不同固定位置及方向張力帶鋼板對重建骨盆后環(huán)穩(wěn)定性的影響

譚國慶，何吉亮，朱秉瑞，徐展望，周東生

(1山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，濟(jì)南250014；2山東省千佛山醫(yī)院；3山東省立醫(yī)院)

張力帶鋼板修復(fù)重建不穩(wěn)定性骨盆骨折后環(huán)損傷已取得較好的臨床效果，尤其是經(jīng)皮手術(shù)的開展，使其具有微創(chuàng)、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，臨床應(yīng)用越來越廣泛[1～6]。但目前對張力帶鋼板固定骨盆后環(huán)生物力學(xué)研究還較少，尤其缺乏對其固定力學(xué)原理及如何應(yīng)用可達(dá)到最佳生物力學(xué)穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究。2011年10月～2016年10月，本研究設(shè)計(jì)比較了臨床和文獻(xiàn)中常用的張力帶鋼板3種固定位置和方向?qū)χ亟ü桥韬蟓h(huán)生物力學(xué)穩(wěn)定性影響，并進(jìn)一步分析其力學(xué)原理，以期選出最佳的后環(huán)張力帶鋼板固定方案，為臨床進(jìn)一步合理有效地應(yīng)用后環(huán)張力帶鋼板提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 骨盆標(biāo)本、儀器及設(shè)備 甲醛固定濕潤成年人骨盆標(biāo)本8具，患者男5例、女3例，年齡24～53歲、平均41.4歲；死亡時間半年至1年；由山東中醫(yī)藥大學(xué)解剖教研室、河南大清生物技術(shù)有限公司提供；均帶有L4、L5椎體，去除周圍軟組織，保留恥骨聯(lián)合、骶髂關(guān)節(jié)及其周圍韌帶的完整性；經(jīng)肉眼及X線檢查排除腫瘤、風(fēng)濕、結(jié)核、外傷等病變引起的骨盆環(huán)骨質(zhì)破壞及解剖變異，以確保骨盆環(huán)的完整性；雙能X線骨密度測量儀測量骨密度，排除明顯骨質(zhì)疏松。WDW-100EⅢ型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司)，電子拉、扭組合多功能試驗(yàn)機(jī)(煙臺力爾自動化設(shè)備有限公司)，M-10型非接觸式高精度磁柵位移傳感測量系統(tǒng)傳感器、磁柵尺及數(shù)顯表(Mikra)，GS38/6-3600BM-05LG型旋轉(zhuǎn)角度位移測量系統(tǒng)(濟(jì)南光宇自動化設(shè)備有限公司)，Ⅱ型包埋固定義齒基托樹脂(上海醫(yī)療器械股份有限公司齒科材料廠)，3.5 mm重建鋼板、2.5 mm螺釘(康輝醫(yī)療器械有限公司)。

1.2 模型制備及張力帶鋼板固定 模型制備方法：各骨盆標(biāo)本在完成正常完整骨盆檢測后，先用線鋸將恥骨聯(lián)合鋸開，用手術(shù)刀將右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)前、后、骨間韌帶及骶結(jié)節(jié)、骶棘韌帶切斷，使骶髂關(guān)節(jié)完全脫位，制成不穩(wěn)定性骨盆環(huán)損傷(AO分類C1.2)模型。模型制備后，經(jīng)解剖復(fù)位，應(yīng)用以下3種不同位置及方向的張力帶鋼板固定后環(huán)。位置1：鋼板固定于髂后上棘，兩端沿髂骨外板指向前下方(指向恥骨聯(lián)合)；位置2：鋼板固定于髂后上棘上方，兩端沿髂骨外板指向前方；位置3：鋼板固定于髂后上棘下方，兩端沿髂骨外板指向前上方。在固定鋼板時，通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o，利用應(yīng)變測量系統(tǒng)保證張力帶鋼板固定的初始張力保持相同。骨盆前環(huán)恥骨聯(lián)合均用1塊四孔重建鋼板、4枚螺釘固定。為保持固定的一致性，所有固定操作，均由1人完成。

1.3 加載方法與順序 將加載檢測模型固定于電子萬能試驗(yàn)機(jī)上。正式加載前，用Varga等[7]的預(yù)處理方法消除骨盆蠕變影響。以2 mm/min的速度對骨盆進(jìn)行0～600 N垂直負(fù)荷加載。為確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，循環(huán)加載3次。完成垂直負(fù)荷加載實(shí)驗(yàn)后，將骨盆標(biāo)本模型連同固定夾具置于拉、扭組合多功能試驗(yàn)機(jī)上，再予以600 N的軸向加載，以0.1°/s的角速度逆時針對標(biāo)本進(jìn)行扭轉(zhuǎn)負(fù)荷加載，使其扭矩逐漸增加至8 N·m[8,9]。

1.4 位移測量 ①垂直軸向加載下的整體骨盆環(huán)垂直位移測量及軸向剛度計(jì)算：垂直加載時，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)加載橫梁上的位移傳感器測量整體骨盆環(huán)的垂直位移，并通過自帶測控系統(tǒng)(加載控制、數(shù)據(jù)采集分析軟件)即時記錄骨盆模型加載時的負(fù)載和垂直位移，并據(jù)此繪制、分析負(fù)載與位移關(guān)系曲線。記錄3次循環(huán)加載至600 N時相應(yīng)的位移，并以載荷除以位移的計(jì)算整體骨盆環(huán)軸向剛度，取其3次最大位移平均值。②扭轉(zhuǎn)加載下的整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)角度的測量及扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算：扭轉(zhuǎn)加載時，利用試驗(yàn)機(jī)加載裝置上的角度位移傳感器測量整體骨盆環(huán)的扭轉(zhuǎn)角度。并通過自帶測控系統(tǒng)(加載控制、數(shù)據(jù)采集分析軟件)即時記錄骨盆模型加載時的扭距和角位移，并據(jù)此繪制、分析負(fù)載與位移關(guān)系曲線。記錄3次循環(huán)加載至8 N·m時的相應(yīng)位移，并以扭矩除以角位移的方法計(jì)算整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)剛度，取其3次最大位移平均值。為消除各個骨盆標(biāo)本之間的差異并便于進(jìn)一步比較，本研究將各個骨盆完整狀態(tài)時的軸向和扭轉(zhuǎn)剛度定義為100%，3種不同位置后環(huán)張力帶鋼板固定骨盆后環(huán)后的整體骨盆環(huán)軸向和扭轉(zhuǎn)剛度用其計(jì)算值與完整骨盆計(jì)算值的比值來表示。③垂直軸向加載下的骨盆后環(huán)位移測量：分別在完整骨盆標(biāo)本及3種不同位置張力帶鋼板固定骨盆后環(huán)后的擬損傷或損傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)周圍安放高精度非接觸式磁柵位移傳感器，測量損傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)處骶骨和髂骨在垂直、左右及前后方向上的線性位移，并在骶骨和髂骨后方安放角度位移傳感器測量骶骨相對于髂骨在矢狀面上的相對旋轉(zhuǎn)位移。分別記錄3次循環(huán)加載時最大位移和相應(yīng)加載值，取3次最大位移平均值。

2 結(jié)果

2.1 垂直載荷下不同固定位置整體骨盆環(huán)垂直位移及軸向剛度比較 各模型整體骨盆環(huán)垂直位移形成的負(fù)荷-位移曲線大致為直線，說明骨盆標(biāo)本的變形是彈性變形，加載未超過其彈性變形范圍。在0～600 N垂直載荷下垂直位移比較：完整骨盆環(huán)<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)；軸向剛度比較：完整骨盆環(huán)>固定位置1>固定位置3>固定位置2(P均<0.05)。固定位置1的整體骨盆環(huán)軸向剛度為完整骨盆的73.3%，固定位置3為完整骨盆的66.7%，而固定位置2僅為完整骨盆的62.5%。見表1。

表1 垂直載荷下不同固定位置整體骨盆環(huán)垂直位移及軸向剛度比較

2.2 扭轉(zhuǎn)載荷下不同固定位置整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)剛度比較 各模型整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)角度位移形成的負(fù)荷-位移曲線大致呈直線，說明骨盆環(huán)標(biāo)本發(fā)生的是彈性變形，加載未超過其彈性變形范圍。3種不同位置張力帶鋼板固定后，0～8 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)角度比較：固定位置1、2、3均<完整骨盆(P均<0.05)，固定位置1<固定位置2、3(P均<0.05)，固定位置2、3比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。軸向剛度比較：固定位置1、2、3均<完整骨盆(P均<0.05)，固定位置1>固定位置2、3(P均<0.05)，固定位置2、3比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。固定位置1為整體骨盆環(huán)軸向剛度為完整骨盆的72.7%，固定位置3為完整骨盆的66.2%，固定位置2僅為完整骨盆65.5%。

表2 扭轉(zhuǎn)載荷下不同固定位置整體骨盆環(huán)扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)剛度比較

2.3 垂直載荷下不同固定位置骨盆后環(huán)位移(骶骨與髂骨的相對位移)比較 ①垂直方向位移：在0～600 N垂直載荷下，骶髂關(guān)節(jié)垂直方向最大位移均出現(xiàn)在最大加載600 N時，完整骨盆的垂直位移均小于0.6 mm。傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)垂直方向位移比較：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。②左右方向位移：在0～600 N垂直載荷下，骶髂關(guān)節(jié)左右方最大位移均出現(xiàn)在最大加載600 N時，完整骨盆的左右位移均<0.2 mm。傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)左右位移比較：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。③前后方向位移：在0～600 N垂直載荷下，骶髂關(guān)節(jié)前后方向最大位移均出現(xiàn)在最大加載600 N時，完整骨盆的前后位移均<0.30 mm。傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)前后位移比較：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。④矢狀面旋轉(zhuǎn)角度位移：在0～600 N垂直載荷下，傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)在矢狀面上的最大旋轉(zhuǎn)位移均出現(xiàn)在最大加載600 N時，完整骨盆骶髂關(guān)節(jié)在矢狀面的旋轉(zhuǎn)角度均<1°。旋轉(zhuǎn)角度比較：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。見表3。

表3 垂直載荷下不同固定位置傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)在各方向的位移比較

3 討論

Alber等[1]研究證明張力帶鋼板具有較好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，與骶骨棒相當(dāng)。張力帶鋼板與骶髂螺釘聯(lián)合應(yīng)用可增強(qiáng)其固定效果[10]。張力帶鋼板在修復(fù)重建骨盆后環(huán)后在軸向加載下骨盆后環(huán)應(yīng)力分布與正常骨盆相似[11]?？梢?，張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性已得到認(rèn)可，但很少有研究對其生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析。從后環(huán)的解剖形態(tài)來看，作為張力帶的重建鋼板連接在兩側(cè)髂骨后方，遠(yuǎn)離損傷部位，其不是通過鋼板對后環(huán)的夾持和連接作用來實(shí)現(xiàn)固定，而是一種非直接固定方式。從整體骨盆環(huán)的立體結(jié)構(gòu)來看，后方張力帶鋼板修復(fù)重建骨盆后環(huán)的生物力學(xué)效應(yīng)類似于傳統(tǒng)的箍桶技術(shù)力學(xué)原理[5]。其通過鋼板固定于雙側(cè)髂嵴時產(chǎn)生的張力來模仿正常骨盆后環(huán)的韌帶結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的張力帶作用，與前環(huán)的固定配合，將破裂的骨盆環(huán)箍緊。

由于骨盆后環(huán)髂骨、骶骨及兩者組成的骶髂關(guān)節(jié)后方有的范圍較大，形態(tài)也不規(guī)則。臨床在使用張力帶鋼板時，可有多種固定的位置及方向。目前從臨床應(yīng)用和生物力學(xué)研究來看，鋼板固定的位置和方向無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。以髂后上棘為中心固定方式大致可分為三類：①固定于雙側(cè)髂后上棘，兩端沿髂骨外板指向前下方固定[1,2,12]；②固定于雙側(cè)髂后上棘稍上方，兩端沿髂骨外板指向前方固定[4,13]；③固定于雙側(cè)髂后上棘下方，兩端沿髂骨外板指向前上方固定[5,10,14]。雖然部分研究對張力帶重建骨盆環(huán)的穩(wěn)定性予以了肯定，但并未對張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)的生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析，更未探討不同固定位置和方向?qū)χ亟ü桥韬蟓h(huán)和整體骨盆環(huán)穩(wěn)定性的影響。本研究固定位置1連于雙側(cè)髂后上棘之間，因髂后上棘平對骶髂關(guān)節(jié)的中心[15]，可認(rèn)為是“中心性固定”，能有效維持骨盆后環(huán)“拱橋”形式的穩(wěn)定機(jī)制。

本研究結(jié)果顯示，骨盆環(huán)后方張力帶鋼板按照位置1的固定方式聯(lián)合骨盆前環(huán)鋼板修復(fù)重建不穩(wěn)定性骨盆骨折，在垂直載荷下，骨盆后環(huán)損傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)在各個測量方向上位移雖然明顯大于正常完整的骨盆環(huán)，但也均明顯小于固定位置2、3。固定位置3與固定位置2相比各方向位移也均小，固定位置2位移最大。在垂直載荷和扭轉(zhuǎn)載荷下固定位置1固定后整體骨盆環(huán)軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均優(yōu)于固定位置2、3。固定位置2與固定位置3相比，在垂直載荷下兩者軸向剛度之間的差別也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但在扭轉(zhuǎn)載荷下扭轉(zhuǎn)剛度之間的差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說明不同的固定位置和方向?qū)埩т摪逍迯?fù)重建骨盆后環(huán)的效果可能有影響。在垂直和扭轉(zhuǎn)載荷下，按照位置1的固定方式來修復(fù)重建骨盆后環(huán)雖遠(yuǎn)不及完整骨盆環(huán)的剛度和后環(huán)的穩(wěn)定性，但明顯優(yōu)于位置2和位置3，位置2最差。從整體骨盆環(huán)分析來看：固定位置1張力帶鋼板固定于髂后上棘，鋼板兩端在髂骨外板大致平行于骨盆界線方向指向前下方(恥骨聯(lián)合)，從去除半側(cè)髖骨的骨盆側(cè)面來看，張力帶鋼板固定于骨盆環(huán)后方結(jié)構(gòu)(骶髂關(guān)節(jié)上下極)的中心，固定方向與骨盆界線大致平行，直指前環(huán)恥骨聯(lián)合的中心。因此也可以說此固定位置的平面在“真骨盆環(huán)”環(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心上(前下到后上的中心)。固定位置2鋼板固定于髂后上棘上方，兩端沿髂骨外板指向前方固定(骨盆前方開口處)，從去除半側(cè)髖骨的骨盆側(cè)面來看，鋼板固定于骨盆環(huán)后方結(jié)構(gòu)的中心上方，固定方向高于骨盆界線，也不與之平行，主要固定平面在“真骨盆環(huán)”環(huán)狀結(jié)構(gòu)的上方，同固定位置3一樣與前環(huán)固定鋼板相配合不在同一平面上對骨盆環(huán)固定(兩者固定方向交叉)，這樣固定位置2、3鋼板固定平面并沒有沿著“真骨盆環(huán)”環(huán)狀結(jié)構(gòu)方向，屬“偏心固定”。固定位置2同固定位置3相比，從其固定平面來看更加遠(yuǎn)離真骨盆環(huán)，因此其固定效果也會比固定位置3差。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這些差別主要體現(xiàn)在固定位置3的整體骨盆環(huán)垂直位移小于固定位置2，并且其軸向剛度也大于固定位置2。其扭轉(zhuǎn)位移和扭轉(zhuǎn)剛度差別不顯著可能是與固定位置2固定偏上，而扭轉(zhuǎn)負(fù)荷是通過骨盆標(biāo)本上方的夾具來加載有關(guān)。

從后環(huán)局部分析來看，后方張力帶鋼板連于兩側(cè)髂骨之間，固定位置1連于雙側(cè)髂后上棘之間，因髂后上棘平對骶髂關(guān)節(jié)的中心，可以認(rèn)為固定在后環(huán)后面的中心，可認(rèn)為為“中心性固定”，能有效的維持骨盆后環(huán)“拱橋”形式的穩(wěn)定機(jī)制。這與本實(shí)驗(yàn)研究中固定位置1固定后環(huán)后，在垂直載荷下傷側(cè)骶髂關(guān)節(jié)在各個方向上的位移均小相符合。固定位置2同固定位置3相比，鋼板由下向上固定，呈U型，這一形態(tài)似乎可對骶骨有一定的承托作用，另外，固定位置3鋼板幾乎貼近骶骨背面固定，在加載時對骶骨運(yùn)動可能會有一定的阻擋作用。這些可解釋為何固定位置3對后環(huán)固定的穩(wěn)定性優(yōu)于固定位置2。

張力帶鋼板固定于骨盆后環(huán)后方還有一些固有缺陷，這主要與雙側(cè)髂骨在骨盆環(huán)后方圍成的容納骶骨的間隙及骶骨前寬、后窄的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。在這一空間結(jié)構(gòu)后方使用張力帶鋼板固定，就會有使其前方有增寬的趨勢，不利骶骨和髂骨的緊密嵌合，如同后環(huán)的這一形態(tài)，不利于后環(huán)的穩(wěn)定性。張力帶鋼板固定骨盆后環(huán)其生物力學(xué)原理類似于“箍桶”的力學(xué)原理。張力帶鋼板的固定位置和方向?qū)ζ涔潭ㄐЧ兄匾绊?，在臨床應(yīng)用時，不能隨意選擇鋼板在后環(huán)的固定位置和鋼板兩端固定的方向。其固定后環(huán)時不僅需要考慮骨盆后環(huán)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，也需要從整體骨盆環(huán)的結(jié)構(gòu)形態(tài)來考慮。在垂直和扭轉(zhuǎn)載荷下，張力帶鋼板固定位置選擇在髂后上棘水平、鋼板兩端指向恥骨聯(lián)合(大致與骨盆界線平行)固定，無論是對骨盆環(huán)局部，還是對整體骨盆環(huán)來說，接近于“中心性”固定，更符合張力帶鋼板重建骨盆環(huán)的生物力學(xué)機(jī)制。雖然還不及完整骨盆環(huán)的剛度和骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性，但與選擇在髂后上棘上方、鋼板兩端指向前方固定和選擇在髂后上棘下方、鋼板兩端指向前上方固定相比，無論是對骨盆環(huán)的整體固定還是對后環(huán)的固定都能提供更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

另外，本研究存在局限性。首先，因骨盆標(biāo)本不易大量獲得，樣本量小。其次，尸體標(biāo)本個體間在骨盆形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨質(zhì)質(zhì)量及韌帶強(qiáng)度上存在較大差異。因此為最大可能消除這兩方面的影響，本研究采取了同一標(biāo)本重復(fù)測量的方法。盡管每次加載完成后均予以檢查，以保證骨盆環(huán)完整無損，但反復(fù)固定和加載可能會使前一固定對后一固定造成一定影響。