鎖定鋼板外置治療脛腓骨骨折的力學(xué)分析和臨床療效

李 智，李玉茂，謝曉勇，李平生

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·臨床醫(yī)學(xué)· ·論著·

鎖定鋼板外置治療脛腓骨骨折的力學(xué)分析和臨床療效

李 智，李玉茂，謝曉勇，李平生

目的 分析鎖定鋼板外置治療開放性脛腓骨骨折的力學(xué)分析和臨床療效。方法 將2013年3月至2016年4月于我院接受鎖定鋼板外置手術(shù)的23例開放性脛腓骨骨折患者納入研究范圍。所有病例采取急診清創(chuàng)縫合、骨折復(fù)位鎖定鋼板外置固定術(shù)。所有病例至少在隨訪時鋼板已拆除1年。同時對鎖定鋼板治療脛腓骨骨折進(jìn)行有限元生物力學(xué)分析，探究鋼板與脛腓骨不同距離下整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果 所有患者全部骨性愈合，平均拆除鋼板時間6.3個月，其中由于血運嚴(yán)重破壞造成延遲愈合4例，不愈合1例(經(jīng)骨折斷端清理聯(lián)合內(nèi)固定已治愈)。經(jīng)過有限元生物力學(xué)評估，相同外力作用下骨折間隙隨鋼釘跨度增大有增加趨勢，整體剛度有下降趨勢。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要存在于鋼釘根部，且隨著鋼釘跨度增大有加劇趨勢。結(jié)論 鎖定鋼板外置可以對骨折段進(jìn)行有效固定，能夠治療開放性脛腓骨骨折、縮短愈合時間、減少軟組織損傷、降低骨髓炎發(fā)病率，為臨床治療下肢骨折提供了新思路。

脛腓骨骨折；有限元分析；鋼板外置；生物力學(xué)

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，車禍、高空墜落等高能創(chuàng)傷日漸增多，下肢骨折尤其是脛腓骨骨折成為骨科常見疾病[1]。Court-Brown指出，約75%的脛腓骨骨折為開放性創(chuàng)傷，其中約60%患者為Gustilo II、III型骨折。脛腓骨解剖結(jié)構(gòu)獨特、軟組織覆蓋較少，高能損傷時傷口污染往往較重、骨和軟組織缺損頻發(fā)，骨髓炎、延遲愈合、不愈合等嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生率更是居高不下[2]。治療開放性脛腓骨骨折的手段較多，骨外固定器、鋼板、髓內(nèi)針均可起到較好效果[3]。但是，急診創(chuàng)傷患者接受手術(shù)時往往超過6 h，使用髓內(nèi)針和鋼板發(fā)生骨髓炎的風(fēng)險較大，骨外固定器治療骨折的同時雖然能夠有效控制感染，但是患者佩戴不便，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量[4]。因此，探尋實用、便捷、高效的脛腓骨骨折治療方式具有重要意義。近年來，我院使用鎖定鋼板外置的方法治療脛腓骨骨折取得較好效果，現(xiàn)報道如下。

1 對象與方法

1.1 一般資料 將2013年3月至2014年4月間，于我院接受鎖定鋼板外置治療開放性脛腓骨骨折的23例患者納入研究。所有病例均采取急診清創(chuàng)縫合、骨折復(fù)位鎖定鋼板外置固定術(shù)?；颊吣挲g范圍16～62歲，平均年齡(34.22±11.69)歲。由受傷到手術(shù)時間范圍4～62 h，平均時間(29.35±14.11)h，所有病例具體創(chuàng)傷原因、Gustilo分型、AO分型和合并傷見表1。

表1 23例開放性脛腓骨骨折患者的基本信息

1.2 納入標(biāo)準(zhǔn) (1)年齡18～65歲的成年患者；(2)軟組織損傷Gustilo分型II型以上；(3)肢體損傷嚴(yán)重程度評分尚未達(dá)截肢標(biāo)準(zhǔn)；(4)手術(shù)方案采取鎖定鋼板外置；(5)術(shù)中清創(chuàng)發(fā)現(xiàn)無明顯骨缺損者：(6)隨訪時間不少于12個月；(7)患者表示知情同意并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患者伴有嚴(yán)重心、肺、肝、腎、凝血功能障礙，無法耐受手術(shù)；(2)隨訪時間不足12個月；(3)因搬家、失聯(lián)等各種原因失訪，造成資料不完整者。

1.3 手術(shù)方法 根據(jù)患者傷情采取急診手術(shù)或則期手術(shù)，但是兩種治療策略均應(yīng)重視急診清創(chuàng)。清創(chuàng)時利用生理鹽水和雙氧水反復(fù)交替沖洗傷口，明確壞死或存活組織。在充分徹底清創(chuàng)的基礎(chǔ)上盡量保留大塊骨塊。清創(chuàng)徹底后，在傷口處或局部小切口直視下行骨折塊復(fù)位，克氏針臨時固定。術(shù)中行C型臂透視，正側(cè)位顯示骨折對位對線良好的情況下，將鎖定鋼板與骨折段妥善固定，鋼針分布和數(shù)量根據(jù)術(shù)中情況決定。C型臂再次透視，確定鋼板位置良好，骨折塊固定充分后，放置引流管，關(guān)閉傷口，若傷口無法一期關(guān)閉，則利用封閉負(fù)壓引流裝置(VSD)封閉傷口，待軟組織基本修復(fù)后拆除VSD，行換藥護(hù)理傷口?；颊呤中g(shù)2 d后于床上逐漸活動膝踝關(guān)節(jié)，2周后拄拐無負(fù)重性活動，4周后局部負(fù)重逐漸至全負(fù)重活動?；颊呙績芍芙邮茈S訪，根據(jù)影像資料和臨床癥狀決定鋼板拆除時間，鋼板拆除后以石膏支具固定，患者一般治療流程見圖1。

注：A：術(shù)前小腿外觀像；B：術(shù)前X光片；C：術(shù)后外觀像；D、E：術(shù)后X光片；F、G：拆除外置鋼板后脛腓骨X光片；H、I、J：拆除鎖定鋼板前后外觀像圖1 鋼板外置治療脛腓骨骨折外觀和X光片圖

1.4 有限元生物力學(xué)分析 取健康志愿者(男性，24歲，身高176 cm，體質(zhì)量72 kg)的左側(cè)脛骨CT原始資料(DICOM數(shù)據(jù))，將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Scan IP(醫(yī)學(xué)影像資料處理軟件，Simpleware公司，英國)，通過圖像編輯、布爾運算等操作建立脛骨下段橫行骨折三維模型備用。利用Solidworks(模型制作軟件，達(dá)索公司，美國)軟件，建立與鎖定鋼板和螺釘1∶1的模型，以stl格式保存?zhèn)溆?。將相關(guān)stl模型導(dǎo)入ScanIP，分別按照1、10、20和30 mm骨骼與鋼板間的距離進(jìn)行裝配。網(wǎng)格劃分由Scan自動生成，網(wǎng)格大小規(guī)定為1～3 mm正四面體網(wǎng)格[5]。模型遠(yuǎn)端鎖定固定，模擬單足站立位。外力由3種：(1)脛骨平臺沿脛骨縱軸施加，施加外力為該志愿者體質(zhì)量720 N；(2)外旋扭矩3 N/m，聯(lián)合沿脛骨縱軸外力720 N；(3)內(nèi)旋扭矩3 N/m，聯(lián)合沿脛骨縱軸外力720 N。

1.4 評價指標(biāo) 臨床療效評估指標(biāo)包括鋼板平均拆除時間、骨折愈合率、骨髓炎和軟組織感染情況。生物力學(xué)評價指標(biāo)包括，3種外力(軸向外力、軸向合并外旋力、軸向合并內(nèi)旋力)施加模式下骨折間隙變化量、裝配體整體剛度和鋼板螺釘系統(tǒng)最大應(yīng)力值。

2 結(jié)果

2.1 臨床療效情況 所有患者全部骨性愈合，平均拆除鋼板時間6.3月，由于血運嚴(yán)重破壞造成延遲愈合4例，不愈合1例(經(jīng)骨折斷端清理聯(lián)合內(nèi)固定已治愈)。所有病例均無骨髓炎癥狀出現(xiàn)，但是3例患者由于軟組織損傷過重，出現(xiàn)局部軟組織壞死，經(jīng)二次清創(chuàng)、VSD覆蓋結(jié)合定期換藥已痊愈。1名患者于脛骨下段出現(xiàn)2 mm×2 mm×1 mm軟組織缺損，反復(fù)不愈合。后基于軟組織牽張技術(shù)，利用兩根克氏針穿過軟組織缺損邊緣處，緩慢牽拉克氏針(每天牽拉1 mm左右)，后經(jīng)過1個月左右傷口基本閉合，行縫合換藥，后傷口痊愈。

2.2 有限元生物力學(xué)分析 骨骼與鋼板跨度相同的情況下，軸向外力、軸向聯(lián)合外旋力和軸向聯(lián)合內(nèi)旋力作用下，骨折間隙變化量有逐漸增大趨勢，而骨骼-鋼板裝配體整體剛度有逐漸減小趨勢。在相同外力類型作用下，隨著骨骼鋼板跨度增大，骨折間隙變化量逐漸增大，同時裝配體整體剛度逐漸減小，具體情況見表2。

表2 不同外力加載模式下骨折間隙和整體剛度變化情況

表3 不同外力加載模式下鋼板最大應(yīng)力值

鎖定鋼板不同距離下有限元分析位移-應(yīng)力分布圖顯示，隨著骨骼鋼板跨度增大(1、10、20、30 mm)，應(yīng)力集中的范圍和數(shù)值明顯增大。如圖2所示，鎖定鋼板系統(tǒng)中應(yīng)力集中點出現(xiàn)于所有螺釘根部，特別是遠(yuǎn)段螺釘根部位置。有限元分析結(jié)果與臨床中遠(yuǎn)段螺釘易發(fā)生松動的現(xiàn)象基本吻合。

注：A1～3-D1～3顯示骨骼鋼板跨度分別為1、10、20、30 mm。A1-D1為骨骼-鋼板復(fù)合體網(wǎng)格劃分整體形態(tài)圖；A2-D2為骨折斷端移位情況；A3-D3為骨骼-鋼板內(nèi)固定的應(yīng)力分布情況圖2 鎖定鋼板不同距離下有限元分析位移-應(yīng)力分布圖

3 討論

脛腓骨骨折是創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域常見疾病，該類型骨折往往為高能量損傷，伴有較為嚴(yán)重的組織損傷，為術(shù)中及術(shù)后的治療、護(hù)理設(shè)置了較大障礙[6]。選擇合適的骨折固定手段為后續(xù)治療與護(hù)理具有重要意義。Penn等[7]對開放性脛腓骨骨折治療方法、骨髓炎發(fā)病情況進(jìn)行綜述，其認(rèn)為骨髓炎的發(fā)生發(fā)展與傷口早期清創(chuàng)不足、內(nèi)外固定器械選擇不當(dāng)有關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)軟組織嚴(yán)重?fù)p傷、創(chuàng)面污染較重的脛腓骨骨折，采用內(nèi)固定治療方法具有極高的感染風(fēng)險，骨外固定器雖然可以有效固定骨折、防治感染，但長期佩戴骨外固定器生活不便、護(hù)理困難，同時給患者造成較大的心理壓力[8]。早在1991年，有學(xué)者[9]曾將AO普通鋼板作為骨外固定器治療脛腓骨骨折，但是受限于早期鋼板多通過加壓摩擦固定骨折塊，空間幾何固定能力不足，因此作為骨外固定器固定骨折塊能力不足，未引起廣泛關(guān)注。近年來鎖定鋼板出現(xiàn)，該類型鋼板正常使用時即可看作“另類的骨外固定器”，因此鎖定鋼板外置在應(yīng)用原理上合情合理，具備有效治療開放性脛腓骨骨折的能力。

較多中外文獻(xiàn)對鎖定鋼板外置治療脛腓骨骨折臨床療效進(jìn)行了報道，臺灣學(xué)者M(jìn)a等[10]利用鎖定鋼板外置的方法對8例不同程度開放性脛腓骨骨折患者進(jìn)行治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有病例骨性愈合，無深部感染和再骨折等嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。僅有2例患者出現(xiàn)針道淺表感染，后經(jīng)換藥等妥善治療治愈。荷蘭學(xué)者[11]利用相同治療手段對7例脛腓骨骨折患者進(jìn)行治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有患者均骨性愈合，無深部感染或鋼板松動出現(xiàn)。本研究與上述研究結(jié)果類似，23例患者全部骨性愈合，平均拆除鋼板時間6.3月。4例患者由于軟組織損傷，血運嚴(yán)重破壞造成延遲愈合，1例患者出現(xiàn)萎縮性骨折不愈合，經(jīng)骨折斷端硬化骨清除，鎖定鋼板重新固定后治愈。同樣，所有患者無深部感染或骨髓炎等嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。深究鎖定鋼板取得較好臨床療效原因主要有3個方面：(1)采取外置的治療策略，減少了向骨折局部插入鋼板時對軟組織的2次損傷，保護(hù)殘留血運，對骨折愈合具有積極作用；(2)鎖定鋼板對骨折段空間幾何鎖定(把持力)效果明顯，能夠提供骨折愈合所需的穩(wěn)定環(huán)境；(3)開放性損傷具有較大的感染風(fēng)險，但是鋼板螺釘系統(tǒng)外置無形中在每個螺釘處形成了“引流效果”，具備將傷口深處積血、積液順利引出，降低深部感染的可能性[12]。

本研究針對軸向外力、軸向聯(lián)合內(nèi)旋力和軸向聯(lián)合外旋力3種加載模式下，不同骨針跨度時，骨折間隙變化量、整體剛度、系統(tǒng)最大應(yīng)力值進(jìn)行有限元力學(xué)分析。結(jié)果顯示，同等鋼針跨度條件下，鋼針跨度為1 mm時，系統(tǒng)軸向剛度為1 657.29 N/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軸向伴旋轉(zhuǎn)剛度382.57 N/mm和478.53 N/mm。臨床意義在于指導(dǎo)術(shù)后患者功能康復(fù)鍛煉，即患者下地后僅建議患者進(jìn)行類似原地踏步的步行鍛煉，禁止任何形式的下肢扭轉(zhuǎn)動作，防止內(nèi)固定系統(tǒng)失效。相同外部載荷作用下，系統(tǒng)整體剛度隨著跨度增加下降明顯，鋼針跨度由1 mm增加到30 mm時，軸向剛度下降至原來的1/3，內(nèi)旋剛度降至3/4，外旋剛度下降不明顯約為9/10。本研究顯示內(nèi)固定系統(tǒng)鋼板與骨段越接近，系統(tǒng)穩(wěn)定性越強。但是脛腓骨開放性骨折往往具有污染傷口，鋼板若是按照標(biāo)準(zhǔn)用法行內(nèi)置治療，則具有較高的感染風(fēng)險。因此治療開放性脛腓骨骨折時，鋼板應(yīng)選擇合適的鋼針跨度進(jìn)行外置。此外，本研究發(fā)現(xiàn)鋼針跨度由1～30 mm時，骨折間隙變化量由1.25 mm升至3.19 mm，根據(jù)臨床經(jīng)驗，骨折間隙大于2 mm時骨折不愈合發(fā)生率較高。因此，結(jié)合整體剛度和骨折間隙變化量，建議鋼板外置時鋼針跨度為10 mm左右。

骨折固定有效、牢靠對骨折越好具有重要作用，根據(jù)“Frost力學(xué)調(diào)控理論”，外力作用下骨折局部運動較大不利于新生骨痂生成，骨折間隙運動較小不利于骨量保持，容易造成局部“廢用性骨質(zhì)疏松”[13]。因此，骨折固定方式和穩(wěn)定程度具有重要意義。Meena等[14]曾對單臂骨外固定器和鎖定鋼板對骨段把持力進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)兩者并無明顯區(qū)別，即對Gustilo II型以上開放性骨折的治療效果應(yīng)無明顯區(qū)別。為了對不同骨骼-鋼板跨度治療脛腓骨骨折穩(wěn)定性進(jìn)行定量評估，本研究通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)隨著鋼板跨度增加裝配體整體穩(wěn)定性逐漸減小，在外力作用下骨折間隙變化量逐漸增大。值得注意的是隨著骨骼-鋼板跨度增大，鋼板遠(yuǎn)端螺釘應(yīng)力集中現(xiàn)象愈加明顯，因此跨度增大時應(yīng)適當(dāng)增加鋼板遠(yuǎn)端螺釘數(shù)量。

本研究為單中心研究，納入患者的手術(shù)均由相同醫(yī)師完成，雖然對偏移可以有效控制，但是普遍性需要進(jìn)一步驗證；其次，本研究納入患者相對較少，對鎖定鋼板治療開放性脛腓骨骨折的并發(fā)癥可能認(rèn)識不足，需要進(jìn)一步探索。下一步研究中將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量、開展多中心研究，以期降低各原因所致的偏倚，達(dá)成鎖定鋼板外置有效治療脛腓骨骨折的目的。綜上所述，鎖定鋼板外置可以對骨折段進(jìn)行有效固定，能夠治療開放性脛腓骨骨折、縮短愈合時間、減少軟組織損傷、降低骨髓炎發(fā)病率，為臨床治療下肢骨折提供了新思路。

[1] Sridevi M, Prakasam P, Kumaravel S, et al. Tibia Fracture Healing Prediction Using First-Order Mathematical Model[J]. Comput Math Methods Med, 2015, 2015: 689035. DOI:10.1155/2015/689035.

[2] Anuar-Ramdhan IM, Azahari IM, Med OM. Minimally invasive plate osteosynthesis with conventional compression plate for diaphyseal tibia fracture[J]. Malays Orthop J, 2014, 8(3): 33-36.

[3] Bhowmick K, Varghese VD. Retrograde intramedullary nailing for recurrent fracture in congenital pseudarthrosis of the tibia[J]. J Foot Ankle Surg, 2016, 55(6): 1287-1291. DOI:10.1053/j.jfas.2015.07.009.

[4] Lee SM, Oh CW, Oh JK, et al. Biomechanical analysis of operative methods in the treatment of extra-articular fracture of the proximal tibia[J]. Clin Orthop Surg, 2014, 6(3): 312-317. DOI:10.4055/cios.2014.6.3.312.

[5] 汪松，馬信龍，張弸羽，等. 利用有限元方法測定不同日常動作下壞死股骨頭力學(xué)變化的研究[J]. 中華骨科雜志, 2015, 35(9): 962-969. DOI:10.3760/cma.j.issn.0253-2352.2015.09.012.

[6] Crespo AM, Manoli A 3rd, Konda SR, et al. Development of compartment syndrome negatively impacts length of stay and cost after tibia fracture[J]. J Orthop Trauma, 2015, 29(7): 312-315. DOI:10.1097/BOT.0000000000000253.

[7] Penn-Barwell JG, Bennett PM, Mortiboy DE, et al. Factors influencing infection in 10 years of battlefield open tibia fractures[J]. Strategies Trauma Limb Reconstr, 2016, 11(1): 13-18. DOI:10.1007/s11751-016-0250-x.

[8] Sorbi F, Sisti G, Di Tommaso M, et al. Traumatic tibia and fibula fracture in a 36 weeks′ pregnant patient: a case report[J]. Ochsner J, 2013, 13(4): 547-549.

[9] van Loon T, Marti RK. A fracture of the intercondylar eminence of the tibia treated by arthroscopic fixation[J]. Arthroscopy, 1991, 7(4): 385-388. DOI:10.1016/0749-8063(91)90009-m.

[10] Ma CH, Wu CH, Tu YK, et al. Metaphyseal locking plate as a definitive external fixator for treating open tibial fractures-Clinical outcome and a finite element study[J]. Injury, 2013, 44(8): 1097-1101. DOI:10.1016/j.injury.2013.04.023.

[11] Tulner SAF, Strackee SD, Kloen P. Metaphyseal locking compression plate as an external fixator for the distal tibia[J]. Int Orthop, 2012, 36(9): 1923-1927. DOI:10.1007/s00264-012-1585-7.

[12] 周才勝，杜遠(yuǎn)立，李寧，等. 脛腓骨骨折術(shù)后鋼板外露的創(chuàng)面處理[J]. 臨床骨科雜志, 2010, 13(6): 634,637. DOI:10.3969/j.issn.1008-0287.2010.06.014.

[13] Frost HM. Does the anterior cruciate have a modeling threshold? A case for the affirmative[J]. J Musculoskelet Neuronal Interact,2001,2(2):131-136.

[14] Meena S, Rastogi D, Barwar N, et al. Skeletal tuberculosis following proximal tibia fracture[J]. Int J Low Extrem Wounds, 2013, 12(1): 50-52. DOI:10.1177/1534734613479383.

(本文編輯：林永麗)

External fixation with locking plates in tibiofibular fracture：biomechanical analysis and its clinical efficacy

LiZhi,LiYumao,XieXiaoyong,LiPingsheng

(FirstHospitalAffiliatedtoGeneralHospitalofFuzhouNanjingMilitaryCommand,Putian351100,China)

Objective To conduct biomechanical analysis and study clinical efficacy of external fixation with locking plates in open tibiofibular fracture.Methods Twenty-three cases of open tibiofibular fracture admitted into the hospital from March 2013 to April 2016 for treatment by using external locking plates were recruited as research subjects. All the patients were treated with debridement, fracture reduction and external fixation with locking plates, and had medical follow-ups for at least 1 year after the removal of steel plates. Biomechanical finite element analysis was made in the treatment of tibiofibular fracture by using locking plates, and overall structural stability of the steel plates at different distances between the plates and the tibia was investigated.Results All the patients gained bony healing. Results indicated that average time of plate removal was 6.3 months. Due to severe blood flow disorder, there were 4 cases of delayed healing and 1 unhealed case, which was later cured by debridement of the fractured end of the bone and internal fixation. Finite element analysis indicated that fractured bone gap tended to increase, when the distance between the bone and locking plates increased, and whole rigidity tended to decrease. At the same time, stress concentrated at the roots of the bolts, and it aggravated when the distance between the bone and bolts increased.Conclusion External fixation with locking plates could effectively fix the fractured ends of the bone, be used to treat open tibiofibular fracture, shorten healing time, reduce damage to the soft tissues, as well as lower the incidence of osteomyelitis. Therefore, it might be a new approach to the treatment of lower limb fractures.

Tibiofibular fracture; Finite element analysis; External fixation by locking plate; Biomechanical analysis

351100 福建 莆田，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院附屬第一醫(yī)院骨三區(qū)

R683.42

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2017.02.019

2016-08-03)