髓内延长钉治疗肢体不等长的进展

孙伟桐 杜辉 蒋协远

双下肢不等长并不罕见。双下肢长度相差0.5～1.5 cm者约占全部人群的1/3;双下肢长度相差1.5 cm以上的人群约占5%[1]。对于双下肢长度相差超过2 cm的患者,可考虑行骨延长手术予以矫正[2]。目前Ilizarov牵张成骨原理仍然是肢体延长的金标准。然而,单纯通过外固定架技术实现牵张成骨时仍存在软组织栓系、关节僵硬、针道感染、舒适度和美观程度较差、长期佩戴影响患者心理和工作生活等问题[3-4]。为减少外架肢体延长术的并发症,各种内外结合的新技术应运而生,如Paley等[5]在Ilizarov技术的基础上提出的单臂外固定架结合髓内钉的骨延长技术(lengthening over nail,LON)。该技术可减少外固定架的佩戴时间和拆除外固定架后的骨折发生率,提高了舒适度,但存在患者术后深部感染的风险[6]。因此,完全置入式髓内延长钉成为了肢体延长领域的研究重点。经过30余年的发展,髓内延长钉显示出了明显的优势,在世界范围内被广泛应用。

一、名称的确定

髓内延长钉指完全置入式外部控制机动的髓内骨延长钉,不包括可延长髓内钉(telescopic intramedullary system/rod);两者易相混淆。常用的可延长髓内钉包括以下4种:Bailey Dubow钉,Sheffield钉,Fassier-Duval钉和交锁套管钉(interlocking telescopic rods)。在国内主要使用Fassier-Duval钉。该系统可用于复杂的儿童四肢长骨畸形的矫正和骨折内固定,包括可相对活动的近端套管和远端芯针,分别与截骨端或骨折的近端和远端固定;置入后可随患儿的骨骼生长而滑动延长,预防再骨折和新发骨骼畸形[7]。该系统与髓内延长钉的主要区别在于,髓内延长钉在髓内可自行主动延长,而可延长髓内钉随骨骼生长而被动延长。

髓内延长钉的中英文名称尚不统一;常见的英文名称包括intramedullary lengthening nail/system、motorized lengthening nail、internal lengthening nail、implantable intramedullary nail等。文献中出现频率较高的中文译名有髓内延长钉、髓内延长器、置入式肢体延长髓内钉等[8-10]。繁杂的中文译名易造成对该系统真实内涵的误解和混淆,不利于国内肢体延长领域的学术交流。因为髓内延长钉比较忠实于更普遍使用的英文名称,故建议使用髓内延长钉作为该系统的中文译名。

二、分类与延长原理

目前临床应用的髓内延长钉可根据延长原理分为机械型、电力驱动型和磁力驱动型3种。除此之外,人们仍致力于研制基于其他原理的髓内延长钉。Dünnweber等[11]开发了一款基于记忆合金的髓内延长钉(shape memory limb lengthening nails,SMALL钉)。SMALL钉内含有镍钛记忆合金组件,通过皮下接收器接收的外部高频能量信号使记忆合金组件升温,进而促进组件恢复初始长度,实现髓内钉的可控延长。然而,尸体实验显示,该系统在胫骨和股骨延长中的成功率仅为21%和14%,说明该系统仍需改进技术细节,尚不能实现临床应用[11]。

1.机械型髓内延长钉:机械型髓内延长钉包括Albizzia钉和ISKD钉两种。Albizzia钉的延长原理是将截骨端的相对旋转转化为肢体的轴向延长[12]。该髓内钉可控式延长的最重要结构是钉内的棘轮。当截骨端之间往复转动时,棘轮单向间歇运动,不锈钢套管与芯针相对延长。Albizzia钉被置入长骨骨髓腔内后,术者可抓住患肢截骨处的远近两端,从中立位内旋下肢20°便可延长髓内钉1/15 mm;反复旋转截骨端可单向延长患肢。每天目标延长1 mm,可分2～4次完成[12]。Albizzia钉的最大问题在于每次延长时截骨端旋转可造成严重的疼痛,经常需要麻醉下进行髓内钉的延长。因此,Albizzia钉已经停产。改良Albizzia钉(BETZBONE®钉和Guichet钉)仅由命名的医生使用,未能广泛商业化临床应用[13]。

髓内骨骼动力牵开器(intramedullary skeletal kinetic distractor,ISKD)主要材质为钛合金,是第一个食品药品监督管理局(FDA)批准的髓内延长钉。其延长原理为将套管与芯针之间微小的震荡活动转化为单向延长。该髓内钉的驱动部分包括螺纹杆、内面螺纹的远端套管和两个相反方向摆放的单向滚动离合。两个离合分别与远近端套管连接在一起。患肢活动时,远近端套管发生轻微旋转。远端套管顺时针旋转时,螺纹杆与远端离合一同旋转,髓内钉不延长。远端套管逆时针旋转时,近端离合阻止螺纹杆旋转;远端离合相对螺纹杆旋转,髓内钉延长[14]。患者活动下肢时,截骨端3°的旋转即可延长患肢,不需要超过生理可忍受的活动范围。当患者走路或用手主动活动下肢时,髓内钉逐渐延长;延长速率取决于患者活动患肢的频率和强度。髓内钉螺纹杆尖端放置有磁铁。外置的磁感应装置可放在患者的皮肤上,用于监测延长速率。ISKD钉延长速率相对不可控。过快或过慢可引起成骨痂强度较差或延长困难,影响最终疗效。另外,尽管置入ISKD钉患者截骨端旋转幅度较小,其仍存在疼痛问题。ISKD钉目前已经停止使用。

2.电力驱动型髓内延长钉:Fitbone钉是由FDA批准的电力驱动型钛合金套管式髓内延长钉。该髓内钉的电动马达位于近端,通过柔软的电线连接于皮下的信号接收器上。马达的驱动指令通过外置的控制器发出,以高频率电信号的形式直接通过皮肤作用于信号接收器[15-16]。患者可以经皮触摸到皮下的信号接收器,将外置的控制器放置到相应部位传递信号,由电动马达将电信号转化成轴向活动。患者可以通过听诊器听到马达运行的声音,进而监测髓内钉的延长过程。使用Fitbone钉进行骨延长期间。患者白天活动不受限制,晚上进行牵张。除了常见的髓内骨延长相关并发症外,Fitbone钉还存在电线断裂、皮下接收器失效等机械故障并发症。Thaller等[17]进行过超过700例Fitbone钉骨延长术,观察到大量牵张达到目标长度后再缩短的病例和少量的骨溶解并发症。由于使用Fitbone钉需要得到其发明者的亲自批准,该髓内钉仅被少数骨科医生使用,未被广泛应用[13]。

3.磁力驱动型髓内延长钉:磁力驱动型髓内延长钉包括Phenix钉、Precice钉和Stryde钉。Phenix钉内部的钕磁铁连接于螺纹杆,故医生可以使用外部更强大的磁铁旋转髓内钉内部磁铁。其外部磁铁围绕肢体同心旋转可驱使内部磁铁与螺纹杆一同旋转,每旋转180°可延长髓内钉0.1 mm[17-18]。该髓内钉可双向活动,延长或缩短取决于外部磁铁的旋转方向。Thaller 等[17]使用该髓内钉治疗了10例患者;其中8例达到了目标长度。由于Phenix钉是定制化生产的,医生要根据患者的术前影像学结果进行钉体的个性化设计,故其临床应用较少,其有效性需要更大量的临床研究进一步验证。由于其发明者的去世,Phenix钉目前已经停止应用[13]。

Precice钉是远程操控、磁力驱动的可置入式肢体延长髓内钉系统,可双向活动。Precice 1是组配式的,术中需要将驱动器与延长杆连接起来,共有3个焊接口和1个连接处,强度较一体化的Precice 2差。该髓内钉的延长或缩短由外置的控制器调控,控制器中有两个机动旋转的磁铁。两个磁铁的旋转可驱动髓内钉内磁性旋转轴旋转,通过齿轮引起髓内钉的延长或缩短。控制器的摆放方向决定了髓内钉延长或缩短。外置控制器与Precice钉的距离不能超过5.5 cm,否则影响其驱动髓内钉内的磁性旋转轴。因此,使用时应将控制器尽可能压入软组织[19]。齿轮盒中共有3组齿轮,可以缩小磁性旋转轴向驱动螺钉传递的旋转幅度,每组齿轮可以缩小1/4,一共缩小1/64,即磁性旋转轴转动64圈。驱动螺钉转动1圈,达到精准的长度控制。外部控制器中磁铁每分钟可转30转,髓内钉延长或缩短1 mm需要210转,即7 min[13]。Precice钉精度高、操作简便,是目前应用最为广泛的髓内延长钉。

虽然Precice钉肢体延长术拥有出色的骨愈合潜能、精准的长度控制和较低的并发症率,但仍然不能解决临床上对于更高机械强度、允许更早负重的髓内延长钉的需求。Stryde钉是最新一代的Precice钉,由不锈钢制成,可以负重150～250磅,机械强度较钛合金的Precice钉提升了4倍[20]。因此,理论上Stryde钉允许患者术后早期负重,应该获得更优的临床结果。然而,Galal等[20]比较了Stryde钉与Precice钉的临床疗效,发现Stryde钉术后可以更早负重并拥有更低的机械并发症,患肢功能结果与Precice钉相似,但骨愈合速率和牵张速率更慢。Iobst等[21]观察到77%的Stryde钉术后患者在髓内钉套管接触界面出现了骨溶解。因此,由于如此高比例的术后骨溶解并发症,Stryde钉目前已经退市。

三、适应证

根据髓内延长钉的活动方向可以将其适应证分为以下3种:(1)利用髓内延长钉自身延长特性的适应证,包括针对肢体不等长的单侧肢体延长、针对身材矮小的美容性双侧肢体延长和截肢后延长;(2)利用髓内延长钉自身短缩可提供持续性加压作用的适应证,包括骨折不愈合、胫距跟融合术等;(3)不限髓内延长钉活动方向的适应证,如骨运输术。

1.利用髓内延长钉自身延长特性的适应证:双下肢不等长是髓内延长钉最主要的临床适应证,病因包括先天性、发育性和创伤性因素。需要矫正的双下肢不等长发病率约为1/1 000[13]。大量临床研究证实了髓内延长钉在双下肢不等长中的安全性和有效性。Teulières等[22]采用Fitbone钉治疗了34例创伤后肢体不等长患者,平均随访(27.8±13)个月;其中29例股骨双侧长度差异平均为(44±18)mm;4例胫骨双侧长度差异平均为(32±8)mm。术后共25例患者双侧肢体长度差异减小至1 cm以内;恢复至完全负重时间为(226±133)d。Accadbled等[23]采用Fitbone钉进行了26例肢体延长;其中23例达到目标长度,延长(45.3±18)mm。Horn等[24]对47例患者进行了50例髓内延长钉肢体延长术;其中Precice钉34例,Fitbone钉16例,45例患者达到了预期延长目标。Dahl等[25]为减少儿童双下肢不等长患者顺行股骨髓内钉股骨头坏死风险,采用髓外放置Precice髓内延长钉技术治疗11例平均年龄5.9岁的儿童,平均延长32.3 mm,并发症率为27.3%。Kirane等[26]通过24例髓内延长钉肢体延长术评估了Precice钉的准确度和精密度。全部患者达到了预期延长目标,平均延长35 mm;其准确度为96%;精密度为86%。

髓内延长钉可在延长肢体的同时完成下肢畸形的矫正。Steiger等[27]采用Fitbone钉和锁定钢板治疗了5例合并复杂成角畸形的双下肢不等长患者。全部患者获得满意的畸形矫正。Rozbruch[28]介绍了应用Precice钉进行创伤后肢体重建的技术。他使用阻挡钉矫正成角畸形,术中以临时外固定架稳定肢体防止出现旋转畸形,获得良好的临床效果。应用髓内延长钉矫正畸形时,可遵循反拇指原则(reverse rule of thumb)进行阻挡钉的置入,即用双手握住骨骼后模拟手法矫正畸形,将阻挡钉置入拇指和示指所在位置髓内钉的对侧[29-30]。Jardaly等[31]采用顺行Precice钉联合股骨远端截骨钢板内固定治疗7例双下肢不等长伴股骨远端畸形患者,平均延长43 mm。全部患者步态、髋膝疼痛、功能性侧弯均明显改善。

髓内延长钉在上肢骨延长中也有所应用。由于80%肱骨生长源于近端骨骺,儿童肱骨近端骨折、单房性骨囊肿等疾病的并发症可导致明显的双上肢不等长,影响美观与功能。Kurtz等[32]应用Precice钉治疗了1例继发于单房性骨囊肿的肱骨短缩的15岁女性患者,在9周时间内获得了5 cm肱骨延长。术后7个月截骨端完全愈合。患者肩肘活动范围未受影响。Hammouda等[33]回顾了应用Precice钉治疗5例患者中的6例肱骨延长病例;平均延长5.1 cm;仅1例患者肩关节活动范围轻度受限;其余患者肩肘关节活动范围与术前相同;上肢功能运动评分(QuickDASH评分)较术前明显改善。Morrison等[34]比较了6例Precice钉与7例外架进行肱骨延长的治疗结果,认为髓内延长钉肱骨延长术安全性、耐受性较高,可避免外架钉道感染等并发症。

髓内延长钉也可应用于矮小症患者的增高手术。Havitcioglu等[35]使用髓内延长钉对9例矮小症患者进行了增高手术。患者平均年龄28.3岁,术前平均身高151 cm。患者术后平均增高8.7 cm。并发症包括2例骨愈合不良、1例股四头肌挛缩和1例近端锁钉脱落。由此可见,髓内钉延长增高术是安全有效的,但应术前与患者充分沟通并发症情况和相关风险。

髓内延长钉还可用于特殊情境下的肢体延长。Metikala等[36]全部采用体内装置改良了Ilizarov髋重建技术。该技术分为两期。一期行股骨头切除和骨盆支撑截骨双钢板内固定术;二期行股骨远端截骨和逆行Precice髓内延长钉置入术。采用该技术治疗的8例患者平均随访19个月,早期临床疗效满意。Kuruoglu等[37]使用Precice钉对1例创伤性肢体离断患者进行了残余股骨延长,方便患者佩戴义肢,增加了残肢的义肢控制能力。

2.利用髓内延长钉自身短缩特性的适应证:磁力驱动型髓内延长钉可在医生操作下双向活动,因其自身短缩提供持续加压作用的特点可被用于治疗骨折不愈合、胫距跟融合术等。Mierke等[38]应用第4代合成骨Sawbones比较了Precice钉与加压钢板对截骨端的加压作用,发现Precice钉可以提供更强大、分布更均匀的压力。大量文献报道髓内延长钉在胫骨、股骨、肱骨骨折不愈合中的良好疗效[39-40]。Fragomen等[41]使用Precice钉治疗的14例骨折不愈合患者中,13例愈合良好;平均愈合时间24.5周。髓内延长钉也被用于某些不愈合风险较高骨干骨折的一期加压固定。Watson等[42]推荐使用基于Precice钉设计的UNYTE肱骨加压钉对保守治疗失败等高风险肱骨干骨折进行一期内固定,获得了良好临床效果。

3.不限髓内延长钉活动方向的适应证:不限髓内延长钉活动方向的适应主要指骨运输术。Barinaga等[43]使用钢板辅助髓内延长钉骨运输术治疗了1例51岁创伤后胫骨骨缺损患者。他们用内侧钢板固定胫骨近端和远端,使用Precice钉运输骨节段。术后18个月截骨端完全愈合。Wright等[44]使用内外侧双钢板固定股骨两端,应用Precice钉分阶段进行骨运输,成功治疗了3例股骨骨缺损患者,均获得满意疗效。然而,髓内延长钉结合钢板骨运输技术虽然避免了外架相关的钉道感染、关节僵硬、舒适度和美观性差等问题,但大范围的剥离和对截骨端血运的破坏使人不免担心截骨端的愈合。为了解决这一难题,Krettek等[45]设计了一款CKTST组件,该组件是一个有滑槽的套筒。进行胫骨骨运输术时,将Precice钉活动端插入CKTST组件内。将Precice钉固定端与胫骨近端固定,CKTST组件与胫骨远端固定,即可髓内固定胫骨两端。骨节段通过锁钉与Precice钉活动端固定,运输时锁钉可在CKTST组件的滑槽内滑动。使用该技术治疗了1例74岁创伤后胫骨骨缺损患者的疗效满意。

四、并发症

髓内延长钉手术的并发症可分为装置相关并发症和非装置相关并发症。装置相关并发症与置入的髓内延长钉有关,如疼痛、延长速率不可控、未达到延长目标、机械故障、骨溶解等。非装置相关并发症与采用髓内延长钉进行的术式(如骨延长术、持续性加压治疗骨折不愈合、胫距跟融合术、骨搬运等)相关,如感染、出血、神经血管损伤等。这些并发症与使用的髓内延长钉无关。

装置相关并发症的分布与置入髓内延长钉的类型密切相关。疼痛是机械型髓内延长钉的主要并发症,严重限制了其使用。除疼痛外,ISKD钉延长速率相对不可控也是一个重要问题,过快或过慢可引起成骨痂强度较差或延长困难,影响最终疗效。Lee等[46]统计了使用ISKD钉进行骨延长的35个节段,发现延长速率异常发生率高达60%,其他并发症率为53%,包括踝关节活动受限、延迟愈合和机械故障。电力驱动型髓内延长钉的主要并发症包括牵张达到目标长度后再缩短、骨溶解以及电线断裂、皮下接收器失效等机械故障;其总体并发症率较低。Accadbled等[23]行26例Fitbone钉置入术,并发症率为15.4%。磁力驱动型髓内延长钉疗效稳定,并发症率低。Haider等[47]报道的20例Precice钉骨延长术患者中有6例进行了翻修手术;其中4例不愈合,2例断钉。Fragomen等[41]应用Precice钉加压治疗了2例胫骨近端不愈合,均发生内翻屈曲畸形;其中1例未愈合。因此,在胫骨延长或加压中,由于髓内延长钉对近端骨段把持较差,在延长或加压过程中存在内外翻畸形风险。Stryde钉与Precice钉相比,虽然增加了机械强度,但术后骨溶解发生率高达77%[21],也因此退市。大量研究显示,在取出体内的Stryde钉中发现腐蚀主要发生在套管接触界面和钉孔处;腐蚀主要金属元素为铬;患者局部骨皮质增厚和骨溶解严重程度与套管接触界面处腐蚀程度密切相关[48-50]。Sax等[51]发现置入Stryde钉后骨膜反应和骨溶解发生率分别为39%和57%;其中8例取出Stryde钉患者的完整资料中2例患者取出Stryde钉1年后骨溶解现象部分缓解;6例患者术后18个月影像显示骨溶解现象完全缓解。这进一步证实了患者术后骨膜反应、骨溶解与Stryde钉相关。

Black等[52]将髓内延长钉术后并发症按照严重程度分为4型。Ⅰ型:治疗目标达成,仅需微小干预;Ⅱ型:治疗目标达成,治疗方案需要实质性改动;ⅢA型:治疗目标未达成,未引发新疾病或永久性并发症;ⅢB型:治疗目标未达成,同时引发新疾病或永久性并发症。Frost等[53]发表的系统性综述纳入了782例患者的983个髓内骨延长节段,其髓内延长钉总并发症率为34%;Ⅰ型、Ⅱ型、ⅢA型和ⅢB型并发症发生率分别为11%、15%、5%和3%。Frost等[54]还回顾性分析了271例择期髓内延长钉取出术并发症,发现术中和术后并发症率分别为3%和13%;其中术后膝关节疼痛18例,术后骨折4例。故强调了髓内延长钉取出术后规律随访的重要性。

五、与外架的比较

与传统的基于外架的骨延长术相比,髓内延长钉骨延长术在多方面具有显著优势。Black等[52]比较了环形外架与髓内延长钉(Fitbone钉)在股骨延长方面的效果。他们发现两组平均延长量相似,但髓内延长钉组患者Ⅰ型术后并发症和总并发症的平均数量远小于环形外架组。Horn等[55]发现使用髓内延长钉进行股骨延长术的矿化指数和膝关节活动范围显著优于环形外架,且并发症更少。Szymczuk等[56]回顾性分析62例股骨延长术后也发现,与单边外架相比,髓内延长钉在术后关节活动范围方面拥有显著优势,并发症更少,并具有相似的牵张速率和愈合指数。髓内延长钉较外架的优势不仅表现在下肢延长的应用中,在肱骨延长术方面,髓内延长钉的优势更加明显。Galal等[57]比较了单边外架与髓内延长钉(Precice钉)在肱骨延长方面的疗效,发现髓内延长钉组患者DASH评分提高更多,肘关节活动范围损失更少且恢复更快。

为了比较患者对外架和髓内延长钉的满意度,Landge等[58]调查了13位进行过两种术式的患者。患者们认为髓内延长钉术后疼痛轻、方便进行物理治疗且更美观,对髓内延长钉的整体满意率更高。当被问及再次进行肢体延长手术会选择什么方式时,全部患者均选择了髓内延长钉。有部分学者担心髓内延长钉高昂的价格会限制其使用和普及,然而,大量卫生经济学研究却显示髓内延长钉手术与内外结合的肢体延长技术总体花费相似;其原因可能在于进行髓内延长钉手术患者的总手术次数更少[59-60]。总体而言,髓内延长钉手术延长效果、肢体功能、总体花费与外架相似,术后并发症、相邻关节活动范围、美观程度、患者满意度均显著优于外架,更加受患者青睐。

使用外固定架牵张成骨的Ilizarov技术是进行肢体延长的金标准。然而,由于该技术仍存在软组织栓系、关节僵硬、针道感染、神经血管损伤、舒适度和美观程度较差等问题,骨科医师仍然在积极探索各式肢体延长新技术。随着各种内外结合的新技术逐渐发展,完全置入体内的髓内延长钉技术应运而生,给肢体延长领域带来了希望。髓内延长钉临床疗效显著,并发症少,已经在国外广泛应用,技术也相对成熟。然而,我国目前尚未引进髓内延长技术。我国原卫生部早在2006年就颁布了《卫生部关于对“肢体延长术”实施严格管理的通知》。该项通知规定:“开展肢体延长术必须严格掌握临床应用适应证,该技术适应证为先天畸形、外伤、肿瘤、感染等原因所致的骨缺损或肢体不等长,以及因疾病引起的肢体畸形。不具备上述适应证的,严格禁止使用肢体延长术”。因此,髓内延长钉技术在我国市场较小,引入国内成本较高。大力发展国产化髓内延长钉可以促进我国骨缺损和肢体不等长患者得到更优质的治疗,降低治疗成本,是未来我国肢体不等长治疗方面医工结合领域重要的发展方向。