舟骨骨折螺釘固定的生物力學(xué)研究

郭陽 田光磊 田文 姜保國 韓娜

舟骨骨折螺釘固定的生物力學(xué)研究

郭陽 田光磊 田文 姜保國 韓娜

目的對于腰部斜形舟骨骨折，通過生物力學(xué)試驗評價舟骨骨折螺位置居中性與垂直性對螺釘固定強度的影響。方法將 32 例外形、材質(zhì)相同的舟骨 Sawbone 骨根據(jù)螺釘?shù)奈恢迷谥酃莾?nèi)是否居中、與骨折面是否垂直分 4 組：居中并且垂直，居中但不垂直，不居中但垂直，不居中不垂直，每組 8 例，在舟骨腰部作截骨模擬骨折，用螺釘固定。對其中的 1 例 Sawbone 進行 CT 掃描，利用術(shù)前設(shè)計與手術(shù)模擬軟件設(shè)計骨折模擬平面、螺釘導(dǎo)針位置，用以確定在生物力學(xué)實驗中骨折平面及螺釘?shù)奈恢?。將螺釘固定后的舟骨置于生物力學(xué)試驗機平臺，測量并比較不同試驗組標(biāo)本固定失效時的最大負(fù)荷及位移。結(jié)果當(dāng)螺釘在舟骨內(nèi)居中且與骨折線垂直時 ( A 組 ) 的最大負(fù)荷及位移均值 ( 398.5 N，2.8 mm ) 與螺釘在舟骨內(nèi)居中固定但與骨折線不垂直時的 ( B 組 ) ( 393.1 N，2.9 mm ) 變化均不大，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＞0.5 )；螺釘在舟骨內(nèi)偏心固定且與骨折線垂直時 ( C 組 ) 的最大負(fù)荷及位移均值 ( 348.25 N，3.6 mm ) 與螺釘在舟骨內(nèi)偏心固定且與骨折線不垂直時 ( D 組 ) 的 ( 342.50 N，3.8 mm ) 的變化均不大，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＞0.5 )。這說明螺釘固定強度與螺釘是否與骨折面垂直無關(guān)。而舟骨骨折螺釘位置居中性的 A、B 組的最大負(fù)荷值均較偏心固定的 C、D 組大，且差異均有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.001 )；A、B 組的最大位移值均較 C、D 組小，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.001 )。結(jié)論對于舟骨斜形不穩(wěn)定骨折，將螺釘在舟骨內(nèi)居中放置可以提供更高的固定強度，與螺釘是否與骨折面垂直無關(guān)。

生物力學(xué)；內(nèi)固定；舟骨骨折；腕

對于不穩(wěn)定的舟骨骨折復(fù)位后用空心螺釘固定骨折并行早期活動已經(jīng)成為一種最常用的治療方式。然而，螺釘在舟骨內(nèi)的位置會影響骨折固定的強度。一些學(xué)者指出當(dāng)螺釘?shù)奈恢迷谥酃莾?nèi)居中時，具有生物力學(xué)固定優(yōu)勢[1-2]，將它作為首選的固定方式；另外一些醫(yī)生認(rèn)為，螺釘與骨折線是否垂直，對固定是否牢固的影響更大，螺釘居中與否區(qū)別不大[3-4]。我們利用以前通過螺旋 CT 建立三維舟骨中央?yún)^(qū)的方法[5-7]，作為判斷螺釘是否居中的標(biāo)準(zhǔn)，在 Sawbone 骨上模擬舟骨骨折進行生物力學(xué)試驗，探討螺釘在舟骨內(nèi)的居中性及螺釘相對骨折平面的垂直性這兩個因素哪個對固定牢固程度的影響更為重要，以指導(dǎo)臨床治療，現(xiàn)將結(jié)果報告如下。

資料與方法

一、舟骨材料

本研究共 32 例舟骨 Sawbone 骨 ( 購買 pacific research labs，Washington，USA )，質(zhì)地、強度、外觀形態(tài)相同，均為左側(cè)。在對舟骨腰部進行截骨模擬斜形骨折，用空心釘固定后，使用生物力學(xué)儀器對骨折固定的牢固程度進行評價。評價參考的指標(biāo)為固定發(fā)生失效時的最大負(fù)荷和最大位移。

二、Sawbone 骨的 CT 數(shù)據(jù)計算

由于舟骨的體積較小，如何確保在生物力學(xué)試驗時螺釘在舟骨內(nèi)的居中性以及螺釘與骨折平面垂直性的精確度是試驗成功與否的重要前提。我們通過利用 Sawbone 骨的 CT 數(shù)據(jù)，以計算機輔助設(shè)計計算骨折面的位置及螺釘?shù)妮S線。首先對帶有標(biāo)記線的 Sawbone 舟骨進行 CT 掃描[7]，條件：電壓120 KV，電流 100 mA，掃描 0.4 s，視野 225.0 mm，層厚 0.5 mm，矩陣 512×512。應(yīng)用手術(shù)計劃和模擬系統(tǒng)軟件 VxWork 4.0 接收 CT 掃描所獲 DICOM數(shù)據(jù)，借助 VxWork 軟件中的 Erode 功能建立舟骨的“中央?yún)^(qū)”，此中央?yún)^(qū)是判斷螺釘是否居中的標(biāo)準(zhǔn)[5]( 圖1 )。在舟骨腰部取一平面，作為斜形骨折平面。在舟骨 Sawbone 兩極的嵴上開槽，用膠水將顯影線粘好。

圖 1 對一個舟骨進行 CT 掃描，在軟件中建立舟骨的中央?yún)^(qū)Fig.1 The central zone was established in the software after the CT scan of 1 scaphoid

三、實驗分組

實驗分為 A、B、C、D 共 4 組，分組的依據(jù)為螺釘在舟骨內(nèi)是否居中以及與截骨面是否垂直( 表1 )。將掃描得到的 Sawbone 骨的 CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入VxWork 軟件，行術(shù)前設(shè)計。A 組：將螺釘?shù)妮S線沿舟骨腰部中央?yún)^(qū)放置并與截骨面垂直，此時螺釘同時具有居中性及垂直性。B 組：將螺釘軸線沿舟骨腰部中央?yún)^(qū)放置但與截骨面不垂直，有一定成角，方向自舟骨結(jié)節(jié)至舟骨近極。此時螺釘舟骨內(nèi)居中，但與骨折面的垂直性差。C 組：將螺釘?shù)妮S線放置于舟骨腰部中央?yún)^(qū)的橈側(cè)，但與骨折面垂直，即螺釘?shù)木又行圆?，但與骨折面的垂直性好。D 組：螺釘?shù)妮S線沿舟骨腰部中央?yún)^(qū)橈側(cè)放置，且不與截骨面垂直。在軟件內(nèi)利用三維測量功能記錄截骨面及螺釘軸線在舟骨兩端的出、入點與顯影線的相對距離，以確保在 Sawbone 骨上作截骨、打入空心釘進行固定與在軟件上設(shè)計的位置相同 ( 圖2A～D )。

表1 分組與骨折的位置及螺釘是否在舟骨內(nèi)的關(guān)系Tab.1 The specimens were divided into 4 groups according to the positions of the fracture plane and the screw

四、截骨與螺釘固定

根據(jù)術(shù)前設(shè)計確定的螺釘軸線在舟骨遠、近端的出、入點，在螺釘導(dǎo)向器的輔助下，將導(dǎo)針以計算好的出、入點打入舟骨。用手動微型鋸根據(jù)設(shè)計的截骨面對 Sawbone 骨進行截骨模擬骨折，之后將骨折復(fù)位，以拇、示指擰入合適長度的空心釘( 3.0 mm，Synthes )，對每組的一個舟骨用 CT 掃描確定螺釘與截骨面的位置。

圖 2 a：舟骨軸線居中放置；b：舟骨軸線放置不居中；c：舟骨螺釘與骨折面垂直；d：螺釘與骨折平面不垂直Fig.2 a: The screw axis was placed centrally in the scaphoid; b: The screw axis was not placed centrally in the scaphoid; c: The screw axis was perpendicular to the fracture plane; d: The screw axis was not perpendicular to the fracture plane

五、生物力學(xué)測量

將舟骨近端用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) 固定，然后再固定到可與生物力學(xué)實驗機平臺相連接的鐵質(zhì)基座上，舟骨近端沉入 PMMA 的距離不能高于骨折平面。舟骨與水平面的夾角控制在 45°，模擬生理狀態(tài)下腕關(guān)節(jié)中立位時舟骨的高度，使用生物力學(xué)試驗機測試螺釘對舟骨固定的強度 ( 圖3 )。將舟骨-基座置于試驗平臺，液壓傳感器置于舟骨遠極，施加垂直方向的壓力，模擬舟骨在生理狀態(tài)下承受的自背-掌方向的負(fù)荷。傳感器向下移動的速度設(shè)定為 1 mm / min，施加的負(fù)荷不斷增大，直至骨折部位固定失效。我們用個人電腦及專業(yè)軟件測量最大負(fù)荷及失效時發(fā)生的位移。

六、樣本量估算及統(tǒng)計學(xué)處理

根據(jù)文獻資料 [7-10]，每組的樣本量為 8 例?？紤]到舟骨 Sawbone 骨本身材質(zhì)幾乎無差異，得到的力學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)為正態(tài)分布，因此用方差分析 ( Spss 11.0 比較最大負(fù)荷及位移 ) 檢驗差異有無統(tǒng)計學(xué)意義。

圖 3 將舟骨近端用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) 固定，與水平面的夾角控制至 45°Fig.3 The proximal pole of the scaphoid was fxed into Polymethyl Methacrylate ( PMMA ) at 45° to the horizontal plane

結(jié) 果

所有樣本內(nèi)固定失效的模式均為空心釘在舟骨內(nèi)的移動，即釘-骨交界的骨折，骨折遠端沿骨折平面出現(xiàn)滑動。實驗后檢查空心釘，沒有 1 例發(fā)生彎曲變形。A、D 兩組使用的空心釘在舟骨近極居中，長度為 30 mm。B、C 兩組使用的空心釘在舟骨遠極居中，長度為 28 mm。生物力學(xué)實驗結(jié)果顯示，當(dāng)螺釘居中時，固定后承受的最大負(fù)荷及最大位移與骨折平面是否垂直無關(guān) ( A / B )，最大負(fù)荷及最大位移的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＝0.889、P＝0.789 )；當(dāng)螺釘不居中時，螺釘固定后承受的最大負(fù)荷及最大位移也與骨折平面是否垂直無關(guān)( C / D )，最大負(fù)荷及最大位移的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＝0.692、P＝0.638 )。無論螺釘與骨折面垂直或不垂直，螺釘居中組與螺釘不居中組的最大負(fù)荷及最大位移相差明顯，螺釘位置居中的 A、B 組的最大負(fù)荷值均較偏心固定的 C、D 組大；A、B 組的最大位移值均較 C、D 組?。篈 組與 C 組比較，最大負(fù)荷及最大位移的差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.001、P＜0.001 )；A 組與 D 組比較，最大負(fù)荷及最大位移的差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.001、P＜0.001 )；B 組與 C 組比較，最大負(fù)荷及最大位移的差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.001、P＜0.001 )；B 組與 D 組比較，最大負(fù)荷及最大位移的差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＝0.001、P＝0.001 ) ( 表2 )。

表2 實驗各組固定后承受的最大負(fù)荷及最大位移 (±s )Tab.2 The maximum load and displacement after the fixation in different study groups (±s )

表2 實驗各組固定后承受的最大負(fù)荷及最大位移 (±s )Tab.2 The maximum load and displacement after the fixation in different study groups (±s )

組別 最大負(fù)荷 ( N ) 最大位移 ( mm ) A 組 398.50±18.68 2.80±0.5 B 組 395.10±16.18 2.91±0.5 C 組 348.25±16.36 3.62±0.7 D 組 342.50±15.62 3.80±0.6

討 論

對于有移位的新鮮舟骨骨折以及陳舊不愈合骨折以空心螺釘固定可以縮短制動時間，縮短骨折愈合時間，提高骨愈合率。影響內(nèi)固定強度的因素有：舟骨骨質(zhì)情況、骨折面自身形態(tài)、骨折是否解剖復(fù)位、內(nèi)固定物的選擇及手術(shù)的操作技術(shù)，例如放置螺釘是否在舟骨內(nèi)居中，螺釘與骨折線是否垂直，螺釘是否足夠長等。舟骨的骨質(zhì)情況以及骨折面情況醫(yī)生無法控制，而手術(shù)中的操作技術(shù)近年來一直是手外科的熱點話題。不少學(xué)者認(rèn)為將螺釘在舟骨內(nèi)居中放置可以縮短骨折愈合時間，提高愈合率，縮短制動時間，從而改善腕關(guān)節(jié)活動[1-2,10]。因此將螺釘?shù)木又凶鳛樽钪匾牟僮?，甚至不惜切除部分大多角骨[10-11]；而有些學(xué)者認(rèn)為，舟骨螺釘?shù)闹兄没⒉皇潜仨毜模粦?yīng)該以犧牲舟-大多角骨關(guān)節(jié)的完整性作代價。對于舟骨腰部骨折，避開大多角骨，打入與骨折線垂直的螺釘，此時螺釘雖不居中，但其固定強度也足夠[3-4]；還有學(xué)者認(rèn)為只要舟骨螺釘完全置于舟骨內(nèi)加壓固定即可，實際上并不用考慮舟骨螺釘?shù)木又行浴?/p>

本次生物力學(xué)試驗的主要目的，是評價對于一個舟骨腰部的斜形骨折，術(shù)者選擇固定螺釘在舟骨內(nèi)的位置對固定強度的影響。我們試圖解答以下幾個問題：( 1 ) 螺釘在舟骨內(nèi)居中且與骨折面垂直是否具有生物力學(xué)固定優(yōu)勢，成為最為理想的固定位置；( 2 ) 對于不同骨折線的形態(tài)，受到術(shù)中操作的影響，如果不能達到最理想的固定位置，是將螺釘在舟骨內(nèi)居中放置，還是選擇與骨折面垂直？如二者僅可取其一，如何選擇？本實驗結(jié)果看來，使螺釘在舟骨居中固定應(yīng)該是最好的選擇。就生物力學(xué)測定方法而言，類似的試驗在以前有過報告，我們在測量的基本方式沿用了其他人的研究方法[1,8-9]。不同之處是我們對螺釘在舟骨內(nèi)是否居中的判斷方法與以前不同。一直以來，由于舟骨形態(tài)比較復(fù)雜，居中的判斷并無明確、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[12]；在 X 線片上的劃線測量重復(fù)性較差。對舟骨這樣一個外形輪廓極不規(guī)則的短、小骨，如果螺釘居中性的判斷不明確，那么螺釘?shù)奈恢脤潭ǖ挠绊懢蜔o從談起。我們對居中的判斷，就是通過以前報告過的 CT 三維重建的方法[5-6]，在軟件中導(dǎo)入舟骨的 CT數(shù)據(jù)，通過計算建立中央?yún)^(qū)，如果導(dǎo)針軸線位于此中央?yún)^(qū)內(nèi)，螺釘即認(rèn)為在舟骨內(nèi)居中，所有步驟均為電腦程序計算，精確度和重復(fù)性較之前的方法更高。我們認(rèn)為，用準(zhǔn)確度高的方法對螺釘在舟骨內(nèi)是否居中進行精確的判斷，是此類生物力學(xué)試驗成功與否的基礎(chǔ)和關(guān)鍵步驟。

本次實驗的結(jié)果對臨床有一定的指導(dǎo)意義。首先證實了，在可能的情況下，使螺釘在舟骨內(nèi)居中并與骨折線垂直對固定的牢固程度是有意義的；另外，實驗中很好地顯示了導(dǎo)針在舟骨上的出入點，由于舟骨的體積比較小，螺釘居中或不居中、與骨折線垂不垂直，其入針點間的差距很小，約2.0～2.5 mm，這提示臨床醫(yī)生的術(shù)中操作要特別精細，變換導(dǎo)針入針點時幅度要在 2 mm 以內(nèi)即可。同時應(yīng)注意到，本次實驗的骨折模型為腰部的短斜形骨折，對于沿舟骨溝的長斜形骨折，本次實驗的結(jié)果是否也同樣適用，值得進一步探討。

本研究采用 Sawbone 替代舟骨的解剖標(biāo)本，是考慮 Sawbone 的材料、結(jié)構(gòu)、外形的同一性，但Sawbone 材料的生物力學(xué)特性與真正的骨標(biāo)本不同，試驗操作需要一些技巧。例如，固定 Sawbone 所用 PMMA 在固化過程中會產(chǎn)生高溫，損壞 Sawbone骨，因此需要在固定時進行降溫操作；Sawbone 骨的結(jié)構(gòu)致密性較差，在打入空心鉆以及擰入螺釘時，不能施加太大壓力，更不能頻繁變換導(dǎo)針位置，以免造成固定失效。

我們在試驗的自身局限性上并無較大突破。首先，沒有考慮舟骨附著的韌帶和軟組織對固定方式的影響；其次，施加的負(fù)荷為單次單向負(fù)荷，與生理狀態(tài)下的實際負(fù)荷有差距；最后，模擬骨折的截骨面為簡單骨折，不能完全代表實際骨折時可能出現(xiàn)的骨折粉碎或骨量缺損的可能。

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( 本文編輯：李貴存 )

第八屆上海國際骨科前沿技術(shù)與臨床轉(zhuǎn)化學(xué)術(shù)會議通知

由中國工程院醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)部、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院、上海市中國工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動中心共同主辦的第八屆上海國際骨科前沿技術(shù)與臨床轉(zhuǎn)化學(xué)術(shù)會議將于 2014 年 5 月 17～18 日在上海召開。

會議地點：上海光大國際大酒店 ( 徐匯區(qū)漕寶路66 號 )

會議注冊：登錄 www.orthsh.com 網(wǎng)站，網(wǎng)上報名注冊

2014 年 5 月 10 日前注冊：900 元 / 人 ( 含學(xué)分證書 )

2014 年 5 月 10 日后及現(xiàn)場注冊：1200 元 / 人 ( 含學(xué)分證書 )

聯(lián)系方式：

( 1 ) 上海制造局路 639 號，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科

電話 / 傳真：021-63139920

E-mail：91guke@163.com

( 2 ) 會議注冊、廠商參展及贊助：上海瑞歐展覽服務(wù)有限公司

電話：021-52665618

傳真：021-52668178

E-mail：realexpo@sh163.net

聯(lián)系人：湯老師、黃老師

A biomechanical test study of screw fixation for scaphoid fractures

GUO Yang, TIAN Guang-lei, TIAN Wen, JIANG Bao-guo, HAN Na. Department of Hand Surgery, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC

ObjectiveTo evaluate the effects of the middle and vertical positions of the screw on the fxation stability in the treatment of oblique scaphoid fractures using biomechanical testing.MethodsOblique osteotomies for 32 sawbone scaphoids that were identical in the shape and texture were designed, and each specimen was fxed with a screw. According to the positions of the screw and the fracture plane, sawbone scaphoids were divided into 4 groups. In group A, the screw was perpendicular to the fracture plane and was central in the scaphoid. In group B, the screw was not perpendicular to the fracture plane and was central in the scaphoid. In group C, the screw was perpendicular to the fracture plane and was eccentric in the scaphoid. In group D, the screw was neither perpendicular to the fracture plane nor central in the scaphoid. There were 8 cases in each group. The Computed Tomography ( CT ) scan was performed on 1 specimen, and the positions of the osteotomy plane and the screw guide pin were designed in biomechanical testing using the preoperative planning and the surgery simulation software. The specimen was placed under the increasing load of a pneumatically driven plunger to measure and compare the maximum load and displacement at fixation failure among the study groups.ResultsThe average maximum load and displacement were ( 398.5 N, 2.8 mm ) in group A, ( 393.1 N, 2.9 mm ) in group B, ( 348.25 N, 3.6 mm ) in group C and ( 342.50 N, 3.8 mm ) in group D, and the differences both between group A and Group B, group C and group D were not statistically different ( P＞0.5 ). It was illustrated that whether the screw was perpendicular to the fracture plane or not was irrelevant to the stability of the screw fxation. The maximum load in group A and group B was greater than that in group C and group D, and the differences between them was statistically different ( P＜0.001 ). The maximum displacement in group A and group B was smaller than that in group C and group D, and the differences between them was statistically different ( P＜0.001 ).ConclusionsIn this biomechanical test study of unstable oblique scaphoid fractures, it is shown that higher stability of fxation can be achieved with the screw placed centrally in the scaphoid, and the stability has nothing to do withwhether the screw is perpendicular to the fracture plane or not.

Biomechanics; Internal fxation; Scaphoid fracture; Wrist

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.04.014

R681.7

100035 北京積水潭醫(yī)院手外科 ( 郭陽，田光磊，田文 )；100044 北京大學(xué)人民醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京大學(xué)交通醫(yī)學(xué)中心 ( 姜保國，韓娜 )

2014-01-16 )