應用2種內固定方法對骨盆后環應力傳導的生物力學比較

吳 濤，崔蘊威，張 奇，2，陳 偉，李 升，張英澤*

(1.河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北石家莊050051; 2.河北醫科大學中西醫結合學院，河北石家莊050017)

應用2種內固定方法對骨盆后環應力傳導的生物力學比較

吳 濤1，崔蘊威1，張 奇1，2，陳 偉1，李 升1，張英澤1*

(1.河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北石家莊050051; 2.河北醫科大學中西醫結合學院，河北石家莊050017)

目的比較應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘與2枚骶髂螺釘固定骨盆后環對骨盆應力分布的影響。方法 選取5具防腐成年男性骨盆標本，保留L4至雙側股骨近端1/3，剔除軟組織，保留完整的恥骨聯合、雙側骶髂關節及周圍韌帶、雙側髖關節、雙側骶結節韌帶、雙側骶棘韌帶，黏貼應變片。將標本置于BOSE生物力學試驗機，模擬雙足站立中立位，垂直加載負荷至520 N，記錄完整骨盆的應變值。制作Tile C型骨盆骨折模型，恥骨聯合用鋼板固定，后環骨折復位后依次應用2種方法進行固定。分別記錄2種內固定方法固定骨盆后環時的應變值。結果完整骨盆在垂直負荷下，同一標本兩側對應位點的應變值差異無統計學意義(P＞0.05)，應變集中位點沿骶股弓走行分布。與完整骨盆的應變值相比，2種方法固定的骨盆后環，除位點5、6、10、11外，其余位點差異無統計學意義(P＞0.05)。在500 N垂直負荷下，應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定的骨盆各位點應變值更接近完整骨盆的應變值。結論完整骨盆在垂直負荷下的傳導與骶股弓走行大致相同。應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定骨盆后環比單純使用2枚骶髂螺釘能更好地恢復力學的傳導。

骨折固定術;生物力學;骨盆

不穩定型骨盆骨折是臨床常見的嚴重創傷，多由高能量損傷所致。早期行手術治療恢復骨盆環的完整性至關重要，可有效減少發生畸形愈合、不愈合、神經功能障礙、下腰痛等長期并發癥的風險。應用骶髂關節螺釘固定骨盆后環損傷可以獲得較好的臨床療效，2枚骶髂螺釘置入第一骶骨椎體是目前較為常用的方法，然而，有文獻證實這種方法并不能實現穩定的固定［1］。微創可調式接骨板根據骨盆后環的解剖結構設計，模擬骶髂復合體“吊橋”式［2］結構對骨盆后環進行固定。生物力學試驗證實，可調式微創接骨板固定骨盆的穩定性與2枚骶髂螺釘固定效果相同，均優于張力帶接骨板［3-4］。筆者在研究3種內固定物對不穩定型骨盆骨折固定效果時發現，內固定置入后骶骨骨折仍存在明顯的殘留縫隙。為避免遠期并發癥，實現骨盆后環的堅強固定，筆者提出應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘穩定骨盆后環這一固定方法，理論上能夠更好地恢復力學經由骨盆的傳導。因此，本研究采用可以準確反映受試物體在不同應力下發生形變的應變片，比較這種固定方法與傳統的2枚骶髂螺釘固定骨盆后環損傷時，對其應力應變的影響，旨在為臨床治療骨盆后環損傷選擇堅強內固定物提供依據。

1 資料與方法

1.1 主要試驗設備 BOSE Electroforce 3520-AT生物力學試驗機(BOSE公司，Eden Prairie，美國); WS3811型數字式應變儀(北京波譜世紀科技發展有限公司);電阻應變片(型號:BX120-1AA，浙江黃巖測試儀器廠)。

1.2 骨盆標本的制備及保存 取5具經防腐處理的成年男性骨盆標本，年齡39～58歲，平均(47.4± 7.4)歲。經大體觀察及X線檢查排除結核、腫瘤、風濕等病變及解剖學變異。使用Osteocore 3雙能X線骨密度測量儀(Medilink公司 Parc de la Mediterranee，法國)檢測標本骨密度，排除骨質疏松。骨盆環完整，保留L4和L5椎體、恥骨聯合、骶髂關節及其周圍韌帶(骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶髂間韌帶、骶棘韌帶、骶結節韌帶)結構及股骨近端1/3，剔除其余軟組織。將制備的標本包裹后于-20℃保存，試驗前1 2 h在室溫下融化。

1.3 應變片粘貼位點及方法 選擇骶骨前側12個位點、髂骨內外側20個位點，兩側共32個位點(圖1)。骶骨岬前部側方選擇位點1，邊緣距骶髂關節1 cm;S1孔外上和外下為位點2、3;S1、S2、S3前方依次是位點4、5、6，此三點均靠近對應骶孔處，其中位點4位于上下骶骨橫線正中，位點5、6靠近所在椎體上方骶骨橫線;髂骨前方自上至下依次為位點7、8，邊緣距骶髂關節間隙1 cm;沿弓狀線至髖臼前上部均勻分布位點9、10、11;位點12位于真性骨盆內;從髂后上棘至髖臼后上緣呈弧形均勻分布位點13、14、15、16。清除粘貼位點的軟組織，打磨光滑，用石蠟制作隔潮層，粘貼應變片，焊接引線與導線，通過橋盒與應變儀連接。

1.4 力學試驗 將標本雙側股骨遠端用Ⅱ型義齒基自凝牙托粉固定于自制夾具上，模擬雙足站立骨盆中立位，調整標本位置，使雙側的髂前上棘和恥骨聯合位于同一額狀面上，并固定L4椎體于上方自制夾具內。將此夾具連接于BOSE Electroforce 3520-AT生物力學試驗機。向標本施加200 N垂直負荷以消除蠕變。然后以10 N/s的速度對完整標本施加垂直負荷(0～520 N)3次，記錄標本在100 N、300 N、500 N時各個位點的應變值，取平均值。制作Tile C型骨盆骨折模型:對于骨盆前環，用手術刀垂直切開恥骨聯合，復位后用4孔或5孔鋼板固定;對于骨盆后環，用擺鋸制作左側經骶孔區(DenisⅡ區)的骶骨骨折模型，解剖復位后，依次用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘(圖2)和2枚骶髂螺釘(圖3)固定，重復上述試驗步驟，記錄試驗數據。

1.5 統計學方法 應用SPSS 19.0統計學軟件進行數據分析，采用配對t檢驗程序對骨盆標本同一位點不同數據進行處理，分析骨盆后環的應力分布特點。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

試驗過程中標本雙足站立中立位標準，各方向無明顯傾斜，標本無骨折。各種內固定無斷裂、松動、拔出等情況出現。在對完整骨盆加載垂直負荷過程中，每個標本兩側相對應的位點在相同負荷下的應變值差異無統計學意義(P＞0.05)。完整骨盆后環前方的應變集中部位包括位點1、2、4、5、6、7、8、9、10和11;骨盆后環后方的應變集中位點包括13、14;且后環前方位點的應變值明顯大于后方位點(P＜0.05)。其他位點(位點3、12、15和16)的應變值變化較小(圖4，5)。

應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘和傳統2枚骶髂螺釘固定骨盆后環后，在同一標本兩側，除位點5、6、10、11外，其余各位點的應變值與完整骨盆的對應值相比，差異均無統計學意義(P＞0.05)，其中雙側的5、6位點的應變值較正常值相比均顯著減小(P＜0.05)。在2枚骶髂螺釘固定的骨盆標本上，髂骨弓上的位點10、11的應變值較微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘和正常骨盆的應變值顯著升高(P＜0.05)。與完整骨盆的應變值相比，微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定下標本患側(左側)位點5、6、7、8、12、15應變值減少，1、2、3、4、10、11、13位點應變值增加(圖6);對側(右側)3、4、5、6、7、8、13、14、15位點應變值略減少，1、2、9、10、12位點應變值增加(圖7)。傳統2枚骶髂螺釘固定的骨折標本患側(左側)位點3、4、5、6、7、12、15、16應變值下降，1、2、9、10、11、13、14位點應變值增加(圖8);對側(右側)位點1、4、5、6、7、8應變值下降，2、3、9、10、11、13、14、15、16位點明顯增加(圖9)。在500 N垂直負荷下，應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定的骨盆各位點應變值更接近完整骨盆的應變值(圖10，11)。

3 討 論

Tile C型骨盆骨折是指旋轉和垂直均不穩定的骨盆環損傷，即后側骶髂部穩定結構完全損傷，前側產生恥骨聯合分離，或一側恥骨上下支骨折或雙側恥骨上下支骨折。本試驗使用手術刀制成前側恥骨聯合完全分離，同時又用擺鋸經骶孔制成較為常見的DenisⅡ區骶骨骨折［5］，制作Tile C型骨盆骨折模型。有學者認為恥骨聯合分離＜2.5 cm時可行非手術治療［6］;然而，有學者通過試驗證實骨盆前環的不連續會改變骶股弓的力學傳導，引起應力在骨盆皮質的傳導再分布，使患者罹患髖關節功能障礙、腰背痛和骶髂關節炎的風險增加［7-8］，因此，主張手術復位固定骨盆前環。本試驗復位恥骨聯合后，使用4孔或5孔接骨板固定。骨盆后環具有重要的承重作用，其對骨盆的穩定作用約占骨盆環的60%［9-10］。后環縱行損傷會直接影響垂直應力經骶骨和骶髂關節向兩側下方的傳導和骨應力在皮質的分布。為了提高骨盆后環損傷復位后內固定的治療效果，恢復骨盆的生物力學特性，選擇內固定時不僅要考慮其固定骨盆后環的穩定程度，還要考慮其最大程度恢復骨盆力學傳導特性的作用［4］。

骶髂復合體位于骨盆環的后方，是骶坐弓和骶股弓兩大承重力線的交匯處，其穩定性對于維持整個骨盆環的穩定非常重要。微創可調式接骨板模擬骶髂復合體結構設計，可用于固定骨盆后環。有研究通過生物力學試驗證實，微創可調式接骨板固定骨盆后環的穩定性明顯優于張力帶接骨板，接近2枚骶髂螺釘的穩定性，但差異無統計學意義［3-4］。為了減少患者罹患遠期并發癥的風險，筆者提出應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定骨盆后環，可更好地恢復力學在骨盆的傳導。

有限元分析證實骨皮質主要負擔載荷的傳導，約為松質骨的50倍。因此，采用應變片描述骨皮質的應變分布，可以代表骨盆環骨質的應力分布。當骨盆處于直立位時，垂直載荷主要通過腰椎、骶骨、兩側骶髂關節、髂骨弓狀線、髖臼穹頂傳導。在本試驗中，表現為完整骨盆后環的前方和后方的應力集中位點均沿骶股弓走行分布，包括位點1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、13和14;而且后環前方位點的應變值明顯大于后方位點(P＜0.05)。應用2種方法固定骨盆后環后，均可不同程度地恢復骨盆環的力學傳導。基本恢復了負荷經骶骨、骶髂關節、髂骨至髖臼的傳導方式，表現為雙側除位點5、6、10、11外，其余各位點應變值與完整骨盆相比差異無統計學意義(P＞0.05)。骶髂螺釘屬于“中心性”固定［11］，由患側髂骨后外側穿過骨折線置入S1椎體內，螺釘產生的應力遮擋可影響力學的傳導，表現為雙側的5、6位點的應變值較正常值相比均顯著減小(P＜0.05)。與傳統的2枚骶髂螺釘固定骨盆后環相比，微創可調式接骨板在功能和形態上更加接近后側的骶髂復合體，其通過連桿的旋轉可對骨折斷端進行加壓固定，使應力經過骨折線時更接近正常骨盆的力學傳導;使用1枚骶髂螺釘可以既增強“中心性”固定效果，又減少了應力遮擋程度。這種組合方式使骨盆后環的應力傳導更加趨向骶股弓走行。表現為在500 N垂直負荷下，其各個位點的應變值更加接近完整骨盆環的應變值。此外，在2枚骶髂螺釘固定的骨盆標本上，髂骨弓上的位點10、11的應變值較微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘和正常骨盆的應變值顯著升高(P＜0.05)。

本研究存在一些不足之處。為了減少骨盆標本自身骨質對試驗的影響，在同一標本上先置入微創可調式接骨板和單枚骶髂螺釘，試驗結束后，在拆除微創可調式接骨板并置入第2枚骶髂螺釘進行下一步試驗，但是，前序內固定器械的置入和取出，勢必會影響骨盆的強度，需要我們在置入每一種內固定物時，準確把握螺釘的位置和方向，盡量減少釘道的干擾。此外，因標本不易大量獲取，本試驗只選取了5具骨盆標本，樣本量較小也成為了本研究的局限性之一。建議增大樣本量，進一步比較2種方法的固定效果。

總之，完整骨盆在垂直負荷下的傳導與骶股弓走行大致相同。應用微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定骨盆后環比單純使用2枚骶髂螺釘能更好地恢復力學的傳導，降低遠期并發癥的發生率。(本文圖見封二)

［1］Tabaie SA，Bledsoe JG，Moed BR.Biomechanical comparison of standard iliosacral screw fixation to transsacral locked screw fixation in a type C zone Ⅱ pelvic fracture model［J］.J Orthop Trauma，2013，27(9):521-526.

［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］陳偉，王滿宜，張奇，等.三種內固定物固定骨盆后環損傷穩定性的生物力學比較［J］.中華骨科雜志，2011，31(11):1232 -1238.

［4］李升，張奇，張英澤，等.應用微創可調式接骨板與張力帶接骨板固定骶骨縱行骨折對骨盆后環應力傳導的影響［J］.河北醫科大學學報，2012，33(3):344-345.

［5］曹云，陳玉龍，彭五四，等.DenisⅡ型骶骨骨折的外科治療［J］.中國脊柱脊髓雜志，2012，22(5):472-474.

［6］Tonetti J.Management of recent unstable fractures of the pelvic ring.An update conference supported by the Club Bassin Cotyle［J］.Orthop Traumatol Surg Res，2013，99(1 Suppl):S77-86.

［7］Courtney PM，Taylor R，Scolaro J，et al.Displaced inferior ramus fractures as a marker of posterior pelvic injury［J］.Arch Orthop Trauma Surg，2014，134(7):935-939.

［8］李玉峰，趙洪林，王國敬，等.微創空心加壓螺釘與重建鋼板治療恥骨聯合分離的療效比較［J］.河北醫科大學學報，2012，33(10):1184-1186.

［9］Alton TB，Firoozabadi R.Management of pelvic ring fractures in the geriatric patient［J］.Curr Geri Rep，2014，4(3):101-108.

［10］Tile M.Acute pelvic fractures:Ⅰ.causation and classification［J］.JAm Acad Orthop Surg，1996，4(3):143-151.

［11］楊毅鵬，潘進社.經S1骶髂關節螺釘固定時非安全區域的解剖學研究［J］.河北醫科大學學報，2011，32(1):101-102.

(本文編輯:劉斯靜)

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

國家自然科學基金項目(81271975);河北省醫學科學研究重點課題(ZL20140290);河北省高等學校創新團隊領軍人才培育計劃(LJRC008)

吳濤(1983-)，男，河北正定人，河北醫科大學第三醫院主治醫師，醫學博士研究生，從事骨盆創傷的診治研究。

*通訊作者。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2015.02.001