一種新型髕骨骨折內固定裝置的生物力學特點

熊中偉，申慶民，趙太茂，趙文*

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 653000；2.北京航天總醫院骨科，北京 豐臺 100076)

臨床研究

一種新型髕骨骨折內固定裝置的生物力學特點

熊中偉1，2，申慶民2，趙太茂2，趙文2*

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 653000；2.北京航天總醫院骨科，北京 豐臺 100076)

目的 探討一種以雙空心套筒替代傳統克氏針的新型髕骨骨折內固定裝置的生物力學特點。方法 截取8具新鮮冰凍尸體正常膝關節標本16個，按均衡原則分兩組，每組8 例標本，建立同一標準的髕骨骨折創傷模型，同一標本左右髕骨骨折固定方式不同，分別以雙空心套筒鋼絲張力帶和改良AO克氏針鋼絲張力帶固定，測試不同方式固定下骨折斷端間壓力、反復伸曲運動時骨折間位移程度及內固定損壞時內固定承受的最大負載。結果 不同方式固定的兩組在屈膝90°和伸直位時骨折間壓力及疲勞試驗中骨折前緣和關節緣的分離移位差異有統計學意義，套筒組優于克氏針組，但膝關節伸直位時骨折端前后方向位移無統計學差異。結論 雙空心套筒與改良AO鋼絲張力帶固定髕骨骨折相比較，前者更加符合滑動加壓的鋼絲張力帶固定原理，因而具備更好的穩定性和抗疲勞性，生物力學優勢明顯。

髕骨骨折；張力帶內固定；雙空心套筒；生物力學

切開復位內固定是治療移位型髕骨骨折的主要方法，而改良AO克氏針鋼絲張力帶則是內固定的經典方式，在臨床上取得了肯定的治療效果[1]。不過，臨床治療中克氏針鋼絲張力帶有內固定相關性疼痛，克氏針移位及鋼絲脫掛失效，克氏針尾引起感染及需二次手術取出等諸多缺點和并發癥。因此，筆者設計了新型髕骨骨折內固定器-雙空心套筒(見圖1)，用以替代克氏針結合鋼絲行張力帶固定髕骨骨折，由于雙套筒間的有效滑動能充分發揮張力帶的優點，而鋼絲經內套筒穿過，避免了克氏針鋼絲張力帶中克氏針移位或鋼絲脫掛失效的可能，及克氏針尾鉤掛刺激軟組織引起疼痛感染等缺陷。現將其與改良AO克氏針鋼絲張力帶進行生物力學比較，了解其能否滿足固定髕骨骨折的要求。

圖1 雙空心套筒大體照

1 資料與方法

1.1 標本材料及制備 取8具新鮮冰凍尸體標本的16個膝關節，標本資料無膝關節病史，行X線片檢查，排除骨質病變，并測量髕骨骨密度。從髕骨上20 cm截取下肢，保留髕韌帶，股四頭肌肌腱及膝關節囊，剔除脛骨平臺以上其余軟組織，保留肢體遠端完整。雙層塑料袋密封，-20°冰柜保存備用。常溫下解凍，用擺鋸于冠狀面長軸中點將髕骨鋸斷，制成橫行髕骨骨折標準創傷模型。

1.2 器械介紹及使用方法 筆者于2010年研制出髕骨骨折雙空心套筒，由內外相互套疊的兩枚中空套筒組成，外套筒外徑3.2 mm，內徑2.7 mm，內套筒外徑2.6 mm，內徑1.5 mm，內套筒遠端2.0 mm為錐狀設計，便于穿導。套筒長度26～50 mm不等，內套筒比配套外套筒長1.0 mm，相鄰套筒長度相差2.0 mm。內外套筒的一側為環形半球面的尾帽結構，尾帽直徑為5.0 mm，厚度2.0 mm。將髕骨骨折復位，用Weber鉗鉗夾維持，用直徑3.5 mm鉆頭轉孔，測量孔深，選擇比測量值短2.0 mm的套筒，將外套筒經孔近端穿入，再由遠端將內套筒穿入外套筒內。鋼絲穿過內套筒繞過髕骨前側打結后形成張力帶固定(見圖2)，內外套筒間可流暢滑動，通過張力帶鋼絲動態加壓。雙空心套筒的滑動套疊設計保證了張力帶動態加壓固定；中空鋼絲穿導避免了傳統克氏針張力帶鋼絲脫掛導致內固定失效；遠近端尾帽厚度為2 mm，且為半球面設計及避免了對鋼絲的切割，也減少了對周圍組織的激惹。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗步驟設計 采用分組對照，將16個標本均衡分為兩組(隨機將4個標本的左膝和另4個標本的右膝分入套筒組，剩余進入克氏針組)。雙空心套筒組以雙空心套筒鋼絲張力帶固定，克氏針組以AO改良克氏針鋼絲張力帶固定(見圖2～3)。試驗分3步：先測量兩種固定骨折間壓力，再測膝關節0°～90°屈伸200個循環活動疲勞試驗后骨折間位移，最后將肢體固定屈膝60°，測量導致固定失效的最大負載。

1.3.2 外科技術 套筒組：在髕骨被制成橫行骨折前，將髕骨分成內、中、外3份，先以直徑3.5 mm的鉆頭在內外側1/3處近髕骨關節面中下1/3處鉆兩平行孔備用，再將髕骨于縱軸中點以擺鋸將其橫斷，制成標準橫行骨折創傷模型。將骨折復位，并測量孔深，選擇比孔深短2.0 mm的套筒，外套筒置于近端，內套筒自遠端置入并套入外套筒中，從中穿過直徑1.0 mm鋼絲“8” 字固定(見圖2)。克氏針組：同上方法，將髕骨制成標準橫行骨折創傷模型后將骨折復位，用直徑2.5 mm的克氏針在內外側1/3處近髕骨關節面的中下1/3鉆入固定，結合鋼絲行橫向雙節張力帶內固定(見圖3)。

1.3.3 生物力學測試 第一步：在髕骨骨折面中心放置一枚微型Entran壓力傳感器，以相同扭力均勻擰緊鋼絲，記錄骨折間壓力。第二步：取出骨折間傳感器重新固定髕骨骨折，將膝關節股骨端固定于夾具，連于Instron10 000型試驗機，股四頭肌肌腱固定后經鋼纜連于牽引裝置，于貼近骨折線的髕骨前方和側方貼關節面處骨折遠近端分別各垂直于髕骨長軸鉆入1枚細克氏針標記，要求前方和側方標記克氏針在垂直于骨折面的平面內平行鉆入作為標記點，再于髕骨另一側鉆入2枚克氏針連接Micron tracker(MTC3.0)的兩個標記點，通過標記點確定所有標記針空間位置，動態監測骨折間的位移(見圖4)。以1/6 Hz正弦波牽引股四頭肌肌腱，使膝關節做90°～0°的屈伸200個循環。如試驗中出現內固定失效，記錄失效時的循環數，內固定失效定義為骨折間分離移位大于2 mm或關節面階梯樣移位(即前后方向上位移)大于2 mm。第三步：將各固定鋼絲更換，重新擰緊，如上法固定于試驗機并維持屈膝60°，以2N/S的速度增加負載，直至固定失效，記錄最大負載。

圖2 雙空心套筒組以雙空心套筒鋼絲張力帶固定

圖3 克氏針組以克氏針鋼絲張力帶固定

2 結 果

以相同的扭力均勻擰緊鋼絲，測得骨折間壓力結果為套筒組在伸膝位和屈膝90°位均大于克氏針組(見表1)。在200個循環的疲勞試驗后，兩組均未出現內固定失敗。除伸膝位骨折間臺階樣移位兩組無統計學差異，其余在屈膝90°位時，骨折間臺階樣移位套筒組小于克氏針組，骨折前緣和關節面緣的分離移位在伸膝位和屈膝90°位時，套筒組均小于克氏針組(見表2)。最后，屈膝60°位致內固定失敗的最大負載中，引起套筒組固定失敗的負載大于克氏針組(見表3)。

圖4 Instron試驗機行髕骨骨折內固定后生物力學測試

表1 兩組固定后髕骨骨折間壓力

3 討 論

髕骨骨折的致傷原因分直接暴力和間接暴力，受力的形式決定骨折的類型。直接受力所致的骨折50%以上沒有移位，伸膝裝置完整，往往不需手術重建；而間接暴力則引起橫行骨折，上下極骨折，常伴有明顯的分離移位，伸膝結構中斷，需手術復位固定骨折，重建伸膝結構[2]。髕骨加長了伸膝力臂的30%，重建髕骨恢復伸膝結構對伸膝力量至關重要。間接暴力引起的髕骨骨折與其三點折彎受力機制有關，對其重建固定也應考慮這一機制，髕骨骨折的張力帶固定充分體現了這一點。張力帶固定的原理在于：骨折兩端骨塊能沿固定軸滑動，將骨折兩端的牽拉應力和折彎應力轉換為軸向的壓應力，從而使固定更加穩定并刺激骨折愈合。

表2 兩組在膝關節屈伸活動疲勞試驗后髕骨骨折間位移

表3 兩組固定在膝關節屈曲60°時內固定失效前承受的最大負載

改良AO克氏針鋼絲張力帶是臨床上治療髕骨骨折內固定的經典方式，治療效果肯定。改良AO張力帶中克氏針扮演了重要角色，相對于Lotke和Magnusson等傳統鋼絲張力帶，它增加了其線性剛度，增強了對抗折彎受力的能力。但在長期的使用中，改良AO張力帶也暴露出了諸多缺點和并發癥，尤其是和克氏針相關的并發癥，如克氏針松動、滑脫，鋼絲脫掛，引起內固定失效，延遲愈合，骨折不愈合，關節功能障礙；此外克氏針尾激惹軟組織引起的疼痛、感染，術后需二次手術取除內固定等問題也影響其使用[3]。本研究使用雙空心套筒替代克氏針，從設計上回避了克氏針鋼絲張力帶的以上缺點。并且套筒的直徑更大，既不易被折彎，也能有效減少屈伸膝時對骨質的切割，從而很好的防止內固定的松動及關節面的分離移位。AO張力帶要求把克氏針固定于髕骨的下1/3的軟骨下骨內，這樣增加了克氏針的穩定性，但也導致骨塊很難沿其滑動。雙套筒固定內外套筒接觸面之間光滑，且有縫隙，能良好滑動，動態加壓，將伸屈膝時兩端骨折塊承受的牽張及折彎受力轉化為骨折端的壓應力，有利骨折生長。克氏針張力帶鋼絲固定髕骨骨折，在不斷屈伸膝活動后，鋼絲會切割骨質，對于骨質疏松患者更為嚴重，容易導致鋼絲松弛，固定失效。而由雙套筒組成的張力帶鋼絲對尾帽加壓使骨折塊滑動大大減少了對骨質的切割。目前文獻報道的聚髕器[4]、空心釘結合鋼絲[5]、各種鋼板[6-8]及微型固定針[9]等新型內固定器具有更高的初始穩定性等優點，能良好固定髕骨骨折，替代改良AO張力帶，避免克氏針張力帶的并發癥。但以上一些固定不具備動態加壓能力，在增快骨折的愈合方面不具備優勢。其次髕前軟組織菲薄，且外傷時多已嚴重損傷，聚髕器[10]及各種鋼板對軟組織條件要求相對更高，易引起髕前軟組織問題。本研究證實雙套筒設計避免了現行AO張力帶固定髕骨骨折的穩定性差的缺點，充分發揮其活動加壓的優勢。

由于雙空心套筒的設計特點，它只能和鋼絲組成環形、水平“8”字和雙縱向平行環張力帶。John等[11]和Rabalais等[12]分別指出橫向“8”字和雙縱向平行環張力帶有比目前臨床常用的縱向“8”張力帶具有更高的生物力學穩定性，而本研究從上述兩種固定方式中選用了雙節橫向“8”字張力帶。本研究中發現雙空心套筒鋼絲張力帶擁有比改良AO張力帶固定髕骨骨折具有更大的骨折間壓應力，將有利于刺激骨折生長；疲勞試驗后骨折間位移更小，說明該固定方式具有更好的抗疲勞性，能承受的負載更高也說明其固定穩定性更高。

綜上所述，雙空心套筒鋼絲張力帶固定髕骨骨折具有生物力學優勢，能夠滿足固定髕骨骨折生物力學要求，并在設計上很好的回避了AO改良張力帶鋼絲容易引起并發癥的一些缺點。遺憾的是本研究限于尸體標本試驗，需進一步臨床驗證。

[1]Wu CC，Tai CL，Chen WJ.Patellar tension band wiring：a revised technique[J].Arch Orthop Trauma Surg，2001，121(1/2)：12-16.

[2]Carpenter JE，Kasman R，Matthews LS.Fractures of the patella[J].J Bone Joint Surg(Am)，1993，75(5)：1550-1561.

[3]Vipul R Patel，Brent G Parks，Yingbo Wang，etal.Fixation of patella fractures with braided polyester suture：a biomechanical study[J].Injury，2000，31(1)：1-6.

[4]胡昌慶，李關興，李龍付，等.3種張力帶內固定治療髕骨骨折的臨床療效分析[J].實用骨科雜志，2013，19(4)：366-368.

[5]Hoshino CM，Tran W，Tiberi JV，etal.Complications following tension-band fixation of patellar fractures with cannulated screws compared with Kirschner wires[J].J Bone Joint Surg(Am)，2013，95(7)：653-659.

[6]Wild M，Eichler C，Thelen S，etal.Fixed-angle plate osteosynthesis of the patella-An alternative to tension wiring[J].Clinical Biomechanics，2010，25(4)：341-347.

[7]Simon Thelen，Johannes Schneppendahl，Eva Jopen，etal.Biomechanical cadaver testing of a fixed-angle plate in comparison to tension wiring and screw fixation in transverse patella fractures[J].Injury，2012，43(8)：1290-1295.

[8]Kristine E，Catherine G，James S，etal.An Alternative patellar fracture fixation：A biomechanical study[J].Orthop Trauma，2013，27(6)：345-351

[9]Dargel J，Gick S，Mader K，etal.Biomechanical comparison of tension band-and interfragmentary screw fixation with a new implant in transverse patella fractures[J].Injury，2010，41(2)：156-160.

[10]張飛，汪來杰，張景濤，等.組合式聚髕骨器治療髕骨骨折[J].中國骨與關節損傷雜志，2010，28 (5)：124 -125.

[11]John J，Wagner WW，Kuiper JH.Tension-band wiring of transverse fractures of patella.The effect of site of wire twists and orientation of stainless steel wire loop：a biomechanical investigation[J].Inter Orthop(SICOT)，2007，31(5)：703-707.

[12]Rabalais David，Burger Evalina，Lu Yun，etal.Comparison of two tension-band fixation materials and techniques in transverse patella fractures：A biomechanical study[J].J Bone Joint Surg(Am)，2008，31(2)：1-5

A New Internal Fixation of Patella Fractures：a Biomechanical Investigation

Xiong Zhongwei1,2，Shen Qingmin2，Zhao Taimao2，etal

(1.Zunyi Medical University，Zunyi 653000，China；2.Department of Orthopaedics，Astronautics General Hospital of Benjing，Beijing 100076，China)

Objective To compare the biomechanical properties of tension bands made up with wires and k-wires and double hollow sleeves in internal fixation of patella fractures.Methods Sixteen cadaveric knees were divided to 2 transverse patella fracture fixation groups：tension bands of wires combined with Kirschner wires or double hollow sleeves.Biomechanical stability were tested by fracture gaps after the repetitive testing of 200th cycles knee motion from 90°flexion to full extension and interfragmentary compression as well as the biggest loads.Results Interfragmentary compression and the biggest loads of double hollow sleeves group were bigger than the Kirschner wires group.Fracture gaps of double hollow sleeves group were smaller.Conclusion In contrast to modified anterior tension wiring with Kirschner wires，tension bands of wires combined with double hollow sleeves is a better fixation device to stabilize transverse patella fractures securely and sustainably.

patellar fracture；tension-band；double hollow sleeves；biomechanics

北京市豐臺區衛生系統科研項目(2012-16)；發明專利(201020575985.8)；*本文通訊作者：趙文

1008-5572(2015)01-0041-04

R683.42

B

2014-09-30

熊中偉(1981- )，男，主任醫師，遵義醫學院，653000。