脛骨固定板條的長(zhǎng)度，使得螺釘孔數(shù)量足夠，可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄?shù)量來(lái)調(diào)節(jié)外固定的剛度。而且本實(shí)驗(yàn)證明了即使調(diào)節(jié)了外固定鋼板的長(zhǎng)度，板式外固定的剛度仍然優(yōu)于單邊式外固定架。

圖6 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較 圖7 三組骨折模型四點(diǎn)彎曲剛度比較 圖8 三組骨折模型扭轉(zhuǎn)剛度比較

注：*表示離群值 注：°表示離群值 注：°表示離群值

綜上所述，脛骨板式外固定架剛度高于臨床常用的單邊式外固定架，對(duì)于脛骨嚴(yán)重粉碎性骨折及開放性骨折，用板式外固定架早期固定，有助于維持下肢力線及骨折斷端穩(wěn)定，而且板式外固定架體積小，對(duì)患者日常生活的影響較小，還能通過(guò)調(diào)節(jié)自身長(zhǎng)度對(duì)不同身高的人群進(jìn)行脛骨骨折外固定治療。本研究也存在如下不足：(1)由于條件所限，僅僅測(cè)量了軸向壓縮剛度、四點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。(2)與所有生物力學(xué)研究一樣，實(shí)驗(yàn)用骨剔除了肌肉以及其他軟組織，骨所受載荷的傳遞不能完全模擬機(jī)體的負(fù)荷力線傳導(dǎo)。在下一步的研究中，本課題組需進(jìn)一步對(duì)板式外固定架的剛度做進(jìn)一步的研究，并將板式外固定架用于活體動(dòng)物骨折治療，觀察固定效果，進(jìn)一步為板式外固定架用于戰(zhàn)創(chuàng)傷急救及臨床治療奠定理論基礎(chǔ)。