下脛腓聯合損傷三種內固定方式穩定性重建生物力學評價

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下脛腓聯合損傷三種內固定方式穩定性重建生物力學評價

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目的 觀測下脛腓聯合損傷采用一枚螺釘、兩枚螺釘或加1/3管型鋼板固定穩定性重建的生物力學性能，為臨床選擇有效內固定提供理論依據。方法 采集6具新鮮成人下肢尸體標本，制成正常組（N）、損傷組（I）和固定組，固定組固定方式包括下脛腓聯合損傷復位后分別用1枚螺釘固定（A1）、2枚螺釘固定(B1)、2枚螺釘加1/3管型鋼板固定（C1）等三種固定方式，行生物力學實驗應力分析，模擬足運動中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4種運動工況，測量踝關節的強度、剛度和穩定性。結果 ①下脛腓聯合損傷后，在4種運動工況下，踝關節的強度、剛度發生異常變化，內外踝應力強度分別下降21%，39%，前后踝穴處，應力強度分別下降29%和35%；軸向壓縮剛度（EF），水平剪切剛度（GF）分別減少27%和28%，與正常標本（N）比較差異有統計學意義（P＜0.05）；②下脛腓聯合復位后，三種內固定方法均能夠使踝關節恢復到正常穩定狀態，踝關節的應力強度均超過正常組，其中A1組與正常組（N）差異無統計學意義（A1/N，P＞0.05），而B1、C1組與正常組（N）差異有統計學意義（B1/N，C1/N，P＜0.05），但兩組間差異無統計學意義（P＞0.05）；踝關節的軸向壓縮剛度（EF）、水平剪切剛度（GF）三組均超過正常組（N）差異有統計學意義（A1/N，B1/N，C1/N，P＜0.05），B1與A1比較，EF、GF平均增加14%和15%，B1與C1相比，兩組差異無統計學意義（P＞0.05）。結論 一枚螺釘三皮質固定（A1組）的力學性能更接近正常組，而后兩種固定則更為堅強。但堅強的固定會使踝關節對關節活動的順應性下降，而使螺釘所受的應力增加，易產生螺釘的松動或疲勞斷裂。

下脛腓聯合損傷；內固定；生物力學

下脛腓聯合是維持踝關節穩定性的重要結構，其損傷約占踝關節損傷的5%～10%[1]。若治療不當會造成踝關節的不穩定，導致踝關節長期疼痛、創傷性關節炎以及踝前撞擊綜合癥等并發癥[2]。臨床對下脛腓聯合損傷造成下脛腓分離的固定方法較多，仍存在一定爭議。本課題針對下脛腓聯合損傷后采用三種不同內固定穩定性重建進行生物力學實驗對比，為臨床選擇有效的內固定方法提供實驗理論依據。

1 材料與方法

1.1 標本制作與分組 ①選用6具新鮮成人下肢尸體標本（由上海交通大學醫學院人體解剖教研室提供），在踝關節以上15cm處脛骨截骨，得到踝關節標準試驗模型。經肉眼觀察及X線攝片排除踝關節骨折、先天性畸形、骨質破壞、結核、腫瘤及退行性骨關節炎改變。在脛腓骨近端用骨水泥固定做上端夾具，剔除肌肉及軟組織，保留下脛腓聯合韌帶、踝關節內外側副韌帶。制作足踝運動夾具，固定足底，能夠達到足的三維運動允許伸、屈、旋轉和外翻運動。②分別在內踝、脛腓骨遠端前方、外踝及脛腓骨遠端后方黏貼電阻應變片。并在內踝、外踝、脛腓骨前后設定位，標記點為A、B、C、D。將正常標本在萬能材料試驗機上施加生理載荷，模擬足運動中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4種運動工況，測量踝關節的應變、位移變化及穩定性，設此為正常組（N）。③切斷下脛腓聯合韌帶制作下脛腓聯合韌帶損傷模型。模擬上述四種生理運動工況，測量踝關節的應變、位移變化及穩定性，設此組為損傷組（I）。④分別按照正規手術要求行下脛腓聯合復位，距踝關節面3cm處，平行關節線且垂直脛骨，由后外向前內傾斜25°，置入1枚螺釘（4.5mm皮質骨螺釘）3皮質固定（A1）、2枚螺釘3皮質固定（B1）、2枚螺釘加1/3管型鋼板固定（C1）。術后同樣進行相似的生理運動測量。

1.2 實驗力學模型和實驗力學 實驗力學模型分別為正常組（N）、損傷組（I）和固定組（A1、B1、C1）。實驗力學模型需在結構、載荷、力學性質上盡量保持一致，以確保實驗精度和受載均度。先進行下脛腓骨距骨的材料力學性質測量結果見表1。所有標本上施加生理載荷500N，分級加載，在加載過程中標本維持新鮮濕潤狀態，在試驗前先進行小量程預載，以消除骨的時間效應影響、松弛、蠕變，然后進行加載正式實驗，并采集數據。實驗反復多次測量，加載速率控制在1.5mm/min。所有實驗標本的應變、位移測量統一自動記錄測量，數據輸入計算機進行同體配對資料的t檢驗。

1.3 統計學方法 踝關節的數據，應變、位移、應力強度、剛度等測量數據，先對偶然誤差處理，以得到比較滿意的數值和置位區間，再以SPSS12.0統計軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA），P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 正常踝關節生理運動工況下的應力強度 將正常踝關節標本（N）施加生理載荷500N，模擬足運動中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4種運動工況，測量踝關節上A、C（內外踝）、B、D脛腓骨前后踝穴上四個位置的應力強度。結果顯示正常踝關節標本應力較小，均勻、平穩，如果切斷下脛腓聯合韌帶制作下脛腓聯合韌帶損傷模型（I），在相同生理運動工況下一并測出踝關節損傷模型的應力強度變化異常。正常踝關節標本與踝關節下脛腓聯合損傷模型應力強度相比較，在四種生理運動工況下，內踝應力強度平均下降21%，外踝應力強度平均下降39%，尤其在背屈、跖屈和旋轉位更甚，而在脛腓骨前后踝穴處，應力強度分別下降29%和35%，應力強度下降明顯，導致踝關節處于極度不穩定狀態。統計顯示，四種不同生理運動工況下，正常組與損傷組在A、B、C、D四個位置上的應力集中差異明顯（P＜0.05），尤其在背屈、跖屈和旋轉位置呈非常明顯差異（P＜0.01）。由此可見，下脛腓聯合損傷后踝關節處于極不穩定必須予以堅強固定。見表2。

表1 下脛腓距骨材料力學性質（±s）

表1 下脛腓距骨材料力學性質（±s）

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表2 足不同位置踝關節正常組（N）和損傷組（I）應力值比較（MPa，±s）

表2 足不同位置踝關節正常組（N）和損傷組（I）應力值比較（MPa，±s）

注：與N比較，*P＜0.01；N：正常組；I：損傷組

位置內踝（A）標本組別外踝（B）前踝（C）后踝（D）66666666 NINININI中立位0.75±0.06 0.62±0.04* 1.96±0.17 1.31±0.11* 0.31±0.02 0.23±0.01* 0.43±0.03 0.28±0.01*背屈20° 0.76±0.06 0.68±0.04* 1.53±0.13 1.18±0.09* 0.94±0.07 0.49±0.03* 0.37±0.02 0.23±0.01*跖屈30° 0.29±0.01 0.17±0.01* 1.25±0.10 0.85±0.06* 0.38±0.02 0.22±0.01* 1.05±0.08 0.65±0.04*旋后外旋0.40±0.03 0.34±0.02* 1.75±0.15 1.25±0.11* 0.43±0.03 0.27±0.01* 1.94±0.17 1.36±0.11*

2.2 下脛腓聯合損傷三種內固定的應力強度 足不同位置踝關節損傷（切斷下脛腓聯合韌帶）后，進行下脛腓聯合復位分別用1枚及2枚螺釘3皮質固定、兩枚螺釘加1/3管型鋼板固定，在四種生理運動工況下，分別測量內、外踝，脛腓骨前后踝穴處的應力強度，在同樣載荷500N作用下，測出的踝關節應力強度。結果顯示，1枚螺釘3皮質固定（A1）的應力強度，與正常標本相比，內踝應力強度增加平均相差6%，外踝應力強度平均增加7%，脛腓骨前、后踝穴處分別增加7%和5%，與損傷模型相比應力變化趨于平緩，恢復到原始狀態，并超過原始狀態，統計表明，A1組與N組相比，兩組無明顯差別（P＞0.05）。說明下脛腓聯合損傷后行先復位，后用1枚3皮質螺釘固定，能夠使踝關節恢復到原始正常穩定狀態，固定牢固有效，結果與正常組接近。下脛腓聯合損傷后采用兩枚螺釘3皮質內固定，與1枚螺釘3皮質固定相比，內踝應力強度增加平均相差15%，外踝應力強度平均增加14%，脛腓骨前后踝穴處分別增加16%和12%，兩者相比呈差異有統計學意義（P＜0.05）。說明下脛腓聯合損傷后采用兩枚螺釘固定，其固定后應力強度已大大超過正常組水平，非常堅固，但此時削弱與減少了踝關節活動空間，相對順應性比較差，易產生螺釘的松動和疲勞斷裂。采用2枚螺釘加1/3管型鋼板聯合固定后，其踝關節的應力強度比單獨采用兩枚螺釘固定更高，但兩組無明顯差異（P＞0.05）。其中內踝應力強度平均增加8%，外踝應力強度平均增加6%，脛腓骨前后踝穴處應力強度分別增加7%和6%。強度增加的原因可能是由于部分載荷通過附著在骨上1/3管型鋼板來傳遞，固定更加牢固，但同時更帶來了踝關節活動受限，關節順應性比較差的缺點。見表3。

2.3 正常踝關節生理運動工況的剛度 正常踝關節標本（N）施加生理載荷500N，模擬足運動中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4種運動工況，測量踝關節的軸向壓縮剛度（EF）和水平剪切剛度（GF），結果見表4。正常踝關節標本的軸向剛度還是水平剪切剛度均比較大，載荷作用下的應變位移較小，如果切斷下脛腓聯合韌帶造成損傷（I），在相同生理運動工況相同載荷作用下的軸向壓縮剛度和水平剪切剛度均會大幅下降。正常標本與損傷標本兩者軸向剛度和水平剪切剛度相比較，在四種生理運動工況下，EF平均減少27%，GF平均減小28%，均大幅下降，尤其在背屈位或跖屈位下降更甚，踝關節處于不穩定狀態，位移變形較大，剛度下降更厲害。統計顯示EF或GF均呈顯著性差異（P＜0.05）。同樣顯示下脛腓聯合損傷后必須予以牢固固定才能維持踝關節的正常剛度水平。見表4。

表3 足不同位置踝關節損傷后三種不同固定方式應力值比較（MPa，±s ）

表3 足不同位置踝關節損傷后三種不同固定方式應力值比較（MPa，±s ）

注：A、B、C、D中應力比較，B1/N、C1/N，*P＜0.05

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2.4 下脛腓聯合損傷兩種內固定踝關節的剛度 下脛腓聯合損傷下采用一枚螺釘固定（A1）、兩枚螺釘固定（B1）和兩枚螺釘聯合1/3管形鋼板固定（C1），在四種生理運動工況及500N載荷作用下，分別測量踝關節的軸向剛度（EF）、踝關節水平剪切剛度（GF）值的變化。結果顯示，一枚螺釘3皮質固定（A1）的軸向壓縮剛度和水平剪切剛度，與損傷模型（I）相比有較大提高，剛度得到了有效的恢復。A1組與正常標本（N）相比，剛度均超過正常水平，四種生理運動工況下EF平均增加33%，GF增加32%，經統計有明顯差異（P＜0.05）。結果顯示，螺釘3皮固定滿足踝關節正常剛度水平要求，固定也十分穩定。B1與A1的軸向壓縮剛度和水平剪切剛度相比，在四種生理運動工況下，平均增加14%和15%，顯然比一枚螺釘固定牢固得多，不但變形位移小，而且剛度均有顯著增加，統計顯示兩組均有顯著性差異（P＜0.05）。B1與C1兩組相比，用兩枚螺釘聯合1/3管型鋼板固定后，踝關節的剛度略為增加，變形與位移會小一些，但它的軸向剛度和水平剪切剛度統計呈無顯著性差異（P＞0.05）。見表5。

3 討論

下脛腓聯合韌帶損傷會造成踝穴不穩，是引起晚期踝關節創傷性關節炎的常見原因之一。由于下脛腓聯合韌帶很難進行直接修補，故一般通過固定下脛腓聯合來幫助韌帶愈合。臨床上下脛腓聯合損傷的固定方法較多，采用螺釘固定是較為主流的方法,但在置釘的方法上仍存在較多的爭論。

本研究結果顯示，對于單純下脛腓聯合韌帶損傷造成下脛腓聯合不穩采用1枚皮質骨螺釘3皮質固定即可滿足重建下脛腓聯合穩定的需要，且固定后的應力強度及剛度等生物力學指標較接近正常組水平。而采用2枚螺釘固定后，其生物力學指標與正常組比較則會有較大幅度的提高，說明固定強度更大，更加穩定。但下脛腓聯合屬于微動關節，脛腓下聯合韌帶的存在使脛腓下聯合具有一定的生理活動度，使踝穴的寬度能夠隨著步態周期做相應改變[3]。下脛腓螺釘固定后，限制了踝關節正常活動時脛腓骨間的微動[4]，而固定越堅強其對踝穴對踝關節運動的順應性的影響就越大，下脛腓螺釘所受的剪切應力過度集中，最終就會出現螺釘斷裂現象，所以對于微動關節的固定并非越堅強越好，最理想的狀態是既要滿足關節的生物學穩定，又要最大限度地減少

表4 足不同位置時正常組（N）與損傷組（I）踝關節剛度（N/mm，±s）

表4 足不同位置時正常組（N）與損傷組（I）踝關節剛度（N/mm，±s）

注：與EF比較，*P＜0.05，**P＜0.01；N：正常組；I：損傷組

組別 標本NI 6666剛度方向軸向（EF）水平（GF）軸向（EF）水平（GF）中立位168.82±13.65 911.12±94.45** 132.56±11.76 737.50±80.63**背屈20° 184.09±14.15 971.43±85.71** 137.73±12.94 733.34±66.64**跖屈30° 152.53±12.72 175.23±17.54* 101.61±11.12 115.83±11.48*旋后外旋141.55±11.74 130.77±12.15* 104.92±11.39 86.34±7.82*

表5 不同固定方式下足不同位置時三種內固定踝關節剛度（N/mm±s）

表5 不同固定方式下足不同位置時三種內固定踝關節剛度（N/mm±s）

注：與N、I比較，*P＜0.05；與A1比較，△P＜0.05；N：正常組；I：損傷組

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對關節順應性的影響。

下脛腓聯合不穩常伴有腓骨在下脛腓聯合水平以上的骨折，且外踝骨折線位置越高，踝關節越不穩定[3]。Gardner等[5]建議對于高位腓骨骨折伴下脛腓聯合損傷（Maisonneuve骨折）時，用兩孔3.2mm鎖定鋼板較2枚4.5MM螺釘更具有旋轉穩定性，但下脛腓堅強固定后會減少正常的脛腓骨間微動。本實驗結果表明使用2枚螺釘比1枚螺釘固定可獲得更堅強的穩定，而如果加上1/3管型鋼板固定則可獲得更好的旋轉穩定。這對于單純的下脛腓聯合韌帶損傷似乎沒有太大的必要，但對于伴有外踝骨折的下脛腓聯合不穩，通過鋼板的連接使鋼板與2枚下脛腓螺釘構成框架結構，從而提供更為穩定的固定。

無論伴有或不伴有腓骨骨折的下脛腓聯合損傷，采用螺釘或加用1/3管型鋼板固定，在獲得了充分的下脛腓穩定的同時必定或多或少地犧牲了關節的生理性活動度，且固定越堅強，所帶來的異常應力越大。所以對嚴重的骨折及韌帶損傷在選擇固定方案時，應盡量兼顧穩定性與關節順應性的平衡，不能一味地強調堅強的固定。為獲得術后更好的關節功能，早期的關節不負重鍛煉是必須的，而術后8～12周適時地拆除下脛腓螺釘可提高關節的活動度及功能[6]，也可以減少斷釘的風險。

［1］Kellett允允.The clinical featyres of ankle syndesmosis injurises：a general review［J］.clin允Sport Med，2011，21（6）：524-529.

［2］Manjoo A，Sanders DW，Tieszer C，et al.Functional and radiographic results of patients with syndesmotic screw fixation：implications for screw removal［J］.允Orthop Trauma，2010，24（1）：2-6.

［3］何勇，顧湘杰，馬昕，等.脛腓下聯合分離的生物力學研究［允］.中華創傷骨科雜志，2005，7（10）：943-947.

［4］Mendelsohn ES，Hoshino CM，Harris TG，et al.The effect of obesity on early failure after operative syndesmosis injuries［允］.允Orthop Trauma，2013，27（4）：201-206.

［5］Gardner R，Yousri T，Holmes F，et al.Stabilization of the syndesmosis in the maisonneuve fracture-a biomedical study comparing two-hole locking plate and quaricortical screw fixation［J］.允Orthop Trauma，2013，27（4）：212-216.

［6］Miller AN，Paul O，Boraiah S，et al.Functional outcomes after syndesmotic screw fixation and removal［J］.允Orthop Trauma，2010，24（1）：12-16.

（收稿：2015-02-25 修回：2015-04-23）

Biomechanical Evaluation for the Stability Reconstruction of Ankle Joints with Distal Tibiofibular Syn-desmosis Injury via 3 Different Internal Fixation Methods

FEI允un1,LAI Zhen1,WU Xinhong2,WANG Yijin3, WEI Wei1. 1 Department of Orthopedics,Integrated Chinese and Western Medicine Hospital of Zhejiang Province, Hangzhou (310003),China;2 Department of Orthopedics,Pujiang County People's Hospital of Zhejiang Province, Pujiang(322200),China;3 Institute of Biomechanics,Shanghai University,Shanghai(200017),China

Objective To investigate the biomechanics of the stability reconstruction of ankle joints with distal tibiofibular syndesmosis injury by means of three cortical single screw,three cortical two screws or three cortical two screws plus 1/3 tube type plate fixation,in order to provide a scientific basis for clinical selection of effective internal fixation method.Methods Lower limbs from 6 fresh adult cadaver were used to make standard ankle injury models and then were divided into normal group,distal tibiofibular syndesmosis injury group,fixation with three cortical single screw group（A1）,fixation with three cortical 2 screws group（B1）,and fixation with three cortical 2 screws plus 1/3 tube type and plate fixation group（C1）.The load was applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement of the foot,i.e.neutral position,plantar flexion（30°）,dorsal flexion（20°）,and supination external rotation,and the strength,stiffness,and stability of ankle joint were measured afterwards.Results After the distal tibiofibular syndesmosis injury,the strength and stiffness of the ankle joint significantly decreased compared to normal group∶the stress intensity of the medial and lateral malleolus reduced by 21%and 39%,respectively;the stress intensity of the anterior and posterior malleolus decreased by 29%and 35%,respectively;the EF and GF reduced by 27%and 28%,respectively（all P＜0.05）.The ankle joint after syndesmotic restoration with A1,B1 and C1 methods successfully gained stability;the stress intensity in A1 group was not significantly different from that in normal group（P＞0.05）,and that in B1 and C1 groups were significantly higher than that in normal group（P＜0.05）,but no significant difference was found between the former 2 groups（P＞0.05）. The EF and GF in A1,B1,and C1 groups were higher than that in normal group（P＜0.05）.The EF and GF in B1 group increased by 14%and 15%compared with those in A1 group（P＜0.05）,while no significant difference was found between B1 group and C1 group（P＞0.05）.Conclusion The fractured ankle treated with three cortical single screw fixation has similar mechanical properties to normal ankle,and those treated with other 2 methods have more strength.Too much strength may lead to decrease of joint activity compliance and stress increase,resulting in screw loosening or fatigue fracture of the ankle syndesmosis.

distal tibiofibular syndesmosis injury;internal fixation;biomechanics

浙江省醫藥衛生科技計劃項目（No.目2013KYA163）

1浙江省中西醫結合醫院骨科（杭州 310003）；2浙江省浦江縣人民醫院骨科（浦江 322200）；3上海大學生物力學研究所（上海200017）

費駿，E-mail：jamfee67@163.com