应用2种内固定方法对骨盆后环应力传导的生物力学比较

吴 涛，崔蕴威，张 奇，2，陈 伟，李 升，张英泽*

(1.河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北石家庄050051; 2.河北医科大学中西医结合学院，河北石家庄050017)

应用2种内固定方法对骨盆后环应力传导的生物力学比较

吴 涛1，崔蕴威1，张 奇1，2，陈 伟1，李 升1，张英泽1*

(1.河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北石家庄050051; 2.河北医科大学中西医结合学院，河北石家庄050017)

目的比较应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉与2枚骶髂螺钉固定骨盆后环对骨盆应力分布的影响。方法 选取5具防腐成年男性骨盆标本，保留L4至双侧股骨近端1/3，剔除软组织，保留完整的耻骨联合、双侧骶髂关节及周围韧带、双侧髋关节、双侧骶结节韧带、双侧骶棘韧带，黏贴应变片。将标本置于BOSE生物力学试验机，模拟双足站立中立位，垂直加载负荷至520 N，记录完整骨盆的应变值。制作Tile C型骨盆骨折模型，耻骨联合用钢板固定，后环骨折复位后依次应用2种方法进行固定。分别记录2种内固定方法固定骨盆后环时的应变值。结果完整骨盆在垂直负荷下，同一标本两侧对应位点的应变值差异无统计学意义(P＞0.05)，应变集中位点沿骶股弓走行分布。与完整骨盆的应变值相比，2种方法固定的骨盆后环，除位点5、6、10、11外，其余位点差异无统计学意义(P＞0.05)。在500 N垂直负荷下，应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的骨盆各位点应变值更接近完整骨盆的应变值。结论完整骨盆在垂直负荷下的传导与骶股弓走行大致相同。应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定骨盆后环比单纯使用2枚骶髂螺钉能更好地恢复力学的传导。

骨折固定术;生物力学;骨盆

不稳定型骨盆骨折是临床常见的严重创伤，多由高能量损伤所致。早期行手术治疗恢复骨盆环的完整性至关重要，可有效减少发生畸形愈合、不愈合、神经功能障碍、下腰痛等长期并发症的风险。应用骶髂关节螺钉固定骨盆后环损伤可以获得较好的临床疗效，2枚骶髂螺钉置入第一骶骨椎体是目前较为常用的方法，然而，有文献证实这种方法并不能实现稳定的固定［1］。微创可调式接骨板根据骨盆后环的解剖结构设计，模拟骶髂复合体“吊桥”式［2］结构对骨盆后环进行固定。生物力学试验证实，可调式微创接骨板固定骨盆的稳定性与2枚骶髂螺钉固定效果相同，均优于张力带接骨板［3-4］。笔者在研究3种内固定物对不稳定型骨盆骨折固定效果时发现，内固定置入后骶骨骨折仍存在明显的残留缝隙。为避免远期并发症，实现骨盆后环的坚强固定，笔者提出应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉稳定骨盆后环这一固定方法，理论上能够更好地恢复力学经由骨盆的传导。因此，本研究采用可以准确反映受试物体在不同应力下发生形变的应变片，比较这种固定方法与传统的2枚骶髂螺钉固定骨盆后环损伤时，对其应力应变的影响，旨在为临床治疗骨盆后环损伤选择坚强内固定物提供依据。

1 资料与方法

1.1 主要试验设备 BOSE Electroforce 3520-AT生物力学试验机(BOSE公司，Eden Prairie，美国); WS3811型数字式应变仪(北京波谱世纪科技发展有限公司);电阻应变片(型号:BX120-1AA，浙江黄岩测试仪器厂)。

1.2 骨盆标本的制备及保存 取5具经防腐处理的成年男性骨盆标本，年龄39～58岁，平均(47.4± 7.4)岁。经大体观察及X线检查排除结核、肿瘤、风湿等病变及解剖学变异。使用Osteocore 3双能X线骨密度测量仪(Medilink公司 Parc de la Mediterranee，法国)检测标本骨密度，排除骨质疏松。骨盆环完整，保留L4和L5椎体、耻骨联合、骶髂关节及其周围韧带(骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶髂间韧带、骶棘韧带、骶结节韧带)结构及股骨近端1/3，剔除其余软组织。将制备的标本包裹后于-20℃保存，试验前1 2 h在室温下融化。

1.3 应变片粘贴位点及方法 选择骶骨前侧12个位点、髂骨内外侧20个位点，两侧共32个位点(图1)。骶骨岬前部侧方选择位点1，边缘距骶髂关节1 cm;S1孔外上和外下为位点2、3;S1、S2、S3前方依次是位点4、5、6，此三点均靠近对应骶孔处，其中位点4位于上下骶骨横线正中，位点5、6靠近所在椎体上方骶骨横线;髂骨前方自上至下依次为位点7、8，边缘距骶髂关节间隙1 cm;沿弓状线至髋臼前上部均匀分布位点9、10、11;位点12位于真性骨盆内;从髂后上棘至髋臼后上缘呈弧形均匀分布位点13、14、15、16。清除粘贴位点的软组织，打磨光滑，用石蜡制作隔潮层，粘贴应变片，焊接引线与导线，通过桥盒与应变仪连接。

1.4 力学试验 将标本双侧股骨远端用Ⅱ型义齿基自凝牙托粉固定于自制夹具上，模拟双足站立骨盆中立位，调整标本位置，使双侧的髂前上棘和耻骨联合位于同一额状面上，并固定L4椎体于上方自制夹具内。将此夹具连接于BOSE Electroforce 3520-AT生物力学试验机。向标本施加200 N垂直负荷以消除蠕变。然后以10 N/s的速度对完整标本施加垂直负荷(0～520 N)3次，记录标本在100 N、300 N、500 N时各个位点的应变值，取平均值。制作Tile C型骨盆骨折模型:对于骨盆前环，用手术刀垂直切开耻骨联合，复位后用4孔或5孔钢板固定;对于骨盆后环，用摆锯制作左侧经骶孔区(DenisⅡ区)的骶骨骨折模型，解剖复位后，依次用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉(图2)和2枚骶髂螺钉(图3)固定，重复上述试验步骤，记录试验数据。

1.5 统计学方法 应用SPSS 19.0统计学软件进行数据分析，采用配对t检验程序对骨盆标本同一位点不同数据进行处理，分析骨盆后环的应力分布特点。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

试验过程中标本双足站立中立位标准，各方向无明显倾斜，标本无骨折。各种内固定无断裂、松动、拔出等情况出现。在对完整骨盆加载垂直负荷过程中，每个标本两侧相对应的位点在相同负荷下的应变值差异无统计学意义(P＞0.05)。完整骨盆后环前方的应变集中部位包括位点1、2、4、5、6、7、8、9、10和11;骨盆后环后方的应变集中位点包括13、14;且后环前方位点的应变值明显大于后方位点(P＜0.05)。其他位点(位点3、12、15和16)的应变值变化较小(图4，5)。

应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉和传统2枚骶髂螺钉固定骨盆后环后，在同一标本两侧，除位点5、6、10、11外，其余各位点的应变值与完整骨盆的对应值相比，差异均无统计学意义(P＞0.05)，其中双侧的5、6位点的应变值较正常值相比均显著减小(P＜0.05)。在2枚骶髂螺钉固定的骨盆标本上，髂骨弓上的位点10、11的应变值较微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉和正常骨盆的应变值显著升高(P＜0.05)。与完整骨盆的应变值相比，微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定下标本患侧(左侧)位点5、6、7、8、12、15应变值减少，1、2、3、4、10、11、13位点应变值增加(图6);对侧(右侧)3、4、5、6、7、8、13、14、15位点应变值略减少，1、2、9、10、12位点应变值增加(图7)。传统2枚骶髂螺钉固定的骨折标本患侧(左侧)位点3、4、5、6、7、12、15、16应变值下降，1、2、9、10、11、13、14位点应变值增加(图8);对侧(右侧)位点1、4、5、6、7、8应变值下降，2、3、9、10、11、13、14、15、16位点明显增加(图9)。在500 N垂直负荷下，应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的骨盆各位点应变值更接近完整骨盆的应变值(图10，11)。

3 讨 论

Tile C型骨盆骨折是指旋转和垂直均不稳定的骨盆环损伤，即后侧骶髂部稳定结构完全损伤，前侧产生耻骨联合分离，或一侧耻骨上下支骨折或双侧耻骨上下支骨折。本试验使用手术刀制成前侧耻骨联合完全分离，同时又用摆锯经骶孔制成较为常见的DenisⅡ区骶骨骨折［5］，制作Tile C型骨盆骨折模型。有学者认为耻骨联合分离＜2.5 cm时可行非手术治疗［6］;然而，有学者通过试验证实骨盆前环的不连续会改变骶股弓的力学传导，引起应力在骨盆皮质的传导再分布，使患者罹患髋关节功能障碍、腰背痛和骶髂关节炎的风险增加［7-8］，因此，主张手术复位固定骨盆前环。本试验复位耻骨联合后，使用4孔或5孔接骨板固定。骨盆后环具有重要的承重作用，其对骨盆的稳定作用约占骨盆环的60%［9-10］。后环纵行损伤会直接影响垂直应力经骶骨和骶髂关节向两侧下方的传导和骨应力在皮质的分布。为了提高骨盆后环损伤复位后内固定的治疗效果，恢复骨盆的生物力学特性，选择内固定时不仅要考虑其固定骨盆后环的稳定程度，还要考虑其最大程度恢复骨盆力学传导特性的作用［4］。

骶髂复合体位于骨盆环的后方，是骶坐弓和骶股弓两大承重力线的交汇处，其稳定性对于维持整个骨盆环的稳定非常重要。微创可调式接骨板模拟骶髂复合体结构设计，可用于固定骨盆后环。有研究通过生物力学试验证实，微创可调式接骨板固定骨盆后环的稳定性明显优于张力带接骨板，接近2枚骶髂螺钉的稳定性，但差异无统计学意义［3-4］。为了减少患者罹患远期并发症的风险，笔者提出应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定骨盆后环，可更好地恢复力学在骨盆的传导。

有限元分析证实骨皮质主要负担载荷的传导，约为松质骨的50倍。因此，采用应变片描述骨皮质的应变分布，可以代表骨盆环骨质的应力分布。当骨盆处于直立位时，垂直载荷主要通过腰椎、骶骨、两侧骶髂关节、髂骨弓状线、髋臼穹顶传导。在本试验中，表现为完整骨盆后环的前方和后方的应力集中位点均沿骶股弓走行分布，包括位点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、13和14;而且后环前方位点的应变值明显大于后方位点(P＜0.05)。应用2种方法固定骨盆后环后，均可不同程度地恢复骨盆环的力学传导。基本恢复了负荷经骶骨、骶髂关节、髂骨至髋臼的传导方式，表现为双侧除位点5、6、10、11外，其余各位点应变值与完整骨盆相比差异无统计学意义(P＞0.05)。骶髂螺钉属于“中心性”固定［11］，由患侧髂骨后外侧穿过骨折线置入S1椎体内，螺钉产生的应力遮挡可影响力学的传导，表现为双侧的5、6位点的应变值较正常值相比均显著减小(P＜0.05)。与传统的2枚骶髂螺钉固定骨盆后环相比，微创可调式接骨板在功能和形态上更加接近后侧的骶髂复合体，其通过连杆的旋转可对骨折断端进行加压固定，使应力经过骨折线时更接近正常骨盆的力学传导;使用1枚骶髂螺钉可以既增强“中心性”固定效果，又减少了应力遮挡程度。这种组合方式使骨盆后环的应力传导更加趋向骶股弓走行。表现为在500 N垂直负荷下，其各个位点的应变值更加接近完整骨盆环的应变值。此外，在2枚骶髂螺钉固定的骨盆标本上，髂骨弓上的位点10、11的应变值较微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉和正常骨盆的应变值显著升高(P＜0.05)。

本研究存在一些不足之处。为了减少骨盆标本自身骨质对试验的影响，在同一标本上先置入微创可调式接骨板和单枚骶髂螺钉，试验结束后，在拆除微创可调式接骨板并置入第2枚骶髂螺钉进行下一步试验，但是，前序内固定器械的置入和取出，势必会影响骨盆的强度，需要我们在置入每一种内固定物时，准确把握螺钉的位置和方向，尽量减少钉道的干扰。此外，因标本不易大量获取，本试验只选取了5具骨盆标本，样本量较小也成为了本研究的局限性之一。建议增大样本量，进一步比较2种方法的固定效果。

总之，完整骨盆在垂直负荷下的传导与骶股弓走行大致相同。应用微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉固定骨盆后环比单纯使用2枚骶髂螺钉能更好地恢复力学的传导，降低远期并发症的发生率。(本文图见封二)

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［2］Chen W，Hou Z，Su Y，et al.Treatment of posterior pelvic ring disruptions using a minimally invasive adjustable plate［J］. Injury，2013，44(7):975-980.

［3］陈伟，王满宜，张奇，等.三种内固定物固定骨盆后环损伤稳定性的生物力学比较［J］.中华骨科杂志，2011，31(11):1232 -1238.

［4］李升，张奇，张英泽，等.应用微创可调式接骨板与张力带接骨板固定骶骨纵行骨折对骨盆后环应力传导的影响［J］.河北医科大学学报，2012，33(3):344-345.

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(本文编辑:刘斯静)

Biomechanical comparison on two kinds of internal fixations on stress distribution of posterior pelvic ring

WU Tao1，CUI Yun-wei1，ZHANG Qi1，2，CHEN Wei1，LI Sheng1，ZHANG Ying-ze1*
( 1． Center of Trauma Emergency，the Third Hospital of Hebei Medical University，Key Laboratory of Orthopaedic Biomechanics of Hebei Province，Orthopaedic Research Institution of Hebei Province， Shijiazhuang 050051，China; 2． School of Chinese Integrative Medicine， Hebei Medical University，Shijiazhuang 050017，China)

ObjectiveTo compare the stress distribution of posterior pelvic ring fixed with minimally invasive adjustable plate(MIAP)combined with one iliosacral(IS)screw and two IS screws.MethodsFive embalmed specimens of adult pelvis were used.The soft tissue was removed from the specimens，and the spines from the fourth lumbar vertebra to the proximal one-third of both femurs were retained.The pubic symphysis，bilateral sacroiliac joints and ligments，bilateral hip joints，bilateral sacrotuberous ligaments and sacrospinous ligaments were intact.The strain gages were adhered to 32 sites distributed symmetrically.The specimens were placed in the biomecanical machine at a standing neutral posture.Vertical load up to 520 N was applied and the strain value of intact pelvic ring was recorded.TheTile C pelvic fractures were made.The symphysis pubis was fixed with plate，and the fracture of posterior pelvic ring was fixed with two kinds of internal fixators.The strain changes were recorded respectively.ResultsThe symmetrical sites of the intact pelvic ring had similar strain changes(P＞0.05).And the strain concentration sites ran along the sacrofemoral arch.Compared with the strain value of the intact pelvis，the strain changes of these sites(except site 5，6，10，11)in the pelvic fractures fixed with two kinds of internal fixation were not statistically significant(P＞0.05).Each strain value in the posterior pelvic ring fixed with MIAP combined with one IS screw was close to that in intact pelvis under 500 N vertical load.ConclusionIn the intact pelvic ring，the conduction of vertical load runs along the sacrofemoral arch.The posterior pelvic ring fixed with MIAP combined with one IS screw can achieve better restoration of mechanical conduction than that fixed with two IS screws.

fracure fixation;biomechaincs;plevis

R687.3

A

1007-3205(2015)02-0125-04

2014-11-19;

2014-12-15

国家自然科学基金项目(81271975);河北省医学科学研究重点课题(ZL20140290);河北省高等学校创新团队领军人才培育计划(LJRC008)

吴涛(1983-)，男，河北正定人，河北医科大学第三医院主治医师，医学博士研究生，从事骨盆创伤的诊治研究。

*通讯作者。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2015.02.001