应变测量钢板评估骨折愈合程度的生物力学研究

孙鲁琨，王平山

目前临床上对骨折愈合的评估主要通过普通X线等影像学检查，但其受阅片医师的主观影响较大，缺乏有效定量指标，评估准确率难以满足临床需求[1-3]。一些定量评估方法在骨折愈合评估中取得一定效果，但植入的钢板对评估结果仍有较大影响[4-7]。本研究通过应变测量钢板测量比较不同骨折愈合状态下的钢板应变值，初步验证用应变测量钢板系统评估骨折愈合程度的可行性。

1 对象与方法

1.1 实验对象 收集12根成年山羊新鲜股骨，长度20～25 cm，并通过大体观察及拍摄X线片排除骨折、肿瘤、畸形和变性病变等异常情况。用浸有生理盐水的湿纱布包裹标本，装入塑料袋中密封，储藏于-20℃低温冰箱中备用。使用前12 h取出，放置于室温条件下自然解冻。

1.2 实验设备 直型锁定钢板12块（10孔，钛合金材质，北京理贝尔生物工程有限公司）、48枚锁定螺钉（直径5.00 mm，长度24～50 mm，钛合金材质，北京理贝尔生物工程有限公司）、48枚康铜箔式金属应变片（BF1K-3AA 型，电阻值 R：1002±0.1 Ω，灵敏系数 K：2.0±1%， 基底尺寸：7.3 mm×4.1 mm），微机控制电子万能试验机（WDW-10型，济南试金集团有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 应变测量钢板的制作 选用4枚高精度、高灵敏度的应变片分别粘贴于直型锁定钢板张力面的钉孔旁及钉孔间旁，应变片纵轴与钢板纵轴平行（图1），使应变片与钢板某一点同时发生的机械形变转化成电阻变化；再将应变片连接于一块集成有惠斯通电桥、WiFi发送装置、模数转换器、电池及电源开关的电路板上，惠斯通电桥及模数转换器能将电阻变化转变为电压信号，电压信号通过WiFi发送装置发送至电脑终端，并转换显示为应变值的变化。应变测量钢板在制作完成后均经过应变仪的校对，以确保所测数据的准确。

图1 应变片粘贴位置示意图

1.3.2 骨折愈合状态模拟 取12根成年山羊新鲜股骨，将附着的肌肉、软组织剔除。然后用义齿基托树脂（Ⅱ型）和义齿基托树脂液剂（Ⅱ型）按照10:1比例进行调和，制成方形基托包裹股骨两端，以方便实验中股骨固定。实验过程中，每一根股骨依次模拟骨折愈合过程中的3种状态（图2）。

状态A：模拟骨折完全愈合状态：取完整山羊股骨，选用钢板桥接方法，将应变测量钢板固定于股骨张力侧，两端各用2枚合适长度锁定螺钉固定。

状态B：模拟骨折愈合纤维连接状态：用线锯在股骨中央锯断，然后复位骨折断端，用同一套应变测量钢板在骨折断端两侧原钉孔处继续固定，使其与状态A一致，骨折两断端间隙约1 mm，在间隙中填充蜡，模拟骨折愈合中的纤维组织。

状态C：模拟粉碎骨折未愈合状态：在股骨中央位置用线锯锯除1 cm骨段，用同一套应变测量钢板在骨折断端两侧原钉孔处继续固定，维持骨折两断端位置和力线，使其与状态A一致，两断端间隙约为1 cm。

图2 骨折愈合模型

1.3.3 轴向压缩和三点弯曲实验 随机抽取状态A下的一个样本，进行轴向压缩和三点弯曲实验。轴向压缩实验中，负载加载速度为1 mm/min，由0逐渐加载至240 N；三点弯曲实验中，负载加载速度为1 mm/min，由0逐渐加载至120 N。由应变测量钢板系统终端记录一组钢板各应变点应变值，万能试验机关联计算机记录钢板-骨骼系统两端轴向位移及挠度。将状态A样本依次处理得到状态B和C后，按照上述实验方法，分别在状态B和C下进行轴向压缩实验和三点弯曲实验（图3）。

1.4 统计学方法 应用SPSS22.0软件分析，实验数据以均数±标准差表示，组间比较采用重复方差分析和两两比较，P＜0.05为差异有统计学意义。

图3 轴向压缩实验及三点弯曲实验

2 结果

2.1 不同状态轴向位移及挠度的比较 轴向压缩实验压缩负载为240 N时，钢板-骨骼系统在A、B、C 3种状态下的轴向位移具有统计学差异（P＜0.05）；三点弯曲实验弯曲负载为120 N时，钢板-骨骼系统在3种状态时的挠度具有统计学差异（P＜0.05）。每次实验中，当负载刚好完全撤销时，轴向位移或挠度恢复至0值。见表1。

表1 3种状态下轴向位移及挠度比较(n=12）

2.2 各应变点不同状态应变值比较 轴向压缩实验压缩负载为240 N时，应变点1～4在3种状态时的应变值均有统计学差异（P＜0.05，表2）；三点弯曲实验弯曲负载为120 N时，应变点1～4在3种状态时的应变值均有统计学差异（P＜0.05，表3）。

3 讨论

在本实验中，钢板-骨骼系统的刚度随骨折区域刚度的增加而增加，因此，轴向位移和挠度均是间接评估骨折区域刚度的指标。钢板-骨骼系统两端的轴向位移及挠度在A、B、C 3种状态下的统计学差异，说明3种骨折状态下，骨折区域刚度依次降低，其很好地模拟了骨折愈合中的3种不同状态。而3种状态下应变测量钢板各应变点应变值同样具有统计学差异，从而有效地将不同骨折愈合状态加以区别，且测得应变值随骨折的愈合而逐渐减小。这一结果为评估骨折愈合程度带来了一种新的方法。

表2 240N轴向压缩实验各应变点不同状态应变值比较(με，n=12）

表3 120N三点弯曲实验各应变点不同状态应变值比较(με，n=12）

适当的应变产生的应力刺激有利于骨痂的形成，促进骨折的愈合，但过度负重则可能影响骨折愈合[8-9]。因此，可以通过监测应变值变化，将功能锻炼强度控制在最佳应变水平，即初始应变水平。而随着骨折愈合，钢板在相同功能锻炼强度时测得应变值相应减小，这意味着患者可以增加功能锻炼强度，直至应变值达到初始应变水平。当骨折区域刚度达到一定水平，即便功能锻炼达到伤前正常活动的强度，钢板应变仍不能达到初始应变水平，此时便可以完全负重正常活动。当骨折完全愈合后，钢板应变点应变值值将不再发生变化，此时根据临床需要可以放心拆除内固定。

需注意骨不连或骨延迟愈合发生时，钢板应变也可不再发生或发生很少变化，达到相对稳定水平，但此时的应变水平远大于骨折愈合时的正常应变水平，或者钢板应变迟迟不能在正常活动强度时达到最佳应变水平以下，那么便可以判断骨不连或骨折延迟愈合的发生，并及时采取干预措施，调整治疗方案。这使骨折愈合的评估比以往更实时便捷，患者甚至不需要医院就诊拍片，即可通过无线连接应变测量钢板的手机、电脑等获知骨折愈合情况，以及时调整锻炼强度或到医院就诊。

当然，应变测量钢板系统的研制中还存在诸多困难和问题：根据应变片测量原理，其只能测量应变片长轴方向的长度变化，即只能完成单方向上的应变测量，这样将导致对非对称性愈合的骨折的评估效率降低，从而发生误诊或错诊。应变花即在钢板上粘贴多个应变方向应变片的组合，可以用来尝试解决这个问题。应变测量钢板系统目前只能用来进行体外实验，而转换传输装置体积较大、防潮防体液腐蚀设计不足是目前体内植入的最大障碍，这也是后期改进工作的重要内容。本实验中，骨折模型只是体外粗略地模拟骨折愈合的不同状态，体内实验将会使结果更加准确。

综上所述，随着骨折的愈合，钢板上任一点的应变值将逐渐减小，采用应变测量钢板系统可以有效评估骨折愈合程度。