外固定在下肢骨折中的應用進展

張浩然，劉建宇，馬志強，王彥龍，楊際宇

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院骨一科，哈爾濱 150001)

骨折的治療主要包括復位、固定及康復訓練。良好的復位是進行最終固定的前提，堅實有效的固定可輔助患者早期進行功能鍛煉。固定方法主要包括內固定和外固定，兩者均以創傷固定、加速愈合以及使患者盡早完全恢復功能為目的[1]。具有嚴重軟組織損傷或腫脹等的開放性骨折通常需要進行兩個階段治療，首先通過外固定架進行初步治療，然后再行內固定治療[2-3]。除作為臨時固定外，外固定也常用于畸形矯正、肢體延長、骨缺損的治療以及其他需要使軟組織損傷最小化的情況。外固定的主要優點之一是能夠在不切開復位或有創手術的情況下達到穩定骨折段的目的，即閉合復位及固定[4]。與內固定相比，外固定可避開感染區域并使軟組織損傷最小化，同時可靈活選擇放置螺釘或鋼針的位置。一些環狀及跨關節外固定等結構可在術后進行調整[4]，這使得外固定架尤其適用于肢體延長、關節功能恢復、骨搬移以及畸形矯正等需要治療后期不斷調整外架結構疾病的治療。近年來外固定領域發展迅速，各種新技術和材料的應用以及外固定結構的開發為外固定領域提供了創新發展的動力。因此，為了驗證各種結構的有效性及臨床應用的可行性，針對其生物力學方面的研究至關重要。現就外固定在下肢骨折中的生物力學研究進展予以綜述。

1 外固定結構的研究進展

目前，外固定的基本框架分為單邊、環狀以及混合結構，其他各種外固定系統均可視為上述3種構型的不同變體。這幾種類型外固定架的組成通常包括將裝置固定到骨上的螺釘或鋼針、縱向支撐桿以及連接組件等[5]。這些結構的特性對外固定系統的機械穩定性有重要影響。19世紀開發的早期外固定架結構是通過連接在單邊桿上的經皮針固定到骨上的[6-7]；20世紀初期至中期，有學者在標準的單邊和雙邊固定器的基礎上，開發了“Hoffmann固定器”[8]，該系統的基本特點是模塊化設計，利用這種裝置可實現三維層面上的骨折操作。另一種結構設計是于1952年研發的Ilizarov環形外固定，該結構設計用若干連于固定環的鋼針固定各骨折段，并通過螺紋桿連接各圓環，實現了多平面的固定[5]。Ilizarov環形外固定目前仍是各類環狀外固定的基礎，通過固定結構控制動力使外固定架在矯形外科中應用的優勢尤為顯著。與只應用鋼針的固定架相比，現代骨科普遍采用螺釘與鋼針相結合的固定方式，又稱為混合固定。到目前為止，最有影響力的發明就是將并聯機構原理應用于外固定的結構，其中最具代表性的是TSF(taylor spatial frame)裝置，與傳統的螺紋桿外固定不同，TSF裝置兩環之間的連接裝置為6枚可改變長度的伸縮桿[9-10]。六足外固定器可實現空間六個自由度方向的移動，同時可實現多圓環、多平面調整，建立在六足固定原理上的各種結構和應用技術近年發展迅猛[11-14]。

1.1單邊外固定系統 現代外固定架的應用得益于“Hoffmann”的萬向關節，這種設計使單邊外固定架在三維層面上實現復位及固定。目前廣泛應用的單邊外固定架多由螺釘、縱向桿、針固定夾以及若干萬向關節構成，螺釘通常是半螺紋釘，材料包括不銹鋼、鈦及鈦合金等，且有多種尺寸[15]。與普通螺釘相比，帶有羥基磷灰石涂層的螺釘可更好地與骨貼合，并提供更強的穩定性，這種設計可降低螺釘松動及針道感染的概率[16-17]。在安置單邊外固定架過程中，術者可避開肌腱、血管、神經等重要結構，也可避開開放傷口部位，使軟組織和骨均達到愈合。為使單邊外固定架的穩定性增強，可以通過增大螺釘直徑，增加螺釘及撐桿數量、螺釘間距離以及不同螺釘間所構成的平面個數或者減小外架與肢體間距等方法實現[4]。

外固定需要螺釘經皮入骨，這就形成了細菌侵入的通道，無論淺層皮膚還是深層髓腔，感染風險均極大增加[18-19]。早期的文獻報道顯示，外固定在轉換為髓內釘固定后感染率達71%[20]。因此，建議在兩周內將外固定轉換為內固定[2-3]。有研究發現，與雙皮質螺釘相比，放置單皮質螺釘產生的最高溫度顯著降低，可降低熱壞死的產生風險，進而降低針道感染導致螺釘松動的可能性[21]。伴有嚴重軟組織損傷的骨折常采用分階段治療，在這種情況下，外固定被用作一種臨時固定，然后再進行最終的治療，如鋼板或髓內釘固定[22-23]。Koo和Mak[24]研發了一種單邊外固定器(DynafixTM)并針對該裝置提供了算法，DynafixTM由4個旋轉關節、2個伸長關節及螺釘固定夾組成。該固定架可復位各種形式的骨折移位，目前已完成了脛骨模型的復位精度驗證，但尚未進行動物實驗或臨床人體試驗，其完整的復位過程還未得到有效驗證；此外，該固定器結構復雜，關節較多，在缺少臨床實踐案例的情況下，固定的穩定性及操作過程的復雜性尚不能確定。

1.2環狀外固定系統 環狀外固定裝置由圓環及支撐桿組成，若干鋼針(通常為克氏針)穿過各骨折段，鋼針的兩端可鎖定在圓環上以完成各骨折段的固定。環狀固定架可提供軸向負載，防止骨折部位的剪切應力，允許患者早期負重[25]。除穩定骨折段外，環狀外固定裝置還可用于畸形矯正及肢體延長。環形外固定最初通過克氏針進行固定，目前常額外使用螺釘輔助固定，即混合固定。螺釘固定可增加結構穩定性，同時也伴隨著感染風險的增高，因此需要考慮不同情況下如何選擇螺釘或鋼針進行固定。

增加鋼針的直徑、數量、張力以及鋼針的發散角(≥60°)或者使用額外的螺釘固定等均可增強結構穩定性；鋼針盡可能靠近骨折或截骨部位，并減小圓環直徑(即減小環至骨的距離)亦有助于增加固定結構的穩定性[4,15,25-26]。固定環如果太靠近四肢則可能會與皮膚接觸，因此，應在環與肢體之間至少留出2 cm的空間[4]。Khurana等[27]的研究指出，在軸向剛度方面，螺釘的剛度在較小直徑環(d=155 mm)中較鋼針結構高22%，在較大直徑環(d=180 mm)中螺釘的固定強度降低，與鋼針固定的穩定性無顯著差異。在大直徑環中，螺釘的相對剛度降低可能與螺釘在負重條件下所產生的彎曲有關。Gauthier等[28]比較了3種不同直徑的環在軸向載荷下的性能，結果顯示，環的直徑增加可顯著降低結構在受力時的剛度，因此建議使用盡可能小的環。然而，這不可能適用于所有患者，特別是肥胖患者。因此，如果由于患者本身因素而需要更大的環徑，建議使用鋼針，而不是螺釘，以避免相關結構的剛度降低[29]。關于放置固定針需要考慮的一個重要因素就是垂直角度，以往這方面的研究多集中于進針角度上，但不同的進針角度對結構穩定性的影響目前尚未深入研究。Khurana等[27]比較了TSF外固定器分別用鋼針或螺釘在不同角度固定時的軸向以及扭轉應力下的固定強度，結果顯示，在所有結構中，設為90°的鋼針在軸向和扭轉應力情況下均最穩定。但由于解剖學上的限制，這種結構在臨床上無法實現，因此鋼針應盡可能地以最大角度放置，以增加其剛度。

環形外部固定器只在肢體長軸方向有垂直位移的自由度，而其他方面(如旋轉、水平位移及旋轉方向)均為固定狀態。骨折端的絕對固定或過度移動均可能導致骨折延遲愈合或骨不連。單邊外固定架只在單一空間平面產生作用，骨折斷端會產生不對稱的軸向壓縮，不利于骨折愈合[30]。相反，環狀固定為多平面結構，可為骨折斷端提供均勻的軸向壓力[31-32]。環狀外架各固定針的張力會隨著軟組織的拉力及肢體承重受力而改變[33]。在低負荷下，框架的軸向剛度低，在較高負荷下，鋼絲的張力和框架剛度顯著提高，受力較小時骨折斷端產生可控的軸向微動，可促進骨折愈合；受力較大時固定針的張力增加，穩定性隨之提高，從而避免骨折端過度移動，產生骨不連[34]。單邊固定架因其簡單、易于護理等優點更多地用于臨時固定；而環狀外固定因其生物力學特性及多個平面的設計則更多用于畸形矯正等病例中。

1.3六軸外固定裝置 Ilizarov結構在肢體畸形的治療中具有明確的作用，但由于需要安裝復雜的定制框架并且需要多個支架，因此很難使用Ilizarov治療多軸尤其是旋轉畸形，而目前研究較多的六軸外固定裝置能很好地完成這些要求。在工業設計中，空間自由度是評價裝置有效的要素之一。在空間三維坐標中，橫、縱、豎三軸均有平移及旋轉兩種自由度，構成6自由度，通過改變不同自由度上的坐標數值可滿足裝置的任何空間狀態。傳統的Ilizarov環狀外固定架只有沿肢體長軸平移的一種自由度，缺少其他旋轉、彎曲等自由度。目前，以Tylor空間支架為代表的六軸外固定器逐漸流行，這種六軸外固定器基于Gough/Stewart平臺原理研發而成[29]，具有沿各個方向進行不同移動的能力，這類系統通常被稱為“六足固定器”。不僅如此，六軸外固定器的六軸為帶刻度的螺紋桿，可對其長度進行精準操作，尤其適用于畸形糾正以及利用三維成像手段治療的復雜骨折[9-10]。

在六軸外固定的基礎上，新型改進裝置不斷出現。德國學者研發出一種將伸縮桿連接于Ilizarov環上的六軸外固定器(PrecisionHexapod?)，研究者用特制的連接部件將伸縮桿與環相連，同時開發出一種算法并驗證了其精確性[14]。另外，還有一種Ortho-SUV系統由環狀外固定系統演化而來[35-36]。Ortho-SUV系統不是一個完整的框架系統，而是一個模塊化工具，可以安裝到各種固定設備上。Ortho-SUV系統的主要優點是將支撐環連接點的數量減少到每個環最少3個，從而形成一個三角形，即一個平面，這不僅簡化了三維運動計算的數學過程，而且使系統與固定環尺寸相對獨立，甚至可使用螺釘或開放的非環狀結構進行三維校正[37-38]。

一項在脛骨模型上進行的生物力學研究對標準的鋼針成角為90°的Ilizarov固定架與固定在垂直打入模型的5 mm螺釘的六足固定架進行了比較，結果發現，Ilizarov固定架與使用了更少鋼針的六足外固定架的生物力學作用相同[39]。這些發現為外科醫師提供了不同情況下鋼針的大小、位置和數量的選擇。

為了進一步了解固定器結構與橫向穩定性之間的關系，Tan等[40]研究了外固定器設計對軸向、彎曲和扭轉載荷的影響，該研究分別比較了四組Tylor空間支架(6根斜撐、4根螺紋直桿、6根螺紋直桿、4根不銹鋼直桿)和1組Ilizarov環(4根螺紋直桿)共5種結構，結果顯示，與使用4根或6根螺紋桿相比，使用4根不銹鋼桿的軸向剛度提高了154%或76%，但在扭轉強度方面，各組間比較差異無統計學意義。該研究結果提示，在機械穩定性方面六足固定架是一種有效的選擇。在環形固定架中增加桿的數量沒有太大的作用，但仍然可以通過增加單一平面內桿的數量以強化剛度[40]。另有研究比較了單邊外固定架中幾種不同桿件構型的結構(包括10 mm雙桿、8 mm混合雙桿、與螺釘直接連接的單桿以及通過側臂連接螺釘的單桿)，并分別在軸向、扭轉和彎曲等多種情況下進行了測試，結果顯示，在扭轉載荷作用下，兩種雙桿結構與直接連接的單桿和側臂連接的單桿結構相比，穩定性分別增強約20%和42%，因此建議使用雙桿以及直徑更粗的桿，這樣可以增加扭轉和彎曲條件下的剛度[41]。

根據并聯機構原理及環狀外固定架應用的經驗，六軸外固定器的結構構造及設計改進仍有極大的發展空間。將骨折治療簡單化、精準化，六軸外固定將起到極大作用。事實上，六軸外固定架的原理不僅用于外固定，也可用于各種骨折復位。例如，可根據六軸外固定器的結構開發輔助復位固定器，然后通過其他內固定方法(如鋼板)進行微創固定，不僅能使骨折治療更加精準，還能縮短手術時間，使經驗較少的術者能夠在沒有上級醫師的指導下獨自完成復位，其有益效應是長遠的。

2 材料對結構穩定性的影響

2.1鋼針的材料 目前普遍采用不銹鋼、鈦合金或帶有羥基磷灰石涂層的螺釘。螺釘旋入骨的過程中會產生局部高溫，可導致骨熱壞死的產生，而壞死組織吸收又可引起螺釘松動，松動的螺釘則進一步增加局部感染風險，產生壞死組織，由此產生惡性循環。羥基磷灰石涂層可增加骨與金屬植入物及生物活性表面的附著，并顯示骨傳導性能[42]。與普通螺釘相比，羥基磷灰石涂層能夠提供更強的穩定性，這種設計可降低螺釘松動及針道感染的概率[16-17]。此外，Gathen等[43]將覆有新型鈦酸鈣涂層結構的螺釘用于外固定的試驗表明，鈦酸鈣涂層螺釘有更高的固定強度。目前尚無將涂層包裹于環形外固定鋼針上的研究，這可能與實際應用時鋼針產生的形變有關，這種形變可能會導致涂層脫落等情況的發生。由于鋼針表面光滑，較螺釘在鉆孔時產生的熱壞死及相關并發癥風險小，因此目前未見有針對鋼針材料改進的研究。

2.2碳纖維材料 碳纖維材料目前已廣泛用于外固定領域，常作為單邊外固定系統中的支撐桿。與傳統不銹鋼或鋁合金材料相比，碳纖維材料具有輕質以及強度大等特性[44]。碳纖維材料的剛度較傳統材料高15%，但由于固定夾與碳纖維桿之間的作用，將碳纖維材料用于整個系統時，其剛度僅為傳統外架的85%[45]。外固定的顯著缺點是體積過大、攜帶不便，而碳纖維桿的應用則顯著降低了外固定的重量。通過改進裝置有望將輕質、高強度的碳纖維材料應用于Ilizarov等其他外固定架中，有效減少環狀結構的重量并增加外固定各方向應力的穩定性。

3 小 結

目前外固定結構已日趨成熟，但仍需不斷改善以解決其中的不足。首先，外固定導致的感染等并發癥仍是目前需改進的方面，而各種新型材料的研究及應用將有助于減少并發癥的發生；其次，外固定的結構過于笨重，如何使其輕質化及微型化也是針對外固定結構改進的研究方向之一。由于外固定獨特的結構，其能與計算機輔助手術技術完美結合。開發一系列導航器及數學算法以增加各種類型外固定的復位精度、降低復位難度及縮短手術時間將是未來研究的熱點。這種結合外固定的導航技術未來可用于骨折復位的輔助措施，甚至可用于微創內固定治療中，以縮短手術時間，降低手術難度。外固定結合計算機輔助導航技術應用于基層醫療將會提高基層醫療技術水平，縮短骨科醫師的培訓周期。