應變測量鋼板評估骨折愈合程度的生物力學研究

孫魯琨，王平山

目前臨床上對骨折愈合的評估主要通過普通X線等影像學檢查，但其受閱片醫師的主觀影響較大，缺乏有效定量指標，評估準確率難以滿足臨床需求[1-3]。一些定量評估方法在骨折愈合評估中取得一定效果，但植入的鋼板對評估結果仍有較大影響[4-7]。本研究通過應變測量鋼板測量比較不同骨折愈合狀態下的鋼板應變值，初步驗證用應變測量鋼板系統評估骨折愈合程度的可行性。

1 對象與方法

1.1 實驗對象 收集12根成年山羊新鮮股骨，長度20～25 cm，并通過大體觀察及拍攝X線片排除骨折、腫瘤、畸形和變性病變等異常情況。用浸有生理鹽水的濕紗布包裹標本，裝入塑料袋中密封，儲藏于-20℃低溫冰箱中備用。使用前12 h取出，放置于室溫條件下自然解凍。

1.2 實驗設備 直型鎖定鋼板12塊（10孔，鈦合金材質，北京理貝爾生物工程有限公司）、48枚鎖定螺釘（直徑5.00 mm，長度24～50 mm，鈦合金材質，北京理貝爾生物工程有限公司）、48枚康銅箔式金屬應變片（BF1K-3AA 型，電阻值 R：1002±0.1 Ω，靈敏系數 K：2.0±1%， 基底尺寸：7.3 mm×4.1 mm），微機控制電子萬能試驗機（WDW-10型，濟南試金集團有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 應變測量鋼板的制作 選用4枚高精度、高靈敏度的應變片分別粘貼于直型鎖定鋼板張力面的釘孔旁及釘孔間旁，應變片縱軸與鋼板縱軸平行（圖1），使應變片與鋼板某一點同時發生的機械形變轉化成電阻變化；再將應變片連接于一塊集成有惠斯通電橋、WiFi發送裝置、模數轉換器、電池及電源開關的電路板上，惠斯通電橋及模數轉換器能將電阻變化轉變為電壓信號，電壓信號通過WiFi發送裝置發送至電腦終端，并轉換顯示為應變值的變化。應變測量鋼板在制作完成后均經過應變儀的校對，以確保所測數據的準確。

圖1 應變片粘貼位置示意圖

1.3.2 骨折愈合狀態模擬 取12根成年山羊新鮮股骨，將附著的肌肉、軟組織剔除。然后用義齒基托樹脂（Ⅱ型）和義齒基托樹脂液劑（Ⅱ型）按照10:1比例進行調和，制成方形基托包裹股骨兩端，以方便實驗中股骨固定。實驗過程中，每一根股骨依次模擬骨折愈合過程中的3種狀態（圖2）。

狀態A：模擬骨折完全愈合狀態：取完整山羊股骨，選用鋼板橋接方法，將應變測量鋼板固定于股骨張力側，兩端各用2枚合適長度鎖定螺釘固定。

狀態B：模擬骨折愈合纖維連接狀態：用線鋸在股骨中央鋸斷，然后復位骨折斷端，用同一套應變測量鋼板在骨折斷端兩側原釘孔處繼續固定，使其與狀態A一致，骨折兩斷端間隙約1 mm，在間隙中填充蠟，模擬骨折愈合中的纖維組織。

狀態C：模擬粉碎骨折未愈合狀態：在股骨中央位置用線鋸鋸除1 cm骨段，用同一套應變測量鋼板在骨折斷端兩側原釘孔處繼續固定，維持骨折兩斷端位置和力線，使其與狀態A一致，兩斷端間隙約為1 cm。

圖2 骨折愈合模型

1.3.3 軸向壓縮和三點彎曲實驗 隨機抽取狀態A下的一個樣本，進行軸向壓縮和三點彎曲實驗。軸向壓縮實驗中，負載加載速度為1 mm/min，由0逐漸加載至240 N；三點彎曲實驗中，負載加載速度為1 mm/min，由0逐漸加載至120 N。由應變測量鋼板系統終端記錄一組鋼板各應變點應變值，萬能試驗機關聯計算機記錄鋼板-骨骼系統兩端軸向位移及撓度。將狀態A樣本依次處理得到狀態B和C后，按照上述實驗方法，分別在狀態B和C下進行軸向壓縮實驗和三點彎曲實驗（圖3）。

1.4 統計學方法 應用SPSS22.0軟件分析，實驗數據以均數±標準差表示，組間比較采用重復方差分析和兩兩比較，P＜0.05為差異有統計學意義。

圖3 軸向壓縮實驗及三點彎曲實驗

2 結果

2.1 不同狀態軸向位移及撓度的比較 軸向壓縮實驗壓縮負載為240 N時，鋼板-骨骼系統在A、B、C 3種狀態下的軸向位移具有統計學差異（P＜0.05）；三點彎曲實驗彎曲負載為120 N時，鋼板-骨骼系統在3種狀態時的撓度具有統計學差異（P＜0.05）。每次實驗中，當負載剛好完全撤銷時，軸向位移或撓度恢復至0值。見表1。

表1 3種狀態下軸向位移及撓度比較(n=12）

2.2 各應變點不同狀態應變值比較 軸向壓縮實驗壓縮負載為240 N時，應變點1～4在3種狀態時的應變值均有統計學差異（P＜0.05，表2）；三點彎曲實驗彎曲負載為120 N時，應變點1～4在3種狀態時的應變值均有統計學差異（P＜0.05，表3）。

3 討論

在本實驗中，鋼板-骨骼系統的剛度隨骨折區域剛度的增加而增加，因此，軸向位移和撓度均是間接評估骨折區域剛度的指標。鋼板-骨骼系統兩端的軸向位移及撓度在A、B、C 3種狀態下的統計學差異，說明3種骨折狀態下，骨折區域剛度依次降低，其很好地模擬了骨折愈合中的3種不同狀態。而3種狀態下應變測量鋼板各應變點應變值同樣具有統計學差異，從而有效地將不同骨折愈合狀態加以區別，且測得應變值隨骨折的愈合而逐漸減小。這一結果為評估骨折愈合程度帶來了一種新的方法。

表2 240N軸向壓縮實驗各應變點不同狀態應變值比較(με，n=12）

表3 120N三點彎曲實驗各應變點不同狀態應變值比較(με，n=12）

適當的應變產生的應力刺激有利于骨痂的形成，促進骨折的愈合，但過度負重則可能影響骨折愈合[8-9]。因此，可以通過監測應變值變化，將功能鍛煉強度控制在最佳應變水平，即初始應變水平。而隨著骨折愈合，鋼板在相同功能鍛煉強度時測得應變值相應減小，這意味著患者可以增加功能鍛煉強度，直至應變值達到初始應變水平。當骨折區域剛度達到一定水平，即便功能鍛煉達到傷前正常活動的強度，鋼板應變仍不能達到初始應變水平，此時便可以完全負重正常活動。當骨折完全愈合后，鋼板應變點應變值值將不再發生變化，此時根據臨床需要可以放心拆除內固定。

需注意骨不連或骨延遲愈合發生時，鋼板應變也可不再發生或發生很少變化，達到相對穩定水平，但此時的應變水平遠大于骨折愈合時的正常應變水平，或者鋼板應變遲遲不能在正常活動強度時達到最佳應變水平以下，那么便可以判斷骨不連或骨折延遲愈合的發生，并及時采取干預措施，調整治療方案。這使骨折愈合的評估比以往更實時便捷，患者甚至不需要醫院就診拍片，即可通過無線連接應變測量鋼板的手機、電腦等獲知骨折愈合情況，以及時調整鍛煉強度或到醫院就診。

當然，應變測量鋼板系統的研制中還存在諸多困難和問題：根據應變片測量原理，其只能測量應變片長軸方向的長度變化，即只能完成單方向上的應變測量，這樣將導致對非對稱性愈合的骨折的評估效率降低，從而發生誤診或錯診。應變花即在鋼板上粘貼多個應變方向應變片的組合，可以用來嘗試解決這個問題。應變測量鋼板系統目前只能用來進行體外實驗，而轉換傳輸裝置體積較大、防潮防體液腐蝕設計不足是目前體內植入的最大障礙，這也是后期改進工作的重要內容。本實驗中，骨折模型只是體外粗略地模擬骨折愈合的不同狀態，體內實驗將會使結果更加準確。

綜上所述，隨著骨折的愈合，鋼板上任一點的應變值將逐漸減小，采用應變測量鋼板系統可以有效評估骨折愈合程度。