橈骨遠端骨折掌、背側鋼板固定的生物力學研究

張亮，鄒寧，周健偉，梁鐘鳴，胡玉平，王興元，劉磊*

(1.上海市寶山區仁和醫院，復旦大學附屬華山北院寶山分院骨科，上海 201907；2.復旦大學附屬華山醫院骨科，上海 200040)

橈骨遠端骨折(distal radius fractures)是指距橈骨遠端關節面3cm以內的骨折，其發病率約占急診骨折患者的17%，其中關節內骨折占橈骨遠端骨折的25%[1]。流行病學調查顯示，美國平均每年發生各種類型的橈骨遠端骨折近200.000例，大部分見于老年人，而所有年齡組的患者人數都在大幅增加[2]。對于橈骨遠端骨折的治療，以往大都采用非手術治療，且效果滿意；但對于大多數關節內的骨折及不穩定的關節外骨折，手法復位效果較差，即便復位滿意，石膏內移位發生率也較大，因此對于不穩定的橈骨遠端骨折逐漸采用手術治療。

最初，臨床醫生主要根據橈骨遠端骨折塊移位的方向和干骺端粉碎的程度來選擇手術入路，對手術入路和接骨板放置位置的選擇遵循“支撐鋼板”的原則，即采用背側入路治療背側移位的橈骨遠端骨折，采用掌側入路治療掌側移位的橈骨遠端骨折[3]。對臨床上多見的遠端骨折塊向背側移位的橈骨遠端骨折，盡管采用背側入路取得了較滿意的療效，但接骨板與伸肌腱相接觸而引發的并發癥如腱鞘炎、伸肌腱磨損甚至斷裂的發生率較高[4]。所以目前大多數臨床醫生無論掌側或背側移位均選用掌側入路置板固定，這似乎與AO的生物力學固定產生沖突，為了明確對于背側移位的骨折，掌側固定是否能達到近似于或超過背側固定的生物力學效果，我們設計了本實驗。

本文通過生物力學研究對這兩種固定方式進行實驗應力分析，比較它們生物力學性能的優劣，從而為橈骨遠端骨折的臨床手術治療提供基礎理論依據。

1 資料與方法

1.1 標本制備與分組 采集成人尸體新鮮橈骨遠端標本20個，其中男7例，女3例；年齡41～77歲，平均(65.04±5.12)歲；身高1.61～1.78 m，平均(1.68±0.13)m；體重為52.37～75.12 kg，平均(69.13±6.25)kg。標本先攝X線片，顯示無任何損傷或骨折，無病變，完整無損，并對標本依次測量骨密度(NORLADXR-36 Dual Energy X-ray Absorbtionmetry，DEXA)。剔除標本上所有軟組織，取完整手腕橈骨遠端部，測量標本部位主要尺寸，上下兩端用骨水泥固定，然后制作夾具，穩妥固定在MTS型萬能材料試驗機(MTS 858 MiniBionix?，美國)上。

將標本橈骨遠端背側移位型造成骨折，然后采用A組掌側鋼板(volar redioulnal line steel plate fixation，VRF)和B組背側鋼板固定(dorsal redioulnal line steel plate Fixation，DRF)兩種不同方式固定(見圖1)。鋼板均選用AO公司。從原始正常組做起，進行自身對照和比較。

1.2 實驗力學模型和試驗 實驗力學模型需在結構、載荷、力學性質上盡量保持一致，以確保實驗精度和受載均度[5]。所有標本采用成人新鮮尸體標本，根據生理運動工況和受力狀態，施加生理載荷100 N，行分級加載[6]。在加載過程中標本用生理鹽水包裹，應維持新鮮濕潤狀態，在試驗前先進行小量程預載，以消除骨的時間效應松弛和蠕變影響，然后進行正式加載實驗，并采用數據。實驗反復多次，加載速率控制1.50 mm/min。所有實驗標本，在橈骨遠端背側骨折處按實驗力學要求粘貼高精度電阻應變片(R=120Ω±1%，R=2.16，1.50 mm×1.50 mm)，在骨折斷端處布置高精度數顯光柵位移傳感器(KG-101，精度1‰，上海科大機電工廠)，相應記錄橈骨骨折斷端的應變值和位移值。

根據手腕部橈尺遠側關節的生理運動工況，本試驗曾進行四種不同運動工況試驗，即軸向載荷壓縮試驗(axial compression，AC)、前屈運動試驗(flexion，Flex)、后伸運動(extension，Ext)和旋轉運動(rotation，Rot.)試驗。

2 結 果

2.1 橈骨遠端兩種內固定的軸向壓縮應力強度和剛度 這里的應力強度力學上是指橈骨斷端抵抗破壞的能力大小，剛度是指橈骨抵抗變形能力的大小[3]。橈骨遠端背側移位型骨折采用掌側和背側鋼板兩種鋼板內固定，在軸向壓縮載荷作用下，其骨折斷端的應力強度和剛度測試結果見表1。結果表明：a)橈骨遠端骨折兩種鋼板固定后的應力強度以背側鋼板固定(A組)比掌側固定(B組)骨質上高5%，差異無統計學意義(t=2.266，P>0.05)，而在固定鋼板(SP)上的應力強度相比小11%，差異無統計學意義(t=2.162，P>0.05)；b)橈骨遠端骨折兩種鋼板固定后的軸向壓縮剛度和剪切剛度，背側鋼板固定的剛度比掌側固定分別高2%、8%，兩者相比差異無統計學意義(t=2.252，P>0.05)。c)正常標本時測得的橈骨遠端骨質上(N組)的應力強度為(0.49±0.03)MPa，剛度為(5±0.5)N/mm，與骨折鋼板固定(A、B組)的應力強度和剛度相比較，兩種鋼板固定后的骨質上應力強度分別高13%和17%，軸向剛度要高13%和14%，差異均有統計學意義(t=2.548，P<0.05)，說明兩種鋼板固定效果均比較好，尤其背側固定比掌側固定占有一定的優勢。

表1 橈骨遠端骨折兩種鋼板固定的軸向壓縮應力強度和剛度比較

2.2 橈骨遠端兩種內固定的彎曲強度和剛度 橈骨遠端骨折兩種不同鋼板固定后，在彎曲載荷作用下(前屈)，在橈骨遠端骨折處的彎曲強度和剛度測試結果見表2。結果表明：a)橈骨遠端骨折用背側鋼板固定(B組)的骨質上的彎曲強度比掌側鋼板固定(A組)高12%，鋼板上的彎曲強度高15%，兩者相比差異有統計學意義(t=2.498，P<0.05)；b)兩種不同鋼板固定后的彎曲剛度和剪切剛度，B組比A組分別高2%和5%，兩者相比差異無統計學意義(t=2.158，P>0.05)；c)正常標本骨質上的彎曲強度為(0.32±0.02)MPa，剛度為(49±4)N/mm，與掌側鋼板背側鋼板固定的彎曲剛度相比，分別相差20%和30%，剪切剛度分別相差16%和17%，差異均有統計學意義(t=3.108，P<0.05)。

表2 橈骨遠端骨折兩種鋼板前屈固定的彎曲強度和剛度比較

2.3 橈骨遠端兩種內固定背伸時的彎曲強度和剛度 橈骨遠端骨折兩種不同鋼板固定后，在背伸時橈骨骨折斷面固定處的彎曲強度和剛度測試結果見表3。結果表明：a)橈骨遠端骨折兩種鋼板固定后，手腕部背伸時橈骨骨折斷面固定處用背側鋼板固定的骨質上(B組)的彎曲強度比掌側鋼板固定(A組)高8%，兩者相比差異有統計學意義(t=2.155，P<0.05)；在鋼板上的應力相差達21%，兩者相比差異有統計學意義(t=3.108，P<0.05)；b)A、B兩種鋼板固定后的骨質上彎曲剛度和剪切剛度分別相差2%和7%，兩組彎曲剛度和剪切剛度相比較差異無統計學意義(t=2.146，P>0.05)。c)正常標本橈背伸時的骨質上彎曲強度為(0.42±0.03)MPa，彎曲剛度(50±4)N/mm，分別同掌側鋼板和背側鋼板固定后相比，彎曲強度相差12%和18%，彎曲剛度相差15%和17%，兩者相比差異均有統計學意義(t=2.474，P<0.05)。

表3 橈骨遠端骨折兩種鋼板固定背伸時彎曲強度和剛度比較

2.4 橈骨遠端骨折不同位置固定的扭轉力學特性 橈骨遠端骨折分別采用掌側鋼板和背側鋼板固定后，進行扭轉生物力學試驗，得到它們各自的扭轉生物力學特性，其結果見表4。這里扭轉生物力學特性通常的力學指標是以扭矩和扭轉剛度來表達[3]。結果表明：a)橈骨遠端骨折采用背側鋼板固定，其骨質上扭矩和扭轉剛度比掌側鋼板固定的扭矩和扭轉剛度分別高4%，兩者比較差異無統計學意義(t=2.218，P>0.05)，說明橈骨骨折兩種鋼板固定方法是等效的；b)在正常標本進行扭轉時，測得手腕部橈骨的扭矩為(1.35±0.10)Nm，扭轉剛度為(0.70±0.05)Nm/deg，兩種鋼板固定后扭矩分別相差19%和18%，剛度分別相差21%和19%，差異均有統計學意義(t=3.108，P<0.05)。說明橈骨遠端骨折無論采用掌側鋼板固定還是背側鋼板固定，其扭轉生物力學性能均不理想，呈下降的趨勢，證明外科手術對骨骼扭轉力學性能的影響不容忽視。鉆孔、打洞、骨折造成的骨骼創傷使創傷處應力集中，導致強度下降，變形很大，剛度極大地削弱，能量的減弱竟然達到20%以上，即使用鋼板固定，其整體力學性能也是很差的。

表4 橈骨遠端骨折不同位置固定的扭轉力學特性比較

3 討 論

橈骨遠端骨折(distal radius fractures，DRF)是指距橈骨遠端關節面3 cm以內的骨折，其發病率約占急診骨折患者的17%，其中關節內骨折占橈骨遠端骨折的25%[7]。流行病學調查顯示，美國平均每年發生各種類型的橈骨遠端骨折近200 000例，大部分見于老年人，而所有年齡組的患者人數都在大幅增加[8]。對于橈骨遠端骨折的治療，以往大都采取非手術治療，并且效果滿意[9]；但對于大多數關節內骨折及不穩定的關節外骨折，手法復位的效果較差，即便復位滿意，石膏內移位的發生率也較大，因此對于不穩定的橈骨遠端骨折逐漸采用手術治療。

最初，臨床醫生主要根據橈骨遠端骨折塊移位方向和干骺端粉碎程度來選擇手術入路，對手術入路和接骨板放置位置的選擇遵循“支撐鋼板”原則，即采用背側入路治療背側移位的橈骨遠端骨折，采用掌側入路治療掌側移位的橈骨遠端骨折[10]。對臨床上多見的遠端骨折塊向背側移位的橈骨遠端骨折，盡管采用背側入路取得了較滿意的療效，但接骨板與伸肌腱相接觸而引發的并發癥如腱鞘炎、伸肌腱磨損甚至斷裂的發生率較高[11]。所以目前大多數臨床醫生無論掌側或背側移位均選用掌側入路置板固定，大量臨床實踐病例證明背側移位的骨折采用掌側鋼板固定也取得良好的預后[12]。

橈骨遠端骨折掌、背側鋼板固定的實驗應力分析結果證明，臨床上兩種固定方法都是行之有效的，背側鋼板在生物力學性能上比掌側鋼板固定占有一定的優勢，但在統計學上兩者差異無統計學意義。從兩種不同鋼板固定橈骨遠端骨折的極限載荷試驗結果表明，背側鋼板固定的極限載荷為(285.8±5.0)N，掌側鋼板固定的極限載荷為(270.2±16.0)N，兩者相差5.6%，差異無統計學意義(P>0.05)。證實了背側鋼板固定優于掌側鋼板固定，但差異無統計學意義。對于實驗應力分析結果的正確性可以從生物力學組合桿理論[4]中得到佐證。骨和鋼板屬于組合桿件體系，骨和鋼板共同承受壓力P，在骨和鋼板橫斷面均產生應力，分別為σbp，σsp。公式計算如下：σbP=EP/EF+E1F1，σsP=E1P/EF+E1F1式中E為骨的彈性模量，E1為鋼板的彈性模量，F和F1分別為骨和鋼板的橫截面積。根據實驗應力分析的原始數據，于是得到橈骨遠端骨折斷面處三種不同運動工況下的組合桿應力理論值[13]。為方便起見將實驗結果一并列出，見表5。結果表明：軸向壓縮時實驗值與理論值之間比較相差4%，橈骨遠側關節前屈時實驗值與理論值相差6%，后伸時相差5%。顯然兩者結果十分接近(t=2.272，P>0.05)。實驗誤差引起的原因是力學模型建模時標本的個體差異性。

表5 橈骨骨質上應力強度實驗值與理論值比較

由此我們可以得出結論，橈骨遠端背側移位骨折，掌、背側鋼板固定從生物力學上差異無統計學意義，也就意味著從生物力學實驗證實，背側移位的骨折，從掌側放置鋼板同樣能達到相同的力學穩定效果，為臨床上我們通過掌側放置鋼板固定背側移位骨折提供了生物力學的理論依據。