環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋的生物力學研究

鄭貴雄，鐘宏

(北海市人民醫院胸心外科，廣西北海536000)

環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋的生物力學研究

鄭貴雄，鐘宏

(北海市人民醫院胸心外科，廣西北海536000)

目的對環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋的生物力學進行評價。方法將新鮮冷凍的15對豬平行肋骨建立斷肋模型后，一半采用多孔鋼板加螺絲固定，設為多孔鋼板加螺絲固定組，另一半采用環抱式肋骨接骨器固定，設為環抱式肋骨接骨器固定組，分別進行三點彎曲試驗、扭轉試驗與疲勞試驗，觀察兩組試驗結果。結果三點彎曲試驗中位移2 mm、4 mm、6 mm三個時間點多孔鋼板組的施力大小顯著大于環抱式肋骨接骨器組，組間比較差異有統計學意義(P＜0.05)；扭轉10°時多孔鋼板組扭轉力大于環抱式肋骨接骨器組，差異有統計學意義(P＜0.05)；扭轉20°、30°、40°時兩組扭轉力大小比較差異均無統計學意義(P＞0.05)。多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環抱式肋骨接骨器組，組間比較差異具有統計學意義(P＜0.05)。結論環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋的生物力學指標整體上較多孔鋼板更優，建議在臨床進一步推廣應用。

環抱式肋骨接骨器；醫源性斷肋；生物力學

在開胸手術中開胸器的應用可以幫助術者獲得良好的手術顯露，但若操作手速過快或用力過猛，肋骨則可因驟然過度撐開而發生折斷；另一種情況也是基于手術顯露的需要，術者可能對肋骨進行主動切斷或切除處理。我們將以上情況所造成的肋骨骨折定義為醫源性斷肋。就臨床對醫源性斷肋的處理方法來看，既往通常采用鋼絲或鋼板給予固定，或是視情況給予保守治療，但均存在不足之處[1]。近年來，我院對臨床發生的醫源性斷肋患者采用環抱式肋骨接骨器進行內固定處理，取得了頗令人滿意的效果[2-3]。而本研究則主要對此種處理方法的生物力學情況進行了進一步考察，并與多孔鋼板固定的效果進行了對照，以期為環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋提供更為豐富的理論支持，現報道如下：

1 材料與方法

1.1 材料標本選取30根(15對)新鮮冷凍的豬肋骨作為本研究材料標本，所有標本均取自體重與形態均盡量接近的成年公豬，并在寬度與厚度等形態學指標方面最大程度保持與人體5～8肋接近。排除標準：合并外傷、畸形、腫瘤以及已發生明顯退變者。將肋骨上的肌肉干凈剃除后冷凍備用。

1.2 儀器與工具①環抱式肋骨接骨器(蘭州西脈記憶合金股份有限公司)；②Electroforce 3520-AT型生物力學實驗機(美國Bose公司)；③3.5 mm重建多孔鋼板與螺絲(天津希翼恒遠)；④自制肋骨夾具；⑤Ⅱ型義齒基牙托粉與自凝牙托水(昆山市大進齒科材料有限公司)；⑥電鉆與擺鋸。

1.3 方法將15對平行肋骨隨機分為3份，每份含5對平行肋骨。試驗前6 h將冷凍肋骨標本取出并于室溫下消融，接著對每份肋骨建立斷肋模型，于骨折易發部位的肋體處采用擺鋸進行人為橫斷，斷肋模型建立后對每份中的平行肋骨分別采用多孔鋼板加螺絲固定(多孔鋼板組)與環抱式肋骨接骨器固定(環抱式肋骨接骨器組)，最后兩組分別開展三點彎曲試驗、扭轉試驗與疲勞試驗，具體方法如下：

1.3.1 三點彎曲試驗設置肋骨標本跨度為100 mm，位移速率4 mm/min，將壓力裝置連接到生物力學試驗機，將傳感器連接到計算機，將受力點定位于骨折線中心位置，一切準備就緒后開始試驗，在位移過程中電腦全程記錄各位移點的施力大小，本研究共選取位移2 mm、4 mm、6 mm三個時間點的數據來評估兩種固定方法的抗彎曲力水平，見圖1a、1b。

1.3.2 扭轉試驗截取肋骨兩端并采用Ⅱ型義齒基牙托粉將其分別固定于自制模具當中，接著將模具與生物力學試驗機連接，保持固定兩端與肋骨保持同一垂線位置，調節好計算機參數后及進行試驗，在上端施以扭轉荷載以扭轉肋骨，扭轉速率為10°/min，在扭轉過程中電腦全程記錄各扭轉角度的施力大小，本研究共選取扭轉10°、20°、30°、40°四個時間點的數據來評估兩種固定方法的抗扭轉力水平。見圖1c、1d。

1.3.3 疲勞試驗將Ⅱ型義齒基自凝牙托粉倒入兩端肋骨夾具中以制得固定物，待其凝固后將約2 cm的克氏針插入夾具中心，外留長度約1 cm并將其插入肋骨一端以達到固定肋骨的效果。接著將肋骨夾具與生物力學試驗機壓力裝置相連接。向肋骨施以2N/Hz的負載力直至肋骨剛度趨于穩定(通常發生于循環施力1 000次以后)，此時設置計算機參數計算出的剛度值為初始剛度，之后再將施力循環次數增加到5 0000次以完成疲勞試驗(該過程等效于人以18次/min的頻率連續進行48 h的深呼吸)，此時計算出的剛度值為最終剛度，同時計算前后的剛度變化值，見圖1e、1f。

1.4 統計學方法采用SPSS19.0統計學軟件包對本次結果數據進行處理分析，所測得的數據均采用均數±標準差(±s)表示，其中三點彎曲試驗與扭轉試驗采用兩獨立樣本t檢驗，疲勞試驗采用配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異具有統計學意義。

圖1 醫源性斷肋模型的生物力學水平測試圖示

2 結果

2.1 三點彎曲試驗結果位移植2 mm、4 mm、6 mm三個時間點多孔鋼板組的施力大小顯著大于環抱式肋骨接骨器組，組間比較差異有統計學意義(P＜0.05)，見表1。

2.2 扭轉試驗結果扭轉試驗中扭轉10°時多孔鋼板組扭轉力大于環抱式肋骨接骨器組，差異有統計學意義(P＜0.05)；扭轉20°、30°、40°時兩組扭轉力大小比較差異統計學意義(P＞0.05)，見表2。

2.3 疲勞試驗結果環抱式肋骨接骨器組與多孔鋼板組的初始剛度比較差異無統計學意義(P＞0.05)，疲勞試驗后各組剛度均降低(P＜0.05)，多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環抱式肋骨接骨器組，組間比較差異具有統計學意義(P＜0.05)，見表3。

表1 醫源性斷肋模型的三點彎曲試驗結果（N，±s）

表1 醫源性斷肋模型的三點彎曲試驗結果（N，±s）

組別平行肋骨位移值試驗數2 mm4 mm 6 mm環抱式肋骨接骨器組513.12±8.0741.74±38.16122.08±65.49多孔鋼板組582.95±56.23163.94±78.52236.25±106.64 t值2.8743.2862.974 P值0.0330.0090.024

表2 醫源性斷肋模型的扭轉試驗結果(N，±s)

表2 醫源性斷肋模型的扭轉試驗結果(N，±s)

組別平行肋骨試驗數扭轉角度環抱式肋骨接骨器組多孔鋼板組t值P值5 5 10° 5.38±0.65 9.06±0.52 5.284 0.036 20° 10.31±4.54 10.98±13.33 0.065 0.957 30° 15.76±12.28 17.63±11.37 0.182 0.872 40° 13.12±6.03 14.34±5.86 0.205 0.901

表3 醫源性斷肋模型的疲勞試驗結果(N/m，±s)

表3 醫源性斷肋模型的疲勞試驗結果(N/m，±s)

組別環抱式肋骨接骨器組多孔鋼板組t值P值平行肋骨試驗數5 5初始剛度13.32±1.71 13.65±0.35 0.194 0.802最終剛度10.56±1.81 9.73±0.53 0.154 0.897剛度變化值2.76±0.11 3.92±0.20 3.862 0.036 t值7.367 6.038 P值0.015 0.023

3 討論

早期臨床對斷肋的處理多采用鋼絲或克氏針等，但常有肋骨固定不穩固及術后斷肋位移需要二次手術的報道[4-5]。而且術后隨訪顯示，患者胸痛持續時間較長，并影響到患者主動咳嗽排痰的深度與力度。隨著醫療技術的發展，新型手術材料不斷應用于臨床，各類鋼板代替鋼絲或克氏針作為斷肋的內固定材料，在一定程度上解決了斷肋不穩固的問題，但采用鋼板固定術中需進行更為廣泛的骨膜剝離，不僅加大了創傷，手術和麻醉時間均會延長，增加了手術風險，而且延長了斷肋的愈合時間[6]。鑒于此，探索并確立一種更為可靠的醫源性斷肋固定方法是骨科臨床亟待攻克的研究課題之一。

在人體進行正常的吸氣與呼氣運動過程中，肋間肌將拉動肋骨做上升或下降運動，同時胸廓的上下徑、前后徑及左右徑同時將發生增大或縮小的變化。此外，在呼氣運動的過程中，肋骨頭與肋骨結節還將圍繞肋椎關節做上下擺動，故會發生一定程度的彎曲與扭轉。而呼吸是一個連續的過程，即以上變化及相關力學因素的改變也是一直存在的，故斷肋經固定處理后其固定器材必須要經受住長時間的考驗。基于上述分析，本研究將醫源性斷肋在固定處理后的抗彎曲能力、抗扭轉能力以及疲勞試驗后的剛度變化作為了重點考察的生物力學指標。本研究結果顯示，多孔鋼板處理后的斷肋在抗彎曲能力方面顯著優于環抱式肋骨接骨器，但Charpail等[7]的研究結果提示，肋骨骨折的平均負荷為87 N，而多孔鋼板與環抱式肋骨接骨器的屈服強度均大于該數值，同時肋骨所承受的負荷通常也不會達到該數值，故筆者認為正常情況下采用該兩種固定器材固定處理醫源性斷肋在抗彎曲性能方面均有足夠的安全保障。在抗扭轉能力方面，多孔鋼板僅在扭轉10°及以內時明顯優于環抱式肋骨接骨器，當扭轉較大增大后抗扭轉能力差異已不具有統計學意義；同時我們還在該試驗中觀察到多孔鋼板的螺絲很容易在扭轉增大到一定程度后發生從螺絲孔處縱型劈裂的情況，而環抱式肋骨接骨器則僅僅是固定器材的變形或脫落，并不會對肋骨本身造成明顯損傷。盡管在顯示中不會出現這樣大扭轉力，但給予肋骨其骨皮質非常薄的幾何形態學特征，故也預示多孔鋼板或許難以絕對避免不出現骨質劈裂螺釘松脫的現象。在抗疲勞性能方面，兩種固定方法的初始剛度比較差異無統計學意義，但多孔鋼板組剛度降低幅度明顯大于環抱式肋骨接骨器組，該結果提示環抱式肋骨接骨器具有較多孔鋼板更好的抗疲勞性能，可發揮更好的持續固定效果。

綜上所述，環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋的生物力學指標整體上優于多孔鋼板，尤其體現在抗疲勞性能方面，再加上環抱式肋骨接骨器內固定處理醫源性斷肋在控制手術時間、材料理化性質、組織相容性以及對骨膜與骨髓腔血供的干擾情況等多方面均具不容忽視的優勢，故筆者建議在臨床進一步推廣應用。

[1]Zsirosl A,Zaborszky Z,Petri A,et al.Easy and effective method for the treatment of rib fracture by using Chrisofix-technique[J].Proceeding of the 7thEuropean Trauma Congress,2006,12:387-390.

[2]馮毅,鐘宏,岑興強,等.肋骨環抱器內固定醫源性斷肋臨床研究[J].中華實用診斷與治療雜志,2013,27(6):593-594.

[3]鐘宏,馮毅,鄭貴雄,等.環抱式肋骨接骨器內固定醫源性斷肋對術后疼痛的影響[J].廣西醫學,2013,35(3):309-310.

[4]宋善新.鎳鈦合金環抱式肋骨接骨器治療26例多發性肋骨骨折效果分析[J].臨床醫學,2014,34(2):68-69.

[5]唐冰.鎳鈦記憶合金肋骨環抱式接骨器治療多發性肋骨骨折24例臨床觀察[J].北方藥學,2012,9(8):65-66.

[6]Li Q,Xia YY,Tang JC,et al.In vitro and in vivo biocompatibility investigation of diamond-like carbon coated nickel-titanium shape memory alloy[J].Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol, 2011,39(3):137-142.

[7]Charpail E,Trosseille X,Petit P,et al.Characterization of PMHS Ribs:A New Test Methodology[J].Stapp Car Crash Journal,2005, 49:183-198.

Biomechanical study of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic rib fracture.

ZHENG Gui-xiong,ZHONG Hong.Department of Thoracic Surgery,Beihai People's Hospital,Beihai 536000,Guangxi,CHINA

ObjectiveTo evaluate the biomechanical features of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic fracture of rib.MethodsModels of broken rib were established by 15 pairs of fresh frozen parallel ribs of pig,half of which were treated by porous plate and screw fixation(group A)and the other half were fixed by rib embracing connector(group B).Three-point bending test,torsion test and fatigue test were carried out respectively,and the results of the two groups were observed.ResultsIn three-point bending test,the applied force at displacement of 2 mm, 4 mm,6 mm in group A was significantly larger than that of group B(P＜0.05).In torsion test,the twisting force for torsion of 10°was significantly greater in group A than group B(P＜0.05),but the twisting force showed no statistically significant difference between the two groups for torsion of 20°,30°,40°(P＞0.05).The decrease in stiffness of group A was more significant than that of group B,and the difference between the two groups was statistically significant(P＜0.05).ConclusionRib embracing connector,compared with porous plate,results in better biomechanical indexes in the treatment of iatrogenic rib fracture on the whole,which should be recommended in clinic.

Rib embracing connector;Iatrogenic rib fracture;Biomechanics

R683.1

A

1003—6350（2016）02—0219—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.02.016

2015-07-07)

鄭貴雄。E-mail：53793279@qq.com