Ⅳ型脛骨平臺骨折后外側塌陷關節(jié)面固定方式的生物力學研究

莊健 翟啟麟 王馭愷 周凱華 潘福根 羅從風

脛骨平臺骨折是常見的下肢關節(jié)內骨折，以Schatzker法分型時Schatzker Ⅳ型骨折為內側脛骨平臺骨折。隨著術前CT檢查的普及，臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)Schatzker Ⅳ型骨折合并后外側關節(jié)面塌陷時具有特殊性[1-2]，其特點為內側骨折塊的復位和固定相對容易，而后外側關節(jié)面塌陷的復位和固定存在困難[3]。針對此類骨折，主要手術固定方式有3種：①采用傳統(tǒng)內側入路，通過骨折間隙復位后側關節(jié)面，脛骨平臺內側以鋼板固定，其近端以螺釘固定關節(jié)面(圖1a)[4]；②采用后內側入路，在脛骨平臺內側鋼板固定基礎上，加用后側鋼板支撐固定關節(jié)面(圖1b)[5]；③采用內外側入路，通過外側平臺截骨窗復位關節(jié)面，內外側以雙鋼板固定(圖1c)[6]。

圖1合并后外側關節(jié)面塌陷的Schatzker Ⅳ型脛骨平臺骨折的3種手術固定方式[4-6]a. 內側鋼板固定,術前X線片(左)、術中復位過程中X線透視(中)及術后X線片(右)b. 內側鋼板固定加后側鋼板支撐固定，術前CT影像(左)及術后X線片(右) c. 外側平臺截骨后，內外側平臺雙鋼板固定示意圖，術前(左)、術中截骨窗及復位(中)和術后(右)

本研究擬通過模擬以上3種方式的體外試驗，比較不同固定方式對骨折復位后關節(jié)面穩(wěn)定性的影響，評估不同固定方式對關節(jié)面固定的生物力學效果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和設備

人工合成脛骨(1110型，右側，瑞士Synbone公司)，脛骨近端3.5 mm系統(tǒng)接骨板和螺釘，人工合成股骨(2350型，右側，瑞士Synbone公司)，電子萬能材料實驗機(Instron5569型)。

1.2 骨折模型制備

內側大塊型骨折在SchatzkerⅣ型骨折中占比最高，根據(jù)文獻[7]及本研究小組前期研究結果其主要形態(tài)學特征如下：①主要骨折線角度(內側平臺骨折線與股骨后髁線的夾角)為84.42 °±6.48 °；②內側骨折塊高度(骨塊最遠端到關節(jié)面的垂直距離)為(57.21±7.89) mm；③內側骨折塊關節(jié)面與整個平臺關節(jié)面的面積比為59.76%±3.79%；④后外側塌陷關節(jié)面與整個平臺關節(jié)面的面積比為17.56%±8.31%；⑤后外側塌陷關節(jié)面的深度為(11.76±3.53) mm；⑥在脛骨平臺橫斷面建立坐標系，塌陷關節(jié)面中心的坐標位置為平均坐標(14.68, -5.65)[8]。

按照上述形態(tài)學測量結果，在人工合成脛骨上描繪出內側大塊型SchatzkerⅣ型脛骨平臺骨折合并關節(jié)面塌陷的骨折線走向，然后操作如下：首先，在人工骨上用電動擺鋸制造內側骨折塊(圖2a)；其次，利用切下的骨塊切面使用鉆頭打空塌陷關節(jié)面以下10 mm區(qū)域，打空高度為12 mm(圖2b)；最后，沿所畫的塌陷關節(jié)面邊緣用2.5 mm克氏針打孔至上述已打空區(qū)域，塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質的弧度和小于20 °(圖2c、2d)。

圖2后外側關節(jié)面塌陷的SchatzkerⅣ型脛骨平臺骨折模型制備 a. 切下內側骨塊后的切面 b. 打空的塌陷關節(jié)面下方10 mm起始區(qū)域 c. 在脛骨平臺關節(jié)面沿所畫的塌陷關節(jié)面邊緣用克氏針打孔 d. 塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質的弧度和小于20 °

1.3 實驗分組及處理

共制備18例骨折模型，將其隨機均分為3組，分別采用3種內固定方式固定。A組采用脛骨近端內側3.5 mm系統(tǒng)解剖型鎖定接骨板固定。術者行骨折解剖復位后，將鋼板置于脛骨平臺內側，近端釘孔方向垂直于骨折線，以克氏針臨時固定；在骨折線遠端以普通螺釘固定；最后，使用鎖定套筒鉆孔、測深及鎖定螺釘固定，鋼板近端釘孔鎖定固定。B組內側鋼板固定同A組，在此基礎上增加后側支撐鋼板，即于后方由外上向內下安放3.5 mm干骺端鋼板，使近端1枚螺釘?shù)奈恢们『么蛉胨蓐P節(jié)面下方，各釘孔使用鎖定螺釘固定。C組在內側鋼板固定基礎上增加脛骨近端外側解剖型鋼板。首先依據(jù)文獻[6]方法制作：采用電動擺鋸在外側平臺上進行截骨，截骨線連通塌陷關節(jié)面，其后方的皮質不予處理以模擬骨窗。術者先行內側鋼板固定(方法同A組)，然后在外側使用2根克氏針經(jīng)鋼板近端克氏針孔臨時固定以確定鋼板位置，鋼板近端的后緣不越過腓骨切跡；以普通螺釘固定確認鋼板位置滿意后，使用鎖定套筒鉆孔、測深及鎖定螺釘固定。見圖3。

圖3 A、B、C組的內固定方式

1.4 生物力學測試

取制作好的標本固定于萬能材料實驗機上，為模擬膝關節(jié)負重，通過人工合成的股骨遠端進行軸向載荷加壓。載荷加壓采用靜態(tài)負載方式，以700 N為起始負荷，即相當于70 kg體質量人體步行時膝關節(jié)所承受的負載[9]；然后以每10 N遞增，測試塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質斷裂時的載荷和垂直位移>3 mm時的載荷。塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質的斷裂采用大體觀察法，即骨折模型關節(jié)面各克氏針鉆孔間皮質均斷裂；垂直位移判定采用測量法，以關節(jié)面水平為基準，塌陷關節(jié)面上任意一點距此水平大于3 mm時即為垂直位移>3 mm。記錄以上兩種情況發(fā)生時的靜態(tài)載荷。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 19.0版軟件進行統(tǒng)計學分析。計量資料以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用方差分析，進一步兩兩比較采用LSD-t法(方差齊)或Dunnett T3法(方差不齊)，P<0.05為具有統(tǒng)計學差異。

2 結果

實驗中未發(fā)生螺釘或鋼板斷裂。塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質斷裂時所加載負荷分別為A組(1 715.0±52.1) N、B組(2 631.7±81.8) N、C組(2 763.3±51.6) N。經(jīng)檢驗3組數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分析條件并具方差齊性，予方差分析顯示3組間加載負荷存在差異(F=486.183，P=0.000)；進一步采用LSD-t法行兩兩比較，PAB=0.000、PAC=0.000、PBC=0.003，3組間載荷均存在差異。塌陷關節(jié)面垂直位移>3 mm時的載荷分別為A組(2 360.0±71.0) N、B組(3 125.0±104.4) N、C組(3 418.3±81.3) N。經(jīng)檢驗3組數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分析條件并具方差齊性，予方差分析顯示3組間載荷存在差異(F=238.140，P=0.000)；進一步采用LSD-t法行兩兩比較，PAB=0.000，PAC=0.000、PBC=0.000，3組間載荷均存在差異。

3 討論

脛骨平臺骨折應用最廣泛的分型是Schatzker骨折分型，其中SchatzkerⅣ型為內側脛骨平臺骨折，可伴有骨折脫位。隨著術前CT檢查的廣泛應用，學者們發(fā)現(xiàn)部分SchatzkerⅣ型骨折可伴外側平臺關節(jié)面塌陷，且塌陷通常位于外側平臺中部或后部，這給手術復位及固定帶來一定困難[1,4-6,10-11]。

內側手術入路及固定是治療SchatzkerⅣ型骨折的經(jīng)典方式，該入路可直接暴露內側平臺骨折塊，于直視下行復位和固定，但對于存在后外側平臺塌陷者，此入路在復位和固定上均存在一定困難，而后外側關節(jié)面的處理在手術中是非常重要的[12]。有學者認為，可通過此入路于骨折塊間隙插入撐開器，然后使用頂棒等工具在X線透視下復位后外側關節(jié)面[4]。也有學者建議，內側切口僅處理內側骨塊，在前外側增加切口，利用關節(jié)內截骨技術新增外側平臺骨折窗，將SchatzkerⅣ型骨折轉化為SchatzkerⅤ型，通過新增的骨折窗復位后外側骨折塊并以外側鋼板固定[6]。還有學者使用脛骨平臺后內側倒“L”形入路處理此類骨折，該方法通過1個切口暴露內側和后側柱，在內側鋼板固定基礎上增加后側支撐固定[5]。這3種手術方式各有優(yōu)缺點，但尚無生物力學研究比較它們固定關節(jié)面的穩(wěn)定性。

本研究的骨折模型及內固定方式均模擬臨床操作。研究結果發(fā)現(xiàn)，內固定強度最高的是以內外側雙鋼板固定，其次是以內側鋼板加后側支撐鋼板固定，強度最低的是以內側鋼板固定，3種固定方式相同之處為均有內側鋼板固定。我們研究位移實驗后的模型發(fā)現(xiàn)，內側鋼板近端3枚螺釘中的2枚可以打入塌陷關節(jié)面下方區(qū)域進行支撐，其中1枚通過塌陷中部，另1枚通過邊緣。相比于單純內側鋼板固定，加用后側支撐鋼板固定時，后側鋼板最近端的1枚螺釘也可打入塌陷關節(jié)面下方，因此其力學強度更優(yōu)。而以內外側雙鋼板固定時生物力學強度最高，其原因在于外側鋼板近端也有2枚螺釘可打入塌陷關節(jié)面下方，因此最多可有4枚螺釘對塌陷關節(jié)面起到支撐作用。不過需注意的是無論體外試驗還是臨床操作中，內外側雙鋼板固定的近端螺釘均可能存在相互干擾，即當一端打入較長螺釘后(通常>70 mm)，另一端通常無法打入長螺釘。在實踐中，術者可通過調整鋼板高度進行避讓，使內側鋼板位置略低于外側鋼板。

生物力學研究的目的是為臨床決策提供依據(jù)。根據(jù)Morrison[13]的研究，術后患者進行主動功能鍛煉時膝關節(jié)應力約為人體質量的1.3倍(體質量70 kg者約910 N)，而人行走時踩地瞬間的膝關節(jié)應力可達人體質量的3.5倍(體質量70 kg者約2 500 N)。本研究中，塌陷關節(jié)面與周圍相連皮質斷裂時載荷最低組(內側鋼板固定組)的負荷為1 715 N，應可以滿足人體非負重活動需要，而另外2組(內側鋼板加后側支撐鋼板固定組、內外側雙鋼板固定組)的負荷值理論上均可滿足人行走需要。

本研究的不足之處在于骨折模型與臨床情況存在一定差異。臨床實踐中，塌陷關節(jié)面的形狀多不規(guī)則且為游離狀，在利用頂棒等工具抬起后，塌陷關節(jié)面與周圍組織存在一定的黏液摩擦和滑動摩擦，而這在人工骨材料上無法完全模擬。目前，臨床醫(yī)生對于脛骨平臺骨折的治療多采用生物學固定的理念，即在不犧牲生物力學固定強度的情況下保護骨折周圍生物學環(huán)境的穩(wěn)定。盡管本研究的結果顯示以內外側雙鋼板固定穩(wěn)定性更強，但在臨床實踐中仍需要結合實際情況進行綜合判斷。