牽引復位器治療四肢長骨骨折的生物力學特性分析

葉丹丹，李 升，侯志勇，張 飛，陳 偉，鄭占樂，張英澤

(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)

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牽引復位器治療四肢長骨骨折的生物力學特性分析

葉丹丹，李 升，侯志勇，張 飛，陳 偉，鄭占樂，張英澤*

(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)

本文介紹快速牽引復位器的結構及設計原理，對該復位器進行生物力學分析。分析結果表明該復位器符合力學分解平衡原則和人體生理特點。順勢雙反牽引復位器是一種攜帶便捷、設計巧妙、牽引復位性能好的復位器，在手術室、急救現場和戰場均可使用，并且在臨床應用中也取得了較顯著的療效，是目前值得推廣使用的治療四肢長骨骨折的醫療器械之一。

骨折；四肢長骨；牽引復位器；生物力學

四肢長骨是管狀骨，其兩端稱為骨端，中段為骨干，骨干內中空，呈現管狀，因此長骨也可稱為管狀骨[1]。骨端表面由骨密質組成，內部由骨松質組成。四肢長骨骨折是臨床常見損傷[2-3]。近年來，骨折的發生率不斷升高，嚴重影響患者的正常生活和工作。根據30余年對近上萬例患者診治的經驗，張英澤教授率先提出骨折順勢復位固定理論[4-5]，通過順應肢體機械軸線及軟組織和骨關節運行軌跡的順勢牽引作用復位骨折塊，并據此研發了順勢雙反牽引復位器。

1 牽引復位器的結構及設計原理

牽引復位器經過七代產品的不斷完善和改進，圖1所示為第七代牽引復位器的結構。

圖1第七代牽引復位器

在豐富的臨床實踐中，牽引復位器越來越精細，圖2所示是第四代牽引復位的結構示意圖。該牽引復位器治療四肢長骨及關節內骨折，能達到順勢復位和提供持續可控牽引力量的雙重目的。牽引復位器的特點是簡便、快速、力量大，符合順勢復位要求(牽引力與肢體的機械軸線一致，骨對骨牽引，力量大，牽引力均衡持續，不損傷骨折周圍軟組織)和力學分解平衡原理。綜合整個復位器的結構特征，它既克服了四肢長骨周圍肌肉的記憶恢復力，又平衡了肢體的機械軸線上的牽引力，故它在臨床應用中達到了預期的要求，取得了較為顯著的療效。

圖2牽引復位的結構示意圖

2 牽引復位器治療四肢長骨骨折的生物力學分析

在應用牽引復位器治療四肢長骨骨折中，四肢的受力主要由于體重、肌肉活動和外加載荷產生的。由于患者的胖瘦、高矮等一些基本情況不同，牽引復位器的連接桿及牽引把手均是可調節的。由于四肢長骨骨折主要導致肢體的機械軸線發生變形，牽引復位器通過力學分解使牽引力與肢體的機械軸線一致，從而達到治療四肢長骨骨折的目的。近年來應用順勢雙反牽引復位器治療脛骨平臺骨折、股骨粗隆間骨折、股骨干骨折、上肢骨折等[4-8]，均收到了較好的效果。

牽引復位器治療四肢長骨骨折的受力分析：假設骨折部分的重力為G，骨折部分受到了牽引把手的牽引力為FL，骨折部分還受到了連接桿的水平牽引力為FHL；點A為牽引把手處的受力點，點B為人體在水平面的受力點，點C為骨折部分的骨折處；除了骨折部分的人體其他部分受到地面的支撐力為FZC，P為其他部分對水平面的壓力；FML為肌肉力，Ff1、Ff2分別為其他部分在水平面上的點B處受到不同方向的摩擦力，m為人體的重量，θ為骨折部分與水平面的之間的夾角，g=10 N/kg。圖3所示為生物力學分析，則此平衡方程為：

(1)

對于一般力學問題，外力是已知的，解方程求得在外力作用下，受力物體內部所受的力及其應力分布。但對于此問題是為了進一步論證牽引復位器各部件的受力情況及結構設計是否合理。在方程(1)中，FL、F都是根據力學的平行四邊形法則而得到的兩個分解力。由于在牽引把手點A處的力學分解，F的水平反作用力通過F′與F″傳導到連接桿上，即是應力FHL。在牽引復位時，骨折處點C不僅受到牽引把手的牽引力FL，還受到了反向的肌肉力。根據作用力跟反作用力可知，F、FHL，FL、FML和FZC、P均是大小相等，方向相反。在牽引復位時，水平力F的作用使點B處受到靜摩擦力Ff1；連接桿上的應力FHL的作用使點B處受到靜摩擦力Ff2。靜摩擦力大小隨著推力的增大而增大，并與推力保持大小相等。所以，點B處受到靜摩擦力為零。

圖3生物力學分析示意圖

為了進行定量分析，取80 kg體重的男子為研究對象，給出各力值。以往研究表明，體重80 kg的男子，其下肢重量約占人體重量的35%，所以一個下肢的重量為80 kg×35%÷2=14 kg。在骨折部位進行牽引復位時，人體的肌肉還具有反向的恢復力，即FML=FL。因此，簡化后的方程為：

(2)

可求得：FL、F與θ之間的關系。

圖4FL、F與θ之間的關系

圖5FL與F之間的關系

3 牽引復位器的臨床應用

應用順勢雙反牽引復位器治療四肢長骨骨折，骨折均獲得滿意復位，應用接骨板或髓內釘微創固定。術后切口愈合良好，無切口感染、壓瘡等軟組織并發癥發生，患肢功能恢復良好[4-8]。

4 結 論

通過臨床應用和生物力學分析，應用該牽引復位器治療四肢長骨骨折具有以下優點：①該復位器的結構設計符合力學分解平衡原則和人體生理特點，結構簡單，可拆卸，體積小，攜帶方便，快速高效，組裝簡便，由術者一人即可完成從組裝至復位整個過程，減少了術中人員占用及手術時間；②經生物力學分析，該復位器設計能達到順勢復位和提供持續可控牽引力量的雙重目的，為術者提供了高效的手術條件，減少了術中透視次數；③應用該復位器治療，與使用牽引床治療法相比較，術后切口愈合好，骨折愈合滿意，無切口感染、皮膚壞死等并發癥；④Matap軟件對牽引把手的拉力FL、牽引桿的拉力F和骨折部分與水平面之間夾角θ之間的關系以及FL與F之間的關系進行分析，結果發現FL、F隨著θ增大而增大，FL與F幾乎呈線性關系。但應特別注意的是，應用該牽引復位器治療四肢長骨骨折時，骨折部分與水平面之間的夾角θ要適當：當θ的值很小時，牽引把手的拉力FL和牽引桿的拉力F均很大，可能超過它們的負荷或者導致患者身體發生移動；當θ的值很大時，牽引把手的拉力FL和牽引桿的拉力F均很小，可能不好控制平衡。通過設計牽引復位器的連接桿的可調節性及摩擦力的作用，所有的力均控制在有效范圍內。總之，筆者認為該牽引復位器是目前值得推廣使用的治療四肢長骨骨折的醫療器械之一。

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(本文編輯：趙麗潔)

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1007-3205(2017)10-1229-03

2017-09-27；

2017-10-09

葉丹丹(1989-)，女，江蘇宿遷人，河北省骨科研究所初級研究員，理學碩士，從事骨科相關數學模型的研究。

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.10.028

*通信作者。E-mail：yzling_liu@163.com*