肋骨环抱器治疗肋骨骨折的有效性研究及有限元建模分析

王永平,王 辉,郑 翔,闻作川,田 浩,陈 鹏,刘冠群

北京市大兴区人民医院胸外血管外科,北京 102600

创伤造成的肋骨骨折会导致患者丧失劳动力,甚至使患者的工作和日常生活在受伤后很长一段时间内受到持续的不良影响[1]。肋骨骨折根据受伤肋骨数量可分为单根和多根肋骨骨折,其中≥3根的多个连续肋骨骨折会引起呼吸力学改变和胸壁矛盾运动,导致连枷胸的发生,甚者会发生呼吸衰竭[2]。目前临床治疗肋骨骨折主要有外固定非手术治疗和手术治疗两种方式,随着近年来手术、麻醉技术的不断提升和内固定材料的发展,手术内固定治疗的应用越来越多[3-4]。形状记忆合金肋骨环抱器是常用的肋骨骨折内固定材料,其具有组织相容性好、操作简便等优点[5],但其固定性能还缺乏可靠的理论依据,临床疗效也需要更多研究证实。本研究回顾性分析2019年1月—2022年12月北京市大兴区人民医院胸外血管外科收治的多发肋骨骨折患者137例,对比应用传统外固定非手术治疗和肋骨环抱器治疗的效果,并进一步采用有限元分析评估肋骨环抱器内固定治疗肋骨骨折的应力分布,为其临床应用提供可靠的生物力学依据。

资料与方法

1 一般资料

纳入标准:(1)年龄≥18岁;(2)有明确的胸部创伤,经X线片和(或)CT检查确诊,多发肋骨骨折(骨折数量≥2根);(3)符合手术指征,均顺利完成手术;(4)术后3个月内随访复诊,病历资料和随访资料完整。排除标准:(1)合并严重的心、肝、脑、肺、肾等重要器官功能障碍;(2)有精神疾病史;(3)合并凝血系统、免疫系统疾病;(4)患者或家属对治疗方案不同意。所有患者根据治疗方式分为传统组(62例)和环抱器组(75例)。传统组男性49例,女性13例;年龄25～62岁,平均36.6岁;道路交通伤29例,高处坠落伤17例,摔伤5例,钝器击打伤7例,其他4例;合并血气胸21例,连枷胸应用呼吸机11例;骨折数2～4根52例,≥5根10例。环抱器组男性57例,女性18例;年龄25～59岁,平均37.1岁;道路交通伤35例,高处坠落伤17例,摔伤7例,钝器击打伤9例,其他7例;合并血气胸27例,连枷胸应用呼吸机15例;骨折数2～4根61例,≥5根14例。两组患者一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。本研究方案获得笔者医院医学伦理委员会批准(SLE002018003S)。

2 治疗方法

传统组:采用传统的胸外或胸部护板外固定治疗。固定前对严重血气胸者给予胸腔闭式引流,对存在肺挫伤者给予肺部修补;对合并腹腔脏器损伤者给予相应脏器修复;对合并膈肌破裂者给予膈肌修补术;对合并胸骨骨折者给予内固定治疗。同时给予止血、止痛、输血、补液等对症处理。

环抱器组:采用记忆合金肋骨环抱器内固定术治疗。单侧骨折者行健侧卧位,双侧骨折者行平卧位,胸肩部软垫垫高。气管插管全身麻醉,手术切口根据骨折部位、数量和损伤范围等确定,一般选择腋中线纵行切口或外侧切口。切开皮肤、皮下组织、筋膜,前锯肌或胸大肌纤维钝性分离,观察胸腔内损伤情况,对受损局部肺组织和其他组织破损进行修补。切开并游离骨膜,充分暴露骨折断端两侧约3 cm,注意保护肋间血管和神经。将多余的碎骨片、血凝块和损伤严重的软组织清除,之后解剖复位骨折断端,根据肋骨粗细程度、骨折范围和移位情况选择合适型号和规格的纯钛肋骨爪型接骨板(常州华森医疗器械有限公司),用止血钳快速将冰水浸泡后已充分撑开4对齿臂的肋骨合金环抱器放置于骨折断端,适当加压使其与肋骨充分贴合,用温度50°C左右的盐水湿敷,使其齿臂充分收紧环抱骨折断端,内固定完毕后检查是否牢靠,由易至难采用同样的方法对其他骨折进行内固定,逐层缝合切口,常规放置胸腔闭式引流管。术后给予常规的止痛、化痰、抗感染等对症治疗和护理,2～3 d拔除胸腔引流管,7～10 d拆除切口缝线。

3 观察指标

(1)记录机械通气时间、引流管拔管时间、下床活动时间、住院时间、骨折愈合时间及治疗前后VAS、止痛药物使用剂量。(2)骨折愈合情况和围术期并发症发生情况。骨折愈合效果评价标准参照

彭积贵等[6]研究制定。

4 统计学分析

5 有限元分析

选取健康男性志愿者1名,27岁,身高177 cm,体质量74 kg,将其CT扫描的胸廓数据应用医学影像学软件Mimics19.0(比利时玛瑞斯公司)进行处理,建立胸廓三维模型,应用逆向工程软件Geomagic Studio12.0(美国杰魔公司)处理胸廓模型,提取出左侧相对容易损伤发生骨折的第六对肋骨进行平整修复和前处理,拟合为光滑的Nurbs曲面和(图1)。本研究应用的肋骨环抱器为纯钛材质的肋骨接骨板(图2),应用Solidworks2014(法国达索系统公司)建立接骨板模型,根据肋骨表面宽度采用不然算法设定接骨板宽度,使其与肋骨表面紧密契合。将肋骨中部模型分为两段,获得完全断开的肋骨骨折模。根据肋骨生理结构分为内层松质骨、外层皮质骨和近胸端附着的软骨。将肋骨模型和肋骨环抱器模型应用Hypermesh软件(美国澳汰尔公司)进行网格划分,设定皮质骨总厚度为1 mm,松质骨应用四面体网格,单元数量14 245,皮质骨和软骨应用楔形单元,单元数量分别为88 960和12 010,接骨板应用六面体单元,单元数量为6 015。应用网格的收敛性检验对网格划分结果进行检验。肋骨和肋骨环抱器的材料参数通过文献查阅获得,具体见表1。临床治疗肋骨骨折时,手术医师通过医用抓持钳夹紧接骨板,使两端断骨和接骨板紧密接触,此时肋骨和接骨板之间会存在一个较大的预紧力,应用过盈接触模拟接骨板的夹紧行为。设置接骨板爪子初始过盈为0.02 mm,计算过盈结束时肋骨和接骨板爪子接触面的预应力为20 MPa,两者之间的预紧力约为200 N。患者术后康复阶段肋骨可能会因胸廓受到外力碰撞而承受外界压力,由于碰撞过程中产生的作用时间较短,因此可将肋骨两端视为固定,设置的边界条件为肋骨两端固定。本研究设置3种不同载荷施加位置的撞击情形,大小均为0.3 MPa,压力均匀分布,分析该肋骨接骨板在不同冲击下固定肋骨骨折的性能(图3)。

表1 肋骨和肋骨接骨板的材料属性

图1 三维CT重建人体胸廓模型和修复平整后的肋骨模型

图2 纯钛肋骨接骨板实物图

图3 肋骨受3种外加载荷示意图,肋骨中部、肋骨远端、肋骨近端

结 果

环抱器组机械通气时间、引流管拔管时间、下床活动时间、住院时间、骨折愈合时间均较传统组显著缩短,治疗后VAS较治疗前和传统组显著降低,止痛药物使用剂量较传统组显著减少(P<0.001)。见表2。环抱器组优良率为97.3%(73/75),显著高于传统组的77.4%(48/62),P<0.001。见表3。环抱器组肺部感染、肺不张和胸廓畸形并发生率均明显低于传统组(P<0.05)。见表4。

表2 两组患者术后恢复情况比较

表3 两组患者骨折愈合效果比较[n(%)]

表4 两组患者并发症发生情况比较[n(%)]

应用肋骨环抱器内固定后,3种不同载荷情形中肋骨的最大位移值均比正常肋骨小,说明肋骨骨折接受肋骨环抱器固定后能承受较大的压力,其固定效果较好。当肋骨近端和远端骨端发生碰撞时,固定后肋骨的最大应力比正常肋骨小;当靠近骨折发生位置的肋骨中部发生碰撞时,其损伤风险最大,肋骨位移最大,使用肋骨环抱器固定后的最大位移为5.96 mm,断面间隙值为0.079<0.1 mm,说明肋骨骨折断面在外力作用下仍能保持良好的贴合状态,能促进骨折康复,固定后应力超出正常肋骨的20.8%,由环抱器边缘挤压肋骨产生,在肋骨应力承受范围内,肋骨不会受到损伤。综合应力、位移、断面间隙值等指标,肋骨环抱器内固定后在3种不同碰撞情形下其固定性能均良好,验证了其优越的固定性能。

讨 论

目前临床治疗多发性肋骨骨折应用的内固定材料有A-O钢板、髓内钉、接骨板、记忆合金环抱器等[7]。相比较髓内钉和A-O钢板,接骨板和记忆合金环抱器的固定更为牢靠,松脱偏位、翻转等情况少见[8-9],更适用于受伤严重的多发性肋骨骨折,且无需二次手术取出,是目前临床上应用较多的内固定手术方式[4]。记忆合金环抱器是一类对温度有一定形状记忆功能的新型肋骨骨折内固定材料,治疗时将其处于低温条件下可发生变形,而在体温温度下其形状可自动恢复至原有状态,而且还具有合适的形状恢复力,有较好的抗弯压和抗扭作用[10]。此外,该内固定材料的组织相容性和抗腐蚀能力较好,植入人体的安全性高,也无需再次手术取出。手术时应用记忆合金肋骨环抱器只需要选择相应型号固定骨折的肋骨,利用环保臂所产生的环保握持力对骨折两端多个位点进行固定,无需额外的克氏针、钢丝等固定工具辅助,不仅操作简单方便,固定效果牢靠,不容易发生骨折移位,而且能最大程度降低对周围组织、血管、神经和骨髓腔的损伤;治疗时不使用骨钻,因此出血量很少,而且不应用钢板,无需剥离骨膜,可有效减少骨不连的发生[11]。本研究结果显示,与传统的外固定治疗相比,应用记忆合金肋骨环抱器内固定治疗的环抱器组患者恢复更快更好,其术后恢复时间均显著缩短,治疗后VAS显著降低,止痛药物使用剂量也明显减少,骨折愈合的优良率达到97.3%,显著高于传统组,充分显示了肋骨环抱器治疗多发性肋骨骨折的效果更好,可明显缩短治疗后恢复时间,加速骨折早期愈合,缓解疼痛。而且环抱器组肺部感染、肺不张和胸廓畸形发生率均明显低于传统组,原因主要与其损伤小、能加速骨折愈合、促进患者早期进行咳嗽排痰和下床康复训练有关。本研究还通过有限元分析对肋骨环抱器内固定后的力学性能进行分析,结果显示在3种不同的碰撞情形下,研究使用的纯钛材质的爪型肋骨环抱器固定后肋骨的最大位移比正常肋骨更小,固定后骨折肋骨承受的压力比正常肋骨更高,且骨折断面分离均<0.1 mm,提示从力学角度来看该种肋骨环抱器的固定效能较好,固定后肋骨稳定性佳。

综上所述,肋骨环抱器内固定治疗肋骨骨折疗效显著,相比传统的外固定治疗,其能明显缩短患者机械通气时间和术后康复时间,减轻疼痛,减少肺部感染等并发症的发生,临床使用价值较高。同时有限元分析也从生物力学角度证实肋骨环抱器具有良好的固定性能,能保证固定后肋骨的稳定性。

作者贡献声明：王永平:资料搜集、论文撰写与修改;王辉、郑翔:资料收集、文献检索;闻作川、田浩:病例资料整理、统计学分析、研究设计;陈鹏、刘冠群:研究指导、论文修改、病例随访/数据整理