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图1 股骨髁间骨折采用4种内固定的生物 力学实验装置示意图 股骨髁上骨折四种内固定的生物力学评估 郑琦 毕大卫 王以进 顾军 刘耀升 谢水法 魏威 杭州市红十字会医院 浙江 杭州310001 上海大学生物力学研究所 上海201800 摘要 目的 对股骨髁上骨折4种内固定方法进行生物力学测试评估 为临床治疗提供较全 面 客观的依据 方法 取16具新鲜尸体股骨标本 造成股骨髁上骨折模型 AO 分类的C1型 分别 用股骨髁上逆行交锁髓内钉 GSHN 动力髁螺钉 DCS L形髁钢板 L CCP Ender钉固定 利用实 验应力分析和有限元分析方法对股骨髁上骨折和内固定系统的力学性能进行比较研究 结果 在轴 向应力实验中 GSHN固定优于DCS L CCP和Ender钉内固定 P 0 01 在扭转实验中 GSHN和 DCS优于L CCP和Ender钉 P 0 01 尤以DCS为最佳 结论 采用GSHN和DCS内固定生物力 学强刚度最佳 优于其它内固定方法 值得临床推广应用 关键词 股骨髁间骨折 内固定 生物力学 股骨髁上骨折是股骨下端距关节面15cm以内的骨折 因其邻近膝关节 复位固定要求高 为 降低关节畸形愈合 关节僵硬和关节不稳导致的创伤性关节炎等并发症的发生 人们设计的各种 内固定物日新月异 1 其中较有代表性的有Ender钉 95 髁钢板 L CCP 动力加压髁螺钉 DCS 股骨髁上逆行交锁髓内钉 GSHN 内固定等4种 为了论证各种固定方式的优劣 本文通 过实验应力和有限元分析方法 进行系统的生物力学评估和比较 为临床治疗选择提供可靠的 科学的依据 实验应力分析 实验标本 选用20 30岁因急性颅脑伤死亡的新鲜男性尸体完整股骨标本8副16根 清除附着软组 织 存放于 20 冰箱内 实验前进行骨密度测试 Sight指数在 级 标本随机分组 按AO分类制 作C1股骨髁间骨折模型 分别用Ender钉 L CCP DCS GSHN固定 每组4具标本 轴向应力实验 扭转 实验各2具标本 上端及胫骨平台浇注骨水泥固定 在髁上4个不同部位分别贴上T形应变片 其走向与 股骨平行 所有4种实验标本的力学模型在结构 载 荷 材料 固定方式等条件上保持一致 2 生物力学测试 在标本上施加0 600N的分级载荷 加载机速度 1 5mm min 1 股骨髁上的力学性质根据本次测量 骨密质及骨松质的弹性模量分别为1400和700MPa 泊松比分别为0 30和0 29 同样标本进行扭转试验 收稿日期 2001 12 25 57 医用生物力学 2002年6月 第17卷 第2期 Journal of Medical Biomechanics Vol 17 No 2 June 2002 在NJ100B试验机上进行等级为2 4 6 8 10 分级加载 相应测出扭矩值 实验装置见图1 A D为股骨髁外侧 C F为股骨髁内侧 eb为生理轴线 标本的载荷由万能机提供 位移由KG 101高精度数显光栅位移传感器检测 连接实验装置 以100N预载 清除标本松弛 蠕变影响 然后重复进行100N分级加载 直到600N为止 随时记录相应的股骨髁上应变 标本垂直位移与 水平位移 轴向压缩实验结束之后 进行扭转试验 数据处理 全部测量数据输入计算机 使用程序软件包进行数据统计处理 线性回归 方差分析和显著 性检验 实验结果 载荷 应变关系 股骨髁骨折后用4种不同内固定 其承受的应力强度大小 决定于载荷作 用下应变的变化 从表1可见 髁上平均应变以GSHN内固定为最小 比DCS和L CCP分别小 58 和68 比Ender钉固定小73 统计学处理均具有显著性差异 P 0 01 应变越小 说 明固定越坚强 越不易引起变形 表1 4种内固定载荷 应变关系值 x s 内固定方法 载 荷 100N200N300N400N500N600N GSHN 115 2 1 225 0 2 637 5 3 450 0 5 062 5 6 275 0 7 2 225 0 2 050 0 4 275 0 6 4100 0 9 8125 0 12 0150 0 14 2 310 3 1 120 6 2 230 9 3 241 2 3 651 5 4 662 0 6 4 416 6 1 833 3 3 049 8 4 666 5 5 883 1 7 8100 0 9 8 DCS 120 0 2 040 0 3 460 0 5 880 0 7 6100 0 9 6120 0 11 7 248 2 4 096 6 8 4144 9 13 4193 2 18 2241 5 22 4290 0 28 2 330 3 3 060 6 5 490 9 8 6121 2 11 4151 5 14 6182 0 17 6 457 6 5 4115 3 12 0172 9 16 0230 5 22 4288 1 27 8346 0 32 7 L2ccp 125 0 2 250 0 4 875 0 7 0100 0 9 8125 0 11 4150 0 14 8 227 0 5 4134 0 12 4201 0 18 2268 0 24 2335 0 32 2402 0 40 0 334 3 3 068 6 6 6102 9 10 0137 2 12 6171 5 16 2206 0 19 8 477 3 7 0154 6 14 0231 9 22 830 92 28 6386 5 37 4464 0 45 6 Ender 133 0 3 266 0 5 499 0 8 4132 0 12 4165 0 15 3198 0 18 6 273 3 6 8146 6 13 2219 9 20 2293 3 28 2366 5 35 6440 0 42 4 343 0 4 086 0 7 4129 0 11 4172 0 17 0215 0 20 4258 0 24 6 486 6 7 4173 3 16 2259 8 24 2346 5 32 4433 1 42 2520 0 50 7 载荷 位移关系 股骨髁间骨折用4种内固定后 在轴向载荷下 发生两种位移 如表2所 示 GSHN内固定的纵向位移 P 最小为0 62mm 其次是DCS L CCP Ender钉固定 分别为 0 74mm 2 42mm 3 24mm GSHN与DCS比较接近 相差16 而与L CCP Ender钉比较相差达 74 81 有显著性差异 P 0 01 说明GSHN固定比较牢固 坚强有力 不容易引起位移变 形 纵向位移 P 比髁间分离性水平位移 H 大 两者相差达57 虽然髁间断端已经固 定 但仍然有水平位移产生 但量级非常小 前两者可以认为牢固固定 但后两者显然不容易固 定 位移比较大 说明其固定是不坚强的 股骨髁间应力强度变化 股骨髁与胫骨平台之间接触 由于高度不等 偏心受力 因而在髁 间应力有正应力 和剪切应力 存在 根据所有标本试验结果 见表 3 说明 股骨髁间应力强 度以GSHN固定抵抗强度为最大 平均应力强度为8 65MPa 而DCS L CCP Ender钉内固定分 别为6 72MPa 5 72MPa 5 05MPa 前者比后三者分别高22 34 和42 具有显著性差异 P 67 医用生物力学 2002年6月 第17卷 第2期 Journal of Medical Biomechanics Vol 17 No 2 June 2002 0 05 而GSHN与L CCP Enderd钉内固定具有显著性差异 P 0 01 比L CCP Ender钉分别大18 5 31 6 P 0 01 显示了GSHN及DCS内固定抗扭强度高于后两者 生物力学性能优越 尤以 DCS内固定器械的扭转强度为最佳 表4 股骨髁的扭矩一扭角关系值 x s 度 内固定方法 扭 矩 0 2Nm0 4Nm0 6Nm0 8Nm1 0Nm GSHN1 01 0 181 91 0 202 89 0 244 15 0 264 81 0 28 DCS0 76 0 121 51 0 142 50 0 183 47 0 204 72 0 22 L2CCP1 16 0 102 12 0 123 11 0 164 38 0 187 44 0 20 Ender1 45 0 222 83 0 244 16 0 265 61 0 288 03 0 30 股骨髁三类刚度和内固定的稳定性 所谓刚度是指结构在外载荷作用下抵抗变形能力的大 小 本实验存在轴向 剪切 扭转刚度 实验测得不同内固定的刚度值见表5 轴向压缩刚度 EF p GSHN与DCS L CCP和Ender钉内固定相比分别相差16 74 和81 均具显著性差 异 P 0 01 水平剪切刚度 GF p分别相差35 4 86 88 6 亦具有显著性差异 P 0 01 而扭转刚度 G J P GSHN比DCS小22 比L CCP Ender分别大34 39 说明GSHN 内固定抵抗轴向变形能力强 其次为DCS内固定 而L CCP和Ender钉内固定较差 股骨髁的 77郑琦 等 1 股骨髁上骨折四种内固定的生物力学评估 水平剪切刚度与轴向刚度相似 GSHN和DCS两内固定抵抗水平剪切变形能力很强 尤以前者为 佳 而L CCP和Ender钉内固定的水平剪切刚度却比较低 说明其内固定是不坚强的 抗扭转 能力 以DCS为最佳 其次为GSHN L CCP Ender钉内固定最差 表5 4种不同内固定下股骨髁的刚度比较 x s N mm 1 GSHNDCSL CCPEnder EF p 967 74 22 48810 81 18 46247 93 12 22187 50 10 36 GF p 3571 43 28 162307 69 14 12500 00 10 23405 41 8 62 G J p 15 85 3 7520 00 0 5413 44 2 5212 51 3 34 有限元理论分析验证 为验证生物力学实验应力分析 我们建立生物力学模型 进行二维有限元理论计算 对股骨 远端骨折内固定进行力学分析 根据弹性力学赫兹弹性理论进行计算 其计算结果和实验结果 相差约 8 见表6 两者结果十分接近 其误差来源主要由于理论假设和测量误差引起 表6 股骨髁上骨折4种内固定下应力强度比较 x s MPa 内固定 方法 测点1 实验理论 测点2 实验理论 测点3 实验理论 测点4 实验理论 GSHN8 95 1 10 8 23 1 22 7 90 0 70 7 27 1 08 9 13 0 90 8 22 1 09 8 60 0 80 7 92 1 08 DCS8 32 0 82 7 73 1 10 5 94 0 62 5 58 1 24 7 45 0 72 6 73 1 22 5 16 0 50 4 90 10 4 L2CCP7 90 0 74 7 27 1 32 4 37 0 44 4 11 1 42 7 12 0 68 6 40 1 32 3 50 0 32 3 36 1 12 Ender7 23 0 68 6 51 1 44 3 84 0 04 3 46 1 62 6 39 0 62 5 75 1 41 2 72 0 27 2 45 1 38 讨 论 股骨髁上骨折在70年代以前 多数学者主张保守治疗 但畸形愈合及膝关节强直和创伤性 关节炎等并发症很高 人们为降低这些并发症 设计了各种内固定物 目前股骨髁上骨折的手术 内固定器材主要有Ender钉 95 髁钢板 L CCP 动力加压髁钢板 DCS 股骨髁上逆行交锁髓 内钉 GSHN 等4种 本实验从强度和刚度两方面对GSHN等4种内固定固定股骨髁上骨折的生物力学性能进行 了测试比较 所谓强度是指构件在载荷作用下抵抗破坏的能力 而刚度则是指构件在外力作用 下抵抗变形的能力 从实验应力分析结果中发现 股骨髁外侧应力比内侧应力大 这与临床中外 侧半月板更易损伤相一致 从内固定的角度来看 外侧固定坚强 内侧比较弱 由于内外侧关节 面的不同而产生髁间剪切应力不容忽视 剪切应力是导致纤维性骨痂骨折不愈合的重要因素 这 与Maguet 3 分析结果相一致 从髁间实验应力分析和理论分析结果来看 髁间不稳定骨折以 GSHN固定比DCS和L CCP Ender钉内固定坚强 其应力强度 应变 位移分析均证明前者占有 一定的优势 具有显著性差异 P 0 01 从股骨髁的极限承载力学性能来看 采用逆行交锁 髓内钉固定的极限载荷可达7850N 原始正常股骨髁为8040N 两者相差仅2 可见其极限力学 性能相当好 而采用DCS的极限载荷为6782N L CCP为5180N Ender钉内固定仅为2850N 与 原始正常骨相比分别相差为16 36 65 均具有显著性差异 P 0 01 DCS相对于 GSHN 其极限力学性能稍差 但DCS的极限力学性能仍较L CCP Ender钉为佳 从扭转的极限 力学性能来看 采用GSHN固定的股骨髁为18 42Nm DCS固定的股骨髁为19 20Nm L CCP固 定的股骨髁为17 88Nm Ender钉固定的仅为9 48Nm 而原始正常股骨髁的极限扭矩可达 87 医用生物力学 2002年6月 第17卷 第2期 Journal of Medical Biomechanics Vol 17 No 2 June 2002 26 34Nm 与正常股骨髁相比 分别相差30 27 32 64 具有显著性差 P 0 01 GSHN 和DCS两者结果比较 DCS优于GSHN内固定 但无显著性差异 该结果说明了采用GSHN和 DCS固定时抗扭应力的性能十分良好 两者相比DCS比GSHN极限抗扭能力略胜一筹 但GSHN 固定抗扭时受力强度比较均匀 扭角较小 抗扭刚度比较好 变形较小 而DCS固定一侧股骨髁 抗扭性能强 另一侧比较弱 钉尾不断弯扭而致固定松动 这些结果与Ito 4 K oval 5 David 6 的研 究结果基本一致 值得提出的是 股骨髁一旦粉碎性骨折 其形态上是造成开口断面 抗扭能力 下降达80 以上 变形增大约30 因此 需予以手术固定 使其扭转刚度得到了加强和提高 有 利股骨髁骨折愈合和早期功能锻炼 参考文献 1 郭涛 梁清宇 股骨髁上骨折四种内固定物的疗效比较 皖南医学院学报 1997 16 4 403 4041 2 王以进 王介麟主编 骨科生物力学 第一版 北京 人民军医出版社 1989 99 1911 3 Maguet PG Biomechanics of the Knee Spring Verlag New Y ork 1976 1161 4 Ito K Grass R Zwipp H et al Internal fixation of supracondylar femoral fractures comparative biomechanical perfor2 mance of the 95 degree blade plate and two retrograde nails J Orthop Trauma 1998 12 4 259 2661 5 K oval K J Kummer FJ Bharam S et al Distal femoral fixation a laboratory comparison of the 95 degree plate antegrad and retrograde inserted reamed intramedully nails J Orthop Trauma 1996 10 6 378 3821 6 David SM Harrow ME Peindl RD et al Comparatire biomeclanical analysis of supracondylar femur fracture fixation Locked intramedullary nail versus 95 degree angled plate J Orthop Trauma 1997 11 5 344 3501 A COMPARATIVE BIOMECHANICAL STUDY OF FOUR INTERNAL FIXATION METHODS FOR DISTAL FEMORAL FRACTURES ZHENGQi BI Dawei WANG Yijing et al Department of Orthopaedic Red Across Hospital Hang Zhou Zhe Jiang310003 China Abstract Objective By evaluating quantitative biomechanical comparison of four internal fixation methods for distal femoral fractures to choose suitable clinical internal fixation method according to the ex2 perimental data Methods The modelsof fracture of femoral condyle were made on 16 fresh cadaver femurs C1 of AO classification and fixed by supracondylar intramedullary interlocking nail dynamic condyle screw plate L shaped co