環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋的生物力學研究

鄭貴雄，鐘宏

(北海市人民醫(yī)院胸心外科，廣西北海536000)

環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋的生物力學研究

鄭貴雄，鐘宏

(北海市人民醫(yī)院胸心外科，廣西北海536000)

目的對環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋的生物力學進行評價。方法將新鮮冷凍的15對豬平行肋骨建立斷肋模型后，一半采用多孔鋼板加螺絲固定，設(shè)為多孔鋼板加螺絲固定組，另一半采用環(huán)抱式肋骨接骨器固定，設(shè)為環(huán)抱式肋骨接骨器固定組，分別進行三點彎曲試驗、扭轉(zhuǎn)試驗與疲勞試驗，觀察兩組試驗結(jié)果。結(jié)果三點彎曲試驗中位移2 mm、4 mm、6 mm三個時間點多孔鋼板組的施力大小顯著大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，組間比較差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)；扭轉(zhuǎn)10°時多孔鋼板組扭轉(zhuǎn)力大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)；扭轉(zhuǎn)20°、30°、40°時兩組扭轉(zhuǎn)力大小比較差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，組間比較差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。結(jié)論環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋的生物力學指標整體上較多孔鋼板更優(yōu)，建議在臨床進一步推廣應(yīng)用。

環(huán)抱式肋骨接骨器；醫(yī)源性斷肋；生物力學

在開胸手術(shù)中開胸器的應(yīng)用可以幫助術(shù)者獲得良好的手術(shù)顯露，但若操作手速過快或用力過猛，肋骨則可因驟然過度撐開而發(fā)生折斷；另一種情況也是基于手術(shù)顯露的需要，術(shù)者可能對肋骨進行主動切斷或切除處理。我們將以上情況所造成的肋骨骨折定義為醫(yī)源性斷肋。就臨床對醫(yī)源性斷肋的處理方法來看，既往通常采用鋼絲或鋼板給予固定，或是視情況給予保守治療，但均存在不足之處[1]。近年來，我院對臨床發(fā)生的醫(yī)源性斷肋患者采用環(huán)抱式肋骨接骨器進行內(nèi)固定處理，取得了頗令人滿意的效果[2-3]。而本研究則主要對此種處理方法的生物力學情況進行了進一步考察，并與多孔鋼板固定的效果進行了對照，以期為環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋提供更為豐富的理論支持，現(xiàn)報道如下：

1 材料與方法

1.1 材料標本選取30根(15對)新鮮冷凍的豬肋骨作為本研究材料標本，所有標本均取自體重與形態(tài)均盡量接近的成年公豬，并在寬度與厚度等形態(tài)學指標方面最大程度保持與人體5～8肋接近。排除標準：合并外傷、畸形、腫瘤以及已發(fā)生明顯退變者。將肋骨上的肌肉干凈剃除后冷凍備用。

1.2 儀器與工具①環(huán)抱式肋骨接骨器(蘭州西脈記憶合金股份有限公司)；②Electroforce 3520-AT型生物力學實驗機(美國Bose公司)；③3.5 mm重建多孔鋼板與螺絲(天津希翼恒遠)；④自制肋骨夾具；⑤Ⅱ型義齒基牙托粉與自凝牙托水(昆山市大進齒科材料有限公司)；⑥電鉆與擺鋸。

1.3 方法將15對平行肋骨隨機分為3份，每份含5對平行肋骨。試驗前6 h將冷凍肋骨標本取出并于室溫下消融，接著對每份肋骨建立斷肋模型，于骨折易發(fā)部位的肋體處采用擺鋸進行人為橫斷，斷肋模型建立后對每份中的平行肋骨分別采用多孔鋼板加螺絲固定(多孔鋼板組)與環(huán)抱式肋骨接骨器固定(環(huán)抱式肋骨接骨器組)，最后兩組分別開展三點彎曲試驗、扭轉(zhuǎn)試驗與疲勞試驗，具體方法如下：

1.3.1 三點彎曲試驗設(shè)置肋骨標本跨度為100 mm，位移速率4 mm/min，將壓力裝置連接到生物力學試驗機，將傳感器連接到計算機，將受力點定位于骨折線中心位置，一切準備就緒后開始試驗，在位移過程中電腦全程記錄各位移點的施力大小，本研究共選取位移2 mm、4 mm、6 mm三個時間點的數(shù)據(jù)來評估兩種固定方法的抗彎曲力水平，見圖1a、1b。

1.3.2 扭轉(zhuǎn)試驗截取肋骨兩端并采用Ⅱ型義齒基牙托粉將其分別固定于自制模具當中，接著將模具與生物力學試驗機連接，保持固定兩端與肋骨保持同一垂線位置，調(diào)節(jié)好計算機參數(shù)后及進行試驗，在上端施以扭轉(zhuǎn)荷載以扭轉(zhuǎn)肋骨，扭轉(zhuǎn)速率為10°/min，在扭轉(zhuǎn)過程中電腦全程記錄各扭轉(zhuǎn)角度的施力大小，本研究共選取扭轉(zhuǎn)10°、20°、30°、40°四個時間點的數(shù)據(jù)來評估兩種固定方法的抗扭轉(zhuǎn)力水平。見圖1c、1d。

1.3.3 疲勞試驗將Ⅱ型義齒基自凝牙托粉倒入兩端肋骨夾具中以制得固定物，待其凝固后將約2 cm的克氏針插入夾具中心，外留長度約1 cm并將其插入肋骨一端以達到固定肋骨的效果。接著將肋骨夾具與生物力學試驗機壓力裝置相連接。向肋骨施以2N/Hz的負載力直至肋骨剛度趨于穩(wěn)定(通常發(fā)生于循環(huán)施力1 000次以后)，此時設(shè)置計算機參數(shù)計算出的剛度值為初始剛度，之后再將施力循環(huán)次數(shù)增加到5 0000次以完成疲勞試驗(該過程等效于人以18次/min的頻率連續(xù)進行48 h的深呼吸)，此時計算出的剛度值為最終剛度，同時計算前后的剛度變化值，見圖1e、1f。

1.4 統(tǒng)計學方法采用SPSS19.0統(tǒng)計學軟件包對本次結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理分析，所測得的數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標準差(±s)表示，其中三點彎曲試驗與扭轉(zhuǎn)試驗采用兩獨立樣本t檢驗，疲勞試驗采用配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

圖1 醫(yī)源性斷肋模型的生物力學水平測試圖示

2 結(jié)果

2.1 三點彎曲試驗結(jié)果位移植2 mm、4 mm、6 mm三個時間點多孔鋼板組的施力大小顯著大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，組間比較差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，見表1。

2.2 扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果扭轉(zhuǎn)試驗中扭轉(zhuǎn)10°時多孔鋼板組扭轉(zhuǎn)力大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)；扭轉(zhuǎn)20°、30°、40°時兩組扭轉(zhuǎn)力大小比較差異統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見表2。

2.3 疲勞試驗結(jié)果環(huán)抱式肋骨接骨器組與多孔鋼板組的初始剛度比較差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，疲勞試驗后各組剛度均降低(P＜0.05)，多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，組間比較差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，見表3。

表1 醫(yī)源性斷肋模型的三點彎曲試驗結(jié)果（N，±s）

表1 醫(yī)源性斷肋模型的三點彎曲試驗結(jié)果（N，±s）

組別平行肋骨位移值試驗數(shù)2 mm4 mm 6 mm環(huán)抱式肋骨接骨器組513.12±8.0741.74±38.16122.08±65.49多孔鋼板組582.95±56.23163.94±78.52236.25±106.64 t值2.8743.2862.974 P值0.0330.0090.024

表2 醫(yī)源性斷肋模型的扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果(N，±s)

表2 醫(yī)源性斷肋模型的扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果(N，±s)

組別平行肋骨試驗數(shù)扭轉(zhuǎn)角度環(huán)抱式肋骨接骨器組多孔鋼板組t值P值5 5 10° 5.38±0.65 9.06±0.52 5.284 0.036 20° 10.31±4.54 10.98±13.33 0.065 0.957 30° 15.76±12.28 17.63±11.37 0.182 0.872 40° 13.12±6.03 14.34±5.86 0.205 0.901

表3 醫(yī)源性斷肋模型的疲勞試驗結(jié)果(N/m，±s)

表3 醫(yī)源性斷肋模型的疲勞試驗結(jié)果(N/m，±s)

組別環(huán)抱式肋骨接骨器組多孔鋼板組t值P值平行肋骨試驗數(shù)5 5初始剛度13.32±1.71 13.65±0.35 0.194 0.802最終剛度10.56±1.81 9.73±0.53 0.154 0.897剛度變化值2.76±0.11 3.92±0.20 3.862 0.036 t值7.367 6.038 P值0.015 0.023

3 討論

早期臨床對斷肋的處理多采用鋼絲或克氏針等，但常有肋骨固定不穩(wěn)固及術(shù)后斷肋位移需要二次手術(shù)的報道[4-5]。而且術(shù)后隨訪顯示，患者胸痛持續(xù)時間較長，并影響到患者主動咳嗽排痰的深度與力度。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，新型手術(shù)材料不斷應(yīng)用于臨床，各類鋼板代替鋼絲或克氏針作為斷肋的內(nèi)固定材料，在一定程度上解決了斷肋不穩(wěn)固的問題，但采用鋼板固定術(shù)中需進行更為廣泛的骨膜剝離，不僅加大了創(chuàng)傷，手術(shù)和麻醉時間均會延長，增加了手術(shù)風險，而且延長了斷肋的愈合時間[6]。鑒于此，探索并確立一種更為可靠的醫(yī)源性斷肋固定方法是骨科臨床亟待攻克的研究課題之一。

在人體進行正常的吸氣與呼氣運動過程中，肋間肌將拉動肋骨做上升或下降運動，同時胸廓的上下徑、前后徑及左右徑同時將發(fā)生增大或縮小的變化。此外，在呼氣運動的過程中，肋骨頭與肋骨結(jié)節(jié)還將圍繞肋椎關(guān)節(jié)做上下擺動，故會發(fā)生一定程度的彎曲與扭轉(zhuǎn)。而呼吸是一個連續(xù)的過程，即以上變化及相關(guān)力學因素的改變也是一直存在的，故斷肋經(jīng)固定處理后其固定器材必須要經(jīng)受住長時間的考驗?；谏鲜龇治?，本研究將醫(yī)源性斷肋在固定處理后的抗彎曲能力、抗扭轉(zhuǎn)能力以及疲勞試驗后的剛度變化作為了重點考察的生物力學指標。本研究結(jié)果顯示，多孔鋼板處理后的斷肋在抗彎曲能力方面顯著優(yōu)于環(huán)抱式肋骨接骨器，但Charpail等[7]的研究結(jié)果提示，肋骨骨折的平均負荷為87 N，而多孔鋼板與環(huán)抱式肋骨接骨器的屈服強度均大于該數(shù)值，同時肋骨所承受的負荷通常也不會達到該數(shù)值，故筆者認為正常情況下采用該兩種固定器材固定處理醫(yī)源性斷肋在抗彎曲性能方面均有足夠的安全保障。在抗扭轉(zhuǎn)能力方面，多孔鋼板僅在扭轉(zhuǎn)10°及以內(nèi)時明顯優(yōu)于環(huán)抱式肋骨接骨器，當扭轉(zhuǎn)較大增大后抗扭轉(zhuǎn)能力差異已不具有統(tǒng)計學意義；同時我們還在該試驗中觀察到多孔鋼板的螺絲很容易在扭轉(zhuǎn)增大到一定程度后發(fā)生從螺絲孔處縱型劈裂的情況，而環(huán)抱式肋骨接骨器則僅僅是固定器材的變形或脫落，并不會對肋骨本身造成明顯損傷。盡管在顯示中不會出現(xiàn)這樣大扭轉(zhuǎn)力，但給予肋骨其骨皮質(zhì)非常薄的幾何形態(tài)學特征，故也預示多孔鋼板或許難以絕對避免不出現(xiàn)骨質(zhì)劈裂螺釘松脫的現(xiàn)象。在抗疲勞性能方面，兩種固定方法的初始剛度比較差異無統(tǒng)計學意義，但多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環(huán)抱式肋骨接骨器組，該結(jié)果提示環(huán)抱式肋骨接骨器具有較多孔鋼板更好的抗疲勞性能，可發(fā)揮更好的持續(xù)固定效果。

綜上所述，環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋的生物力學指標整體上優(yōu)于多孔鋼板，尤其體現(xiàn)在抗疲勞性能方面，再加上環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定處理醫(yī)源性斷肋在控制手術(shù)時間、材料理化性質(zhì)、組織相容性以及對骨膜與骨髓腔血供的干擾情況等多方面均具不容忽視的優(yōu)勢，故筆者建議在臨床進一步推廣應(yīng)用。

[1]Zsirosl A,Zaborszky Z,Petri A,et al.Easy and effective method for the treatment of rib fracture by using Chrisofix-technique[J].Proceeding of the 7thEuropean Trauma Congress,2006,12:387-390.

[2]馮毅,鐘宏,岑興強,等.肋骨環(huán)抱器內(nèi)固定醫(yī)源性斷肋臨床研究[J].中華實用診斷與治療雜志,2013,27(6):593-594.

[3]鐘宏,馮毅,鄭貴雄,等.環(huán)抱式肋骨接骨器內(nèi)固定醫(yī)源性斷肋對術(shù)后疼痛的影響[J].廣西醫(yī)學,2013,35(3):309-310.

[4]宋善新.鎳鈦合金環(huán)抱式肋骨接骨器治療26例多發(fā)性肋骨骨折效果分析[J].臨床醫(yī)學,2014,34(2):68-69.

[5]唐冰.鎳鈦記憶合金肋骨環(huán)抱式接骨器治療多發(fā)性肋骨骨折24例臨床觀察[J].北方藥學,2012,9(8):65-66.

[6]Li Q,Xia YY,Tang JC,et al.In vitro and in vivo biocompatibility investigation of diamond-like carbon coated nickel-titanium shape memory alloy[J].Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol, 2011,39(3):137-142.

[7]Charpail E,Trosseille X,Petit P,et al.Characterization of PMHS Ribs:A New Test Methodology[J].Stapp Car Crash Journal,2005, 49:183-198.

Biomechanical study of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic rib fracture.

ZHENG Gui-xiong,ZHONG Hong.Department of Thoracic Surgery,Beihai People's Hospital,Beihai 536000,Guangxi,CHINA

ObjectiveTo evaluate the biomechanical features of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic fracture of rib.MethodsModels of broken rib were established by 15 pairs of fresh frozen parallel ribs of pig,half of which were treated by porous plate and screw fixation(group A)and the other half were fixed by rib embracing connector(group B).Three-point bending test,torsion test and fatigue test were carried out respectively,and the results of the two groups were observed.ResultsIn three-point bending test,the applied force at displacement of 2 mm, 4 mm,6 mm in group A was significantly larger than that of group B(P＜0.05).In torsion test,the twisting force for torsion of 10°was significantly greater in group A than group B(P＜0.05),but the twisting force showed no statistically significant difference between the two groups for torsion of 20°,30°,40°(P＞0.05).The decrease in stiffness of group A was more significant than that of group B,and the difference between the two groups was statistically significant(P＜0.05).ConclusionRib embracing connector,compared with porous plate,results in better biomechanical indexes in the treatment of iatrogenic rib fracture on the whole,which should be recommended in clinic.

Rib embracing connector;Iatrogenic rib fracture;Biomechanics

R683.1

A

1003—6350（2016）02—0219—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.02.016

2015-07-07)

鄭貴雄。E-mail：53793279@qq.com