橈骨遠(yuǎn)端骨折掌、背側(cè)鋼板固定的生物力學(xué)研究

張亮，鄒寧，周健偉，梁鐘鳴，胡玉平，王興元，劉磊*

(1.上海市寶山區(qū)仁和醫(yī)院，復(fù)旦大學(xué)附屬華山北院寶山分院骨科，上海 201907；2.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院骨科，上海 200040)

橈骨遠(yuǎn)端骨折(distal radius fractures)是指距橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面3cm以內(nèi)的骨折，其發(fā)病率約占急診骨折患者的17%，其中關(guān)節(jié)內(nèi)骨折占橈骨遠(yuǎn)端骨折的25%[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，美國(guó)平均每年發(fā)生各種類型的橈骨遠(yuǎn)端骨折近200.000例，大部分見于老年人，而所有年齡組的患者人數(shù)都在大幅增加[2]。對(duì)于橈骨遠(yuǎn)端骨折的治療，以往大都采用非手術(shù)治療，且效果滿意；但對(duì)于大多數(shù)關(guān)節(jié)內(nèi)的骨折及不穩(wěn)定的關(guān)節(jié)外骨折，手法復(fù)位效果較差，即便復(fù)位滿意，石膏內(nèi)移位發(fā)生率也較大，因此對(duì)于不穩(wěn)定的橈骨遠(yuǎn)端骨折逐漸采用手術(shù)治療。

最初，臨床醫(yī)生主要根據(jù)橈骨遠(yuǎn)端骨折塊移位的方向和干骺端粉碎的程度來(lái)選擇手術(shù)入路，對(duì)手術(shù)入路和接骨板放置位置的選擇遵循“支撐鋼板”的原則，即采用背側(cè)入路治療背側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折，采用掌側(cè)入路治療掌側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折[3]。對(duì)臨床上多見的遠(yuǎn)端骨折塊向背側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折，盡管采用背側(cè)入路取得了較滿意的療效，但接骨板與伸肌腱相接觸而引發(fā)的并發(fā)癥如腱鞘炎、伸肌腱磨損甚至斷裂的發(fā)生率較高[4]。所以目前大多數(shù)臨床醫(yī)生無(wú)論掌側(cè)或背側(cè)移位均選用掌側(cè)入路置板固定，這似乎與AO的生物力學(xué)固定產(chǎn)生沖突，為了明確對(duì)于背側(cè)移位的骨折，掌側(cè)固定是否能達(dá)到近似于或超過背側(cè)固定的生物力學(xué)效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)。

本文通過生物力學(xué)研究對(duì)這兩種固定方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，比較它們生物力學(xué)性能的優(yōu)劣，從而為橈骨遠(yuǎn)端骨折的臨床手術(shù)治療提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 標(biāo)本制備與分組 采集成人尸體新鮮橈骨遠(yuǎn)端標(biāo)本20個(gè)，其中男7例，女3例；年齡41～77歲，平均(65.04±5.12)歲；身高1.61～1.78 m，平均(1.68±0.13)m；體重為52.37～75.12 kg，平均(69.13±6.25)kg。標(biāo)本先攝X線片，顯示無(wú)任何損傷或骨折，無(wú)病變，完整無(wú)損，并對(duì)標(biāo)本依次測(cè)量骨密度(NORLADXR-36 Dual Energy X-ray Absorbtionmetry，DEXA)。剔除標(biāo)本上所有軟組織，取完整手腕橈骨遠(yuǎn)端部，測(cè)量標(biāo)本部位主要尺寸，上下兩端用骨水泥固定，然后制作夾具，穩(wěn)妥固定在MTS型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(MTS 858 MiniBionix?，美國(guó))上。

將標(biāo)本橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)移位型造成骨折，然后采用A組掌側(cè)鋼板(volar redioulnal line steel plate fixation，VRF)和B組背側(cè)鋼板固定(dorsal redioulnal line steel plate Fixation，DRF)兩種不同方式固定(見圖1)。鋼板均選用AO公司。從原始正常組做起，進(jìn)行自身對(duì)照和比較。

1.2 實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型和試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型需在結(jié)構(gòu)、載荷、力學(xué)性質(zhì)上盡量保持一致，以確保實(shí)驗(yàn)精度和受載均度[5]。所有標(biāo)本采用成人新鮮尸體標(biāo)本，根據(jù)生理運(yùn)動(dòng)工況和受力狀態(tài)，施加生理載荷100 N，行分級(jí)加載[6]。在加載過程中標(biāo)本用生理鹽水包裹，應(yīng)維持新鮮濕潤(rùn)狀態(tài)，在試驗(yàn)前先進(jìn)行小量程預(yù)載，以消除骨的時(shí)間效應(yīng)松弛和蠕變影響，然后進(jìn)行正式加載實(shí)驗(yàn)，并采用數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)反復(fù)多次，加載速率控制1.50 mm/min。所有實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，在橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)骨折處按實(shí)驗(yàn)力學(xué)要求粘貼高精度電阻應(yīng)變片(R=120Ω±1%，R=2.16，1.50 mm×1.50 mm)，在骨折斷端處布置高精度數(shù)顯光柵位移傳感器(KG-101，精度1‰，上海科大機(jī)電工廠)，相應(yīng)記錄橈骨骨折斷端的應(yīng)變值和位移值。

根據(jù)手腕部橈尺遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)的生理運(yùn)動(dòng)工況，本試驗(yàn)曾進(jìn)行四種不同運(yùn)動(dòng)工況試驗(yàn)，即軸向載荷壓縮試驗(yàn)(axial compression，AC)、前屈運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)(flexion，F(xiàn)lex)、后伸運(yùn)動(dòng)(extension，Ext)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(rotation，Rot.)試驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 橈骨遠(yuǎn)端兩種內(nèi)固定的軸向壓縮應(yīng)力強(qiáng)度和剛度 這里的應(yīng)力強(qiáng)度力學(xué)上是指橈骨斷端抵抗破壞的能力大小，剛度是指橈骨抵抗變形能力的大小[3]。橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)移位型骨折采用掌側(cè)和背側(cè)鋼板兩種鋼板內(nèi)固定，在軸向壓縮載荷作用下，其骨折斷端的應(yīng)力強(qiáng)度和剛度測(cè)試結(jié)果見表1。結(jié)果表明：a)橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板固定后的應(yīng)力強(qiáng)度以背側(cè)鋼板固定(A組)比掌側(cè)固定(B組)骨質(zhì)上高5%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.266，P>0.05)，而在固定鋼板(SP)上的應(yīng)力強(qiáng)度相比小11%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.162，P>0.05)；b)橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板固定后的軸向壓縮剛度和剪切剛度，背側(cè)鋼板固定的剛度比掌側(cè)固定分別高2%、8%，兩者相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.252，P>0.05)。c)正常標(biāo)本時(shí)測(cè)得的橈骨遠(yuǎn)端骨質(zhì)上(N組)的應(yīng)力強(qiáng)度為(0.49±0.03)MPa，剛度為(5±0.5)N/mm，與骨折鋼板固定(A、B組)的應(yīng)力強(qiáng)度和剛度相比較，兩種鋼板固定后的骨質(zhì)上應(yīng)力強(qiáng)度分別高13%和17%，軸向剛度要高13%和14%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.548，P<0.05)，說明兩種鋼板固定效果均比較好，尤其背側(cè)固定比掌側(cè)固定占有一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板固定的軸向壓縮應(yīng)力強(qiáng)度和剛度比較

2.2 橈骨遠(yuǎn)端兩種內(nèi)固定的彎曲強(qiáng)度和剛度 橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種不同鋼板固定后，在彎曲載荷作用下(前屈)，在橈骨遠(yuǎn)端骨折處的彎曲強(qiáng)度和剛度測(cè)試結(jié)果見表2。結(jié)果表明：a)橈骨遠(yuǎn)端骨折用背側(cè)鋼板固定(B組)的骨質(zhì)上的彎曲強(qiáng)度比掌側(cè)鋼板固定(A組)高12%，鋼板上的彎曲強(qiáng)度高15%，兩者相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.498，P<0.05)；b)兩種不同鋼板固定后的彎曲剛度和剪切剛度，B組比A組分別高2%和5%，兩者相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.158，P>0.05)；c)正常標(biāo)本骨質(zhì)上的彎曲強(qiáng)度為(0.32±0.02)MPa，剛度為(49±4)N/mm，與掌側(cè)鋼板背側(cè)鋼板固定的彎曲剛度相比，分別相差20%和30%，剪切剛度分別相差16%和17%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.108，P<0.05)。

表2 橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板前屈固定的彎曲強(qiáng)度和剛度比較

2.3 橈骨遠(yuǎn)端兩種內(nèi)固定背伸時(shí)的彎曲強(qiáng)度和剛度 橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種不同鋼板固定后，在背伸時(shí)橈骨骨折斷面固定處的彎曲強(qiáng)度和剛度測(cè)試結(jié)果見表3。結(jié)果表明：a)橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板固定后，手腕部背伸時(shí)橈骨骨折斷面固定處用背側(cè)鋼板固定的骨質(zhì)上(B組)的彎曲強(qiáng)度比掌側(cè)鋼板固定(A組)高8%，兩者相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.155，P<0.05)；在鋼板上的應(yīng)力相差達(dá)21%，兩者相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.108，P<0.05)；b)A、B兩種鋼板固定后的骨質(zhì)上彎曲剛度和剪切剛度分別相差2%和7%，兩組彎曲剛度和剪切剛度相比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.146，P>0.05)。c)正常標(biāo)本橈背伸時(shí)的骨質(zhì)上彎曲強(qiáng)度為(0.42±0.03)MPa，彎曲剛度(50±4)N/mm，分別同掌側(cè)鋼板和背側(cè)鋼板固定后相比，彎曲強(qiáng)度相差12%和18%，彎曲剛度相差15%和17%，兩者相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.474，P<0.05)。

表3 橈骨遠(yuǎn)端骨折兩種鋼板固定背伸時(shí)彎曲強(qiáng)度和剛度比較

2.4 橈骨遠(yuǎn)端骨折不同位置固定的扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性 橈骨遠(yuǎn)端骨折分別采用掌側(cè)鋼板和背側(cè)鋼板固定后，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)生物力學(xué)試驗(yàn)，得到它們各自的扭轉(zhuǎn)生物力學(xué)特性，其結(jié)果見表4。這里扭轉(zhuǎn)生物力學(xué)特性通常的力學(xué)指標(biāo)是以扭矩和扭轉(zhuǎn)剛度來(lái)表達(dá)[3]。結(jié)果表明：a)橈骨遠(yuǎn)端骨折采用背側(cè)鋼板固定，其骨質(zhì)上扭矩和扭轉(zhuǎn)剛度比掌側(cè)鋼板固定的扭矩和扭轉(zhuǎn)剛度分別高4%，兩者比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.218，P>0.05)，說明橈骨骨折兩種鋼板固定方法是等效的；b)在正常標(biāo)本進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得手腕部橈骨的扭矩為(1.35±0.10)Nm，扭轉(zhuǎn)剛度為(0.70±0.05)Nm/deg，兩種鋼板固定后扭矩分別相差19%和18%，剛度分別相差21%和19%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.108，P<0.05)。說明橈骨遠(yuǎn)端骨折無(wú)論采用掌側(cè)鋼板固定還是背側(cè)鋼板固定，其扭轉(zhuǎn)生物力學(xué)性能均不理想，呈下降的趨勢(shì)，證明外科手術(shù)對(duì)骨骼扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的影響不容忽視。鉆孔、打洞、骨折造成的骨骼創(chuàng)傷使創(chuàng)傷處應(yīng)力集中，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，變形很大，剛度極大地削弱，能量的減弱竟然達(dá)到20%以上，即使用鋼板固定，其整體力學(xué)性能也是很差的。

表4 橈骨遠(yuǎn)端骨折不同位置固定的扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性比較

3 討 論

橈骨遠(yuǎn)端骨折(distal radius fractures，DRF)是指距橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面3 cm以內(nèi)的骨折，其發(fā)病率約占急診骨折患者的17%，其中關(guān)節(jié)內(nèi)骨折占橈骨遠(yuǎn)端骨折的25%[7]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，美國(guó)平均每年發(fā)生各種類型的橈骨遠(yuǎn)端骨折近200 000例，大部分見于老年人，而所有年齡組的患者人數(shù)都在大幅增加[8]。對(duì)于橈骨遠(yuǎn)端骨折的治療，以往大都采取非手術(shù)治療，并且效果滿意[9]；但對(duì)于大多數(shù)關(guān)節(jié)內(nèi)骨折及不穩(wěn)定的關(guān)節(jié)外骨折，手法復(fù)位的效果較差，即便復(fù)位滿意，石膏內(nèi)移位的發(fā)生率也較大，因此對(duì)于不穩(wěn)定的橈骨遠(yuǎn)端骨折逐漸采用手術(shù)治療。

最初，臨床醫(yī)生主要根據(jù)橈骨遠(yuǎn)端骨折塊移位方向和干骺端粉碎程度來(lái)選擇手術(shù)入路，對(duì)手術(shù)入路和接骨板放置位置的選擇遵循“支撐鋼板”原則，即采用背側(cè)入路治療背側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折，采用掌側(cè)入路治療掌側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折[10]。對(duì)臨床上多見的遠(yuǎn)端骨折塊向背側(cè)移位的橈骨遠(yuǎn)端骨折，盡管采用背側(cè)入路取得了較滿意的療效，但接骨板與伸肌腱相接觸而引發(fā)的并發(fā)癥如腱鞘炎、伸肌腱磨損甚至斷裂的發(fā)生率較高[11]。所以目前大多數(shù)臨床醫(yī)生無(wú)論掌側(cè)或背側(cè)移位均選用掌側(cè)入路置板固定，大量臨床實(shí)踐病例證明背側(cè)移位的骨折采用掌側(cè)鋼板固定也取得良好的預(yù)后[12]。

橈骨遠(yuǎn)端骨折掌、背側(cè)鋼板固定的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析結(jié)果證明，臨床上兩種固定方法都是行之有效的，背側(cè)鋼板在生物力學(xué)性能上比掌側(cè)鋼板固定占有一定的優(yōu)勢(shì)，但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上兩者差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從兩種不同鋼板固定橈骨遠(yuǎn)端骨折的極限載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，背側(cè)鋼板固定的極限載荷為(285.8±5.0)N，掌側(cè)鋼板固定的極限載荷為(270.2±16.0)N，兩者相差5.6%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。證實(shí)了背側(cè)鋼板固定優(yōu)于掌側(cè)鋼板固定，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)于實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析結(jié)果的正確性可以從生物力學(xué)組合桿理論[4]中得到佐證。骨和鋼板屬于組合桿件體系，骨和鋼板共同承受壓力P，在骨和鋼板橫斷面均產(chǎn)生應(yīng)力，分別為σbp，σsp。公式計(jì)算如下：σbP=EP/EF+E1F1，σsP=E1P/EF+E1F1式中E為骨的彈性模量，E1為鋼板的彈性模量，F(xiàn)和F1分別為骨和鋼板的橫截面積。根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的原始數(shù)據(jù)，于是得到橈骨遠(yuǎn)端骨折斷面處三種不同運(yùn)動(dòng)工況下的組合桿應(yīng)力理論值[13]。為方便起見將實(shí)驗(yàn)結(jié)果一并列出，見表5。結(jié)果表明：軸向壓縮時(shí)實(shí)驗(yàn)值與理論值之間比較相差4%，橈骨遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)前屈時(shí)實(shí)驗(yàn)值與理論值相差6%，后伸時(shí)相差5%。顯然兩者結(jié)果十分接近(t=2.272，P>0.05)。實(shí)驗(yàn)誤差引起的原因是力學(xué)模型建模時(shí)標(biāo)本的個(gè)體差異性。

表5 橈骨骨質(zhì)上應(yīng)力強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值與理論值比較

由此我們可以得出結(jié)論，橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)移位骨折，掌、背側(cè)鋼板固定從生物力學(xué)上差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也就意味著從生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，背側(cè)移位的骨折，從掌側(cè)放置鋼板同樣能達(dá)到相同的力學(xué)穩(wěn)定效果，為臨床上我們通過掌側(cè)放置鋼板固定背側(cè)移位骨折提供了生物力學(xué)的理論依據(jù)。