骨折复位固定器疗法针位与固定稳定性关系的生物力学研究
作者：孟和 顾志华 顾沿泊
单位：孟和(中国中医研究院骨伤科研究所，北京 100700)；顾志华(河北省科学院，河北石家庄)；顾沿泊(河北医科大学第三医院，河北石家庄)
关键词：
中国骨伤000102 骨折复位固定器是夹板局部外固定疗法的继承和发展，是中西医结合骨折疗法的一种新型医疗器械。在骨折治疗上，它保留了夹板疗法的优点，弥补了其不足，使中西医结合疗法不仅扩大了医疗范围，也提高了愈合质量。
1 结构与功能
骨折复位固定器的基本结构可分两部分：轴向牵引加压部分和横向复位固定部分。
轴向部分是立体结构，它由两根可调支撑螺杆与两个半环形变截面曲梁组成。一端用螺母固定，另一端用可调节螺母连接，在半环形变截面梁上的滑槽内装有骨针插座。当同步旋动两可调节螺母时，骨针沿轴向平动，它是单自由度系统的双螺杆机构。因此，它除用于解决和防止骨折端的重叠和分离移位外，通过针座的移动可解决旋转移位。
, http://www.100md.com
横向复位固定部分是由2～4个其上各装有多个可调加压板的滑轨，用L形钩套接在支撑杆上，当旋动置在滑轨上的可调螺母时，压板将随之横向移动。可见，横向复位固定部分是彼此独立的多个自由度系统的螺旋机构。它主要用于解决和防止横向移位或成角畸形[1]。
2 骨针使用三原则
从上述骨折复位固定器的结构特征知，器械与肢体直接接触的只有骨针和压板，即使肢体能获得稳定固定的外力全部来源于此。所以，正确使用骨折复位固定器治疗骨折的关键在于掌握好穿针和压板的应用技术。
2.1 两针作用力合力连线要通过骨断面的截面核心。
人的四肢长骨并非均匀直杆，其形心连线均呈曲线，而且各部位的横断面面积和形状也不相同，整体看，它是一个变截面曲杆，穿针固定时，必须考虑其几何特性。
, 百拇医药
所谓断面截面核心是指断面形心附近这样一个区域，当偏心压力P作用在这个区域内或边界上时，整个断面上不产生拉应力只有压应力。
根据断面截面核心的定义，欲使断面上不出现拉应力，则中性轴不能与断面相割；若中性轴与断面的周边相切，这时偏心压力的作用点正好在截面核心的周界上。当偏心压力的作用点在截面核心的周界上移动时，相应中性轴位置也在变化，但是总是与断面的周边相切。因此，可以利用中性轴与断面周边相切的这种特定位置来求截面核心的周界。
例如圆形断面，由于圆形断面对于圆心O是极对称的，因而截面核心的周界也应该是极对称于圆心O，所以截面核心的周界也是个圆。计算得知，圆的截面核心是以O为中心，
为直径的圆，如图1示。
, 百拇医药 图1 实心园时截面核心示意图
同理，可求得空心圆截面的截面核心为以
(1+α2)为直径的圆，
如图2示。
图2 空心园时截面核心示意图
穿针时，若使两骨针合力作用线通过断面截面核心，则对断面施加压应力时，便能保证断面各点均受压，不会出现成角畸形，若施加拉应力，则断面各点均受拉，这在肢体延长上是必要的。
2.2 两针要远离骨断面。在情况允许的前提下，两枚骨针要尽量远离骨断面，这样做的优点是：
, 百拇医药
(1)强化压板效应 压板是骨折复位固定器不同于其它外固定器械的典型特征，是夹板局部外固定骨折疗法进一步的发展，是夹板压垫效应力的拓广应用。它使远近端断面具有剪应力互逆效应，可明显削弱治疗初期不利于愈合的断面剪应力；由于压板与器械联接处使用的是球形铰链，所以压板下的力可自行调整，使之在整个治疗过程中力分布是均匀的，不致使压板下软组织因局部压强过大而损伤。
但压板对骨折端的实际作用效应，不仅决定压板力的大小，与骨针的相对位置有显著关系。如图3示，影响断面稳定的外界干扰力
一般情况下主要来自骨针的另一侧，只要干扰力的大小没有破坏断面摩擦力和压板力的平衡就能保持固定的稳定性。
注：P-压板力；p-外界干扰力；H-压板力至骨针间距离；h-干扰力至骨针间距离
, 百拇医药
图3 干扰力与压板力间固定稳定关系
设干扰力p到骨针的距离为h，骨针到断面形心的距离为H，断面间摩擦力和压板合力通过形心，且大小设为P。固定稳定的条件应为
h。p。P (a)
从式(a)看到，当干扰力p和压板力(对确定的骨折类型认为摩擦力是不变的)一定时，h越小或说H越大稳定性越好，即在板压力较小的情况下就可以维持断端稳定。对近端可做同样讨论。因此得知，骨针越远离骨断面，较小的压板力便可维持断端的稳定。在同样干扰力情况下，如h加大(或H减小)，拟维持断面稳定则需较大的压板力。过大的压板力，有可能损伤软组织，影响断端血运，不利于愈合。因此，骨针远离断端，可强化压板效应。
(2)增大骨与骨针间的摩擦力。我们曾通过实验得到骨与骨针间摩擦力计算公式
, 百拇医药
Fmax＝f。σ。s (b)
其中f为骨与骨针间摩擦系数，实验得到在松质骨区
和从松质骨到密质骨的过渡区
密度骨区
＝0.264
σ—弹性挤压应力，实验得知
在松质骨区
＝2.32MPa
, 百拇医药
过渡骨区
＝6.047MPa
密质骨区
＝10.385MPa
S—骨与骨针接触的曲面面积
将上述数据代入式(b)不难看到，由于骨针穿在松质骨接触面积S远大于穿入密质骨，虽然
但穿入松质骨的摩擦力也远大于穿过密质骨的摩擦力。
骨针远离断面，一般情况下，很自然落在松质骨区。摩擦力的增大，便减少了拔针的可能及相应一系列不良后果，如固定失稳，针眼渗液等。
2.3 两针所在平面平行。骨折复位固定器治疗骨折时，一般使用两枚骨针，无论断面处于何种情况，在复位固定后两针要位于两平行平面内，并不要求两针一定平行，即不一定两针共面。否则，不仅会产生成角畸形，还可能破坏断面自锁，出现重叠移位。
, 百拇医药
本文仅讨论了使用骨折复位固定器穿针应掌握的三个基本原则，即要求两针作用力合力连线要通过骨断面的截面核心；在临床允许的条件下，两针要尽量远离骨折断面；且两针所在平面要平行。这里并未涉及对骨针本身的要求，以及骨针相对固定器主体衔接中应注意的问题。
应用骨折复位固定器治疗骨折时穿针应掌握的三条基本原则是在217例临床经验基础上提出的，并逐步上升到理论。
参考文献
[1]孟和.中国骨折复位固定器疗法.北京：北京医科大学。中国协和医科大学联合出版社，1993.124-163.
收稿：1999-05-10, 百拇医药
单位：孟和(中国中医研究院骨伤科研究所，北京 100700)；顾志华(河北省科学院，河北石家庄)；顾沿泊(河北医科大学第三医院，河北石家庄)
关键词：
中国骨伤000102 骨折复位固定器是夹板局部外固定疗法的继承和发展，是中西医结合骨折疗法的一种新型医疗器械。在骨折治疗上，它保留了夹板疗法的优点，弥补了其不足，使中西医结合疗法不仅扩大了医疗范围，也提高了愈合质量。
1 结构与功能
骨折复位固定器的基本结构可分两部分：轴向牵引加压部分和横向复位固定部分。
轴向部分是立体结构，它由两根可调支撑螺杆与两个半环形变截面曲梁组成。一端用螺母固定，另一端用可调节螺母连接，在半环形变截面梁上的滑槽内装有骨针插座。当同步旋动两可调节螺母时，骨针沿轴向平动，它是单自由度系统的双螺杆机构。因此，它除用于解决和防止骨折端的重叠和分离移位外，通过针座的移动可解决旋转移位。
, http://www.100md.com
横向复位固定部分是由2～4个其上各装有多个可调加压板的滑轨，用L形钩套接在支撑杆上，当旋动置在滑轨上的可调螺母时，压板将随之横向移动。可见，横向复位固定部分是彼此独立的多个自由度系统的螺旋机构。它主要用于解决和防止横向移位或成角畸形[1]。
2 骨针使用三原则
从上述骨折复位固定器的结构特征知，器械与肢体直接接触的只有骨针和压板，即使肢体能获得稳定固定的外力全部来源于此。所以，正确使用骨折复位固定器治疗骨折的关键在于掌握好穿针和压板的应用技术。
2.1 两针作用力合力连线要通过骨断面的截面核心。
人的四肢长骨并非均匀直杆，其形心连线均呈曲线，而且各部位的横断面面积和形状也不相同，整体看，它是一个变截面曲杆，穿针固定时，必须考虑其几何特性。
, 百拇医药
所谓断面截面核心是指断面形心附近这样一个区域，当偏心压力P作用在这个区域内或边界上时，整个断面上不产生拉应力只有压应力。
根据断面截面核心的定义，欲使断面上不出现拉应力，则中性轴不能与断面相割；若中性轴与断面的周边相切，这时偏心压力的作用点正好在截面核心的周界上。当偏心压力的作用点在截面核心的周界上移动时，相应中性轴位置也在变化，但是总是与断面的周边相切。因此，可以利用中性轴与断面周边相切的这种特定位置来求截面核心的周界。
例如圆形断面，由于圆形断面对于圆心O是极对称的，因而截面核心的周界也应该是极对称于圆心O，所以截面核心的周界也是个圆。计算得知，圆的截面核心是以O为中心，
为直径的圆，如图1示。, 百拇医药 图1 实心园时截面核心示意图
同理，可求得空心圆截面的截面核心为以
(1+α2)为直径的圆，如图2示。图2 空心园时截面核心示意图
穿针时，若使两骨针合力作用线通过断面截面核心，则对断面施加压应力时，便能保证断面各点均受压，不会出现成角畸形，若施加拉应力，则断面各点均受拉，这在肢体延长上是必要的。
2.2 两针要远离骨断面。在情况允许的前提下，两枚骨针要尽量远离骨断面，这样做的优点是：
, 百拇医药
(1)强化压板效应 压板是骨折复位固定器不同于其它外固定器械的典型特征，是夹板局部外固定骨折疗法进一步的发展，是夹板压垫效应力的拓广应用。它使远近端断面具有剪应力互逆效应，可明显削弱治疗初期不利于愈合的断面剪应力；由于压板与器械联接处使用的是球形铰链，所以压板下的力可自行调整，使之在整个治疗过程中力分布是均匀的，不致使压板下软组织因局部压强过大而损伤。
但压板对骨折端的实际作用效应，不仅决定压板力的大小，与骨针的相对位置有显著关系。如图3示，影响断面稳定的外界干扰力
一般情况下主要来自骨针的另一侧，只要干扰力的大小没有破坏断面摩擦力和压板力的平衡就能保持固定的稳定性。注：P-压板力；p-外界干扰力；H-压板力至骨针间距离；h-干扰力至骨针间距离
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图3 干扰力与压板力间固定稳定关系
设干扰力p到骨针的距离为h，骨针到断面形心的距离为H，断面间摩擦力和压板合力通过形心，且大小设为P。固定稳定的条件应为
h。p
从式(a)看到，当干扰力p和压板力(对确定的骨折类型认为摩擦力是不变的)一定时，h越小或说H越大稳定性越好，即在板压力较小的情况下就可以维持断端稳定。对近端可做同样讨论。因此得知，骨针越远离骨断面，较小的压板力便可维持断端的稳定。在同样干扰力情况下，如h加大(或H减小)，拟维持断面稳定则需较大的压板力。过大的压板力，有可能损伤软组织，影响断端血运，不利于愈合。因此，骨针远离断端，可强化压板效应。
(2)增大骨与骨针间的摩擦力。我们曾通过实验得到骨与骨针间摩擦力计算公式
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Fmax＝f。σ。s (b)
其中f为骨与骨针间摩擦系数，实验得到在松质骨区
和从松质骨到密质骨的过渡区密度骨区
＝0.264σ—弹性挤压应力，实验得知
在松质骨区
＝2.32MPa, 百拇医药
过渡骨区
＝6.047MPa密质骨区
＝10.385MPaS—骨与骨针接触的曲面面积
将上述数据代入式(b)不难看到，由于骨针穿在松质骨接触面积S远大于穿入密质骨，虽然
但穿入松质骨的摩擦力也远大于穿过密质骨的摩擦力。骨针远离断面，一般情况下，很自然落在松质骨区。摩擦力的增大，便减少了拔针的可能及相应一系列不良后果，如固定失稳，针眼渗液等。
2.3 两针所在平面平行。骨折复位固定器治疗骨折时，一般使用两枚骨针，无论断面处于何种情况，在复位固定后两针要位于两平行平面内，并不要求两针一定平行，即不一定两针共面。否则，不仅会产生成角畸形，还可能破坏断面自锁，出现重叠移位。
, 百拇医药
本文仅讨论了使用骨折复位固定器穿针应掌握的三个基本原则，即要求两针作用力合力连线要通过骨断面的截面核心；在临床允许的条件下，两针要尽量远离骨折断面；且两针所在平面要平行。这里并未涉及对骨针本身的要求，以及骨针相对固定器主体衔接中应注意的问题。
应用骨折复位固定器治疗骨折时穿针应掌握的三条基本原则是在217例临床经验基础上提出的，并逐步上升到理论。
参考文献
[1]孟和.中国骨折复位固定器疗法.北京：北京医科大学。中国协和医科大学联合出版社，1993.124-163.
收稿：1999-05-10, 百拇医药