肋骨環抱器治療肋骨骨折的有效性研究及有限元建模分析

王永平,王 輝,鄭 翔,聞作川,田 浩,陳 鵬,劉冠群

北京市大興區人民醫院胸外血管外科,北京 102600

創傷造成的肋骨骨折會導致患者喪失勞動力,甚至使患者的工作和日常生活在受傷后很長一段時間內受到持續的不良影響[1]。肋骨骨折根據受傷肋骨數量可分為單根和多根肋骨骨折,其中≥3根的多個連續肋骨骨折會引起呼吸力學改變和胸壁矛盾運動,導致連枷胸的發生,甚者會發生呼吸衰竭[2]。目前臨床治療肋骨骨折主要有外固定非手術治療和手術治療兩種方式,隨著近年來手術、麻醉技術的不斷提升和內固定材料的發展,手術內固定治療的應用越來越多[3-4]。形狀記憶合金肋骨環抱器是常用的肋骨骨折內固定材料,其具有組織相容性好、操作簡便等優點[5],但其固定性能還缺乏可靠的理論依據,臨床療效也需要更多研究證實。本研究回顧性分析2019年1月—2022年12月北京市大興區人民醫院胸外血管外科收治的多發肋骨骨折患者137例,對比應用傳統外固定非手術治療和肋骨環抱器治療的效果,并進一步采用有限元分析評估肋骨環抱器內固定治療肋骨骨折的應力分布,為其臨床應用提供可靠的生物力學依據。

資料與方法

1 一般資料

納入標準:(1)年齡≥18歲;(2)有明確的胸部創傷,經X線片和(或)CT檢查確診,多發肋骨骨折(骨折數量≥2根);(3)符合手術指征,均順利完成手術;(4)術后3個月內隨訪復診,病歷資料和隨訪資料完整。排除標準:(1)合并嚴重的心、肝、腦、肺、腎等重要器官功能障礙;(2)有精神疾病史;(3)合并凝血系統、免疫系統疾病;(4)患者或家屬對治療方案不同意。所有患者根據治療方式分為傳統組(62例)和環抱器組(75例)。傳統組男性49例,女性13例;年齡25～62歲,平均36.6歲;道路交通傷29例,高處墜落傷17例,摔傷5例,鈍器擊打傷7例,其他4例;合并血氣胸21例,連枷胸應用呼吸機11例;骨折數2～4根52例,≥5根10例。環抱器組男性57例,女性18例;年齡25～59歲,平均37.1歲;道路交通傷35例,高處墜落傷17例,摔傷7例,鈍器擊打傷9例,其他7例;合并血氣胸27例,連枷胸應用呼吸機15例;骨折數2～4根61例,≥5根14例。兩組患者一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05)。本研究方案獲得筆者醫院醫學倫理委員會批準(SLE002018003S)。

2 治療方法

傳統組:采用傳統的胸外或胸部護板外固定治療。固定前對嚴重血氣胸者給予胸腔閉式引流,對存在肺挫傷者給予肺部修補;對合并腹腔臟器損傷者給予相應臟器修復;對合并膈肌破裂者給予膈肌修補術;對合并胸骨骨折者給予內固定治療。同時給予止血、止痛、輸血、補液等對癥處理。

環抱器組:采用記憶合金肋骨環抱器內固定術治療。單側骨折者行健側臥位,雙側骨折者行平臥位,胸肩部軟墊墊高。氣管插管全身麻醉,手術切口根據骨折部位、數量和損傷范圍等確定,一般選擇腋中線縱行切口或外側切口。切開皮膚、皮下組織、筋膜,前鋸肌或胸大肌纖維鈍性分離,觀察胸腔內損傷情況,對受損局部肺組織和其他組織破損進行修補。切開并游離骨膜,充分暴露骨折斷端兩側約3 cm,注意保護肋間血管和神經。將多余的碎骨片、血凝塊和損傷嚴重的軟組織清除,之后解剖復位骨折斷端,根據肋骨粗細程度、骨折范圍和移位情況選擇合適型號和規格的純鈦肋骨爪型接骨板(常州華森醫療器械有限公司),用止血鉗快速將冰水浸泡后已充分撐開4對齒臂的肋骨合金環抱器放置于骨折斷端,適當加壓使其與肋骨充分貼合,用溫度50°C左右的鹽水濕敷,使其齒臂充分收緊環抱骨折斷端,內固定完畢后檢查是否牢靠,由易至難采用同樣的方法對其他骨折進行內固定,逐層縫合切口,常規放置胸腔閉式引流管。術后給予常規的止痛、化痰、抗感染等對癥治療和護理,2～3 d拔除胸腔引流管,7～10 d拆除切口縫線。

3 觀察指標

(1)記錄機械通氣時間、引流管拔管時間、下床活動時間、住院時間、骨折愈合時間及治療前后VAS、止痛藥物使用劑量。(2)骨折愈合情況和圍術期并發癥發生情況。骨折愈合效果評價標準參照

彭積貴等[6]研究制定。

4 統計學分析

5 有限元分析

選取健康男性志愿者1名,27歲,身高177 cm,體質量74 kg,將其CT掃描的胸廓數據應用醫學影像學軟件Mimics19.0(比利時瑪瑞斯公司)進行處理,建立胸廓三維模型,應用逆向工程軟件Geomagic Studio12.0(美國杰魔公司)處理胸廓模型,提取出左側相對容易損傷發生骨折的第六對肋骨進行平整修復和前處理,擬合為光滑的Nurbs曲面和(圖1)。本研究應用的肋骨環抱器為純鈦材質的肋骨接骨板(圖2),應用Solidworks2014(法國達索系統公司)建立接骨板模型,根據肋骨表面寬度采用不然算法設定接骨板寬度,使其與肋骨表面緊密契合。將肋骨中部模型分為兩段,獲得完全斷開的肋骨骨折模。根據肋骨生理結構分為內層松質骨、外層皮質骨和近胸端附著的軟骨。將肋骨模型和肋骨環抱器模型應用Hypermesh軟件(美國澳汰爾公司)進行網格劃分,設定皮質骨總厚度為1 mm,松質骨應用四面體網格,單元數量14 245,皮質骨和軟骨應用楔形單元,單元數量分別為88 960和12 010,接骨板應用六面體單元,單元數量為6 015。應用網格的收斂性檢驗對網格劃分結果進行檢驗。肋骨和肋骨環抱器的材料參數通過文獻查閱獲得,具體見表1。臨床治療肋骨骨折時,手術醫師通過醫用抓持鉗夾緊接骨板,使兩端斷骨和接骨板緊密接觸,此時肋骨和接骨板之間會存在一個較大的預緊力,應用過盈接觸模擬接骨板的夾緊行為。設置接骨板爪子初始過盈為0.02 mm,計算過盈結束時肋骨和接骨板爪子接觸面的預應力為20 MPa,兩者之間的預緊力約為200 N。患者術后康復階段肋骨可能會因胸廓受到外力碰撞而承受外界壓力,由于碰撞過程中產生的作用時間較短,因此可將肋骨兩端視為固定,設置的邊界條件為肋骨兩端固定。本研究設置3種不同載荷施加位置的撞擊情形,大小均為0.3 MPa,壓力均勻分布,分析該肋骨接骨板在不同沖擊下固定肋骨骨折的性能(圖3)。

表1 肋骨和肋骨接骨板的材料屬性

圖1 三維CT重建人體胸廓模型和修復平整后的肋骨模型

圖2 純鈦肋骨接骨板實物圖

圖3 肋骨受3種外加載荷示意圖,肋骨中部、肋骨遠端、肋骨近端

結 果

環抱器組機械通氣時間、引流管拔管時間、下床活動時間、住院時間、骨折愈合時間均較傳統組顯著縮短,治療后VAS較治療前和傳統組顯著降低,止痛藥物使用劑量較傳統組顯著減少(P<0.001)。見表2。環抱器組優良率為97.3%(73/75),顯著高于傳統組的77.4%(48/62),P<0.001。見表3。環抱器組肺部感染、肺不張和胸廓畸形并發生率均明顯低于傳統組(P<0.05)。見表4。

表2 兩組患者術后恢復情況比較

表3 兩組患者骨折愈合效果比較[n(%)]

表4 兩組患者并發癥發生情況比較[n(%)]

應用肋骨環抱器內固定后,3種不同載荷情形中肋骨的最大位移值均比正常肋骨小,說明肋骨骨折接受肋骨環抱器固定后能承受較大的壓力,其固定效果較好。當肋骨近端和遠端骨端發生碰撞時,固定后肋骨的最大應力比正常肋骨小;當靠近骨折發生位置的肋骨中部發生碰撞時,其損傷風險最大,肋骨位移最大,使用肋骨環抱器固定后的最大位移為5.96 mm,斷面間隙值為0.079<0.1 mm,說明肋骨骨折斷面在外力作用下仍能保持良好的貼合狀態,能促進骨折康復,固定后應力超出正常肋骨的20.8%,由環抱器邊緣擠壓肋骨產生,在肋骨應力承受范圍內,肋骨不會受到損傷。綜合應力、位移、斷面間隙值等指標,肋骨環抱器內固定后在3種不同碰撞情形下其固定性能均良好,驗證了其優越的固定性能。

討 論

目前臨床治療多發性肋骨骨折應用的內固定材料有A-O鋼板、髓內釘、接骨板、記憶合金環抱器等[7]。相比較髓內釘和A-O鋼板,接骨板和記憶合金環抱器的固定更為牢靠,松脫偏位、翻轉等情況少見[8-9],更適用于受傷嚴重的多發性肋骨骨折,且無需二次手術取出,是目前臨床上應用較多的內固定手術方式[4]。記憶合金環抱器是一類對溫度有一定形狀記憶功能的新型肋骨骨折內固定材料,治療時將其處于低溫條件下可發生變形,而在體溫溫度下其形狀可自動恢復至原有狀態,而且還具有合適的形狀恢復力,有較好的抗彎壓和抗扭作用[10]。此外,該內固定材料的組織相容性和抗腐蝕能力較好,植入人體的安全性高,也無需再次手術取出。手術時應用記憶合金肋骨環抱器只需要選擇相應型號固定骨折的肋骨,利用環保臂所產生的環保握持力對骨折兩端多個位點進行固定,無需額外的克氏針、鋼絲等固定工具輔助,不僅操作簡單方便,固定效果牢靠,不容易發生骨折移位,而且能最大程度降低對周圍組織、血管、神經和骨髓腔的損傷;治療時不使用骨鉆,因此出血量很少,而且不應用鋼板,無需剝離骨膜,可有效減少骨不連的發生[11]。本研究結果顯示,與傳統的外固定治療相比,應用記憶合金肋骨環抱器內固定治療的環抱器組患者恢復更快更好,其術后恢復時間均顯著縮短,治療后VAS顯著降低,止痛藥物使用劑量也明顯減少,骨折愈合的優良率達到97.3%,顯著高于傳統組,充分顯示了肋骨環抱器治療多發性肋骨骨折的效果更好,可明顯縮短治療后恢復時間,加速骨折早期愈合,緩解疼痛。而且環抱器組肺部感染、肺不張和胸廓畸形發生率均明顯低于傳統組,原因主要與其損傷小、能加速骨折愈合、促進患者早期進行咳嗽排痰和下床康復訓練有關。本研究還通過有限元分析對肋骨環抱器內固定后的力學性能進行分析,結果顯示在3種不同的碰撞情形下,研究使用的純鈦材質的爪型肋骨環抱器固定后肋骨的最大位移比正常肋骨更小,固定后骨折肋骨承受的壓力比正常肋骨更高,且骨折斷面分離均<0.1 mm,提示從力學角度來看該種肋骨環抱器的固定效能較好,固定后肋骨穩定性佳。

綜上所述,肋骨環抱器內固定治療肋骨骨折療效顯著,相比傳統的外固定治療,其能明顯縮短患者機械通氣時間和術后康復時間,減輕疼痛,減少肺部感染等并發癥的發生,臨床使用價值較高。同時有限元分析也從生物力學角度證實肋骨環抱器具有良好的固定性能,能保證固定后肋骨的穩定性。

作者貢獻聲明：王永平:資料搜集、論文撰寫與修改;王輝、鄭翔:資料收集、文獻檢索;聞作川、田浩:病例資料整理、統計學分析、研究設計;陳鵬、劉冠群:研究指導、論文修改、病例隨訪/數據整理