1/4管型接骨板與加壓騎縫釘固定對第一跖跗關(guān)*節(jié)骨折脫位關(guān)節(jié)面穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究

余霄張迪峰宋蒙勝龐清江**

（1.中國科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院骨科，浙江寧波315010；2.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院，浙江寧波315211）

第一跖跗關(guān)節(jié)的完整性對足內(nèi)側(cè)縱弓和足橫弓的維持具有重要的意義。盡管臨床上跖跗關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率較低，但在跖跗關(guān)節(jié)損傷的患者中，累及第一跖跗關(guān)節(jié)的并不少見。早在1986年Myerson等在對跖跗關(guān)節(jié)進行損傷分型時，便將單純的第一跖跗關(guān)節(jié)損傷并向背內(nèi)側(cè)脫位定義為Myerson B1型損傷，該分型系統(tǒng)一直沿用至今，對跖跗關(guān)節(jié)的治療具有一定指導(dǎo)作用[1]。近年來，圍繞跖跗關(guān)節(jié)損傷后的治療存在的主要爭論是：對切開復(fù)位內(nèi)固定的患者，究竟采用何種植入物效果最好。植入物選擇不當(dāng)會影響足部局部的生物力學(xué)環(huán)境，出現(xiàn)植入物斷裂、復(fù)位丟失、畸形愈合等一系列并發(fā)癥[2]。隨著植入物的迅速發(fā)展，在跖跗關(guān)節(jié)損傷的治療上陸續(xù)出現(xiàn)了騎縫釘、縫合紐扣、鎖定接骨板等新型植入物，然而這些植入物的應(yīng)用在臨床上又缺乏大樣本多中心的隨機對照研究，無法給出令人信服的結(jié)論。鑒于此，本研究對1/4管型接骨板與加壓騎縫釘固定對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位關(guān)節(jié)面穩(wěn)定性的影響進行生物力學(xué)研究，從生物力學(xué)的角度對第一跖跗關(guān)節(jié)損傷后合理選擇內(nèi)植入物進行初步探討。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

選取新鮮足標本8具（寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院提供），所有標本足外形正常，無足趾缺損，無足部肌肉、韌帶和肌腱的損傷及攣縮等病態(tài)，經(jīng)X線檢查，排除骨與關(guān)節(jié)的退行性變、骨折、腫瘤、結(jié)構(gòu)性畸形及骨質(zhì)異常等骨骼疾病。

1.2 實驗設(shè)備與器材

2T扭拉負荷試驗機（長春機械科學(xué)研究院有限公司）；數(shù)字散斑相關(guān)儀器：CCD鏡頭（JAI CV-A1攝像機）、曼富圖三腳架、圖像轉(zhuǎn)換存儲卡、數(shù)字圖像采集及處理軟件（上海MATFOLT有限公司）等。采用大頭針定位足部骨骼標志物，頂端圓頭直徑5 mm。

1.3 內(nèi)植入物材料

6孔1/4管型接骨板（康輝醫(yī)療器械公司），CHARLOTTETM加壓騎縫釘（Wright公司，美國）。

1.4 實驗方法

標本準備：實驗前室溫下自然解凍標本，切除足背處的皮膚、皮下組織及肌肉，暴露內(nèi)側(cè)楔骨，中間楔骨，第一、二跖骨及連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底的背側(cè)韌帶（圖1）。適當(dāng)剝離位于第一、二跖骨間的骨間肌以備實驗過程中的標記和操作。完成解剖操作后，將踝關(guān)節(jié)置于跖屈30°位固定。按Alberta報道[3]的方法，選取近第一跖跗關(guān)節(jié)面處的內(nèi)側(cè)楔骨內(nèi)下、內(nèi)側(cè)楔骨背外側(cè)、第一跖骨基底內(nèi)下和第一跖骨基底背外側(cè)4個點作為人工散斑的制斑點，用大頭針進行標記。然后將標本倒置于標本固定盒內(nèi)，用牙托粉包埋后，將標本固定盒置于扭拉負荷試驗機的底座上固定。開機后調(diào)節(jié)萬能試驗機頂端壓板的位置，保證加載過程中壓板僅與前足接觸（圖2）。

圖1標本準備過程中完全暴露內(nèi)側(cè)楔骨，第一跖骨和連接與兩者間的背側(cè)韌帶（黃色箭頭）。完成解剖操作后，將踝關(guān)節(jié)在跖屈30°的體位固定（擰入螺釘用于固定踝關(guān)節(jié)）

圖2實驗現(xiàn)場及加載過程中散斑圖像的采集

工況設(shè)置和數(shù)據(jù)采集：標本測試分為4個工況：①工況1：骨-韌帶結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)；②工況2：第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位狀態(tài)（圖3）；③工況3：用一塊6孔1/4管型接骨板固定（圖4A）；④工況4：用一枚加壓騎縫釘固定（圖4B）。第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位模型參照Alberta的方法[3]，先切斷連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底部的背側(cè)韌帶和跖側(cè)韌帶，造成脫位模型；然后再沿第一跖骨基底部關(guān)節(jié)面截骨，造成第一跖跗關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折模型，每具標本截骨的方向均保持一致。

圖3切斷第一跖跗關(guān)節(jié)的背側(cè)關(guān)節(jié)囊和背側(cè)、跖側(cè)韌帶并在第一跖骨基底部關(guān)節(jié)內(nèi)截骨

標本在萬能試驗機上，模擬人體步態(tài)周期站立相末端踝關(guān)節(jié)所處的位置，經(jīng)前足足底進行軸向加載。每一工況均通過萬能試驗機從0～600 N逐級加載，每間隔300 N加載機停止1 min，通過CCD攝像頭采集灰度圖像并在電腦上存儲，以完成數(shù)據(jù)采集。每一工況完成全部加載及數(shù)據(jù)采集后，即對實驗標本進行下一工況的處理，然后再次加載測試，以此類推，直至實驗結(jié)束。為確保散斑標記點在實驗前后的位置不變，所有操作均在標本固定架上完成。

圖4第一跖跗關(guān)節(jié)分別用接骨板（A）、騎縫釘（B）進行固定

1.5 位移計算及統(tǒng)計學(xué)處理

設(shè)定非負重狀態(tài)下（0 N）正常標本的灰度圖像作為參照和坐標原點并確定測量坐標系。設(shè)X軸為冠狀面水平位移，朝向外側(cè)定義為正值；Y軸為矢狀面縱向位移，朝向足底定義為正值；Z軸為矢狀面水平位移，朝向前足為正值（圖5）。將采集到的灰度圖像按數(shù)字散斑相關(guān)法計算出標記點在坐標系中的坐標，并計算各標記點相對位移，以均數(shù)±標準差表示。采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，檢驗標準為α=0.05。采用單因素方差分析比較各工況下各標記點的三維位移，若組間有統(tǒng)計學(xué)差異，再用SNK-q檢驗法行兩兩比較。

圖5足踝部三維運動測試的坐標系設(shè)定示意圖

2 結(jié)果

根據(jù)實驗要求得到不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面的相對位移（第一跖骨基底相對內(nèi)側(cè)楔骨的位移，表1）。各組數(shù)據(jù)的總體趨勢顯示：無論在完整狀態(tài)、破壞狀態(tài)還是內(nèi)固定狀態(tài)下，第一跖骨基底和內(nèi)側(cè)楔骨在X軸、Y軸及Z軸的位移加載600 N負荷時比300 N時大。工況2（破壞狀態(tài)下）與工況1相比，在相同的載荷下，X軸、Y軸及Z軸上的位移差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。工況3（接骨板固定）分別與工況2與工況1相比，在相同載荷下，第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有明顯減小，且在300 N、600 N載荷下都有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。工況4（騎縫釘固定）與工況2相比，在相同載荷下，第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有明顯減小，且X軸、Y軸以及Z軸上各自的位移差異在300 N、600 N載荷下均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；工況4與工況1相比，在相同載荷下，第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有所增大，但各自的位移差異僅在300 N和600 N的載荷下有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。工況4與工況3相比，在相同載荷下，第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有所增大，且各自的位移差異在300 N和600 N載荷下都有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面X、Y、Z軸上的位移（±s，mm，n=8）

表1 不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面X、Y、Z軸上的位移（±s，mm，n=8）

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3 討論

臨床上，因韌帶損傷而引起的跖跗關(guān)節(jié)脫位并不少見，因此通過切斷跖跗關(guān)節(jié)的主要韌帶建立單純的脫位模型是較為可取的方法。但目前的實驗手段尚不能通過損傷機制精確地制造出跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型。本實驗中，切斷第一跖跗關(guān)節(jié)背側(cè)關(guān)節(jié)囊及連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底部的背側(cè)韌帶和跖側(cè)韌帶，并在第一跖骨基底部截骨，造成第一跖跗關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折模型，對前足足底加壓，建立第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位模型。在踝關(guān)節(jié)跖屈30°的位置下進行負重[4]，因為當(dāng)跖屈幅度變大時，容易造成跖跗關(guān)節(jié)損傷。本實驗將最高載荷設(shè)定為600 N（正常成人的體重），當(dāng)載荷超過600 N后，踝關(guān)節(jié)跖屈30°固定容易失敗。

臨床上中足部位的損傷常較多的累及第一跖跗關(guān)節(jié)，第一跖跗關(guān)節(jié)損傷會影響第一跖列的長度和前中足正常應(yīng)力的傳導(dǎo)，因此，第一跖跗關(guān)節(jié)不穩(wěn)也被認為是前足異常的重要原因[5]。此外，因跖跗關(guān)節(jié)損傷引起的關(guān)節(jié)面不平整或力線異常，也是關(guān)節(jié)發(fā)生退行性變及骨關(guān)節(jié)炎的重要原因，患者容易產(chǎn)生局限性的中足疼痛[6]。Saxena等[7]總結(jié)其治療原則包括：解剖復(fù)位，恢復(fù)第一跖列的力線和長度；堅強固定，穩(wěn)定第一跖跗關(guān)節(jié)。該治療原則對固定第一跖跗關(guān)節(jié)的植入物提出了很高的要求，因此，有必要從生物力學(xué)角度對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位后合理選擇內(nèi)植入物進行研究。

接骨板在跖跗關(guān)節(jié)的固定和融合中有著較廣泛的應(yīng)用，尤其在融合的病例中，據(jù)報道使用接骨板融合率可達88%～100%[8,9]。若第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的同時還伴有舟楔關(guān)節(jié)損傷，也可用接骨板跨跖跗關(guān)節(jié)和舟楔關(guān)節(jié)固定[10]。此外，在非鎖定接骨板中，接骨板不僅具有直接接觸加壓的作用，還可以通過骨折端的解剖復(fù)位和壓縮內(nèi)固定，增強骨折端之間的接觸摩擦力，而且采用接骨板固定后，可以不必行外固定，允許術(shù)后立即進行附近關(guān)節(jié)的主動不負重功能鍛煉[11,12]。由于本實驗所建立的模型為關(guān)節(jié)內(nèi)截骨的簡單骨折模型，對簡單骨折采用鎖定接骨板固定并不是最佳選擇，因此，本實驗參考Alberta的方法[3]對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型進行了1/4管型接骨板固定。實驗結(jié)果顯示：接骨板固定與骨折脫位狀態(tài)相比，第一跖跗關(guān)節(jié)面在X、Y、Z軸上的位移都有明顯減小，在各載荷下均有顯著性差異，說明接骨板固定能較好地維持第一跖跗關(guān)節(jié)面的對位。

臨床上，接骨板固定也存在著一定的局限性，首先接骨板置入時需要較大的切口和較多跖骨處的軟組織剝離，容易損傷附近的足背動脈和腓深神經(jīng)[13,14]。其次，由于跖跗關(guān)節(jié)表面缺乏軟組織覆蓋，接骨板容易和皮膚及皮下組織摩擦，影響傷口愈合[15,16]。臨床上，由于損傷機制的不同，有向跖側(cè)脫位的可能，此時，可考慮經(jīng)足底入路將接骨板置于第一跖跗關(guān)節(jié)的跖側(cè)，但手術(shù)難度相對較大。若選擇鎖定接骨板于背側(cè)或背內(nèi)側(cè)固定，可能具有較好的效果，但目前仍缺乏相關(guān)的臨床和生物力學(xué)證據(jù)。本實驗由于受標本數(shù)目及建模類型的限制，并未對跖跗關(guān)節(jié)骨折并向跖側(cè)脫位后用鎖定接骨板固定進行評價。

騎縫釘在足部的截骨術(shù)和關(guān)節(jié)融合術(shù)中應(yīng)用較多，特別適用于跟骰關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)、跟骨截骨以及前足截骨矯形[17-19]。騎縫釘?shù)男误w小，對軟組織的剝離程度小于接骨板，對皮膚的激惹也較小，因而，就操作上而言，騎縫釘較接骨板具有較大的優(yōu)勢。Payette等[20]比較了空心釘與騎縫釘在三關(guān)節(jié)融合術(shù)中的生物力學(xué)強度，結(jié)果顯示兩者無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，但目前沒有相關(guān)的生物力學(xué)研究比較騎縫釘和其他植入物在跖跗關(guān)節(jié)中的固定強度，也未見騎縫釘在跖跗關(guān)節(jié)上大規(guī)模應(yīng)用的報道。

本實驗對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型進行了騎縫釘固定，結(jié)果顯示：騎縫釘固定與完整狀態(tài)相比，第一跖跗關(guān)節(jié)面在X、Y、Z軸上的位移都有明顯增大，這些數(shù)據(jù)一方面與騎縫釘?shù)墓潭ㄌ攸c有關(guān)，另一方面可能與標本反復(fù)加載至后期產(chǎn)生疲勞有關(guān)。我們認為騎縫釘固定在控制關(guān)節(jié)面三個方向的位移上的效果均較差，使用騎縫釘治療往往容易造成手術(shù)失敗。實驗中還發(fā)現(xiàn)，在第一跖跗關(guān)節(jié)背側(cè)形成約2 mm臺階的同時，常伴有騎縫釘釘腳的部分拔出，造成騎縫釘加壓固定失敗，這在老年骨質(zhì)疏松人群中更容易發(fā)生，可能與騎縫釘釘腳上倒鉤的抗拔出作用有關(guān)，因此在這類人群中，在骨折脫位未完全愈合前若提前負重，極易出現(xiàn)復(fù)位丟失，并且發(fā)生關(guān)節(jié)面對位不良后出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎的可能性也會大大增加。因此，盡管騎縫釘能克服接骨板的一些固有缺陷，在操作上具有優(yōu)勢，但對伴有跖側(cè)韌帶損傷的患者，騎縫釘固定應(yīng)被列為禁忌。然而，值得一提的是，在跖側(cè)韌帶完整的跖跗關(guān)節(jié)損傷患者或本身活動度就較大的第四、五跖跗關(guān)節(jié)損傷的患者中使用騎縫釘固定，則仍能體現(xiàn)其在固定上的優(yōu)勢[21]。