Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折2種內(nèi)固定方法的生物力學(xué)對(duì)比研究

醫(yī)院醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，從事創(chuàng)傷骨科疾病診治研究。

Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折2種內(nèi)固定方法的生物力學(xué)對(duì)比研究

魯健，任棟，王鵬程*

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

[摘要]目的比較2種不同內(nèi)固定方式治療Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折的生物力學(xué)性能。方法收集8對(duì)完整的成人防腐下肢標(biāo)本依照預(yù)先設(shè)計(jì)的方法制作Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折模型，將8對(duì)骨骼標(biāo)本采用隨機(jī)數(shù)字表法分成A(A1、A2)、B(B1、B2)組，A組采用3枚“竹筏式”拉力螺釘(3.5 mm)結(jié)合高爾夫接骨板固定，B組采用3.5 mm脛骨外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板固定。采用直徑1.5 cm的鋼球作為施壓模具對(duì)A1、B1組進(jìn)行局部垂直加載力學(xué)試驗(yàn)，記錄塌陷骨折塊垂直位移2 mm時(shí)的載荷；采用同一防腐尸標(biāo)本的股骨遠(yuǎn)端對(duì)A2、B2組進(jìn)行垂直加載力學(xué)試驗(yàn)，記錄載荷為400、800、1 200、1 600 N時(shí)劈裂骨塊的垂直位移以及最大失效載荷。結(jié)果在塌陷骨塊位移到達(dá)2 mm時(shí)，A1、B1組載荷差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；在載荷為400、800、1 200 N下，A2、B2組位移差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；在載荷 為1 600 N下，A2組劈裂骨塊的垂直位移為(0.955±0.099) mm，B2組為(1.139±0.125) mm，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；劈裂骨塊移位達(dá)到2 mm時(shí)的失效載荷：A2組為(3 164.000±76.315) N，B2組為(2 853.000±98.297) N，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。結(jié)論“竹筏式”拉力螺釘輔以高爾夫接骨板固定SchatzkerⅡ型脛骨平臺(tái)骨折經(jīng)過力學(xué)研究證實(shí)具有良好的支撐關(guān)節(jié)面和抗軸向壓縮能力，較外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板固定更具力學(xué)穩(wěn)定性。

[關(guān)鍵詞]脛骨骨折；內(nèi)固定器；生物力學(xué)doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2015.10.010

[收稿日期]2015-03-09；[修回日期]2015-04-22

[作者簡介]河北省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究重點(diǎn)課題(13277735D)

[作者簡介]魯健(1986-)，男，四川瀘州人，河北醫(yī)科大學(xué)第三

通訊作者*。E-mail：pengchengwang999@163.com

[中圖分類號(hào)]R683.42[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Biomechanical comparison research of two internal fixation

methods for SchatzkerⅡtibial plateau fractures

LU Jian，REN Dong,WANG Peng-cheng*

(Department of Trauma Emergency Center,the Third Hospital of Hebei Medical University,

Key Laboratory of Biomechanics of Hebei Province,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract[] ObjectiveTo discuss the biomechanical characteristics of Schatzker Ⅱ tibial plateau fracture using two types of internal fixation.MethodsThe Schatzker Ⅱ tibial plateau fracture models were created in eight pairs of adult corpse lower extremity specimens and randomly assigned into A(A1,A2),B(B1,B2) groups.Group A was fixed with 3.5 mm raft-lag screws plus golf plate；group B was fixed with 3.5 mm lateral anatomic locking plate.A steel ball(D=1.5 cm) was adopted to conduct a vertical loading on the collapse area of group A1 and B1,the loads were recorded when the displacement was 2 mm;The far end of the femur from the same corpse was adopted to conduct a vertical loading on the tibia plateau of group A2 and B2.Vertical displacements of the lateral fragments and failure loads were measured under axial loads from 400 N to 1600 N.ResultsWhen the displacement of the collapse area was 2 mm,the loads showed no significant difference in group A1 and B1(P>0.05).The displacements showed no significant difference in group A2 and B2 under the loads of 400 N，800 N and 1200 N.Under the load of 1 600 N(P>0.05),the displacements of group A2 and B2 were respectively(0.955±0.099) mm,(1.139±0.125) mm,the difference turned out significance(P<0.05),When vertical displacement of 2 mm was the system failure standard,the loads of group A2 and B2 were respectively(3 164.000±76.315 ) N,(2 853.000±98.297 ) N,the difference was significant(P<0.01).ConclusionThrough biomechanical tests,it is demonstrated that 3.5 mm raft-lag screws plus golf plate used to fix SchatzkerⅡtibial plateau fractures is secure,the capacity of sustaining articular surface and axial compression resistance is superior.Compared with the lateral anatomic locking plate,the biomechanical stability is better.

[Key words]tibial fractures；internal fixators；biomechanics

Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折屬于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，主要是彎曲力和剪切力共同作用的結(jié)果。這類骨折多見于年齡偏大的患者(平均超過50歲)，而且有不同程度的骨質(zhì)疏松，隨著人口老齡化的發(fā)展，發(fā)生率可能還會(huì)增加[1]。對(duì)于脛骨平臺(tái)外髁劈裂壓縮骨折，眾多學(xué)者提出了不同的治療方法，手術(shù)治療方法主要有間接復(fù)位固定、切開復(fù)位螺釘內(nèi)固定、外側(cè)“L”鋼板固定、拉力螺釘加解剖“L”型或高爾夫接骨板固定，還包括近年來出現(xiàn)的關(guān)節(jié)鏡下微創(chuàng)治療、可注射型人工骨結(jié)合支持鋼板、外側(cè)鎖定鋼板、微創(chuàng)內(nèi)固定系統(tǒng)(less invasive stabilization system，LISS)等[2-5]。然而真正合理的選擇仍然充滿爭議。本研究選用“竹筏式”拉力螺釘輔以高爾夫接骨板固定與外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板固定這2種方法在國人膝關(guān)節(jié)標(biāo)本上行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以了解其生物學(xué)的穩(wěn)定性，從而獲得該類型骨折的最佳固定方式，旨在為臨床治療選擇提供理論依據(jù)。

1資料與方法

1.1標(biāo)本和設(shè)備8對(duì)完整的成人防腐下肢標(biāo)本(河北醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供)，拉力螺釘(3.5 mm，短螺紋松質(zhì)骨釘)、外側(cè)高爾夫鋼板、外側(cè)解剖鎖定板(3.5 mm，L形板)(山東威高集團(tuán)醫(yī)用高分子制品股份有限公司)，CSS.44020生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、YJY-17型引伸計(jì)(長春市智能儀器設(shè)備研究所)，Osteocore 3-EXA型骨密度儀(Medileink，Inc，ERA)，GE數(shù)字X線攝像機(jī)，克氏針，手術(shù)刀，電鉆，骨鋸。

1.2方法

1.2.1標(biāo)本制備收集對(duì)完整的成人防腐下肢標(biāo)本，采用X線攝片除外標(biāo)本的骨折、腫瘤、畸形、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松等病理情況。采用隨機(jī)數(shù)字表法分成A(A1、A2)、B(B1、B2)2組，每組40例。用Osteocore 3-EXA型骨密度儀對(duì)標(biāo)本干骺端行骨密度檢測(cè)，2組標(biāo)本的骨密度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。將所有防腐尸標(biāo)本分別由膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上方10 cm處離斷，盡量剔除皮膚、皮下、肌肉等軟組織及腓骨，只保留股骨及脛骨。標(biāo)本不使用時(shí)，先用生理鹽水浸泡30 min，雙層塑料保鮮膜密封后置于-20 ℃冷凍冰柜中保存，在實(shí)驗(yàn)前12 h將標(biāo)本取出，室溫下自然消融。

1.2.2建立模型參考Karunakar等[6]造模的方法 在外側(cè)脛骨平臺(tái)最易塌陷的區(qū)域造模，使用鋼尺測(cè)量13 mm×20 mm大小范圍，使用擺鋸將塌陷邊緣鋸至2 cm深，標(biāo)記脛骨平臺(tái)外側(cè)髁間棘頂點(diǎn)及脛骨平臺(tái)外側(cè)緣頂點(diǎn)，于兩點(diǎn)連線的內(nèi)1/3點(diǎn)作一垂線，即劈裂骨塊在關(guān)節(jié)面的骨折線，用擺鋸沿該線傾斜25 °向外下切割造成劈裂骨折；使用CSS.44020生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)探頭加壓塌陷范圍直至垂直塌陷距離達(dá)到5 mm，此即典型的Schatzker Ⅱ型劈裂壓縮型脛骨平臺(tái)骨折模型(AO/OTA41-B3)(圖1)。

1.2.3骨折模型的固定A組采用3枚“竹筏式”拉力螺釘(3.5 mm)結(jié)合高爾夫接骨板固定，B組采用3.5 mm脛骨外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板固定(圖2)。具體方法：首先用骨膜起子將塌陷的關(guān)節(jié)面整體頂起復(fù)位，缺損處取標(biāo)本的自體骨植骨，復(fù)位劈裂骨塊，克氏針臨時(shí)固定。A組的3枚拉力螺釘距離軟骨下骨5 mm處平行于關(guān)節(jié)面置入，螺釘之間亦盡量保持平行，均穿透雙側(cè)皮質(zhì)并適度加壓；高爾夫鋼板不敷貼者進(jìn)行預(yù)彎，近端置入1枚6.5 mm松質(zhì)釘，骨折線以遠(yuǎn)置入3枚4.5 mm皮質(zhì)骨釘。B組外側(cè)解剖鎖定板上緣距關(guān)節(jié)面3 mm處放置，近端水平置入4枚3.5 mm鎖釘，骨折線以遠(yuǎn)置入3枚3.5 mm鎖釘。所有骨折模型同定均由同一名骨科醫(yī)生按標(biāo)準(zhǔn)操作程序完成以保證解剖復(fù)位及內(nèi)固定的準(zhǔn)確置入。

1.2.4生物力學(xué)檢測(cè)所有的脛骨平臺(tái)標(biāo)本遠(yuǎn)端使用牙托粉填充固定夾具中，保證脛骨平臺(tái)平面處于水平位置,然后固定于生物力學(xué)機(jī)上。其中A1、B1組采用局部垂直加載力學(xué)試驗(yàn)，A2、B2組采用股骨髁垂直加載力學(xué)試驗(yàn)，所有標(biāo)本每次加壓測(cè)試前先軸向預(yù)載100 N 3次，以降低標(biāo)本蠕變效應(yīng)的影響；采用軸向連續(xù)加壓的方式，載荷加載速度為1 mm/min。A1、B1組采用直徑1.5 cm的鋼球作為施壓模具作用于脛骨平臺(tái)塌陷區(qū)域，自施壓開始記錄的位移；記錄A1、B1組塌陷骨折塊垂直位移2 mm時(shí)的載荷。A2、B2組將同一標(biāo)本股骨遠(yuǎn)端作為施壓模具，模擬膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)進(jìn)行軸向載荷加壓測(cè)試(圖3)。正常步態(tài)下外側(cè)脛骨平臺(tái)承受的載荷略高于1個(gè)人的總體質(zhì)量，且主動(dòng)功能鍛煉時(shí)膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力約為正常人質(zhì)量的1.3倍，約1 000 N，使用YJY-17型引伸計(jì)分別記錄載荷為400、800、1 200、1 600 N時(shí)劈裂骨塊的垂直位移以及骨塊位移達(dá)至2 mm時(shí)的失效載荷[4]。生物力學(xué)檢測(cè)過程中保持實(shí)驗(yàn)室環(huán)境穩(wěn)定：溫度為26 ℃，濕度為55%。

圖1Schatzker Ⅱ型劈裂壓縮型脛骨平臺(tái)骨折模型

Figure 1Schatzker Ⅱ tibial plateau fracture models

圖22種內(nèi)固定方法

A.“竹筏式”拉力螺釘(3.5 mm)結(jié)合高爾夫鋼板;B.外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板

Figure 2Two fixation methods

圖32種力學(xué)加載試驗(yàn)

A.局部垂直加載力學(xué)試驗(yàn);B.股骨髁垂直加載力學(xué)試驗(yàn)

Figure 3Two kinds of mechanical loading test

2結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)本與夾具之間無松動(dòng)，標(biāo)本其他部位無骨折；鋼板和螺釘未出現(xiàn)松動(dòng)及斷裂。在塌陷骨塊位移到達(dá)2 mm時(shí)，A1組載荷為(178.25±21.08) N，B1組載荷為(175.25±14.73) N，其差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.690，P>0.05)。在載荷為400、800、1 200 N下，A2、B2組間位移差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；在載荷為1 600 N下2組間位移差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。劈裂骨塊移位至2 mm時(shí)的失效載荷，2組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。見表1。

表1不同內(nèi)固定方式在不同載荷下劈裂骨塊垂直位移和最大失效載荷

Table 1The vertical displacements of lateral fragments under four different axial load and average failure load of two groups

組別垂直位移(mm)40080012001600最大失效載荷(N)A20.155±0.0540.295±0.0140.559±0.0500.955±0.0993164.000±76.315B20.154±0.0610.299±0.0130.570±0.0561.139±0.1252853.000±98.297t1.1271.5502.5804.85610.678P0.3420.2190.0810.0170.002

3討論

脛骨平臺(tái)骨折屬于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，治療方法選擇不當(dāng)或不及時(shí)容易導(dǎo)致患者遺留肢體功能障礙，嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量[7]；其治療應(yīng)當(dāng)遵循關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的基本治療原則，脛骨平臺(tái)骨折的治療目標(biāo)，即關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位、恢復(fù)正常力線、保證關(guān)節(jié)的穩(wěn)定、軟組織的充分愈合、理想的功能活動(dòng)范圍及盡量避免創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。當(dāng)前治療理念已轉(zhuǎn)向生物學(xué)固定：有限切開，盡量保護(hù)關(guān)節(jié)周圍軟組織，減少對(duì)血運(yùn)的再破壞，有效而牢固固定，早期功能鍛煉。在外側(cè)脛骨平臺(tái)的骨折中，最常見的類型就是劈裂壓縮骨折(即Schatzker Ⅱ型/OTA/AO 41-B3)，占所有外側(cè)髁骨折的50%～84%。對(duì)于脛骨平臺(tái)外側(cè)髁劈裂壓縮骨折，眾多學(xué)者提出了不同的的治療方法，當(dāng)前公認(rèn)的治療方法是切開復(fù)位植骨，鋼板螺釘內(nèi)固定，然而其理想方案的選擇一直存在爭議,并且外科醫(yī)生還要考慮其他諸多因素，如相比骨質(zhì)好的年輕人，骨質(zhì)疏松的患者需要更堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定。Koval等[8]最早嘗試間接復(fù)位固定的方法治療外側(cè)脛骨平臺(tái)劈裂壓縮骨折，間接復(fù)位的技術(shù)包括韌帶整復(fù)和經(jīng)皮撬撥復(fù)位，通過這種方法可以有效地復(fù)位劈裂骨塊，然而對(duì)關(guān)節(jié)面壓縮骨塊的復(fù)位不佳，因此指出切開復(fù)位是治療脛骨平臺(tái)塌陷關(guān)節(jié)面的更可靠方法。劉偉等[5]對(duì)23例伴劈裂骨塊壓縮的脛骨骨折平臺(tái)塌陷骨折患者采用切開復(fù)位植骨、拉力螺釘加解剖“L”型或高爾夫接骨板固定，術(shù)后按照Holh和Luck膝關(guān)節(jié)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)功能，優(yōu)良率達(dá)91.3%。近年來普通鎖定鋼板逐漸用于脛骨平臺(tái)骨折的治療，它的優(yōu)點(diǎn)在于鋼板與骨膜之間不產(chǎn)生加壓作用，充分保護(hù)骨折部位血供，鎖定鋼板固定的穩(wěn)定度高，相比傳統(tǒng)鋼板，多適用于骨質(zhì)疏松性骨折和嚴(yán)重粉碎性骨折的治療。但在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)一些與自身設(shè)計(jì)和臨床操作有關(guān)的并發(fā)癥，如對(duì)位不良、復(fù)位丟失、軟組織刺激等，并且鎖定螺釘?shù)娜脶敺较蚴菄?yán)格定向的，輕度偏差就會(huì)使鎖定失效，而且不能按骨折情況來調(diào)整螺釘?shù)姆较颉?/p>

對(duì)于外側(cè)劈裂壓縮骨折，相關(guān)的力學(xué)研究報(bào)道較少[4]，Koval等[8]在Schatzker Ⅰ型脛骨平臺(tái)骨折模型上比較了3種內(nèi)固定的力學(xué)穩(wěn)定性：3枚6.5 mm松質(zhì)拉力釘、2枚6.5 mm松質(zhì)拉力釘加1枚4.5 mm皮質(zhì)拉力釘、6孔“L”型支撐鋼板，所有拉力釘均加用墊片，研究發(fā)現(xiàn)三者之間沒有明顯區(qū)別，鋼板固定組僅增加了細(xì)微的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)鋼板相比，“竹筏式”鋼板在固定劈裂骨塊方面具有同樣的穩(wěn)定性，在支撐塌陷關(guān)節(jié)面方面可能更具優(yōu)勢(shì)。Karunakar等[6]通過局部軸向加壓試驗(yàn)比較指出，在維持脛骨平臺(tái)局部塌陷骨塊方面，3.5 mm的“竹筏式”抗滑鋼板(近端平行關(guān)節(jié)面置入4枚3.5 mm螺釘)較6.5 mm的普通支撐鋼板(近端平行關(guān)節(jié)面置入2枚6.5 mm螺釘)更具有力學(xué)優(yōu)勢(shì)。近年來多集中報(bào)道外側(cè)及后外側(cè)單純劈裂骨折。對(duì)于螺釘?shù)闹萌敕较?，國?nèi)張亞軍等[9]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于斜行劈裂的脛骨平臺(tái)骨折，垂直骨折線固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性并不優(yōu)于平行關(guān)節(jié)面固定組，并且平行固定組的參考值較大，建議臨床上采用平行關(guān)節(jié)面的方式固定。

總之，對(duì)于Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多有效的治療方法且取得很好效果，然而關(guān)于其合理性仍然存在爭議，而且大多限于臨床技術(shù)報(bào)道，缺乏有效的生物力學(xué)證據(jù)。本研究根據(jù)Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折形態(tài)學(xué)特征建立相應(yīng)的骨折模型，在同等客觀條件下通過對(duì)2種內(nèi)固定方式抗載荷的生物力學(xué)性能進(jìn)行比較，證實(shí)對(duì)于Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折，“竹筏式”拉力螺釘輔以高爾夫接骨板固定與外側(cè)解剖鎖定“L”型鋼板固定在支撐關(guān)節(jié)面上具有同樣的效果，且在固定外側(cè)劈裂骨塊上更具有力學(xué)優(yōu)勢(shì)。此外，還有自身的優(yōu)勢(shì)：①螺釘?shù)臄?shù)量、方向與位置可以根據(jù)骨折的大小、形態(tài)做相應(yīng)的調(diào)整；②不同個(gè)體脛骨近端形態(tài)各異、高爾夫接骨板可以塑形，更加敷貼，利于術(shù)者操作，使得固定更加穩(wěn)固。本研究尚存在不足之處：所設(shè)計(jì)的Schatzker Ⅱ型脛骨平臺(tái)骨折是一個(gè)理想模型且為簡單骨折，復(fù)位也是完全解剖復(fù)位，這與復(fù)雜多變的臨床情況不相一致；標(biāo)本數(shù)量較少，未采用生鮮標(biāo)本，沒有考慮軟組織因素等。

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(本文編輯：劉斯靜)