单臂外固定架治疗老年股骨粗隆间骨折模型的抗压力学性能

信金党，谷福顺，郑昆仑，王爱国，冯其金，郭 锐，李瑞峰

股骨粗隆间骨折是严重威胁老年人群健康的重要疾病之一。只要没有禁忌证,手术治疗应当作为首选治疗方案[1-2]。但多数老年患者常合并有全身疾患，如脑梗塞、糖尿病、心肺脑肾脏疾病，手术耐受力差。我们应用单臂外固定支架治疗老年股骨粗隆间骨折，取得了满意的疗效，但仍需应用生物力学的原理及方法来验证其力学稳定性，尤其是负重时的抗压生物力学性能。

1 材料与方法

1.1 材料 天津中医药大学解剖教研室提供的老年股骨尸体标本5 根，经观察及X 线片拍摄均证实无骨质破坏和结构异常。见图1。天津市新中医疗器械集团公司提供的外固定器5 套，每套固定器包括5 枚螺纹钉，单根规格6 mm×150 mm，一个连接碳素杆(10 mm×200 mm)及5 个连接固定杆及螺纹钉的棒夹。

1.2 实验设备 天津医科大学总医院提供的美国英斯特朗公司8874 液态伺服动态生物力学测试系统。天津骨科医院生物力学实验室提供的YJ-33型静态电阻应变仪(上海自动化仪表有限公司)。BE120-05AA-X30 型号的电阻应变片，电阻值(120.0±0.1) Ω，灵敏系数1.94%±1.00%(汉中市中航电测仪器服务有限公司)。

1.3 标本制作方法

1.3.1 标本制作 以股骨髁上2 cm作为标准点，垂直锯除标本以远部分，包埋于牙托粉使股骨长轴与垂线成20°角(与正常人生理角度一致)。将股骨用手锯造成股骨粗隆间骨折AO 分型A1.1 型骨折，骨折线与水平线成45°角。于股骨粗隆下打入2枚螺纹钉，通过骨折线达股骨头下。于骨折线以远10 cm、15 cm 及20 cm 处股骨干外侧分别打入共3 枚螺纹钉，均穿透股骨干两侧皮质，并使5枚螺纹钉钉尾基本在同一平面。用固定杆及棒夹连接5枚螺纹钉并锁紧固定，制作模拟髋臼形状的半球型加载卡具固定股骨头部。见图1。

图1 老年股骨尸体标本X线所见

1.3.2 贴片位置的选择 基于股骨粗隆间骨折的部位，及股骨大、小粗隆与股骨矩在站立及行走时受力的重要性，我们选取股骨大粗隆及小粗隆处骨折上下端分别贴应变片，应变片与骨折端垂直距离为2 mm，大粗隆侧骨折远端应变片标记为编号1，近端应变片标记为编号2，小粗隆侧骨折近端应变片标记为编号3，远端应变片标记为编号4。

1.3.3 应变片按装 选用BE120-05AA-X30 型箔式电阻应变片，电阻值为(120±0.1) Ω，灵敏系数1.94%±1.00%。贴片前对拟用的应变片进行外观检查和使用850 型便携式电桥测量阻值，测量精度控制在0.1欧。为使应变片黏贴牢固，需对骨骼表面处理。首先用锉刀和细砂纸使其表面平整，露出材料的新鲜表面。然后用浸有丙酮的脱脂棉球擦洗。画出定位线，再用棉球擦洗干净。待溶剂挥发表面彻底干燥，用薄而均匀的502 粘合剂将应变片粘于骨骼的预定位置上。用手指柔和滚压,使应变片完全粘合，挤出多余胶，排除应变片下的气泡，直至贴牢固。贴片后用电桥检查应变片阻值变化，如发现敏感栅变形、贴片方位不正确、断络、粘结层中有气泡、局部没贴上等现象，应该除掉重贴，直至满意为止。 固化后应变片阻值会有些变化,一般小于1.0欧。在连接测量导线前再一次检查应变片绝缘电阻值是否满足要求。

1.4 测试方法 整体实验要求室内温度控制于（25±1）℃，空气湿度30%的环境条件。将标本垂直至于英斯特朗8874 液态伺服动态生物力学测试实验机的上、下两卡具之间，为了模拟骨折术后患者由不负重，到逐渐拄拐负重，直至最后完全负重的受力工况，测试中载荷选择100～600 N 共6 个载荷值，得到了不同载荷下的骨折断端载荷-位移相关力学参数。每组测试并同步获取了断端两侧多个应变片的数值，用以推测骨折端的受力情况。

1.5 统计学处理 采用SPSS 12.5 统计软件。计量资料t 检验，用(x±s)表示计量资料，P ＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 不同载荷下骨折模型断端位移量测试结果由专业软件控制生物力学测试实验机，对模型施加不同载荷，并自动得出骨折模型相对应的位移量。结果见表1，图2。

表1 不同载荷-位移测试表(mm)

图2 抗压试验载荷-位移曲线图

2.2 不同载荷下骨折模型电阻应变片测试结果对骨折模型施加不同载荷，测试股骨大小粗隆两侧，骨折远近两端电阻应变片的相应数值变化。结果见表2～7，图3。

表2 100 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

表3 200 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

表4 300 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

表5 400 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

表6 500 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

表7 600 N压力下大、小粗隆侧骨折远近端应变片数值（ε）

图3 抗压试验应力-应变直方图

2.3 不同载荷下骨折模型电阻应变片变化 测试股骨大小粗隆两侧，骨折远近两端的相应数值显著（P＜0.01），6组应变片数值差异明显（见表8）。

3 讨论

3.1 单臂外固定架治疗骨折的稳定性 股骨近端作为一个承受压弯为主的结构，在4 个不同侧面上呈现不同的应力分布，从而在骨的发育中以不同的几何形式及密度分布。所以，要使断端骨愈合后完全恢复肢体的正常功能，就要适应其不同的生理应力要求。这种内外前后部位上不同的生理应力，单纯在床上功能锻炼无法实现，还要通过下床进行步行活动而获得。早期下床功能锻炼，对于骨痂的改造和加强是极为重要的。

表8 100～600 N电阻应变片相应数值ε比较(x±s)

根据单臂外固定架治疗粗隆间骨折模型的抗压力学性能测试的数据表明，该外固定系统在固定粗隆间骨折时，随着载荷的不断增加，骨折断端的位移量呈现微小的变形。在300 N 的载荷下，骨折端的位移量为2.06 mm。在600 N的载荷下，其位移量为2.80 mm，其差额为0.76 mm。说明骨折在外固定支架有效的作用力控制下，尽管载荷增长的幅度较大，但是其位移的变化幅度微小，不会产生骨折端的明显位移。故单臂外固定架在治疗老年性粗隆间骨折的疗效评估上，其抗压强度较强[3]，具备了使患者早期下地活动的突出特点，其力学性能是安全可靠的。3.2 单臂外固定架固定对骨折愈合的影响 股骨近端内部是以抗弯为主的骨小梁结构，一旦发生骨折，将失去原有的骨小梁抗弯结构，势必造成一个以剪切力为中心的骨折移位倾向。近年来研究表明[4]，对于I 型骨折，股骨近端内侧为应力集中部位。骨折面的应力对骨折愈合非常重要，适当的骨折面压力可以使断端靠拢并获得稳定，还可以刺激骨折断端生长，加速骨折的愈合[5-6]。为了进一步探讨其生物力学规律性，我们采用了生物力学应变贴试技术与电测实验方法，选择股骨大粗隆与小粗隆作为两个关键部位进行测试。经过统计学分析，各关键部位受力差异显著。大量的测试数据表明，在大粗隆侧骨折线的近端承受300 N 的载荷时，应变片的值为（61.4±19.0）ε，远端应变片的值为（283.4±26.0）ε。承受600 N 的载荷时，骨折线近端应变片的值为（160.4±23.1）ε，远端应变片的值为（658.8±44.0）ε。在小粗隆侧，当承受300 N 的载荷时，骨折线近端应变片的值为（1575.4±368.4）ε，远端为（663.2±50.5）ε。当承受600 N 的载荷时，骨折线近端应变片的值为（1663.4±331.2）ε，远端为（679±50.5）ε。小粗隆侧受力较大，但随着压力增大，受力增加幅度不大。通过生物力学测试数据，作者认为，单臂外固定架固定骨折的生物力学作用原理在于其桥架于中立位，有效拮抗了剪应力对于骨折愈合的不利影响，恢复并保持了股骨近端抗弯小梁承载的基本功能。

3.3 本研究的不足之处 临床上粗隆间骨折的骨折线多不规则，本实验建立骨折模型时选择了AO分型A1.1 型骨折，也可满足研究要求。其次，本实验未考虑髋关节周围韧带及肌肉等软组织对骨折固定后稳定性的影响。另外，单臂外固定架是一个框架结构，具有较好的防旋性。为此，本课题组将在以后的研究中对其进行进一步的探索。

[1] Cole RE.Clinical strategies to address patients’concerns in osteopo⁃rosis management with bisphosphonates [J]. Postgrad Med，2011，123(2)：131-144.

[2] Hughson J,Newman J,Pendleton RC.Hip fracture management for the hospital-based clinician：a review of the evidence and best practicesHosp Prac [J]. Minneap，2011，39(1)：52-61.

[3] 刘安庆,张银光,王春生,等.股骨转子间骨折的治疗及生物力学研究[J]. 中国矫形外科杂志,2000,7(9):856-858.

[4] 冯卫,郝廷,郝增涛,等.三种股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折的有限元分析[J]. 中国矫形外科杂志,2012,20(8):730-733.

[5] Klein P,Schell H，Streitparth F.The initial phase of fracture healing is specifically sensitive to mechanical conditions [J]. Orthop Res，2003，21（4）: 662 -669.

[6] Webb J C. J，Tricker, J.A review of fracture healing [J]. Current Or⁃thopaedics，2000，14（6）: 457-463.

（收稿：2012-12-06 修回：2013-04-10）