髖臼橫行后壁骨折不同內(nèi)固定方式的生物力學(xué)研究*

馬愛國，裴寶瑞，劉 斌，付久洋，許博文，吳嘯波

1.河北省創(chuàng)傷骨科中心，唐山市第二醫(yī)院(唐山 063000)；2.華北理工大學(xué)(唐山 063000)；3.河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院(石家莊 050001)

·論 著·

髖臼橫行后壁骨折不同內(nèi)固定方式的生物力學(xué)研究*

馬愛國1，裴寶瑞2，劉 斌2，付久洋2，許博文2，吳嘯波3△

1.河北省創(chuàng)傷骨科中心，唐山市第二醫(yī)院(唐山 063000)；2.華北理工大學(xué)(唐山 063000)；3.河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院(石家莊 050001)

目的 探討不同內(nèi)固定方式在髖臼橫行后壁骨折內(nèi)固定中的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用不同內(nèi)固定方式治療髖臼橫行后壁骨折提供可靠的生物力學(xué)依據(jù)。方法 20具成人防腐尸體標(biāo)本共40具半髖臼標(biāo)本隨機(jī)數(shù)字表法分為4組，每組5具完整骨盆。A組：后柱重建鋼板聯(lián)合后壁螺釘固定；B組：后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘及后壁螺釘固定；C組：前柱重建鋼板聯(lián)合后柱重建鋼板及后壁拉力螺釘固定；D組：后柱鎖定重建鋼板。應(yīng)用生物力學(xué)實驗機(jī)分別對各組加載至骨折端固定失敗(移位>2 mm)并記錄各組的最大載荷，比較4組的生物力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果 髖臼橫行后壁骨折4種不同的內(nèi)固定方式所能承載的最大載荷分別為：A組(823.89±106.27)N；B組(1 041.38±125.66)N；C組(1 210.19±116.27)N；D組(1 037.89±108.67)N，各組兩兩比較：A組所承載的最大載荷小于B、C、D組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=15.98；P=0.027)；C 組所承載的最大載荷大于B、D組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.015)；B、D組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.571)。結(jié)論 內(nèi)固定治療髖臼橫行后壁骨折時，應(yīng)用前后柱雙鋼板、后柱鎖定重建鋼板及后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于后柱單重建鋼板，其中前后柱雙鋼板固定的穩(wěn)定性更強(qiáng)；后柱鎖定重建鋼板與后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘所承載的最大載荷相似。

髖臼橫行后壁骨折；內(nèi)固定；生物力學(xué)

髖臼橫行后壁骨折是常見的髖臼骨折類型之一，Letournel和Judet將髖臼骨折分成簡單和復(fù)雜兩種類型，其中髖臼橫行后壁骨折屬于復(fù)雜髖臼骨折類型[1]。該類型髖臼骨折常造成髖臼關(guān)節(jié)面的臺階征及頭臼匹配不良，保守治療往往預(yù)后不佳，需手術(shù)治療。目前臨床上對于關(guān)節(jié)面臺階征>3.0 mm者采取手術(shù)切開復(fù)位內(nèi)固定治療[1-3]。目前治療髖臼橫行后壁骨折多采用經(jīng)典的后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘及后壁拉力螺釘，該方法因能夠提供足夠的生物力學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于臨床[4]。然而該固定方式前柱拉力螺釘及后壁螺釘?shù)闹萌氪嬖诼葆斨萌腙P(guān)節(jié)的風(fēng)險，雖然大量學(xué)者基于CT和尸骨標(biāo)本研究提出安全置釘?shù)慕嵌群头秶?，但臨床中應(yīng)用仍存在難度[5-7]。近年來，隨著鎖定鋼板在四肢骨折的廣泛應(yīng)用，該型鋼板存在角穩(wěn)定性和單皮質(zhì)固定等優(yōu)點，但在髖臼骨折應(yīng)用的相關(guān)報道不多。本研究通過比較4種不同內(nèi)固定方式在治療髖臼橫行后壁骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床采用不同內(nèi)固定方式治療髖臼橫行后壁骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本制備及實驗儀器

20具甲醛浸泡的新鮮成人尸骨標(biāo)本(華北理工大學(xué)解剖教研室提供)，供體年齡25～45歲，平均37歲；標(biāo)本近端自第5腰椎處橫斷遠(yuǎn)端保留至雙股骨干近端1/3處。剔除髖關(guān)節(jié)周圍及股骨近端處的肌肉、韌帶等軟組織，保留雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)處的韌帶。采用X線片及骨密度測試儀排除骨質(zhì)疏松、骨骼發(fā)育畸形，標(biāo)本冷藏處理，生物力學(xué)實驗前生理鹽水浸泡至室溫。

鎖定重建鋼板、重建鋼板、6.5 mm前柱拉力螺釘(江蘇省常州市康輝醫(yī)療器械有限公司)，3500生物力學(xué)試驗機(jī)(Bose公司，美國)，Osteocore 3-DEXA 型骨密度儀(MEDILINK公司，法國)，KG-101光柵位移傳感器(帝爾公司，德國)，均由河北醫(yī)科大學(xué)骨科研究所提供。

1.2 骨折模型制備及分組固定

參照Olson[8]提出的髖臼后壁骨折模型的制備方法：自髖臼中心至髖臼后壁邊緣將髖臼壁等分成3份，其中髖臼外側(cè)2/3標(biāo)記為截骨線；截骨范圍為與經(jīng)髖臼中心縱向垂線成40°至90°角的髖臼后壁?？耸厢樠亟毓菢?biāo)志線鉆孔，利用手鋸及骨刀完成髖臼后壁骨折模型制備。根據(jù)Shazar髖臼橫行骨折模型制備的方法：前柱起自髂腰肌中點后至坐骨大切跡頂點為橫行骨折截骨標(biāo)志線，利用手鋸?fù)瓿蓹M行骨折模型制備。

將20具成人尸骨供體40具髖臼標(biāo)本按隨機(jī)數(shù)字表法分成實驗組和對照組，每組均為5具髖臼標(biāo)本。實驗組：10孔后柱鎖定重建鋼板，自坐骨結(jié)節(jié)橫跨后壁骨折線及橫行骨折線固定。A組：10孔后柱重建鋼板，自坐骨結(jié)節(jié)橫跨后壁骨折線及橫行骨折線固定，參照Wu等[7]提出的后壁安全置釘參考范圍置入兩枚后壁螺釘固定后壁。B組：10孔后柱重建鋼板，自坐骨結(jié)節(jié)橫跨后壁骨折線及橫行骨折線固定，參照Wu等[7]提出的后壁安全置釘參考范圍置入兩枚后壁螺釘固定后壁，依據(jù)Sen等[5]提出的拉力螺釘?shù)闹萌敕椒ㄖ萌?.5 mm前柱拉力螺釘固定前柱；C組：10孔后柱重建鋼板聯(lián)合后壁螺釘固定，前柱應(yīng)用10孔前柱重建鋼板固定前柱；D組：10孔后柱鎖定重建鋼板聯(lián)合半皮質(zhì)后壁鎖定螺釘固定。4組內(nèi)固定見圖1。

1.3 生物力學(xué)實驗

第5腰椎上方澆筑一柱狀義齒牙托粉載重平臺，保持骨盆單足站立位時該平臺與地面平行；股骨近端包埋于一長方體金屬盒內(nèi)，內(nèi)用義齒牙托粉填充固定。坐骨結(jié)節(jié)內(nèi)置入3枚相互垂直的克氏針模擬三維空間，調(diào)整固定于金屬盒內(nèi)的股骨近端使其相對骨盆處于內(nèi)收15°內(nèi)旋10°，連接生物力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行加載實驗。首先進(jìn)行載荷為150 N預(yù)實驗3次，消除標(biāo)本間的微動對實驗準(zhǔn)確性的影響[9]。模擬人體單足站立位時作用于一側(cè)髖臼持續(xù)加載載荷直至骨折內(nèi)固定失敗(骨折端位移>2 mm)，連續(xù)縱向垂直加壓(加載速度15 N/s)。讀取光柵位移傳感器并記錄內(nèi)固定失敗時的載荷。標(biāo)本加載見圖2。

圖1 各組不同內(nèi)固定方式圖

注: A：后柱重建鋼板后壁螺釘固定組； B：后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘后壁螺釘固定組； C：前、后柱重建鋼板后壁螺釘固定組；D：后柱鎖定重建鋼板后壁螺釘固定組

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

髖臼橫行后壁骨折4種不同的內(nèi)固定方式所能承載的最大載荷分別為：A組(823.89±106.27)N；B組(1 041.38±125.66)N；C組(1 210.19±116.27)N；D組(1 037.89±108.67)N，各組兩兩比較：A組所承載的最大載荷小于B、C、D組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=15.98；P=0.027)；C 組所承載的最大載荷大于B、D組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.015)；B、D組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.571)(表1)。

圖2 標(biāo)本實驗加載方式

注:與A組相比，*P<0.05

3 討論

目前，髖臼橫行后壁骨折治療的金標(biāo)準(zhǔn)為手術(shù)切開復(fù)位，治療的目的在于恢復(fù)關(guān)節(jié)面的完整性、髖臼和股骨頭的匹配[10-11]。髖臼橫行后壁骨折受傷機(jī)制為暴力作用于屈曲外展的髖關(guān)節(jié)時能量釋放于髖臼后側(cè)造成骨折端向后內(nèi)側(cè)移位及旋轉(zhuǎn)。手術(shù)復(fù)位及內(nèi)固定的關(guān)鍵在于復(fù)位骨折端的分離移位、糾正骨折遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)移位和恢復(fù)髖臼后壁的完整性，并利用內(nèi)固定鋼板將復(fù)位的骨折塊與主骨固定。髖臼橫行后壁骨折骨折線累及髖臼前后柱，損傷暴力釋放于髖臼后柱。

國內(nèi)外學(xué)者王慶賢等[11]和 Shazar等[12]認(rèn)為，髖臼橫斷骨折應(yīng)用前后柱雙鋼板固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于單柱鋼板聯(lián)合柱拉力螺釘固定。Giordano等[13]學(xué)者通過生物力學(xué)實驗認(rèn)為，單柱重建鋼板聯(lián)合柱拉力螺釘固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性與雙柱固定穩(wěn)定性相似，與雙柱固定相比，單柱固定在臨床實踐中能夠顯著減少手術(shù)創(chuàng)傷及出血等并發(fā)癥。近年來隨著鎖定鋼板的出現(xiàn)及在四肢骨折的廣泛應(yīng)用[14]，該鋼板具有包括通過螺釘與鋼板的鎖定作用提供整體的角穩(wěn)定性、支持半皮質(zhì)螺釘固定等優(yōu)點，目前正被逐漸應(yīng)用于髖臼的手術(shù)固定。因此本實驗通過比較后柱單重建鋼板、前后柱雙重建鋼板、后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘及后柱鎖定重建鋼板固定4種不同內(nèi)固定方式的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床治療髖臼橫行后壁骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。

髖臼橫行骨折的骨折累積髖臼的前后柱，因此在選擇內(nèi)固定方式時需進(jìn)行前后柱的復(fù)位及固定。本研究顯示，B、C組所承載的最大載荷明顯大于A組，因此應(yīng)用前后柱重建鋼板及后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘對橫行骨折的前后柱進(jìn)行固定的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于后柱單鋼板固定。本實驗顯示，B、D組的穩(wěn)定性相當(dāng)，但小于C組所承載的最大載荷，應(yīng)用后柱鎖定重建鋼板固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性與后柱重建鋼板聯(lián)合前柱拉力螺釘固定方式相似，但遜于前后柱雙鋼板組。國內(nèi)外學(xué)者Wu等[5，7，14]提出后壁骨折及前后柱拉力螺釘?shù)闹萌氚踩珔⒖挤秶?，大大降低了手術(shù)置釘?shù)碾y度，提高了手術(shù)效率，然而盡管如此，該技術(shù)仍需熟練髖臼骨折手術(shù)治療方法的高年資醫(yī)師來完成。因此我們認(rèn)為，前后柱固定髖臼橫行后壁骨折是治療該型骨折的最佳內(nèi)固定方式，雙柱固定能夠提供骨折內(nèi)固定的最大生物力學(xué)穩(wěn)定性。

骨盆是由雙側(cè)半骨盆通過前側(cè)恥骨聯(lián)合及后側(cè)骶髂關(guān)節(jié)相連接進(jìn)而形成一閉環(huán)結(jié)構(gòu)，人體站立位時重力線通過雙側(cè)髂股弓將人體的壓力傳導(dǎo)至股骨。單足站立位時人體股骨相對于骨盆處于內(nèi)旋約5°～10°內(nèi)收約15°，因此當(dāng)進(jìn)行生物力學(xué)實驗時，隨著載荷的不斷增加標(biāo)本往往出現(xiàn)傾斜導(dǎo)致實驗失敗。Sawaguchi等[15]學(xué)者通過模擬雙足站立位進(jìn)行生物力學(xué)實驗，該加載方式雖克服了標(biāo)本的不穩(wěn)定性，但在髖臼橫行骨折、T型骨折實驗時結(jié)果不準(zhǔn)確。Shazar等[12]學(xué)者將半骨盆模型固定于生物力學(xué)實驗機(jī)，采用倒立位加載方式進(jìn)行載荷實驗，但該方法對半骨盆及股骨夾具的要求較高導(dǎo)致實驗難以成功。本實驗選用Olson等[16]提出的單足站立位全骨盆垂直加載方式，通過索具模擬外展肌群克服加載時標(biāo)本的傾斜。

三維有限元分析應(yīng)用于髖臼骨折的生物力學(xué)研究與傳統(tǒng)的尸骨生物力學(xué)實驗不同，該方法可以充分模擬髖關(guān)節(jié)周圍肌肉、韌帶等軟組織在維持髖臼穩(wěn)定性的作用。國內(nèi)外學(xué)者Liu及Yildirim等[17-18]通過三維有限元分析髖臼骨折的不同固定方式的穩(wěn)定性，證實了該技術(shù)的可行性。傳統(tǒng)的生物力學(xué)實驗采用真實的人體骨骼標(biāo)本，更能夠準(zhǔn)確的展現(xiàn)骨骼生物力學(xué)性質(zhì)。因此，結(jié)合兩者的各自特點能夠更準(zhǔn)確的體現(xiàn)髖臼骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定性。

本研究顯示，應(yīng)用鎖定重建鋼板與經(jīng)典的內(nèi)固定方式治療髖臼橫行后壁骨折生物力學(xué)穩(wěn)定性相似，避免了前柱拉力螺釘及后壁螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)的風(fēng)險。此外，本研究采用離體骨骼進(jìn)行實驗，供體標(biāo)本數(shù)量有限，后續(xù)有待結(jié)合三維有限元分析研究。同時，本實驗內(nèi)固定物為普通鎖定重建鋼板，鎖定螺釘均垂直于鋼板，未能選用萬向鎖定鋼板支持多方向螺釘置入，還需日后進(jìn)一步完善。

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A Biomechanical Study on Different Internal Fixation of Acetabular Transverse Posterior Wall Fractures

MaAiguo1,PeiBaorui2,LiuBin2,FuJiuyang2,XuBowen2,WuXiaobo3△.

1.HebeiOrthopedicTraumaCenter,TheSecondPeople'sHospitalofTangshan,Tangshan063000,China; 2.NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063000,China; 3.TheThirdAffiliatedHospitalofHebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050001,China

Objective To study the biomechanical stability of different internal fixation in acetabular transverse posterior wall fractures and offer reliable biomechanical basis for applying different fixation to the clinical treatment of acetabular transverse posterior wall fractures. Methods 40 half acetabular specimens of 20 antiseptic adult cadavers were randomly divided into four groups and each group consisted of five complete pelvis. The four groups were Group A with posterior column reconstruction plate combined with the rear wall screws, Group B with posterior column reconstruction plate combined with anterior column lag screw and the rear wall screws, Group C with the anterior column reconstruction plate combined with posterior column reconstruction plate and posterior wall of steel lag screws and Group D with locking reconstruction plate. The biomechanical testing machine was used to test the maximum load of each group by causing the fixation failure (displacement>2mm) in the fracture site. Then the biomechanical stability of the four groups was compared and analyzed. Results The maximum loads of four different fixation in the acetabular transverse posterior wall fracture were (823.89±106.27)N in Group A, (1 041.38±125.66)N in Group B, (1 210.19±116.27)N in Group C, and (1 037.89±108.67)N in Group D. The results of pairwise comparisons showed that the maximum load of Group A was significantly less than those of Group B, C and D respectively (F=15.98;P=0.027), the maximum load of Group C was significantly greater than those of Group B and D respectively (P=0.015), and there were no significant differences in the maximum load between Group B and D (P=0.571). Conclusion The biomechanical stability of double plates in both anterior and posterior columns, posterior column locking reconstruction plate, and posterior column reconstruction plate combined with anterior column lag screw is better than that of posterior column single reconstruction plate in the treatment of acetabular transverse posterior wall fractures. The fixation with double plates in both anterior and posterior columns is the most stable, and the maximum load of the posterior column locking reconstruction plate is similar to that of posterior column reconstruction plate combined with anterior column lag screw.

Acetabular transverse posterior wall fracture; Internal fixation; Biomechanics

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1705.R.20161226.1128.002.html

10.3969/j.issn.1674-2257.2016.06.024

唐山市科技局科研項目(No：12140210A-5)

R687.3

A

△通信作者：吳嘯波，E-mail:drwuxiaobo@foxmail.com