AO張力帶技術用于髕骨不同部位骨折內固定的生物力學研究

金敬華 潘志軍 薛德挺

AO張力帶技術用于髕骨不同部位骨折內固定的生物力學研究

金敬華 潘志軍 薛德挺

目的 通過生物力學實驗來研究AO張力帶技術用于髕骨不同部位骨折內固定的力學穩定性，從而為髕骨骨折的治療提供理論依據。方法 取8具新鮮成人尸體膝關節，于髕骨中點、髕骨上下1/3及1/4用線鋸將髕骨做成橫行骨折模型，按AO張力帶技術采用克氏針加鋼絲固定建成實驗力學模型，對股四頭肌進行加載測試，加載負荷以骨折端分離1mm為實驗終點，記錄加載的力、髕骨骨折端分離的位移，并進行統計學分析。結果 根據髕骨骨折端分離位移1mm為失效的約定，在1/2部位AO張力帶能達到最大的張力為（452.2±15.1）N；在上1/3部位AO張力帶能達到最大的張力為（361.2±12.3）N；在下1/3部位AO張力帶能達到最大的張力為（351.0±5.6）N；在上1/4部位AO張力帶能達到最大的張力為（226.7±5.8）N；在下1/4部位AO張力帶能達到最大的張力為（215.3±13.1）N。結論 按照正常人單膝關節生理負荷為350～400N計算，在髕骨1/2及1/3橫行骨折AO張力帶技術均能達到人體的生理載荷，在1/4部位則不能達到人體的生理載荷。

髕骨骨折 治療 AO張力帶技術 生物力學

AO張力帶技術是治療髕骨骨折的有效方法之一，目前已在臨床上得到廣泛應用。它的原理是應用克氏針鋼絲的張力帶固定將肌肉牽拉產生的張力轉化為骨折關節面一側的壓力，為骨折愈合提供力學穩定性。然而，在臨床使用過程中也出現不少失敗的病例，如固定不可靠導致骨折端分離﹑骨折不愈合，膝關節不能早期功能鍛練導致關節功能障礙，需多次手術治療，給患者造成巨大的痛苦。髕骨不同部位骨折采用相同的張力帶固定是否有一樣的力學穩定性，目前尚缺少這方面的研究。本研究擬通過生物力學實驗來研究AO張力帶技術用于髕骨不同部位骨折所提供的力學穩定性，從而為髕骨骨折的臨床治療提供理論依據，以期為臨床手術方式的選擇提供參考。

1 對象和方法

1.1 實驗設備 布巾鉗、Ф0.6cm線鋸、血管鉗、Ф1.5mm克氏針 (上海醫療器械有限公司)、老虎鉗、Ф1.0mm鋼絲、固定在試驗機下平臺上的底板，底板上裝有夾骨套1（用于固定膝關節樣本的一端）和滑輪座、肌腱夾、600N傳感器、夾骨套2（夾持膝關節樣本的另一端，可吊砝碼架，用于對樣本進行加載）、髕骨張開位移引伸計及測髕骨骨折用鋼絲梱扎復位的壓力引伸計。膝關節力學試驗裝置根據Schnabel等[1]的方法定制（圖1、2）。

1.2 研究對象 新鮮成人（20～50歲）尸體膝關節8對（浙江大學醫學院解剖實驗室提供），包括膝上20cm股骨及膝下19cm脛骨，保留股四頭肌肌腱、髕骨、髕韌帶及關節囊。雙層塑料袋密封，-20℃度冰柜保存備用，室溫下自然解凍，經肉眼及X線檢查排除病變。

圖1 膝關節實驗裝置示意圖

圖2 膝關節裝置實體圖

1.3 研究方法 選擇15個膝關節并隨機分為5組，每組3個。于髕骨中點、上下1/3及1/4處用線鋸鋸成橫行骨折模型。在骨折模型內、外1/3及前后面中點交界處自髕骨下極向上極鉆入2枚Ф1.5mm克氏針，鋼絲“8”字捆扎，建成髕骨骨折實驗力學模型（圖3）。每組3個標本均做3次實驗，根據髕骨骨折端分離位移1mm為失效標準。

圖3 髕骨力學模型實體圖

膝關節按圖3按裝后，在髕骨骨折端插入一1mm厚刀片，并在髕骨骨折兩端鉆2個孔，間距與髕骨壓力引伸計兩插針間距相同，安裝髕骨壓力引伸計，拔出刀片，引伸計顯示器調零，開始捆扎并擰緊鋼絲，直到骨折間隙消失，引伸計顯示器達到合適的力值（12.5N），此后每一標本都控制捆扎力為12.5N。未掛上砝碼吊架前，在髕骨骨折兩端鉆另外2個孔，安裝髕骨張開位移引伸計（圖4），肌腱拉力傳感器顯示調零，掛上砝碼吊架（重5N）后，張開位移引伸計連接的電阻應變儀調零，待肌腱力和應變顯示穩定后，應變儀再次調零，即開始加載。初始位置為膝關節伸直0°位置，隨著載荷加大，膝關節逐漸彎曲，膝關節活動范圍為0°至屈曲90°[1]，砝碼每級加載5kg（49N），加載后2～3s進行應變讀數（時間延遲太長肌腱會產生較大的蠕變應變），加載直至產生1mm應變量。

1.3 觀察指標 記錄每一個標本骨折端分離1mm時的加載拉力及張開位移引伸計應變讀數。應變讀數使用自制小量程張開位移引伸計標定曲線確定（圖4）。

1.4 統計學處理 使用SPSS13.0統計軟件，所得計量數據以表示。

2 結果

在1/2部位AO張力帶分離1mm時能達到最大的拉力為（452.2±15.1）N，拉力應變曲線見圖5；在上1/3部位AO張力帶分離1mm時能達到最大的拉力為（361.2±12.3）N，拉力應變曲線見圖6；在下1/3部位AO張力帶分離1mm時能達到最大的拉力為（351.0± 5.6）N，拉力應變曲線見圖7；在上1/4部位AO張力帶分離1mm時能達到最大的拉力為（226.7±5.8）N，拉力應變曲線見圖8；在下1/4部位AO張力帶分離1mm時能達到最大的拉力為（215.3±13.1）N，拉力應變曲線見圖9。

3 討論

髕骨骨折是臨床上較為常見的骨折之一，因股四頭肌的猛烈收縮或直接撞擊引起，累及髕股關節面，常伴有股四頭肌擴張部撕裂和關節內血腫，易發生膝關節功能障礙和創傷性關節炎。因此，髕骨骨折治療原則是：（1）骨折盡量達到解剖復位；（2）內固定可靠，直至骨折愈合；（3）重視膝關節重建的連續性；（4）盡可能恢復膝關節的生理功能[2]。臨床上髕骨骨折的治療方法可分為保守和手術治療兩大類。對無移位的髕骨骨折，通常以石膏或支具固定，對移位＞2mm，關節面不平整的，合并伸肌支持帶撕裂的骨折及開放性骨折多要施行手術治療[3]。髕骨骨折的手術方法較多，臨床應用最多的是張力帶技術。張力帶內固定的力學原理：凡偏心位承重的骨骼其典型的應力分布系在凸側產生張力，凹側產生壓力，張力帶技術最早被Wber[4]應用到骨科領域，并得到其他學者的推薦[5]。而張力帶固定的條件為：（1）鋼板或鋼絲能承受張力；（2）骨可承受壓力；（3）對側皮質有完整的支撐[6]。張力帶技術有鋼絲環扎加“8”字鋼絲張力帶固定、AO張力帶內固定、中空螺釘加鋼絲張力帶固定。對骨塊較大和橫行骨折最好選用AO張力帶內固定或中空螺釘加鋼絲張力帶固定。對髕骨嚴重粉碎性骨折可選用聚髕器或鋼絲環扎治療，髕骨骨折的治療還可選用Cable-pin系統內固定及單純的螺釘固定。

圖4 自制小量程張開位移引伸計標定曲線[回歸直線方程 Y=A+BX；Y-張開位移（mm）；B-直線斜率（mm/με）；X-應變（με，1με=10-6）；A=-9.31367×10-4；B=8.74383×10-4（=0.000874383mm/με）；R=0.99999（相關系數）；標準差SD=0.00256；N=16（1mm位移的應變儀讀數=1 147με；0.1mm位移的應變114.7με）]

圖5 1/2部位時，3個樣本拉力-應變曲線

圖6 上1/3部位時，3個樣本拉力-應變曲線

圖7 下1/3部位時，3個樣本拉力-應變曲線

圖8 上1/4部位時，3個樣本拉力-應變曲線

圖9 下1/4部位時，3個樣本拉力-應變曲線

AO張力帶技術是應用2枚克氏針穿入復位良好的骨塊，將鋼絲置于髕骨的張力側，纏繞成“8”字。張力帶能使股四頭肌收縮產生對髕骨的牽張力轉換為對骨折端的壓力，達到骨塊間的緊密接觸，增強骨折固定后的穩定，有利于骨折的愈合。其優點是操作簡便，固定可靠，患者能早期開始功能鍛煉，并且費用低廉，已成為治療橫型和骨塊較大的髕骨骨折首選內固定方式。然而，在臨床的應用過程中也出現不少失敗的病例，如固定不可靠，導致骨折端的分離，骨折的不愈合。本研究通過制成不同部位（1/2、1/3、1/4）髕骨橫行骨折模型，每個模型均用AO張力帶技術固定，測定AO張力帶固定產生的載荷與骨折端的分離位移，分析兩者之間的關系。結果顯示，AO張力帶固定產生的載荷在髕骨1/2處為（452.2±15.1）N，在上1/3處為（361.2±12.3）N，在下1/3處為（351±5.6）N，在上1/4處為226.7±5.8N；在下1/4處為（215.3±13.1）N。Koval等[7]認為當膝關節能夠克服250N應力時可以滿足人體術后正常生活的生理載荷需求，根據本研究結果在髕骨1/2及上下1/3處AO張力帶均能滿足人體的生理載荷需求，在上下1/4部位AO張力帶則不能滿足人體的生理載荷需求。因此，在上下1/4處單純使用AO張力帶技術往往容易出現固定失敗的情況。

骨折在上下1/4部位固定失敗可能與多種因素有關。首先，在脛骨加載實驗過程中出現髕骨上下1/4骨折斷端容易分離，可能與髕骨上下極骨折塊太小有關。髕骨上下1/4骨塊大小通常為1.5cm×1cm×0.8cm，而髕骨的最寬橫徑約為5cm，此時2枚克氏針固定相對比較靠近，在一定程度上減小了固定強度。其次，與髕骨的解剖形態及力學機制有關。髕骨表面是弧形，根據力矩平衡原理，如果要使骨折塊不分離，作用于髕骨表面的張力側力矩應該等于作用于髕骨關節面側的壓力力矩。因為髕骨張力側的力矩可以將作用于髕骨表面的力分解為通過骨折線支點的垂直加壓力和平行身體縱軸的縱向分力，垂直加壓力的力矩為0，因而作用于髕骨骨折線的轉力矩就等于垂直身體縱軸分力與骨折線表面到髕骨距離的乘積。由于髕骨越靠近中線越厚，即骨折線表面到關節面支點的距離越長，越靠近下極，骨折線表面到關節面支點的距離越短，在假設髕腱張力恒定的情況下，力臂越短，產生的轉力矩越小，而關節面側的壓力矩越小，即壓力側加壓作用越小。第三，髕骨是松質籽骨，本身強度有限，當骨折靠近上下極時2枚克氏針較近，容易產生松動。本研究中雖然采用的標本均為青壯年患者髕骨，實驗過程中仍然發現克氏針固定后有松動情況發生。在實際臨床工作中，一些老年骨質疏松患者這種現象會更為普遍，這也可能是臨床上髕骨骨折內固定治療失敗的原因之一。第四，鋼絲的切割。由于上下極骨塊較小，骨量有限，膝關節屈伸過程中完全依靠鋼絲固定，強大的壓力作用下鋼絲可能切割髕骨上下極，鋼絲內陷，出現松動，固定強度減弱。第五，并發上下極骨塊骨折。本研究過程中發現在脛骨加載過程中出現髕骨上下極骨塊骨折，此時內固定完全失敗。

綜上所述，本研究結果提示采用AO張力帶技術治療髕骨1/2及上下1/3橫行骨折，均能滿足人體的生理載荷需求，但用于上下1/4橫行骨折則不能滿足人體的生理載荷需求。由于本研究為體外力學模擬實驗，與臨床實際有一定的差別，是否能指導臨床實際工作，尚需進一步臨床實踐驗證。

[1] Schnabel B,Scharf M,Schwieger K,et al.Biomechanical comparison of a new staple technique with tension band wiring for transverse patella fractures[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2009, 24(10):855-859.

[2] Kakazu R,Archdeacon M T.Surgical Management of Patellar Fractures[J].Orthop Clin North Am,2016,47(1):77-83.

[3] Gwinner C,Ma rdian S,Schwabe P,et al.Current concepts review: Fractures of the patella[J].GMS Interdiscip Plast Reconstr Surg DGPW,2016,18;5:Doc01.

[4] Weber B G.Grundlagen und moglichkeiten der Zuggurtungsosteosythese[J].Der Chirurg,1963,35:81-86.

[5] Lee S K,Hwang YS,Choy WS.Horizontalversus verticalorientation of the loop for tension band wiring of transverse patella fractures[J].Orthopedics,2014,37(3):265-271.

[6] Schuett D J,Hake M E,Mauffrey C,et al.Current Treatment Strategies for Patella Fractures[J].Orthopedics,2015,38(6):377-384.

[7] KovalKJ,Polatsch D,Kummer F J,et al.Split fractures of the lateral tibial plateau:evaluation of three fixation methods[J].Orthop Trauma,1996,10:304-308.

Biomechanical study of AO tension band for patellar fractures at different levels

JIN Jinghua,PAN Zhijun,XUE Deting.Department of Orthopedics,Linhai Second People's Hospital,Taizhou 317016,China

【 Abstract】 Objective To evaluate the stability of AO tension band for the fixation of patellar fractures at different levels. Methods Transverse patellar fractures models at middle,upper and lower 1/3,upper and lower 1/4 levels were created with fretsaw in 8 cadaver joints.AO tension bands were used to fix the fractured patellar bone for biomechanical study.A force to quadriceps femoris was loaded until the fractures sites were displaced to 1mm. Results When fracture sites displaced to 1mm, the largest loading in the middle level,upper 1/3,lower 1/3,upper 1/4 and lower 1/4 transverse fractures was(452.2±15.1)N, (361.2±12.3)N,(351.0±5.6)N,(226.7±5.8)N and(215.3±13.1)N,respectively. Conclusion As a normal single knee physiological loading 350N-400N,AO tension bands can provide sufficient stability for middle,upper 1/3 or lower 1/3 transverse patellar fractures,but the stability may be insufficient for upper or lower 1/4 transverse patellar fractures.

Patellar fracture TtreatmentAO tension band technique Biomechanicalstudy

2015-11-09）

（本文編輯：沈叔洪）

317016 臨海市第二人民醫院骨科（金敬華）；浙江大學醫學院附屬第二醫院骨科（潘志軍、薛德挺）

潘志軍，E-mail：zepzj@163.com