一種新型的微創快速澆鑄式外固定接骨板

梁向黨，孫賡 ，郭占社 ，馬玉倉，房遠勇

1 解放軍總醫院骨科，北京，100853

2 北京軍區252醫院骨科，保定，071000

3 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京，100191

骨折現象作為人類最常見也是對人體損害較大的創傷之一，其快速治愈技術已成為國內外研究熱點。目前，患者治療較多采用內固定技術[1-2]，為廣大骨科醫生所熟知。但是，由于內固定手術需要切開軟組織，所以不可避免帶來了一些手術并發癥，如傷口感染等。同時，切開復位常導致二次手術取出內固定的問題，一般在第一次內固定手術的時候就決定了需要進行第二次手術，而二次手術時間一般在術后一年到一年半，這就意味著患者實際康復的時間在一年半左右，康復時間較長。另外，在某些場合，特別是對一些不宜進行二次手術的人，如年齡較大或體質較差的老人以及一些伴有嚴重內科疾病的患者，可采用外固定方式[3-4]。但是，傳統外固定架體積較大，外形笨重，裸露的鋼釘直接刺入皮膚是對患者的惡性刺激，笨重的外固定架，嚴重的限制了患者的活動。為保證固定架的剛度，往往通過采用比較粗的鋼釘來增加外固定架的把持力量，這樣往往容易導致釘道感染。

綜上所述，傳統內固定和外固定的固有特性決定了它們都存在不足。如何設計一種新型的既能夠克服內固定二次手術的問題，又能解決外固定比較笨重，對患者損傷較小的固定裝置，成為目前研究的熱點之一。

本文針對該問題，結合了兩者的優點，設計了一種新型的澆注式外固定接骨裝置，通過有限元模擬分析等方法，對設計方案的可行性進行了驗證。然后，利用該裝置進行了動物實驗，取得了滿意的結果。

1 工作原理

圖1是利用有限元軟件建立的該固定裝置的結構模型，其主要組成部分為鋼釘和高分子支架（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）[5-7]。支架與鋼釘的固定采用了澆注的方式，該方法避免了外固定以及內固定方法存在的螺釘與骨骼之間由于傳統固定方式導致的內應力問題。由于該材料具有常溫條件下易于凝固、聚合熱溫度低、重量輕和體積小等特點，減少了固化過程中高溫對患者的損傷以及凝固時間較長的問題。同時，該方法不但減小了支架的重量、體積，還避免了二次手術再次切開軟組織取出內固定的問題。鋼釘通過澆注方式與高分子固定結構組成一個整體并與骨折斷端相連接，為增加固定穩定性，螺釘采用了多個、對稱、均布的排布方式，以避免手術不均勻造成的愈合困難問題。

圖1 外固定接骨板骨折固定有限元模型Fig.1 FEM model of the external fixator

2 外固定接骨板的有限元分析

2.1 結構模型的建立

為驗證該裝置設計的可行性，采用有限元軟件Ansys對其進行了仿真，結構模型如圖1所示，其中每個骨頭的長度100 mm，外直徑為30 mm，內直徑為12 mm。鋼釘外徑皆為4 mm，長50 mm，總共4根。自凝高分子材料的尺寸為長130 mm、寬為10 mm、高為20 mm。模型中與人體軀體相連接的一端認為是固定不動的，而另一端承受外界作用力包括沿骨骼方向的軸向壓力、彎矩及扭矩等，分別為300N、4.5Nm、2Nm。其數值按照一個普通患者的相關體形參數計算得到，符合臨床的實際情況。仿真過程中各材料相關力學參數如表1所示。

表1 骨固定裝置中各材料力學參數Tab.1 Mechanics parameters of the material

表2 不同尺寸間距下斷骨間相對位移Tab.2 Relative displacements between the broken bones under different gaps

2.2 仿真結果分析

通過軟件中的靜力分析模塊，計算得到在不同鋼釘間距下骨骼端部相對位移如表2所示。由表中數據可以看出，隨著兩根骨端部固定鋼釘間距的逐漸加大，骨折端相對位移逐漸加大。但是，其最大值都小于0.4 mm，遠遠小于骨骼愈合所需要的最小間隙1 mm，說明該結構的設計是合理的。

3 動物實驗

3.1 實驗樣本：羊，數量：10只，體重20～25 Kg，雌雄不限。

3.2 操作步驟

1）電視透視下對受傷部位閉合牽引復位（也可撬撥復位、有限切開復位），達到功能復位標準；

2）在骨折兩端距骨折線2 cm以遠，于軟組織較薄側進行穿釘，即通過螺釘尾部的凹槽將螺釘擰入骨骼，螺釘數量根據具體情況，每端大于或等于2枚；

圖2 固定后羊下肢手術局部大體圖片Fig .2 Sketch of the fixed leg of the sheep

圖3 麻醉清醒后羊即可站立行走Fig.3 The walking sketch as soon as the sheep woke up

3）電視透視下對骨折進行精細復位，并進行臨時外固定，放置自凝高分子材料澆鑄模具；

4）用自凝高分子材料對各螺釘尾部按模具進行澆鑄粘合固定，將骨骼和螺釘以及自凝高分子材料粘合形成一個整體；

5） 自凝高分子材料凝固后，拆除臨時外固定和模具，操作結束。

3.3 實驗結果

圖4 術后2周X線圖片Fig.4 X ray sketch of the leg two weeks after the operation

圖5 術后4周X線圖片Fig.5 X ray sketch of the leg four weeks after the operation

圖2、圖3是經外固定接骨板固定后，羊脛骨的X線圖片。由圖可看出羊的患肢經固定后，對位對線良好無明顯畸形，外固定接骨板固定可靠。動物（羊）麻醉清醒后即可站立行走。由圖3還可以看出，相對于傳統外固定裝置，該結構尺寸大大減小。

圖4、圖5和圖6分別是在手術第2周、第4周、第8周后得到的羊骨折固定后的X線圖片。通過圖片可看出：在術后2周時骨折斷端有少量骨痂生長，骨折位置沒有變化，位置良好；術后4周時骨折斷端有較多骨痂生長，骨痂有明顯再塑型，骨折線模糊，骨折復位位置沒有變化，位置良好；術后8周時骨折線已消失，骨骼基本愈合，拆除外固定。

圖6 術后8周拆除外固定后X線圖片Fig.6 X ray sketch of the leg eight weeks after the operation

4 結 論

1）設計了一種基于外固定方式的骨固定裝置，并通過快速澆注及精密機械加工的方法，完成了對裝置的加工；

2）通過有限元法，對結構設計的可靠性進行了驗證。結果表明，在結構上施加載荷后，骨折斷端的相對位移最大為0.37 mm,遠小于愈合所需要的最小位移1 mm，證明了設計的可靠性。

3）以羊脛骨為實驗樣本，對該裝置的手術效果進行了動物實驗。結果顯示，術后羊的脛骨骨折斷端沒有移位變形，并且術后羊馬上可以直立行走，說明固定是堅固可靠的，達到了實驗的設計要求。X線圖片顯示：術后2周羊的骨折斷端有少量骨痂生長，骨折位置沒有變化，位置良好；術后4周時骨折斷端有較多骨痂生長，骨痂有明顯再塑型，骨折線模糊，骨折斷端位置仍然良好；術后8周時骨折線消失，外固定已去除，骨折愈合。動物實驗進一步證明了該結構的可行性和可靠性。

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