一种新型的微创快速浇铸式外固定接骨板

梁向党，孙赓 ，郭占社 ，马玉仓，房远勇

1 解放军总医院骨科，北京，100853

2 北京军区252医院骨科，保定，071000

3 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京，100191

骨折现象作为人类最常见也是对人体损害较大的创伤之一，其快速治愈技术已成为国内外研究热点。目前，患者治疗较多采用内固定技术[1-2]，为广大骨科医生所熟知。但是，由于内固定手术需要切开软组织，所以不可避免带来了一些手术并发症，如伤口感染等。同时，切开复位常导致二次手术取出内固定的问题，一般在第一次内固定手术的时候就决定了需要进行第二次手术，而二次手术时间一般在术后一年到一年半，这就意味着患者实际康复的时间在一年半左右，康复时间较长。另外，在某些场合，特别是对一些不宜进行二次手术的人，如年龄较大或体质较差的老人以及一些伴有严重内科疾病的患者，可采用外固定方式[3-4]。但是，传统外固定架体积较大，外形笨重，裸露的钢钉直接刺入皮肤是对患者的恶性刺激，笨重的外固定架，严重的限制了患者的活动。为保证固定架的刚度，往往通过采用比较粗的钢钉来增加外固定架的把持力量，这样往往容易导致钉道感染。

综上所述，传统内固定和外固定的固有特性决定了它们都存在不足。如何设计一种新型的既能够克服内固定二次手术的问题，又能解决外固定比较笨重，对患者损伤较小的固定装置，成为目前研究的热点之一。

本文针对该问题，结合了两者的优点，设计了一种新型的浇注式外固定接骨装置，通过有限元模拟分析等方法，对设计方案的可行性进行了验证。然后，利用该装置进行了动物实验，取得了满意的结果。

1 工作原理

图1是利用有限元软件建立的该固定装置的结构模型，其主要组成部分为钢钉和高分子支架（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）[5-7]。支架与钢钉的固定采用了浇注的方式，该方法避免了外固定以及内固定方法存在的螺钉与骨骼之间由于传统固定方式导致的内应力问题。由于该材料具有常温条件下易于凝固、聚合热温度低、重量轻和体积小等特点，减少了固化过程中高温对患者的损伤以及凝固时间较长的问题。同时，该方法不但减小了支架的重量、体积，还避免了二次手术再次切开软组织取出内固定的问题。钢钉通过浇注方式与高分子固定结构组成一个整体并与骨折断端相连接，为增加固定稳定性，螺钉采用了多个、对称、均布的排布方式，以避免手术不均匀造成的愈合困难问题。

图1 外固定接骨板骨折固定有限元模型Fig.1 FEM model of the external fixator

2 外固定接骨板的有限元分析

2.1 结构模型的建立

为验证该装置设计的可行性，采用有限元软件Ansys对其进行了仿真，结构模型如图1所示，其中每个骨头的长度100 mm，外直径为30 mm，内直径为12 mm。钢钉外径皆为4 mm，长50 mm，总共4根。自凝高分子材料的尺寸为长130 mm、宽为10 mm、高为20 mm。模型中与人体躯体相连接的一端认为是固定不动的，而另一端承受外界作用力包括沿骨骼方向的轴向压力、弯矩及扭矩等，分别为300N、4.5Nm、2Nm。其数值按照一个普通患者的相关体形参数计算得到，符合临床的实际情况。仿真过程中各材料相关力学参数如表1所示。

表1 骨固定装置中各材料力学参数Tab.1 Mechanics parameters of the material

表2 不同尺寸间距下断骨间相对位移Tab.2 Relative displacements between the broken bones under different gaps

2.2 仿真结果分析

通过软件中的静力分析模块，计算得到在不同钢钉间距下骨骼端部相对位移如表2所示。由表中数据可以看出，随着两根骨端部固定钢钉间距的逐渐加大，骨折端相对位移逐渐加大。但是，其最大值都小于0.4 mm，远远小于骨骼愈合所需要的最小间隙1 mm，说明该结构的设计是合理的。

3 动物实验

3.1 实验样本：羊，数量：10只，体重20～25 Kg，雌雄不限。

3.2 操作步骤

1）电视透视下对受伤部位闭合牵引复位（也可撬拨复位、有限切开复位），达到功能复位标准；

2）在骨折两端距骨折线2 cm以远，于软组织较薄侧进行穿钉，即通过螺钉尾部的凹槽将螺钉拧入骨骼，螺钉数量根据具体情况，每端大于或等于2枚；

图2 固定后羊下肢手术局部大体图片Fig .2 Sketch of the fixed leg of the sheep

图3 麻醉清醒后羊即可站立行走Fig.3 The walking sketch as soon as the sheep woke up

3）电视透视下对骨折进行精细复位，并进行临时外固定，放置自凝高分子材料浇铸模具；

4）用自凝高分子材料对各螺钉尾部按模具进行浇铸粘合固定，将骨骼和螺钉以及自凝高分子材料粘合形成一个整体；

5） 自凝高分子材料凝固后，拆除临时外固定和模具，操作结束。

3.3 实验结果

图4 术后2周X线图片Fig.4 X ray sketch of the leg two weeks after the operation

图5 术后4周X线图片Fig.5 X ray sketch of the leg four weeks after the operation

图2、图3是经外固定接骨板固定后，羊胫骨的X线图片。由图可看出羊的患肢经固定后，对位对线良好无明显畸形，外固定接骨板固定可靠。动物（羊）麻醉清醒后即可站立行走。由图3还可以看出，相对于传统外固定装置，该结构尺寸大大减小。

图4、图5和图6分别是在手术第2周、第4周、第8周后得到的羊骨折固定后的X线图片。通过图片可看出：在术后2周时骨折断端有少量骨痂生长，骨折位置没有变化，位置良好；术后4周时骨折断端有较多骨痂生长，骨痂有明显再塑型，骨折线模糊，骨折复位位置没有变化，位置良好；术后8周时骨折线已消失，骨骼基本愈合，拆除外固定。

图6 术后8周拆除外固定后X线图片Fig.6 X ray sketch of the leg eight weeks after the operation

4 结 论

1）设计了一种基于外固定方式的骨固定装置，并通过快速浇注及精密机械加工的方法，完成了对装置的加工；

2）通过有限元法，对结构设计的可靠性进行了验证。结果表明，在结构上施加载荷后，骨折断端的相对位移最大为0.37 mm,远小于愈合所需要的最小位移1 mm，证明了设计的可靠性。

3）以羊胫骨为实验样本，对该装置的手术效果进行了动物实验。结果显示，术后羊的胫骨骨折断端没有移位变形，并且术后羊马上可以直立行走，说明固定是坚固可靠的，达到了实验的设计要求。X线图片显示：术后2周羊的骨折断端有少量骨痂生长，骨折位置没有变化，位置良好；术后4周时骨折断端有较多骨痂生长，骨痂有明显再塑型，骨折线模糊，骨折断端位置仍然良好；术后8周时骨折线消失，外固定已去除，骨折愈合。动物实验进一步证明了该结构的可行性和可靠性。

[1]丁国正, 姜宗圆,刘平.腓骨固定在严重胫腓骨粉碎性骨折治疗中的作用[J].中国骨伤, 2006, 19(2): 81-82.

[2]刘德胜, 刘煊文,陈丹, 等.组合式骨固定器治疗下肢复杂性骨折[J], 四川医学, 2008, 29 (2):230-232.

[3]McFarlane RM, Deyoung G, Henry RA.The design of a pedicle flap in the rat to study necrosis and its Prevention[J].Plast Reconstr Surg 1965, 35: 177-182.

[4]Khouri RK, Angel MF, Edstorm LE.Standarizing the dorsal rat flap[J].Surg Forum, 1986, 37: 590-591.

[5]Khouri RK,Edstorom LE, angel MF.The dorsal rat flap:an appraisal of the model[J].Surg Forum, 1986, 37: 601-602.

[6]Sawada, Y, Yotsuyanagi Hatayama.I, and Sone K.A new system of treating wounds by a Continuous topical application of med ication[J].Br-J-Plastic-surgery, 1990, 43:83.

[7]Davies D.M.A world survey of anticoagulation Practice in clinical microvascular surgery[J].Br-J-Plast-Surg 1982,35:96-99.