牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折的生物力學(xué)特性分析

葉丹丹，李 升，侯志勇，張 飛，陳 偉，鄭占樂，張英澤

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

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牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折的生物力學(xué)特性分析

葉丹丹，李 升，侯志勇，張 飛，陳 偉，鄭占樂，張英澤*

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

本文介紹快速牽引復(fù)位器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理，對(duì)該復(fù)位器進(jìn)行生物力學(xué)分析。分析結(jié)果表明該復(fù)位器符合力學(xué)分解平衡原則和人體生理特點(diǎn)。順勢(shì)雙反牽引復(fù)位器是一種攜帶便捷、設(shè)計(jì)巧妙、牽引復(fù)位性能好的復(fù)位器，在手術(shù)室、急救現(xiàn)場(chǎng)和戰(zhàn)場(chǎng)均可使用，并且在臨床應(yīng)用中也取得了較顯著的療效，是目前值得推廣使用的治療四肢長(zhǎng)骨骨折的醫(yī)療器械之一。

骨折；四肢長(zhǎng)骨；牽引復(fù)位器；生物力學(xué)

四肢長(zhǎng)骨是管狀骨，其兩端稱為骨端，中段為骨干，骨干內(nèi)中空，呈現(xiàn)管狀，因此長(zhǎng)骨也可稱為管狀骨[1]。骨端表面由骨密質(zhì)組成，內(nèi)部由骨松質(zhì)組成。四肢長(zhǎng)骨骨折是臨床常見損傷[2-3]。近年來，骨折的發(fā)生率不斷升高，嚴(yán)重影響患者的正常生活和工作。根據(jù)30余年對(duì)近上萬例患者診治的經(jīng)驗(yàn)，張英澤教授率先提出骨折順勢(shì)復(fù)位固定理論[4-5]，通過順應(yīng)肢體機(jī)械軸線及軟組織和骨關(guān)節(jié)運(yùn)行軌跡的順勢(shì)牽引作用復(fù)位骨折塊，并據(jù)此研發(fā)了順勢(shì)雙反牽引復(fù)位器。

1 牽引復(fù)位器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

牽引復(fù)位器經(jīng)過七代產(chǎn)品的不斷完善和改進(jìn)，圖1所示為第七代牽引復(fù)位器的結(jié)構(gòu)。

圖1第七代牽引復(fù)位器

在豐富的臨床實(shí)踐中，牽引復(fù)位器越來越精細(xì)，圖2所示是第四代牽引復(fù)位的結(jié)構(gòu)示意圖。該牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨及關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，能達(dá)到順勢(shì)復(fù)位和提供持續(xù)可控牽引力量的雙重目的。牽引復(fù)位器的特點(diǎn)是簡(jiǎn)便、快速、力量大，符合順勢(shì)復(fù)位要求(牽引力與肢體的機(jī)械軸線一致，骨對(duì)骨牽引，力量大，牽引力均衡持續(xù)，不損傷骨折周圍軟組織)和力學(xué)分解平衡原理。綜合整個(gè)復(fù)位器的結(jié)構(gòu)特征，它既克服了四肢長(zhǎng)骨周圍肌肉的記憶恢復(fù)力，又平衡了肢體的機(jī)械軸線上的牽引力，故它在臨床應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期的要求，取得了較為顯著的療效。

圖2牽引復(fù)位的結(jié)構(gòu)示意圖

2 牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折的生物力學(xué)分析

在應(yīng)用牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折中，四肢的受力主要由于體重、肌肉活動(dòng)和外加載荷產(chǎn)生的。由于患者的胖瘦、高矮等一些基本情況不同，牽引復(fù)位器的連接桿及牽引把手均是可調(diào)節(jié)的。由于四肢長(zhǎng)骨骨折主要導(dǎo)致肢體的機(jī)械軸線發(fā)生變形，牽引復(fù)位器通過力學(xué)分解使?fàn)恳εc肢體的機(jī)械軸線一致，從而達(dá)到治療四肢長(zhǎng)骨骨折的目的。近年來應(yīng)用順勢(shì)雙反牽引復(fù)位器治療脛骨平臺(tái)骨折、股骨粗隆間骨折、股骨干骨折、上肢骨折等[4-8]，均收到了較好的效果。

牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折的受力分析：假設(shè)骨折部分的重力為G，骨折部分受到了牽引把手的牽引力為FL，骨折部分還受到了連接桿的水平牽引力為FHL；點(diǎn)A為牽引把手處的受力點(diǎn)，點(diǎn)B為人體在水平面的受力點(diǎn)，點(diǎn)C為骨折部分的骨折處；除了骨折部分的人體其他部分受到地面的支撐力為FZC，P為其他部分對(duì)水平面的壓力；FML為肌肉力，F(xiàn)f1、Ff2分別為其他部分在水平面上的點(diǎn)B處受到不同方向的摩擦力，m為人體的重量，θ為骨折部分與水平面的之間的夾角，g=10 N/kg。圖3所示為生物力學(xué)分析，則此平衡方程為：

(1)

對(duì)于一般力學(xué)問題，外力是已知的，解方程求得在外力作用下，受力物體內(nèi)部所受的力及其應(yīng)力分布。但對(duì)于此問題是為了進(jìn)一步論證牽引復(fù)位器各部件的受力情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。在方程(1)中，F(xiàn)L、F都是根據(jù)力學(xué)的平行四邊形法則而得到的兩個(gè)分解力。由于在牽引把手點(diǎn)A處的力學(xué)分解，F(xiàn)的水平反作用力通過F′與F″傳導(dǎo)到連接桿上，即是應(yīng)力FHL。在牽引復(fù)位時(shí)，骨折處點(diǎn)C不僅受到牽引把手的牽引力FL，還受到了反向的肌肉力。根據(jù)作用力跟反作用力可知，F(xiàn)、FHL，F(xiàn)L、FML和FZC、P均是大小相等，方向相反。在牽引復(fù)位時(shí)，水平力F的作用使點(diǎn)B處受到靜摩擦力Ff1；連接桿上的應(yīng)力FHL的作用使點(diǎn)B處受到靜摩擦力Ff2。靜摩擦力大小隨著推力的增大而增大，并與推力保持大小相等。所以，點(diǎn)B處受到靜摩擦力為零。

圖3生物力學(xué)分析示意圖

為了進(jìn)行定量分析，取80 kg體重的男子為研究對(duì)象，給出各力值。以往研究表明，體重80 kg的男子，其下肢重量約占人體重量的35%，所以一個(gè)下肢的重量為80 kg×35%÷2=14 kg。在骨折部位進(jìn)行牽引復(fù)位時(shí)，人體的肌肉還具有反向的恢復(fù)力，即FML=FL。因此，簡(jiǎn)化后的方程為：

(2)

可求得：FL、F與θ之間的關(guān)系。

圖4FL、F與θ之間的關(guān)系

圖5FL與F之間的關(guān)系

3 牽引復(fù)位器的臨床應(yīng)用

應(yīng)用順勢(shì)雙反牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折，骨折均獲得滿意復(fù)位，應(yīng)用接骨板或髓內(nèi)釘微創(chuàng)固定。術(shù)后切口愈合良好，無切口感染、壓瘡等軟組織并發(fā)癥發(fā)生，患肢功能恢復(fù)良好[4-8]。

4 結(jié) 論

通過臨床應(yīng)用和生物力學(xué)分析，應(yīng)用該牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折具有以下優(yōu)點(diǎn)：①該復(fù)位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合力學(xué)分解平衡原則和人體生理特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可拆卸，體積小，攜帶方便，快速高效，組裝簡(jiǎn)便，由術(shù)者一人即可完成從組裝至復(fù)位整個(gè)過程，減少了術(shù)中人員占用及手術(shù)時(shí)間；②經(jīng)生物力學(xué)分析，該復(fù)位器設(shè)計(jì)能達(dá)到順勢(shì)復(fù)位和提供持續(xù)可控牽引力量的雙重目的，為術(shù)者提供了高效的手術(shù)條件，減少了術(shù)中透視次數(shù)；③應(yīng)用該復(fù)位器治療，與使用牽引床治療法相比較，術(shù)后切口愈合好，骨折愈合滿意，無切口感染、皮膚壞死等并發(fā)癥；④Matap軟件對(duì)牽引把手的拉力FL、牽引桿的拉力F和骨折部分與水平面之間夾角θ之間的關(guān)系以及FL與F之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FL、F隨著θ增大而增大，F(xiàn)L與F幾乎呈線性關(guān)系。但應(yīng)特別注意的是，應(yīng)用該牽引復(fù)位器治療四肢長(zhǎng)骨骨折時(shí)，骨折部分與水平面之間的夾角θ要適當(dāng)：當(dāng)θ的值很小時(shí)，牽引把手的拉力FL和牽引桿的拉力F均很大，可能超過它們的負(fù)荷或者導(dǎo)致患者身體發(fā)生移動(dòng)；當(dāng)θ的值很大時(shí)，牽引把手的拉力FL和牽引桿的拉力F均很小，可能不好控制平衡。通過設(shè)計(jì)牽引復(fù)位器的連接桿的可調(diào)節(jié)性及摩擦力的作用，所有的力均控制在有效范圍內(nèi)。總之，筆者認(rèn)為該牽引復(fù)位器是目前值得推廣使用的治療四肢長(zhǎng)骨骨折的醫(yī)療器械之一。

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(本文編輯：趙麗潔)

R683

B

1007-3205(2017)10-1229-03

2017-09-27；

2017-10-09

葉丹丹(1989-)，女，江蘇宿遷人，河北省骨科研究所初級(jí)研究員，理學(xué)碩士，從事骨科相關(guān)數(shù)學(xué)模型的研究。

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.10.028

*通信作者。E-mail：yzling_liu@163.com*