一種新型髕骨骨折內(nèi)固定裝置的生物力學特點

熊中偉，申慶民，趙太茂，趙文*

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 653000；2.北京航天總醫(yī)院骨科，北京 豐臺 100076)

臨床研究

一種新型髕骨骨折內(nèi)固定裝置的生物力學特點

熊中偉1，2，申慶民2，趙太茂2，趙文2*

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 653000；2.北京航天總醫(yī)院骨科，北京 豐臺 100076)

目的 探討一種以雙空心套筒替代傳統(tǒng)克氏針的新型髕骨骨折內(nèi)固定裝置的生物力學特點。方法 截取8具新鮮冰凍尸體正常膝關(guān)節(jié)標本16個，按均衡原則分兩組，每組8 例標本，建立同一標準的髕骨骨折創(chuàng)傷模型，同一標本左右髕骨骨折固定方式不同，分別以雙空心套筒鋼絲張力帶和改良AO克氏針鋼絲張力帶固定，測試不同方式固定下骨折斷端間壓力、反復(fù)伸曲運動時骨折間位移程度及內(nèi)固定損壞時內(nèi)固定承受的最大負載。結(jié)果 不同方式固定的兩組在屈膝90°和伸直位時骨折間壓力及疲勞試驗中骨折前緣和關(guān)節(jié)緣的分離移位差異有統(tǒng)計學意義，套筒組優(yōu)于克氏針組，但膝關(guān)節(jié)伸直位時骨折端前后方向位移無統(tǒng)計學差異。結(jié)論 雙空心套筒與改良AO鋼絲張力帶固定髕骨骨折相比較，前者更加符合滑動加壓的鋼絲張力帶固定原理，因而具備更好的穩(wěn)定性和抗疲勞性，生物力學優(yōu)勢明顯。

髕骨骨折；張力帶內(nèi)固定；雙空心套筒；生物力學

切開復(fù)位內(nèi)固定是治療移位型髕骨骨折的主要方法，而改良AO克氏針鋼絲張力帶則是內(nèi)固定的經(jīng)典方式，在臨床上取得了肯定的治療效果[1]。不過，臨床治療中克氏針鋼絲張力帶有內(nèi)固定相關(guān)性疼痛，克氏針移位及鋼絲脫掛失效，克氏針尾引起感染及需二次手術(shù)取出等諸多缺點和并發(fā)癥。因此，筆者設(shè)計了新型髕骨骨折內(nèi)固定器-雙空心套筒(見圖1)，用以替代克氏針結(jié)合鋼絲行張力帶固定髕骨骨折，由于雙套筒間的有效滑動能充分發(fā)揮張力帶的優(yōu)點，而鋼絲經(jīng)內(nèi)套筒穿過，避免了克氏針鋼絲張力帶中克氏針移位或鋼絲脫掛失效的可能，及克氏針尾鉤掛刺激軟組織引起疼痛感染等缺陷。現(xiàn)將其與改良AO克氏針鋼絲張力帶進行生物力學比較，了解其能否滿足固定髕骨骨折的要求。

圖1 雙空心套筒大體照

1 資料與方法

1.1 標本材料及制備 取8具新鮮冰凍尸體標本的16個膝關(guān)節(jié)，標本資料無膝關(guān)節(jié)病史，行X線片檢查，排除骨質(zhì)病變，并測量髕骨骨密度。從髕骨上20 cm截取下肢，保留髕韌帶，股四頭肌肌腱及膝關(guān)節(jié)囊，剔除脛骨平臺以上其余軟組織，保留肢體遠端完整。雙層塑料袋密封，-20°冰柜保存?zhèn)溆?。常溫下解凍，用擺鋸于冠狀面長軸中點將髕骨鋸斷，制成橫行髕骨骨折標準創(chuàng)傷模型。

1.2 器械介紹及使用方法 筆者于2010年研制出髕骨骨折雙空心套筒，由內(nèi)外相互套疊的兩枚中空套筒組成，外套筒外徑3.2 mm，內(nèi)徑2.7 mm，內(nèi)套筒外徑2.6 mm，內(nèi)徑1.5 mm，內(nèi)套筒遠端2.0 mm為錐狀設(shè)計，便于穿導(dǎo)。套筒長度26～50 mm不等，內(nèi)套筒比配套外套筒長1.0 mm，相鄰套筒長度相差2.0 mm。內(nèi)外套筒的一側(cè)為環(huán)形半球面的尾帽結(jié)構(gòu)，尾帽直徑為5.0 mm，厚度2.0 mm。將髕骨骨折復(fù)位，用Weber鉗鉗夾維持，用直徑3.5 mm鉆頭轉(zhuǎn)孔，測量孔深，選擇比測量值短2.0 mm的套筒，將外套筒經(jīng)孔近端穿入，再由遠端將內(nèi)套筒穿入外套筒內(nèi)。鋼絲穿過內(nèi)套筒繞過髕骨前側(cè)打結(jié)后形成張力帶固定(見圖2)，內(nèi)外套筒間可流暢滑動，通過張力帶鋼絲動態(tài)加壓。雙空心套筒的滑動套疊設(shè)計保證了張力帶動態(tài)加壓固定；中空鋼絲穿導(dǎo)避免了傳統(tǒng)克氏針張力帶鋼絲脫掛導(dǎo)致內(nèi)固定失效；遠近端尾帽厚度為2 mm，且為半球面設(shè)計及避免了對鋼絲的切割，也減少了對周圍組織的激惹。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗步驟設(shè)計 采用分組對照，將16個標本均衡分為兩組(隨機將4個標本的左膝和另4個標本的右膝分入套筒組，剩余進入克氏針組)。雙空心套筒組以雙空心套筒鋼絲張力帶固定，克氏針組以AO改良克氏針鋼絲張力帶固定(見圖2～3)。試驗分3步：先測量兩種固定骨折間壓力，再測膝關(guān)節(jié)0°～90°屈伸200個循環(huán)活動疲勞試驗后骨折間位移，最后將肢體固定屈膝60°，測量導(dǎo)致固定失效的最大負載。

1.3.2 外科技術(shù) 套筒組：在髕骨被制成橫行骨折前，將髕骨分成內(nèi)、中、外3份，先以直徑3.5 mm的鉆頭在內(nèi)外側(cè)1/3處近髕骨關(guān)節(jié)面中下1/3處鉆兩平行孔備用，再將髕骨于縱軸中點以擺鋸將其橫斷，制成標準橫行骨折創(chuàng)傷模型。將骨折復(fù)位，并測量孔深，選擇比孔深短2.0 mm的套筒，外套筒置于近端，內(nèi)套筒自遠端置入并套入外套筒中，從中穿過直徑1.0 mm鋼絲“8” 字固定(見圖2)。克氏針組：同上方法，將髕骨制成標準橫行骨折創(chuàng)傷模型后將骨折復(fù)位，用直徑2.5 mm的克氏針在內(nèi)外側(cè)1/3處近髕骨關(guān)節(jié)面的中下1/3鉆入固定，結(jié)合鋼絲行橫向雙節(jié)張力帶內(nèi)固定(見圖3)。

1.3.3 生物力學測試 第一步：在髕骨骨折面中心放置一枚微型Entran壓力傳感器，以相同扭力均勻擰緊鋼絲，記錄骨折間壓力。第二步：取出骨折間傳感器重新固定髕骨骨折，將膝關(guān)節(jié)股骨端固定于夾具，連于Instron10 000型試驗機，股四頭肌肌腱固定后經(jīng)鋼纜連于牽引裝置，于貼近骨折線的髕骨前方和側(cè)方貼關(guān)節(jié)面處骨折遠近端分別各垂直于髕骨長軸鉆入1枚細克氏針標記，要求前方和側(cè)方標記克氏針在垂直于骨折面的平面內(nèi)平行鉆入作為標記點，再于髕骨另一側(cè)鉆入2枚克氏針連接Micron tracker(MTC3.0)的兩個標記點，通過標記點確定所有標記針空間位置，動態(tài)監(jiān)測骨折間的位移(見圖4)。以1/6 Hz正弦波牽引股四頭肌肌腱，使膝關(guān)節(jié)做90°～0°的屈伸200個循環(huán)。如試驗中出現(xiàn)內(nèi)固定失效，記錄失效時的循環(huán)數(shù)，內(nèi)固定失效定義為骨折間分離移位大于2 mm或關(guān)節(jié)面階梯樣移位(即前后方向上位移)大于2 mm。第三步：將各固定鋼絲更換，重新擰緊，如上法固定于試驗機并維持屈膝60°，以2N/S的速度增加負載，直至固定失效，記錄最大負載。

圖2 雙空心套筒組以雙空心套筒鋼絲張力帶固定

圖3 克氏針組以克氏針鋼絲張力帶固定

2 結(jié) 果

以相同的扭力均勻擰緊鋼絲，測得骨折間壓力結(jié)果為套筒組在伸膝位和屈膝90°位均大于克氏針組(見表1)。在200個循環(huán)的疲勞試驗后，兩組均未出現(xiàn)內(nèi)固定失敗。除伸膝位骨折間臺階樣移位兩組無統(tǒng)計學差異，其余在屈膝90°位時，骨折間臺階樣移位套筒組小于克氏針組，骨折前緣和關(guān)節(jié)面緣的分離移位在伸膝位和屈膝90°位時，套筒組均小于克氏針組(見表2)。最后，屈膝60°位致內(nèi)固定失敗的最大負載中，引起套筒組固定失敗的負載大于克氏針組(見表3)。

圖4 Instron試驗機行髕骨骨折內(nèi)固定后生物力學測試

表1 兩組固定后髕骨骨折間壓力

3 討 論

髕骨骨折的致傷原因分直接暴力和間接暴力，受力的形式?jīng)Q定骨折的類型。直接受力所致的骨折50%以上沒有移位，伸膝裝置完整，往往不需手術(shù)重建；而間接暴力則引起橫行骨折，上下極骨折，常伴有明顯的分離移位，伸膝結(jié)構(gòu)中斷，需手術(shù)復(fù)位固定骨折，重建伸膝結(jié)構(gòu)[2]。髕骨加長了伸膝力臂的30%，重建髕骨恢復(fù)伸膝結(jié)構(gòu)對伸膝力量至關(guān)重要。間接暴力引起的髕骨骨折與其三點折彎受力機制有關(guān)，對其重建固定也應(yīng)考慮這一機制，髕骨骨折的張力帶固定充分體現(xiàn)了這一點。張力帶固定的原理在于：骨折兩端骨塊能沿固定軸滑動，將骨折兩端的牽拉應(yīng)力和折彎應(yīng)力轉(zhuǎn)換為軸向的壓應(yīng)力，從而使固定更加穩(wěn)定并刺激骨折愈合。

表2 兩組在膝關(guān)節(jié)屈伸活動疲勞試驗后髕骨骨折間位移

表3 兩組固定在膝關(guān)節(jié)屈曲60°時內(nèi)固定失效前承受的最大負載

改良AO克氏針鋼絲張力帶是臨床上治療髕骨骨折內(nèi)固定的經(jīng)典方式，治療效果肯定。改良AO張力帶中克氏針扮演了重要角色，相對于Lotke和Magnusson等傳統(tǒng)鋼絲張力帶，它增加了其線性剛度，增強了對抗折彎受力的能力。但在長期的使用中，改良AO張力帶也暴露出了諸多缺點和并發(fā)癥，尤其是和克氏針相關(guān)的并發(fā)癥，如克氏針松動、滑脫，鋼絲脫掛，引起內(nèi)固定失效，延遲愈合，骨折不愈合，關(guān)節(jié)功能障礙；此外克氏針尾激惹軟組織引起的疼痛、感染，術(shù)后需二次手術(shù)取除內(nèi)固定等問題也影響其使用[3]。本研究使用雙空心套筒替代克氏針，從設(shè)計上回避了克氏針鋼絲張力帶的以上缺點。并且套筒的直徑更大，既不易被折彎，也能有效減少屈伸膝時對骨質(zhì)的切割，從而很好的防止內(nèi)固定的松動及關(guān)節(jié)面的分離移位。AO張力帶要求把克氏針固定于髕骨的下1/3的軟骨下骨內(nèi)，這樣增加了克氏針的穩(wěn)定性，但也導(dǎo)致骨塊很難沿其滑動。雙套筒固定內(nèi)外套筒接觸面之間光滑，且有縫隙，能良好滑動，動態(tài)加壓，將伸屈膝時兩端骨折塊承受的牽張及折彎受力轉(zhuǎn)化為骨折端的壓應(yīng)力，有利骨折生長。克氏針張力帶鋼絲固定髕骨骨折，在不斷屈伸膝活動后，鋼絲會切割骨質(zhì)，對于骨質(zhì)疏松患者更為嚴重，容易導(dǎo)致鋼絲松弛，固定失效。而由雙套筒組成的張力帶鋼絲對尾帽加壓使骨折塊滑動大大減少了對骨質(zhì)的切割。目前文獻報道的聚髕器[4]、空心釘結(jié)合鋼絲[5]、各種鋼板[6-8]及微型固定針[9]等新型內(nèi)固定器具有更高的初始穩(wěn)定性等優(yōu)點，能良好固定髕骨骨折，替代改良AO張力帶，避免克氏針張力帶的并發(fā)癥。但以上一些固定不具備動態(tài)加壓能力，在增快骨折的愈合方面不具備優(yōu)勢。其次髕前軟組織菲薄，且外傷時多已嚴重損傷，聚髕器[10]及各種鋼板對軟組織條件要求相對更高，易引起髕前軟組織問題。本研究證實雙套筒設(shè)計避免了現(xiàn)行AO張力帶固定髕骨骨折的穩(wěn)定性差的缺點，充分發(fā)揮其活動加壓的優(yōu)勢。

由于雙空心套筒的設(shè)計特點，它只能和鋼絲組成環(huán)形、水平“8”字和雙縱向平行環(huán)張力帶。John等[11]和Rabalais等[12]分別指出橫向“8”字和雙縱向平行環(huán)張力帶有比目前臨床常用的縱向“8”張力帶具有更高的生物力學穩(wěn)定性，而本研究從上述兩種固定方式中選用了雙節(jié)橫向“8”字張力帶。本研究中發(fā)現(xiàn)雙空心套筒鋼絲張力帶擁有比改良AO張力帶固定髕骨骨折具有更大的骨折間壓應(yīng)力，將有利于刺激骨折生長；疲勞試驗后骨折間位移更小，說明該固定方式具有更好的抗疲勞性，能承受的負載更高也說明其固定穩(wěn)定性更高。

綜上所述，雙空心套筒鋼絲張力帶固定髕骨骨折具有生物力學優(yōu)勢，能夠滿足固定髕骨骨折生物力學要求，并在設(shè)計上很好的回避了AO改良張力帶鋼絲容易引起并發(fā)癥的一些缺點。遺憾的是本研究限于尸體標本試驗，需進一步臨床驗證。

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A New Internal Fixation of Patella Fractures：a Biomechanical Investigation

Xiong Zhongwei1,2，Shen Qingmin2，Zhao Taimao2，etal

(1.Zunyi Medical University，Zunyi 653000，China；2.Department of Orthopaedics，Astronautics General Hospital of Benjing，Beijing 100076，China)

Objective To compare the biomechanical properties of tension bands made up with wires and k-wires and double hollow sleeves in internal fixation of patella fractures.Methods Sixteen cadaveric knees were divided to 2 transverse patella fracture fixation groups：tension bands of wires combined with Kirschner wires or double hollow sleeves.Biomechanical stability were tested by fracture gaps after the repetitive testing of 200th cycles knee motion from 90°flexion to full extension and interfragmentary compression as well as the biggest loads.Results Interfragmentary compression and the biggest loads of double hollow sleeves group were bigger than the Kirschner wires group.Fracture gaps of double hollow sleeves group were smaller.Conclusion In contrast to modified anterior tension wiring with Kirschner wires，tension bands of wires combined with double hollow sleeves is a better fixation device to stabilize transverse patella fractures securely and sustainably.

patellar fracture；tension-band；double hollow sleeves；biomechanics

北京市豐臺區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)科研項目(2012-16)；發(fā)明專利(201020575985.8)；*本文通訊作者：趙文

1008-5572(2015)01-0041-04

R683.42

B

2014-09-30

熊中偉(1981- )，男，主任醫(yī)師，遵義醫(yī)學院，653000。