單臂外固定架治療老年股骨粗隆間骨折模型的抗壓力學(xué)性能

信金黨，谷福順，鄭昆侖，王愛(ài)國(guó)，馮其金，郭 銳，李瑞峰

股骨粗隆間骨折是嚴(yán)重威脅老年人群健康的重要疾病之一。只要沒(méi)有禁忌證,手術(shù)治療應(yīng)當(dāng)作為首選治療方案[1-2]。但多數(shù)老年患者常合并有全身疾患，如腦梗塞、糖尿病、心肺腦腎臟疾病，手術(shù)耐受力差。我們應(yīng)用單臂外固定支架治療老年股骨粗隆間骨折，取得了滿意的療效，但仍需應(yīng)用生物力學(xué)的原理及方法來(lái)驗(yàn)證其力學(xué)穩(wěn)定性，尤其是負(fù)重時(shí)的抗壓生物力學(xué)性能。

1 材料與方法

1.1 材料 天津中醫(yī)藥大學(xué)解剖教研室提供的老年股骨尸體標(biāo)本5 根，經(jīng)觀察及X 線片拍攝均證實(shí)無(wú)骨質(zhì)破壞和結(jié)構(gòu)異常。見(jiàn)圖1。天津市新中醫(yī)療器械集團(tuán)公司提供的外固定器5 套，每套固定器包括5 枚螺紋釘，單根規(guī)格6 mm×150 mm，一個(gè)連接碳素桿(10 mm×200 mm)及5 個(gè)連接固定桿及螺紋釘?shù)陌魥A。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院提供的美國(guó)英斯特朗公司8874 液態(tài)伺服動(dòng)態(tài)生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。天津骨科醫(yī)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供的YJ-33型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(上海自動(dòng)化儀表有限公司)。BE120-05AA-X30 型號(hào)的電阻應(yīng)變片，電阻值(120.0±0.1) Ω，靈敏系數(shù)1.94%±1.00%(漢中市中航電測(cè)儀器服務(wù)有限公司)。

1.3 標(biāo)本制作方法

1.3.1 標(biāo)本制作 以股骨髁上2 cm作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，垂直鋸除標(biāo)本以遠(yuǎn)部分，包埋于牙托粉使股骨長(zhǎng)軸與垂線成20°角(與正常人生理角度一致)。將股骨用手鋸造成股骨粗隆間骨折AO 分型A1.1 型骨折，骨折線與水平線成45°角。于股骨粗隆下打入2枚螺紋釘，通過(guò)骨折線達(dá)股骨頭下。于骨折線以遠(yuǎn)10 cm、15 cm 及20 cm 處股骨干外側(cè)分別打入共3 枚螺紋釘，均穿透股骨干兩側(cè)皮質(zhì)，并使5枚螺紋釘釘尾基本在同一平面。用固定桿及棒夾連接5枚螺紋釘并鎖緊固定，制作模擬髖臼形狀的半球型加載卡具固定股骨頭部。見(jiàn)圖1。

圖1 老年股骨尸體標(biāo)本X線所見(jiàn)

1.3.2 貼片位置的選擇 基于股骨粗隆間骨折的部位，及股骨大、小粗隆與股骨矩在站立及行走時(shí)受力的重要性，我們選取股骨大粗隆及小粗隆處骨折上下端分別貼應(yīng)變片，應(yīng)變片與骨折端垂直距離為2 mm，大粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)端應(yīng)變片標(biāo)記為編號(hào)1，近端應(yīng)變片標(biāo)記為編號(hào)2，小粗隆側(cè)骨折近端應(yīng)變片標(biāo)記為編號(hào)3，遠(yuǎn)端應(yīng)變片標(biāo)記為編號(hào)4。

1.3.3 應(yīng)變片按裝 選用BE120-05AA-X30 型箔式電阻應(yīng)變片，電阻值為(120±0.1) Ω，靈敏系數(shù)1.94%±1.00%。貼片前對(duì)擬用的應(yīng)變片進(jìn)行外觀檢查和使用850 型便攜式電橋測(cè)量阻值，測(cè)量精度控制在0.1歐。為使應(yīng)變片黏貼牢固，需對(duì)骨骼表面處理。首先用銼刀和細(xì)砂紙使其表面平整，露出材料的新鮮表面。然后用浸有丙酮的脫脂棉球擦洗。畫出定位線，再用棉球擦洗干凈。待溶劑揮發(fā)表面徹底干燥，用薄而均勻的502 粘合劑將應(yīng)變片粘于骨骼的預(yù)定位置上。用手指柔和滾壓,使應(yīng)變片完全粘合，擠出多余膠，排除應(yīng)變片下的氣泡，直至貼牢固。貼片后用電橋檢查應(yīng)變片阻值變化，如發(fā)現(xiàn)敏感柵變形、貼片方位不正確、斷絡(luò)、粘結(jié)層中有氣泡、局部沒(méi)貼上等現(xiàn)象，應(yīng)該除掉重貼，直至滿意為止。 固化后應(yīng)變片阻值會(huì)有些變化,一般小于1.0歐。在連接測(cè)量導(dǎo)線前再一次檢查應(yīng)變片絕緣電阻值是否滿足要求。

1.4 測(cè)試方法 整體實(shí)驗(yàn)要求室內(nèi)溫度控制于（25±1）℃，空氣濕度30%的環(huán)境條件。將標(biāo)本垂直至于英斯特朗8874 液態(tài)伺服動(dòng)態(tài)生物力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)的上、下兩卡具之間，為了模擬骨折術(shù)后患者由不負(fù)重，到逐漸拄拐負(fù)重，直至最后完全負(fù)重的受力工況，測(cè)試中載荷選擇100～600 N 共6 個(gè)載荷值，得到了不同載荷下的骨折斷端載荷-位移相關(guān)力學(xué)參數(shù)。每組測(cè)試并同步獲取了斷端兩側(cè)多個(gè)應(yīng)變片的數(shù)值，用以推測(cè)骨折端的受力情況。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 12.5 統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料t 檢驗(yàn)，用(x±s)表示計(jì)量資料，P ＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同載荷下骨折模型斷端位移量測(cè)試結(jié)果由專業(yè)軟件控制生物力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)模型施加不同載荷，并自動(dòng)得出骨折模型相對(duì)應(yīng)的位移量。結(jié)果見(jiàn)表1，圖2。

表1 不同載荷-位移測(cè)試表(mm)

圖2 抗壓試驗(yàn)載荷-位移曲線圖

2.2 不同載荷下骨折模型電阻應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果對(duì)骨折模型施加不同載荷，測(cè)試股骨大小粗隆兩側(cè)，骨折遠(yuǎn)近兩端電阻應(yīng)變片的相應(yīng)數(shù)值變化。結(jié)果見(jiàn)表2～7，圖3。

表2 100 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

表3 200 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

表4 300 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

表5 400 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

表6 500 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

表7 600 N壓力下大、小粗隆側(cè)骨折遠(yuǎn)近端應(yīng)變片數(shù)值（ε）

圖3 抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變直方圖

2.3 不同載荷下骨折模型電阻應(yīng)變片變化 測(cè)試股骨大小粗隆兩側(cè)，骨折遠(yuǎn)近兩端的相應(yīng)數(shù)值顯著（P＜0.01），6組應(yīng)變片數(shù)值差異明顯（見(jiàn)表8）。

3 討論

3.1 單臂外固定架治療骨折的穩(wěn)定性 股骨近端作為一個(gè)承受壓彎為主的結(jié)構(gòu)，在4 個(gè)不同側(cè)面上呈現(xiàn)不同的應(yīng)力分布，從而在骨的發(fā)育中以不同的幾何形式及密度分布。所以，要使斷端骨愈合后完全恢復(fù)肢體的正常功能，就要適應(yīng)其不同的生理應(yīng)力要求。這種內(nèi)外前后部位上不同的生理應(yīng)力，單純?cè)诖采瞎δ苠憻挓o(wú)法實(shí)現(xiàn)，還要通過(guò)下床進(jìn)行步行活動(dòng)而獲得。早期下床功能鍛煉，對(duì)于骨痂的改造和加強(qiáng)是極為重要的。

表8 100～600 N電阻應(yīng)變片相應(yīng)數(shù)值ε比較(x±s)

根據(jù)單臂外固定架治療粗隆間骨折模型的抗壓力學(xué)性能測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，該外固定系統(tǒng)在固定粗隆間骨折時(shí)，隨著載荷的不斷增加，骨折斷端的位移量呈現(xiàn)微小的變形。在300 N 的載荷下，骨折端的位移量為2.06 mm。在600 N的載荷下，其位移量為2.80 mm，其差額為0.76 mm。說(shuō)明骨折在外固定支架有效的作用力控制下，盡管載荷增長(zhǎng)的幅度較大，但是其位移的變化幅度微小，不會(huì)產(chǎn)生骨折端的明顯位移。故單臂外固定架在治療老年性粗隆間骨折的療效評(píng)估上，其抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)[3]，具備了使患者早期下地活動(dòng)的突出特點(diǎn)，其力學(xué)性能是安全可靠的。3.2 單臂外固定架固定對(duì)骨折愈合的影響 股骨近端內(nèi)部是以抗彎為主的骨小梁結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生骨折，將失去原有的骨小梁抗彎結(jié)構(gòu)，勢(shì)必造成一個(gè)以剪切力為中心的骨折移位傾向。近年來(lái)研究表明[4]，對(duì)于I 型骨折，股骨近端內(nèi)側(cè)為應(yīng)力集中部位。骨折面的應(yīng)力對(duì)骨折愈合非常重要，適當(dāng)?shù)墓钦勖鎵毫梢允箶喽丝繑n并獲得穩(wěn)定，還可以刺激骨折斷端生長(zhǎng)，加速骨折的愈合[5-6]。為了進(jìn)一步探討其生物力學(xué)規(guī)律性，我們采用了生物力學(xué)應(yīng)變貼試技術(shù)與電測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，選擇股骨大粗隆與小粗隆作為兩個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，各關(guān)鍵部位受力差異顯著。大量的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在大粗隆側(cè)骨折線的近端承受300 N 的載荷時(shí)，應(yīng)變片的值為（61.4±19.0）ε，遠(yuǎn)端應(yīng)變片的值為（283.4±26.0）ε。承受600 N 的載荷時(shí)，骨折線近端應(yīng)變片的值為（160.4±23.1）ε，遠(yuǎn)端應(yīng)變片的值為（658.8±44.0）ε。在小粗隆側(cè)，當(dāng)承受300 N 的載荷時(shí)，骨折線近端應(yīng)變片的值為（1575.4±368.4）ε，遠(yuǎn)端為（663.2±50.5）ε。當(dāng)承受600 N 的載荷時(shí)，骨折線近端應(yīng)變片的值為（1663.4±331.2）ε，遠(yuǎn)端為（679±50.5）ε。小粗隆側(cè)受力較大，但隨著壓力增大，受力增加幅度不大。通過(guò)生物力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，作者認(rèn)為，單臂外固定架固定骨折的生物力學(xué)作用原理在于其橋架于中立位，有效拮抗了剪應(yīng)力對(duì)于骨折愈合的不利影響，恢復(fù)并保持了股骨近端抗彎小梁承載的基本功能。

3.3 本研究的不足之處 臨床上粗隆間骨折的骨折線多不規(guī)則，本實(shí)驗(yàn)建立骨折模型時(shí)選擇了AO分型A1.1 型骨折，也可滿足研究要求。其次，本實(shí)驗(yàn)未考慮髖關(guān)節(jié)周圍韌帶及肌肉等軟組織對(duì)骨折固定后穩(wěn)定性的影響。另外，單臂外固定架是一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，具有較好的防旋性。為此，本課題組將在以后的研究中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

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（收稿：2012-12-06 修回：2013-04-10）