髋臼后壁骨折三种内固定方法的生物力学比较

　　作者：曹毅，刘 璠，王 洪，朱鸣镝，赵 辉 作者单位：(南通大学附属医院骨科，南通226001)

　　【摘要】 目的:分析比较髋臼后壁骨折3种内固定方法的生物力学稳定性，为临床髋臼后壁骨折的内固定治疗提供参考。方法:成人半骨盆-股骨固定标本28具，随机分为A、B、C、D 4组，A组为结构完整组，余3组制作髋臼后壁2/3骨折，其中B组采用重建钢板固定，C组采用拉力螺钉固定，D组采用V形钢板固定。用万能材料实验机测定负荷加载下后壁骨块的应力变化，最大载荷设置为3000 N。从计算机读取负荷在300 N，600 N，900 N，1 200 N，1 500 N，1 800 N，2 100 N，2 400 N，2 700 N，3 000 N时的应变数值，以A组为对照组，将A，B，C，D各组数据进行统计学比较。结果:在负荷从0加载至 1 200 N时，三种内固定方法的应变值与正常组差异无统计学意义(P>0.05)。负荷加载超过1 200 N时，C、D组与A组的应变值比较明显减少，而B组与A组比较，总体应力变化趋势相似;C、D两组的应变值比较差异无统计学意义。结论：3种内固定方法均有一点的抗压强度可适于髋臼后壁骨折术后早期部分负重的功能锻练;重建钢板的固定強度较大，有利于早期较大负重的锻练。V形钢板固定为临床治疗髋臼后壁骨折提供了一种新的选择方法。

　　【关键词】 髋臼后壁骨折;内固定;生物力学

　　The biomechanical study on three internal fixation techniques of the fractures

　　of the posterior wall of the acetabulum

　　CAO Yi,LUI Fan ,WANG Hong, et al (Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Nantong University, Nantong 226001)

　　[Abstract] Objective: This experiment was designed to compare three different internal fixation strengths of the fractures of the posterior wall of the acetabulum by biomechanical testing to provide evidence for choice of clinical treatment. Methods:Twenty-eight hemipelves articulated proximal one-third of femur were harvested from embalmed cadavers of human adults. The whole specimens were divided into four groups randomly. Group A was with normal construction of hip joint and set up as control group, and the other groups were with operatively created fracture of 2/3 areas of the posterior wall. The fractures were anatomically reduced and fixed as follows: group B with reconstruction plate; group C with lag screws alone; group D with V-shaped plate. Each specimen was tested by materials-testing system and sequent loads on pelvis ranged from 0 to 3000 Newtons. The actuator loads were directly recorded by computer, and the output from the pressure-sensitive patch that was attached to the fragment was transmitted to a converter which connected with the same computer. The data of load and corresponding strain were obtained from the computer. The statistical comparisons between each group were analyzed using ANOVA with the level of significance set at P=0.05. Results: When the loads were lower than 1200N the strains of three internal fixations had no significant change compared with the control group respectively (P>0.05). As testing loads increased the strains of group C and group D reduced significantly (P<0.05), compared with group A, while the total variational tendency of strains of group B was parallel to group A (P>0.05). There were on statistical differences between group C and group D (P>0.05). Conclusion: At the lower loading situation the strengths of fracture fixed with lag screws alone or V-shaped plate are similar to normal group, which may infer that both of these fixations can be suitable for early passive exercises or moderate weightbearing exercises after surgery of the fracture of the posterior wall of the acetabulum. The repairing technique of reconstruction plate is a stranger fixation that may resist heavier weightbearing mobilization than other tow fixations. This experimental outcomes also indicate that the new technique of V-shaped plate fixation provides an alternative in terms of the treatment of the fracture of the posterior wall of the acetabulum.

　　[Key words] Acetabulum fracture;Internal fixation;Biomechanics

　　髋臼骨折是高能量创伤引起的关节内骨折，其中后壁骨折约占1/4，是最多见的类型，且多数需手术复位内固定治疗[1-2]。目前临床上常用的由固定方法有重建钢板固定[3]和单纯螺钉固定。笔者根据髋臼后壁的形态而设计研发了一种形钢板固定技术，并从生物力学的角度对3种内固定方法进行比较，为临床髋臼后壁骨折内固定的选择指导骨折术后的早期功能锻炼提供参考。

　　1 材料和方法

　　1.1 标本制备与分组 选取经防腐保湿处理的年龄在30~50岁成人骨盆、髋关节和近侧1/3股骨干标本14具，标本由南通大学解剖教研室提供。摄片排除骨、关节疾病和骨质疏松，去除所有与髋臼、股骨相连的软组织，仅保留髋关节的关节囊和韧带维持髋关节的连接。标本分组：将骨盆经骶髂关节和耻骨联合处将分离制备28具半骨盆-髋关节标本，随机分成A，B，C，D 4组，每组7具。A组保持关节结构完整设为对照组，其余3组制作成髋臼后壁2/3骨折模型，B组采用重建钢板固定，C组采用拉力螺钉固定，D组采用V形钢板固定。

　　1.2 髋臼后壁2/3骨折模型的制作 将髋关节后侧韧带和关节囊切开，屈髋内旋并内收使髋关节脱位，清除髋臼内圆韧带及软组织，暴露髋臼的关节面。髋臼后壁2/3骨折模型制作参照Olson髋臼后壁骨折模型的制作方法[4]，即以骨盆直立位固定，以髋臼中点为中心，自与经中点的纵向垂轴夹角40°始至与垂轴夹角90°止，以此为髋臼后壁范围，在髋臼后缘与坐骨大切迹中外1/3处作标记，经此点向上至髋臼顶与后壁交界的边缘处、向下至髋臼后壁下缘画一弧形线,作为截骨标志,先用细克氏针沿弧形线向髋臼窝外缘软骨下钻一排孔，然后用骨刀沿这些孔截骨，保证骨块的完整性,建立后壁2/3骨折模型如图1所示，最后将髋关节复位。A组清除髋臼内软组织后关节复位关节囊缝合。

　　图1 髋臼后壁2/3骨折模型的制作

　　1.3 内固定方法

　　1.3.1 重建钢板固定 骨块解剖复位后用持骨钳临时固定，取8孔不锈钢重建钢板塑形后置于骨块上并以4枚3 mm皮质骨螺钉固定，固定方法如图2所示。

　　1.3.2 拉力螺钉固定 骨块解剖复位后用持骨钳固定，用直径2 mm钻头距髋臼唇缘3 mm处垂直骨折线穿透对侧皮质并测深，近侧以直径3.5 mm螺丝攻攻丝，然后拧入直径4 mm拉力螺钉2枚，固定方法如图3所示。

　　1.3.3 V形钢板固定 V形钢板是自行设计的內固定装置，采用医用316L型不锈钢板材，厚1.2 mm，宽6.5 mm，为 “V”形，两边长均为35 mm，中间夹角40°，一边的边缘打磨成刀刃状，另一边距末端8 mm处有一直径3.5 mm的螺钉孔。固定方法：骨块解剖复位后以持骨钳临时固定，距髋臼缘1.5~2.5 mm处与髋臼后壁骨面成40°角用1.2 mm克氏针钻排孔，宽约6 mm，将钢板有刃的一边插入固定骨折块，另一边覆盖于髋臼后壁的皮质骨面，并以一枚螺钉固定于骨折近端，如图4所示。内固定操作均由同一作者独立完成，骨折固定后将切开的关节囊及韧带缝合。

　　1.4 生物力学测试 标本测试位置固定，近端股骨干的矢状面向后倾斜与机器底座平面呈30°角用夹具固定于万能材料测试仪的底座(岛津AK-25KNA型)，骨盆前倾30°、外展20°~25°，模拟髋关节屈曲约60°、外展20°~25°时的受力情况，骨盆上方的髂骨部分锯除，以5~6枚克氏针直径2.5~3.0 mm从不同角度钻入骨盆，骨盆上部和克氏针以牙托粉浇铸成载压平台，平台中央对应于加压锤的位置铸成深10 mm凹槽，加压测试时压咬合固定于凹槽以防止测试过程中骨盆的移动。测试前加载3~5 N的前负荷，将力学测定仪上的压力重新调零后以1.5 mm/min的速度连续加压，最大载荷设置为3 000 N。

　　为了测试髋臼后壁骨块上的应力变化，在骨块上布置电阻应变片，结构完整组在与骨折块相应的位置布置电阻应变片。由于骨的热传导性很差，又有机质渗出，故在标本上选择电阻应变片小标距、电阻值尽量一致(R=120欧姆±0.5%，k=2.16,1.2 mm×1.2 mm)，并要求有良好的电阻强度特征，确保良好的绝缘和应变传导特性。应变片贴于骨折块前，先将骨折块用生理盐水清洗干净，修理平整，至露出骨本色，用丙酮清洗干净贴片部，用沙纸将贴片处打磨，再用丙酮清洗干净至干燥后滴少量502胶水，将电阻应变片贴上去后用塑料膜轻压片刻，应变片在贴后干燥30 min再进行实验。将应变片连接YJ-35静态电阻应变仪，YJ-35电阻应变仪的主要性能指标：(1)量程：±1-11100 με;(2)灵敏度：1 με;(3)基本误差：<±1%。计算机通过程序化系列软件记录电阻仪上的应变值。

　　1.5 数据分析 读取300 N，600 N，900 N，1 200 N，1 500 N，1 800 N，2 100 N，2 400 N，2 700 N，3 000 N载荷时所对应的应变值，将各组数据输入计算机，把实验数据进行线性回归，计算相关参数,F值有意义再进行两两比较。数据处理采用美国计算机资源公司的Stata 7.0统计软件，P<0.05为差异有统计学意义。

　　2 结 果

　　2.1 各组的载荷-应变曲线 见图1

　　2.2 髋臼后壁骨折块固定的载荷-应变关系 经测量得到髋臼后壁骨折3种内固定方式载荷-应变关系见表1。结果表明：(1)在载荷逐渐增加时，载荷-应变关系曲线开始呈现线性变化后呈非线性变化，符合骨的非线性力学性质;(2)负荷从0加载到1 200 N时，B、C、D组与A组比较差异无统计学意义(P>0.05)，B、C、D组两两比较差异亦无统计学意义(P>0.05);(3)B组与A组比较，负荷—应变曲线相似，总体变化趋势相近，在取值1 500 N时，B组的应变值是A组的67%，在1 800 N时，B组的应变值是A组的82%，两组的应变比较差异有统计学意义(P<0.01);(4)C、D组在负荷加载≤1 200 N时，其应变值与A组差异无统计学意义(P>0.05),在负荷加载>1 200 N时，其应变明显比A组小(P<0.05)。C、D组之间差异无统计学意义(P>0.05)。

　　3 讨 论

　　髋臼后壁骨折会影响髋关节的稳定性及髋臼负重弧顶的压力的改变，尤其是损伤范围大于髋臼后壁面积的30%~40%时，这种不利影响更加明显。Olson等将髋臼后壁分别作1/3、2/3和全部宽度的分级切除，结果提示后壁骨折可显著改变头-臼关节面的接触情况及关节的稳定性[4]，本组采用后壁2/3骨折模型。髋臼后壁骨折多为间接外力使股骨头撞击髋臼后壁所致，典型的受伤机制是屈髋屈膝，髋关节稍外展时，暴力自膝前方沿股骨干向后传导或自大粗隆向内后方传导致骨折发生，随着屈髋角度的增大可伴有股骨头后脱位或出现单纯的髋关节后脱位[5]。所以，本组实验的测试体位设计为髋关节屈曲60°，外展25°~30°时力的加载，与直立位相比，可使后壁得到更多的压力分布，有利于力学测定的比较，同时又可避免过大的屈曲角度使股骨头后脱位。测试指标为髋臼后壁骨折块上的应变，通过统计学处理得到负荷—应变曲线。最大负荷设置为3 000 N是因为在预实验时，完整组在负荷达到3 500 N时关节软骨面出现肉眼可观察到的不可逆形变。

　　正常情况下，髋臼后壁承载人体的部分应力，当后壁骨折时骨折块不能承受应力，其应力主要集中于非骨折区，只有当骨折块复位固定后才能分散应力，所以骨折块所受应力越大表明抵抗外力的能力越强。本实验通过贴附于骨折块的电阻应变片动态观察骨块的应变变化，比较了3种髋臼后壁骨折固定方法的生物力学特性，为临床治疗方法的选择和早期功能锻炼提供依据。

　　本次实验的结果显示：在加载负荷<1 200 N时，3种内固定方法的应变值与对照组比较结果相似，这表明内固定强度足以抵抗此时的外来压力，可承受部分负重功能锻炼。随着载荷的增加，骨折内固定各组的应变变化显著。从负荷—应变曲线上可以观察到重建钢板固定组的曲线变化总体趋势与正常对照组非常近似，说明重建钢板可达到坚强固定的作用，能承受较大负重的功能锻炼。但在负荷加到1 500 N~1 800 N区间内，其应变值明显小于正常对照组，这可能与骨块的微小移动有关。尽管钢板折弯塑形后能贴合髋臼后壁的骨面，但钢板与骨面不可避免的存在一些微小的间隙，当外力加载到量时而产生微动，微动的产生一方面使分布于骨折块的应力相对减少，另一方面使骨折块与钢板的贴合更为紧密，所以在载荷进一步增加时其应变变化又与正常组一致。这一点可以解释临床上有部分患者经过解剖复位重建钢板固定后仍会出现复位丢失而影响临床疗效的现象。螺钉固定与V形钢板固定是贯穿骨折断端间的直接固定，植入物固定于髋臼的松质骨内，在载荷加大时，固定的内植物与松质固的界面会产生松动而影响到固定强度，从本实验的结果可以看出，其应变值的变化明显小于正常对照组及重建钢板组。

　　髋臼骨折的治疗现也强调尽可能减少创伤和局部血供的破坏[6]，单纯采用螺钉固定，具有暴露范围小，固定简单，创伤小的优点，Gun等[7]研究发现仅用空心螺钉固定骨折块获得了较好的疗效。但单纯螺钉仅局限于后壁较大骨块的固定，且如固定方法不当，在螺钉拧入的过程中会导致骨块崩裂[8-10]。为此，笔者设计了一种新型的V形钢板固定装置，其一边如刀刃状直接插入髋臼后壁松质骨内固定骨折断端，另一边固定于后壁皮质骨面，其固定技术符合张力带固定原理，更能承受压应力。钢板厚度<2 mm，也可用于较小的骨块固定。通过本组实验的测定，一块钢板的固定强度与两枚螺钉固定相同。V形钢板为一种新型设计的固定装置，固定方法简单，手术创伤小，将会为临床治疗髋臼后壁骨折提供了一个新的选择方法。

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