桡骨远端骨折掌、背侧钢板固定的生物力学研究

张亮，邹宁，周健伟，梁钟鸣，胡玉平，王兴元，刘磊*

(1.上海市宝山区仁和医院，复旦大学附属华山北院宝山分院骨科，上海 201907；2.复旦大学附属华山医院骨科，上海 200040)

桡骨远端骨折(distal radius fractures)是指距桡骨远端关节面3cm以内的骨折，其发病率约占急诊骨折患者的17%，其中关节内骨折占桡骨远端骨折的25%[1]。流行病学调查显示，美国平均每年发生各种类型的桡骨远端骨折近200.000例，大部分见于老年人，而所有年龄组的患者人数都在大幅增加[2]。对于桡骨远端骨折的治疗，以往大都采用非手术治疗，且效果满意；但对于大多数关节内的骨折及不稳定的关节外骨折，手法复位效果较差，即便复位满意，石膏内移位发生率也较大，因此对于不稳定的桡骨远端骨折逐渐采用手术治疗。

最初，临床医生主要根据桡骨远端骨折块移位的方向和干骺端粉碎的程度来选择手术入路，对手术入路和接骨板放置位置的选择遵循“支撑钢板”的原则，即采用背侧入路治疗背侧移位的桡骨远端骨折，采用掌侧入路治疗掌侧移位的桡骨远端骨折[3]。对临床上多见的远端骨折块向背侧移位的桡骨远端骨折，尽管采用背侧入路取得了较满意的疗效，但接骨板与伸肌腱相接触而引发的并发症如腱鞘炎、伸肌腱磨损甚至断裂的发生率较高[4]。所以目前大多数临床医生无论掌侧或背侧移位均选用掌侧入路置板固定，这似乎与AO的生物力学固定产生冲突，为了明确对于背侧移位的骨折，掌侧固定是否能达到近似于或超过背侧固定的生物力学效果，我们设计了本实验。

本文通过生物力学研究对这两种固定方式进行实验应力分析，比较它们生物力学性能的优劣，从而为桡骨远端骨折的临床手术治疗提供基础理论依据。

1 资料与方法

1.1 标本制备与分组 采集成人尸体新鲜桡骨远端标本20个，其中男7例，女3例；年龄41～77岁，平均(65.04±5.12)岁；身高1.61～1.78 m，平均(1.68±0.13)m；体重为52.37～75.12 kg，平均(69.13±6.25)kg。标本先摄X线片，显示无任何损伤或骨折，无病变，完整无损，并对标本依次测量骨密度(NORLADXR-36 Dual Energy X-ray Absorbtionmetry，DEXA)。剔除标本上所有软组织，取完整手腕桡骨远端部，测量标本部位主要尺寸，上下两端用骨水泥固定，然后制作夹具，稳妥固定在MTS型万能材料试验机(MTS 858 MiniBionix®，美国)上。

将标本桡骨远端背侧移位型造成骨折，然后采用A组掌侧钢板(volar redioulnal line steel plate fixation，VRF)和B组背侧钢板固定(dorsal redioulnal line steel plate Fixation，DRF)两种不同方式固定(见图1)。钢板均选用AO公司。从原始正常组做起，进行自身对照和比较。

1.2 实验力学模型和试验 实验力学模型需在结构、载荷、力学性质上尽量保持一致，以确保实验精度和受载均度[5]。所有标本采用成人新鲜尸体标本，根据生理运动工况和受力状态，施加生理载荷100 N，行分级加载[6]。在加载过程中标本用生理盐水包裹，应维持新鲜湿润状态，在试验前先进行小量程预载，以消除骨的时间效应松弛和蠕变影响，然后进行正式加载实验，并采用数据。实验反复多次，加载速率控制1.50 mm/min。所有实验标本，在桡骨远端背侧骨折处按实验力学要求粘贴高精度电阻应变片(R=120Ω±1%，R=2.16，1.50 mm×1.50 mm)，在骨折断端处布置高精度数显光栅位移传感器(KG-101，精度1‰，上海科大机电工厂)，相应记录桡骨骨折断端的应变值和位移值。

根据手腕部桡尺远侧关节的生理运动工况，本试验曾进行四种不同运动工况试验，即轴向载荷压缩试验(axial compression，AC)、前屈运动试验(flexion，Flex)、后伸运动(extension，Ext)和旋转运动(rotation，Rot.)试验。

2 结 果

2.1 桡骨远端两种内固定的轴向压缩应力强度和刚度 这里的应力强度力学上是指桡骨断端抵抗破坏的能力大小，刚度是指桡骨抵抗变形能力的大小[3]。桡骨远端背侧移位型骨折采用掌侧和背侧钢板两种钢板内固定，在轴向压缩载荷作用下，其骨折断端的应力强度和刚度测试结果见表1。结果表明：a)桡骨远端骨折两种钢板固定后的应力强度以背侧钢板固定(A组)比掌侧固定(B组)骨质上高5%，差异无统计学意义(t=2.266，P>0.05)，而在固定钢板(SP)上的应力强度相比小11%，差异无统计学意义(t=2.162，P>0.05)；b)桡骨远端骨折两种钢板固定后的轴向压缩刚度和剪切刚度，背侧钢板固定的刚度比掌侧固定分别高2%、8%，两者相比差异无统计学意义(t=2.252，P>0.05)。c)正常标本时测得的桡骨远端骨质上(N组)的应力强度为(0.49±0.03)MPa，刚度为(5±0.5)N/mm，与骨折钢板固定(A、B组)的应力强度和刚度相比较，两种钢板固定后的骨质上应力强度分别高13%和17%，轴向刚度要高13%和14%，差异均有统计学意义(t=2.548，P<0.05)，说明两种钢板固定效果均比较好，尤其背侧固定比掌侧固定占有一定的优势。

表1 桡骨远端骨折两种钢板固定的轴向压缩应力强度和刚度比较

2.2 桡骨远端两种内固定的弯曲强度和刚度 桡骨远端骨折两种不同钢板固定后，在弯曲载荷作用下(前屈)，在桡骨远端骨折处的弯曲强度和刚度测试结果见表2。结果表明：a)桡骨远端骨折用背侧钢板固定(B组)的骨质上的弯曲强度比掌侧钢板固定(A组)高12%，钢板上的弯曲强度高15%，两者相比差异有统计学意义(t=2.498，P<0.05)；b)两种不同钢板固定后的弯曲刚度和剪切刚度，B组比A组分别高2%和5%，两者相比差异无统计学意义(t=2.158，P>0.05)；c)正常标本骨质上的弯曲强度为(0.32±0.02)MPa，刚度为(49±4)N/mm，与掌侧钢板背侧钢板固定的弯曲刚度相比，分别相差20%和30%，剪切刚度分别相差16%和17%，差异均有统计学意义(t=3.108，P<0.05)。

表2 桡骨远端骨折两种钢板前屈固定的弯曲强度和刚度比较

2.3 桡骨远端两种内固定背伸时的弯曲强度和刚度 桡骨远端骨折两种不同钢板固定后，在背伸时桡骨骨折断面固定处的弯曲强度和刚度测试结果见表3。结果表明：a)桡骨远端骨折两种钢板固定后，手腕部背伸时桡骨骨折断面固定处用背侧钢板固定的骨质上(B组)的弯曲强度比掌侧钢板固定(A组)高8%，两者相比差异有统计学意义(t=2.155，P<0.05)；在钢板上的应力相差达21%，两者相比差异有统计学意义(t=3.108，P<0.05)；b)A、B两种钢板固定后的骨质上弯曲刚度和剪切刚度分别相差2%和7%，两组弯曲刚度和剪切刚度相比较差异无统计学意义(t=2.146，P>0.05)。c)正常标本桡背伸时的骨质上弯曲强度为(0.42±0.03)MPa，弯曲刚度(50±4)N/mm，分别同掌侧钢板和背侧钢板固定后相比，弯曲强度相差12%和18%，弯曲刚度相差15%和17%，两者相比差异均有统计学意义(t=2.474，P<0.05)。

表3 桡骨远端骨折两种钢板固定背伸时弯曲强度和刚度比较

2.4 桡骨远端骨折不同位置固定的扭转力学特性 桡骨远端骨折分别采用掌侧钢板和背侧钢板固定后，进行扭转生物力学试验，得到它们各自的扭转生物力学特性，其结果见表4。这里扭转生物力学特性通常的力学指标是以扭矩和扭转刚度来表达[3]。结果表明：a)桡骨远端骨折采用背侧钢板固定，其骨质上扭矩和扭转刚度比掌侧钢板固定的扭矩和扭转刚度分别高4%，两者比较差异无统计学意义(t=2.218，P>0.05)，说明桡骨骨折两种钢板固定方法是等效的；b)在正常标本进行扭转时，测得手腕部桡骨的扭矩为(1.35±0.10)Nm，扭转刚度为(0.70±0.05)Nm/deg，两种钢板固定后扭矩分别相差19%和18%，刚度分别相差21%和19%，差异均有统计学意义(t=3.108，P<0.05)。说明桡骨远端骨折无论采用掌侧钢板固定还是背侧钢板固定，其扭转生物力学性能均不理想，呈下降的趋势，证明外科手术对骨骼扭转力学性能的影响不容忽视。钻孔、打洞、骨折造成的骨骼创伤使创伤处应力集中，导致强度下降，变形很大，刚度极大地削弱，能量的减弱竟然达到20%以上，即使用钢板固定，其整体力学性能也是很差的。

表4 桡骨远端骨折不同位置固定的扭转力学特性比较

3 讨 论

桡骨远端骨折(distal radius fractures，DRF)是指距桡骨远端关节面3 cm以内的骨折，其发病率约占急诊骨折患者的17%，其中关节内骨折占桡骨远端骨折的25%[7]。流行病学调查显示，美国平均每年发生各种类型的桡骨远端骨折近200 000例，大部分见于老年人，而所有年龄组的患者人数都在大幅增加[8]。对于桡骨远端骨折的治疗，以往大都采取非手术治疗，并且效果满意[9]；但对于大多数关节内骨折及不稳定的关节外骨折，手法复位的效果较差，即便复位满意，石膏内移位的发生率也较大，因此对于不稳定的桡骨远端骨折逐渐采用手术治疗。

最初，临床医生主要根据桡骨远端骨折块移位方向和干骺端粉碎程度来选择手术入路，对手术入路和接骨板放置位置的选择遵循“支撑钢板”原则，即采用背侧入路治疗背侧移位的桡骨远端骨折，采用掌侧入路治疗掌侧移位的桡骨远端骨折[10]。对临床上多见的远端骨折块向背侧移位的桡骨远端骨折，尽管采用背侧入路取得了较满意的疗效，但接骨板与伸肌腱相接触而引发的并发症如腱鞘炎、伸肌腱磨损甚至断裂的发生率较高[11]。所以目前大多数临床医生无论掌侧或背侧移位均选用掌侧入路置板固定，大量临床实践病例证明背侧移位的骨折采用掌侧钢板固定也取得良好的预后[12]。

桡骨远端骨折掌、背侧钢板固定的实验应力分析结果证明，临床上两种固定方法都是行之有效的，背侧钢板在生物力学性能上比掌侧钢板固定占有一定的优势，但在统计学上两者差异无统计学意义。从两种不同钢板固定桡骨远端骨折的极限载荷试验结果表明，背侧钢板固定的极限载荷为(285.8±5.0)N，掌侧钢板固定的极限载荷为(270.2±16.0)N，两者相差5.6%，差异无统计学意义(P>0.05)。证实了背侧钢板固定优于掌侧钢板固定，但差异无统计学意义。对于实验应力分析结果的正确性可以从生物力学组合杆理论[4]中得到佐证。骨和钢板属于组合杆件体系，骨和钢板共同承受压力P，在骨和钢板横断面均产生应力，分别为σbp，σsp。公式计算如下：σbP=EP/EF+E1F1，σsP=E1P/EF+E1F1式中E为骨的弹性模量，E1为钢板的弹性模量，F和F1分别为骨和钢板的横截面积。根据实验应力分析的原始数据，于是得到桡骨远端骨折断面处三种不同运动工况下的组合杆应力理论值[13]。为方便起见将实验结果一并列出，见表5。结果表明：轴向压缩时实验值与理论值之间比较相差4%，桡骨远侧关节前屈时实验值与理论值相差6%，后伸时相差5%。显然两者结果十分接近(t=2.272，P>0.05)。实验误差引起的原因是力学模型建模时标本的个体差异性。

表5 桡骨骨质上应力强度实验值与理论值比较

由此我们可以得出结论，桡骨远端背侧移位骨折，掌、背侧钢板固定从生物力学上差异无统计学意义，也就意味着从生物力学实验证实，背侧移位的骨折，从掌侧放置钢板同样能达到相同的力学稳定效果，为临床上我们通过掌侧放置钢板固定背侧移位骨折提供了生物力学的理论依据。