股骨髁间骨折三种内固定方法生物力学实验研究与临床应用
作者：李强一 王以进 张秋琴
单位：李强一(上海市嘉定区中心医院骨科 201800)；王以进(上海大学生物力学研究所)张秋琴(上海市嘉定区中心医院骨科 201800)
关键词：股骨髁间骨折；内固定方法；生物力学实验研究；临床应用
股骨髁间骨折三种内固定方法生物力学实验研究与临床应用
摘 要：目的 为临床选择有效的内固定方法提供实验依据。方法 取9具新鲜尸体股骨标本,制成股骨髁间骨折(AO分类的C1型),采用L形髁钢板+螺栓、L形髁钢板、加压钢板+螺栓三种内固定方法,进行实验应力分析,比较不同内固定方法的优劣,并以有限元理论分析进一步论证它的结果。结果 L形髁钢板+螺栓内固定优于L形髁钢板、加压钢板+螺栓固定,应力和髁间位移均具有显著差异(P<0.01)。临床手术52例中43例平均随访25个月,膝关节功能优良率分别为：L形髁钢板+螺栓95%,L形髁钢板84.6%,加压钢板+螺栓81.8%。结论 L形髁钢板+螺栓联合固定是治疗股骨髁间骨折较好的内固定方法。
, http://www.100md.com
Biomechanical Experiment and Clinical Application of Three Internal Fixation Methods for Fracture of Femoral Condyle
Li Qiangyi,Wang Yijin,Zhang Qiuqin
(Department of Orthopaedic,Jiading Area Central Hospital,Shanghai,201800)
Abstract：Objective To Choose suitable clinical internal fixation method according to experimental data.Methods The models of fracture of femoral condyle were made on 9 fresh cadaver femurs(C1 of AO classification).The fractures have been fixed by using L shaped condyle steel plate added bolt,L shaped condyle plate and compressed plate added bolt fixation.These three different internal fixation methods have been compared t hrough experimental stress analysis.Their results have been further confirmed by theoretical analysis using finite element mathod(FFM).Results It has been proved that the internal fixation using L shaped condyle steel plate added bolt is better than that using L shaped condyle plate and compressed plate added bolt.There exist distinct differences in stress and displacement between two condyles(P<0.01).The average followed up time for 43 of 52 patients were 25 months,the rate of excellent and good knee joint function are 95% for L shaped condyle plate added bolt,84.6% for L shaped condyle plate,and 81.8% for compressed plate added bolt.Conclusion The combined fixation of L shaped condyle stress plate added bolt is a very good internal fixation method for fracture of femoral condyle.
, http://www.100md.com
Key words：Fracture of femoral condyle;Internal fixation;Biomechanical experiment;Clinical application▲
目前国内治疗股骨髁间骨折最常见的内固定方法有加压钢板+螺栓、L形髁钢板、L形髁钢板+螺栓固定等[1、2、3],疗效报道不一。为此,采用成人新鲜尸体股骨标本,制成AO分类的C1股骨髁间骨折模型[4],用上述三种内固定方法,并制作有限元计算力学模型,测试其生物力学强度及进行有限元理论分析,旨在为临床选择内固定方法提供可靠的实验依据,并报告临床应用结果。
1 实验应力分析
1.1 实验标本 选用9具新鲜成人股骨尸体标本,剔除肌肉及软组织,按AO分类制作C1髁间骨折标本。随机分三组,每组三具标本,分别用加压钢板+螺栓、L形髁钢板、L形髁钢板+螺栓固定。在股骨中段上方浇注骨水泥平台,以牢固固定屈曲运动夹具。在标本髁关节面上方10 mm处外、内侧布置一排T形粘贴电阻应变片,按实验力学要求进行操作。
, http://www.100md.com
1.2 实验力学模型建立 建立实验力学模型与所有的损伤骨折模型均一致,尽量逼真模拟实际情况。实验前制造模拟膝关节运动屈曲夹具,确定运动轨迹。
1.3 生物力学测试 根据股骨髁上受力图(图1),本试验施加0～300N分级载荷,应变速度1.5 mm/分。实验装置见(图2),AD为股骨外侧,CF为股骨内侧,EB为生理轴线。用KG-101高精度、数显光栅位移传感器检测内外侧标本的位移,重复六次取其平均值。记录应变、力、位移、屈曲角度等各种不同力学数据。
图1 膝关节受力分布图 R＝4.1P L＝3.2P
, 百拇医药
图2 髁间骨折内固定应变片布置及生物力学测力装置
1.4 统计学处理 测量数据经计算机处理,行线性回归,方差分析,经最小二乘法处理。按数理统计检验,计算相关参数,t检验,精度分析。
1.5 实验结果 在载荷300N作用下,测得髁上的应变分布,位移分布结果：
1.5.1 载荷-应变 L形髁钢板+螺栓固定(A)应变最小,其次是L形髁钢板固定(B),而加压钢板+螺栓固定(C)应变最大。AB两组之间平均相差18%,AC之间平均相差31%,BC之间相差16%,统计表明具有显著性差异(P<0.01)。应变变化规律表明,髁间内侧应变大于外侧,髁间中央应变明显小于外髁边缘应变。与有限元理论分析结果相一致。
1.5.2 载荷-位移 A组L形髁钢板+螺栓固定位移小,B组处于中间,C组固定位移较大。AB间相差17%,BC间相差16%,AC间相差30%,统计呈显著性差异(P<0.01)。在载荷作用下,垂直纵向压缩性位移比髁间分离位移大60%,髁间内侧位移分离趋势比外侧分离位移大20%。
, 百拇医药
1.5.3 髁间应力强度变化 髁间强度以内侧髁间突应力为5.22N/mm2,大于外侧强度4.88N/mm2。内髁应力平均为4.75N/mm2,外髁应力为4.25N/mm2,内髁应力大于外髁应力10.52%。正常人髁间强度为6N/mm2,髁间垂直纵向压缩正应力在300N载荷下平均为4.5N/mm2。于髁上50 mm处测到应力强度与髁间应力平均下降18%,股骨近端由于受到髁间应力集中影响趋小,应力趋于均匀分布。
2 有限元理论分析
2.1 有限元计算力学模型 为验证生物力学实验应力分析,我们进行有限元理论计算法,对股骨髁间骨折内固定进行力学分析。采用两维平面应力模型[5]。模型共有272节点,100批单元(其中四类为两维平面元,一类为杆元,七类为边界元,九类为伪单元)。
, 百拇医药
2.2 有限元计算分析结果 采用 SAP-5A进行计算,可得到各单元形心和边界中点处的应力输出,以有限元理论分析股骨髁间接触边界10 mm及50mm股骨上的应力F2及F2。经计算结果表明,有限元理论分析与实验结果基本上相一致,外侧F1,理论结果与实验之间平均误差8.6%,内侧4.3%,F2外侧平均误差4.7%,内侧5.0%。有限元计算结果与Hayes[5](1978)计算结果相一致,证明本生物实验结果正确。
3 临床资料
自1988～1998年手术治疗股骨髁间骨折52例,男40例,女12例,年龄21～58岁。闭合骨折35例,开放骨折15例。骨折类型：T型或Y型(AO分类的C1型)30例,经髁间髁上粉碎型(C2型)16例,髁间粉碎型(C3型)6例。采用三种内固定方法,加压钢板+螺栓联合固定14例,单纯L形髁钢板固定16例,L形髁钢板+螺栓联合固定22例,术后获得随访43例(6～67个月),平均25个月。全部骨性愈合。膝关节功能评定标准以骨折骨性愈合后,患肢与健肢等长,行走膝无痛,膝关节稳定,功能完全恢复为优。良：膝屈伸活动范围80°～90°,行走膝无痛。差：膝屈伸活动范围<80°,走路疼痛,跛行。结果见表1。
, http://www.100md.com
表1 44例股骨髁间骨折三种内固定随访膝关节功能
内固定方法
优
良
差
优良率(%)
L形髁钢板+螺栓(n=20)
18
1
1
95
单纯L形髁钢板(n=13)
, 百拇医药 9
2
2
84.6
加压钢板+螺栓(n=11)
7
2
2
81.6
4 讨 论
4.1 实验结果与理论分析两者比较一致,证明实验应力分析具有较高的精确度,同时也说明人体膝关节有限元模型能够反映实际膝关节情况。
4.2 三种内固定方法比较 对股骨髁间骨折采用加压钢板+螺栓固定后,由于加压钢板较厚,虽经塑形也很难与股骨外髁面紧贴,固定力量弱。实验结果也证明固定后股骨髁上及髁关节面上应力及髁间位移最大,与L形髁钢板+螺栓固定比较,平均相差31%、30%,具有显著性差异(P<0.01)。固定后骨折移位应力首先加重于螺栓,骨折两端任何折弯力和扭曲力,易使螺栓固定松动,术后常需外固定,影响膝关节功能恢复。而L形髁钢板具有抗弯,抗扭、抗剪力及抗旋转等作用。但固定时常发生击入时两髁易分离,不易使髁间锁固,尤其对髁部粉碎性骨折以及内髁骨折块较小时,固定不牢,不易保持解剖复位,使用时受到一定限制,而联合应用螺栓固定,即于L形髁钢板的短臂(髁部钢板部分)下缘,先用一枚螺栓固定髁间骨折,使髁间关节面保持解剖复位,然后再采用L形髁钢板固定。使髁上、髁间骨折锁固牢固,不易松动,保证骨折区域相对稳定,加速骨折愈合,由于固定坚固,术后早期功能锻炼,膝关节功能恢复满意,优良率达95%。从实验应力分析和有限元结果看,髁间骨折的L形髁钢板+螺栓联合固定其应变及位移最小,固定坚强,优于单纯L形髁钢板固定,更优于加压钢板+螺栓固定,应力值和位移值两者均显示显著性差异(P<0.01)。所以,L形髁钢板+螺栓联合固定是治疗股骨髁间骨折较好的内固定方法,值得推广应用。
, http://www.100md.com
4.3 从应力分布角度比较,由于股骨外侧己行坚强内固定,其关节外侧应力比内侧小,相对内侧固定比较薄弱。当外侧钢板固定后,如果因严重粉碎骨折而固定不牢,可予内侧再置一枚小的支撑钢板或以钢丝捆扎固定,对有骨缺损应予植骨。实验应力分析结果表明,髁间突应力较大,髁间分离位移和剪切应力不可忽视,在内固定上应考虑采取相应措施,即螺栓固定应紧靠关节面,一般以关节面上1 cm处插入螺栓固定最为坚固。■
参考文献：
[1]张伟佳,党广博,刘汝等.股骨髁部骨折33例治疗分析.骨与关节损伤杂志,1990,5：236
[2]李宝昌,王志强,金立国等.股骨髁部粉碎骨折的手术治疗.中华骨科杂志,1997,17：361
[3]陆裕朴,胥少汀,曹宝丰等.实用骨科学.第1版,北京：人民军医出版社,1991.676
[4]荣国威译.骨科内固定.第3版,北京：人民卫生出版社,1995.102
[5]WG Hayes. Axisymmetric FEM of analysis of the lateral tibial plateau.J Biomech,1978,12：21
(收稿日期：1999-05-08), http://www.100md.com
单位：李强一(上海市嘉定区中心医院骨科 201800)；王以进(上海大学生物力学研究所)张秋琴(上海市嘉定区中心医院骨科 201800)
关键词：股骨髁间骨折；内固定方法；生物力学实验研究；临床应用
股骨髁间骨折三种内固定方法生物力学实验研究与临床应用
摘 要：目的 为临床选择有效的内固定方法提供实验依据。方法 取9具新鲜尸体股骨标本,制成股骨髁间骨折(AO分类的C1型),采用L形髁钢板+螺栓、L形髁钢板、加压钢板+螺栓三种内固定方法,进行实验应力分析,比较不同内固定方法的优劣,并以有限元理论分析进一步论证它的结果。结果 L形髁钢板+螺栓内固定优于L形髁钢板、加压钢板+螺栓固定,应力和髁间位移均具有显著差异(P<0.01)。临床手术52例中43例平均随访25个月,膝关节功能优良率分别为：L形髁钢板+螺栓95%,L形髁钢板84.6%,加压钢板+螺栓81.8%。结论 L形髁钢板+螺栓联合固定是治疗股骨髁间骨折较好的内固定方法。
, http://www.100md.com
Biomechanical Experiment and Clinical Application of Three Internal Fixation Methods for Fracture of Femoral Condyle
Li Qiangyi,Wang Yijin,Zhang Qiuqin
(Department of Orthopaedic,Jiading Area Central Hospital,Shanghai,201800)
Abstract：Objective To Choose suitable clinical internal fixation method according to experimental data.Methods The models of fracture of femoral condyle were made on 9 fresh cadaver femurs(C1 of AO classification).The fractures have been fixed by using L shaped condyle steel plate added bolt,L shaped condyle plate and compressed plate added bolt fixation.These three different internal fixation methods have been compared t hrough experimental stress analysis.Their results have been further confirmed by theoretical analysis using finite element mathod(FFM).Results It has been proved that the internal fixation using L shaped condyle steel plate added bolt is better than that using L shaped condyle plate and compressed plate added bolt.There exist distinct differences in stress and displacement between two condyles(P<0.01).The average followed up time for 43 of 52 patients were 25 months,the rate of excellent and good knee joint function are 95% for L shaped condyle plate added bolt,84.6% for L shaped condyle plate,and 81.8% for compressed plate added bolt.Conclusion The combined fixation of L shaped condyle stress plate added bolt is a very good internal fixation method for fracture of femoral condyle.
, http://www.100md.com
Key words：Fracture of femoral condyle;Internal fixation;Biomechanical experiment;Clinical application▲
目前国内治疗股骨髁间骨折最常见的内固定方法有加压钢板+螺栓、L形髁钢板、L形髁钢板+螺栓固定等[1、2、3],疗效报道不一。为此,采用成人新鲜尸体股骨标本,制成AO分类的C1股骨髁间骨折模型[4],用上述三种内固定方法,并制作有限元计算力学模型,测试其生物力学强度及进行有限元理论分析,旨在为临床选择内固定方法提供可靠的实验依据,并报告临床应用结果。
1 实验应力分析
1.1 实验标本 选用9具新鲜成人股骨尸体标本,剔除肌肉及软组织,按AO分类制作C1髁间骨折标本。随机分三组,每组三具标本,分别用加压钢板+螺栓、L形髁钢板、L形髁钢板+螺栓固定。在股骨中段上方浇注骨水泥平台,以牢固固定屈曲运动夹具。在标本髁关节面上方10 mm处外、内侧布置一排T形粘贴电阻应变片,按实验力学要求进行操作。
, http://www.100md.com
1.2 实验力学模型建立 建立实验力学模型与所有的损伤骨折模型均一致,尽量逼真模拟实际情况。实验前制造模拟膝关节运动屈曲夹具,确定运动轨迹。
1.3 生物力学测试 根据股骨髁上受力图(图1),本试验施加0～300N分级载荷,应变速度1.5 mm/分。实验装置见(图2),AD为股骨外侧,CF为股骨内侧,EB为生理轴线。用KG-101高精度、数显光栅位移传感器检测内外侧标本的位移,重复六次取其平均值。记录应变、力、位移、屈曲角度等各种不同力学数据。
图1 膝关节受力分布图 R＝4.1P L＝3.2P
, 百拇医药
图2 髁间骨折内固定应变片布置及生物力学测力装置
1.4 统计学处理 测量数据经计算机处理,行线性回归,方差分析,经最小二乘法处理。按数理统计检验,计算相关参数,t检验,精度分析。
1.5 实验结果 在载荷300N作用下,测得髁上的应变分布,位移分布结果：
1.5.1 载荷-应变 L形髁钢板+螺栓固定(A)应变最小,其次是L形髁钢板固定(B),而加压钢板+螺栓固定(C)应变最大。AB两组之间平均相差18%,AC之间平均相差31%,BC之间相差16%,统计表明具有显著性差异(P<0.01)。应变变化规律表明,髁间内侧应变大于外侧,髁间中央应变明显小于外髁边缘应变。与有限元理论分析结果相一致。
1.5.2 载荷-位移 A组L形髁钢板+螺栓固定位移小,B组处于中间,C组固定位移较大。AB间相差17%,BC间相差16%,AC间相差30%,统计呈显著性差异(P<0.01)。在载荷作用下,垂直纵向压缩性位移比髁间分离位移大60%,髁间内侧位移分离趋势比外侧分离位移大20%。
, 百拇医药
1.5.3 髁间应力强度变化 髁间强度以内侧髁间突应力为5.22N/mm2,大于外侧强度4.88N/mm2。内髁应力平均为4.75N/mm2,外髁应力为4.25N/mm2,内髁应力大于外髁应力10.52%。正常人髁间强度为6N/mm2,髁间垂直纵向压缩正应力在300N载荷下平均为4.5N/mm2。于髁上50 mm处测到应力强度与髁间应力平均下降18%,股骨近端由于受到髁间应力集中影响趋小,应力趋于均匀分布。
2 有限元理论分析
2.1 有限元计算力学模型 为验证生物力学实验应力分析,我们进行有限元理论计算法,对股骨髁间骨折内固定进行力学分析。采用两维平面应力模型[5]。模型共有272节点,100批单元(其中四类为两维平面元,一类为杆元,七类为边界元,九类为伪单元)。
, 百拇医药
2.2 有限元计算分析结果 采用 SAP-5A进行计算,可得到各单元形心和边界中点处的应力输出,以有限元理论分析股骨髁间接触边界10 mm及50mm股骨上的应力F2及F2。经计算结果表明,有限元理论分析与实验结果基本上相一致,外侧F1,理论结果与实验之间平均误差8.6%,内侧4.3%,F2外侧平均误差4.7%,内侧5.0%。有限元计算结果与Hayes[5](1978)计算结果相一致,证明本生物实验结果正确。
3 临床资料
自1988～1998年手术治疗股骨髁间骨折52例,男40例,女12例,年龄21～58岁。闭合骨折35例,开放骨折15例。骨折类型：T型或Y型(AO分类的C1型)30例,经髁间髁上粉碎型(C2型)16例,髁间粉碎型(C3型)6例。采用三种内固定方法,加压钢板+螺栓联合固定14例,单纯L形髁钢板固定16例,L形髁钢板+螺栓联合固定22例,术后获得随访43例(6～67个月),平均25个月。全部骨性愈合。膝关节功能评定标准以骨折骨性愈合后,患肢与健肢等长,行走膝无痛,膝关节稳定,功能完全恢复为优。良：膝屈伸活动范围80°～90°,行走膝无痛。差：膝屈伸活动范围<80°,走路疼痛,跛行。结果见表1。
, http://www.100md.com
表1 44例股骨髁间骨折三种内固定随访膝关节功能
内固定方法
优
良
差
优良率(%)
L形髁钢板+螺栓(n=20)
18
1
1
95
单纯L形髁钢板(n=13)
, 百拇医药 9
2
2
84.6
加压钢板+螺栓(n=11)
7
2
2
81.6
4 讨 论
4.1 实验结果与理论分析两者比较一致,证明实验应力分析具有较高的精确度,同时也说明人体膝关节有限元模型能够反映实际膝关节情况。
4.2 三种内固定方法比较 对股骨髁间骨折采用加压钢板+螺栓固定后,由于加压钢板较厚,虽经塑形也很难与股骨外髁面紧贴,固定力量弱。实验结果也证明固定后股骨髁上及髁关节面上应力及髁间位移最大,与L形髁钢板+螺栓固定比较,平均相差31%、30%,具有显著性差异(P<0.01)。固定后骨折移位应力首先加重于螺栓,骨折两端任何折弯力和扭曲力,易使螺栓固定松动,术后常需外固定,影响膝关节功能恢复。而L形髁钢板具有抗弯,抗扭、抗剪力及抗旋转等作用。但固定时常发生击入时两髁易分离,不易使髁间锁固,尤其对髁部粉碎性骨折以及内髁骨折块较小时,固定不牢,不易保持解剖复位,使用时受到一定限制,而联合应用螺栓固定,即于L形髁钢板的短臂(髁部钢板部分)下缘,先用一枚螺栓固定髁间骨折,使髁间关节面保持解剖复位,然后再采用L形髁钢板固定。使髁上、髁间骨折锁固牢固,不易松动,保证骨折区域相对稳定,加速骨折愈合,由于固定坚固,术后早期功能锻炼,膝关节功能恢复满意,优良率达95%。从实验应力分析和有限元结果看,髁间骨折的L形髁钢板+螺栓联合固定其应变及位移最小,固定坚强,优于单纯L形髁钢板固定,更优于加压钢板+螺栓固定,应力值和位移值两者均显示显著性差异(P<0.01)。所以,L形髁钢板+螺栓联合固定是治疗股骨髁间骨折较好的内固定方法,值得推广应用。
, http://www.100md.com
4.3 从应力分布角度比较,由于股骨外侧己行坚强内固定,其关节外侧应力比内侧小,相对内侧固定比较薄弱。当外侧钢板固定后,如果因严重粉碎骨折而固定不牢,可予内侧再置一枚小的支撑钢板或以钢丝捆扎固定,对有骨缺损应予植骨。实验应力分析结果表明,髁间突应力较大,髁间分离位移和剪切应力不可忽视,在内固定上应考虑采取相应措施,即螺栓固定应紧靠关节面,一般以关节面上1 cm处插入螺栓固定最为坚固。■
参考文献：
[1]张伟佳,党广博,刘汝等.股骨髁部骨折33例治疗分析.骨与关节损伤杂志,1990,5：236
[2]李宝昌,王志强,金立国等.股骨髁部粉碎骨折的手术治疗.中华骨科杂志,1997,17：361
[3]陆裕朴,胥少汀,曹宝丰等.实用骨科学.第1版,北京：人民军医出版社,1991.676
[4]荣国威译.骨科内固定.第3版,北京：人民卫生出版社,1995.102
[5]WG Hayes. Axisymmetric FEM of analysis of the lateral tibial plateau.J Biomech,1978,12：21
(收稿日期：1999-05-08), http://www.100md.com