骨盆后环内固定的生物力学研究进展*

赵勇孙涛 邹德鑫 张树栋 王丹

（烟台市烟台山医院骨科，山东烟台 264008）

骨盆后环内固定的生物力学研究进展*

赵勇**孙涛 邹德鑫 张树栋 王丹

（烟台市烟台山医院骨科，山东烟台 264008）

随着高能量创伤的逐年增多，骨盆损伤的发生率亦逐年增高，约占全部骨创伤的 3%[1]。尽管医疗技术水平不断提高，但骨盆损伤的死亡率、致残率仍居高不下。骨盆前环结构和后环结构对骨盆的稳定性作用分别占40%和60%。骶骨、骶髂关节同属骨盆后环，是承担人体躯干载荷和传导、分散进行力的重要结构，骨盆环相关固定的生物力学研究对骨盆损伤的诊治具有重要的临床指导意义。外固定架对骨盆环进行初始固定有助于控制骨盆容积和减少出血，但却无法对后环损伤进行良好的治疗。多项研究证实，接受内固定治疗的不稳定性骨盆损伤患者的复位更佳，疼痛更少，复位丢失更少，畸形愈合率更低[2]，效果优于外固定治疗和保守治疗。因此，学者们针对骨盆后环内固定进行了大量相关研究。

目前，内固定被认为是治疗骨盆后环损伤的确切治疗方式，包括骶髂螺钉、前路或后路骶髂接骨板、骶骨棒、张力带接骨板、骶髂铰链式固定、三角接骨术等。前环和后环联合固定可进一步增强稳定性，以提供更高质量的复位，并降低畸形愈合的发生率[3]。动态加载的力学测试显示，上述内固定方式的失败率为 2%～17.3%[3]。目前报道的最新技术是后骨盆重建系统的固定方式[4]。

1 骶骨棒、骶髂接骨板、张力带接骨板

骨盆后环固定技术生物力学比较测试的相关文献较多，但实验对象和方法的不同导致实验结果不具有决定性[5]。Hearn[6]评估 2 枚骶髂螺钉、2 块骶髂前方接骨板和2枚穿髂棒三种后环固定方式分别结合不同的骨盆前环固定方式，指出三种结合固定方式的整体平均刚度无差异；内外侧裂缝是各后环固定技术中最大的变量参数，其中骶髂螺钉刚度最大，而骶髂前方接骨板刚度最小，约 800 N载荷时，上述两种固定技术无统计学差异。Simonian 等[7]使用了 6 个尸体骨盆，针对不伴随前环损伤的经骶孔截骨模型，将骶髂螺钉、张力带接骨板、穿髂棒进行比较，研究发现200 N载荷下不同种类固定方式的刚度无差异。

有报道认为穿髂棒（骶骨棒）对骨盆后环骨折进行固定可提供与骶骨接骨板固定相似的较高刚度和稳 定 性[8,9]。Pohlemann 等[10]使 用 了 6 个 尸 体 骨 盆 ，将骶骨棒、脊柱内固定器（交叉连接的进入骶骨翼的螺栓固定）、局部接骨术治疗经骶孔的骶骨骨折模型，并以接骨板固定耻骨联合损伤。该研究发现骶骨棒的失败载荷最大；从 900 N 至 1200 N 时，不同固定方式的移位无显著性差异。Albert等[11]比较 4.5 mm 的穿髂接骨板固定和1～2枚骶骨棒固定治疗骶髂关节损伤和耻骨联合损伤。该研究使用了4个尸体骨盆和 5 个人造骨盆，当载荷达到 1200 N，固定技术的失败载荷无差异。Comstock 等[9]比较骶髂关节前方接骨板、骶骨棒、2枚骶髂螺钉、2枚骶髂螺钉配合骶骨棒固定，该研究使用了6个骨盆标本并建立骶髂关节损伤和耻骨支截骨，但未进行前环固定的尸体骨盆模型。该报道称1400 N载荷下2枚骶髂螺钉、2枚骶髂螺钉配合2枚骶骨棒的固定的刚度最大，单纯骶骨棒固定的刚度最小。进一步研究发现，骶髂前方接骨板与骶髂螺钉的组合提供了结构稳定性；与此相比，张力带接骨板与骶髂螺钉组合的刚度较差[8]。进而有研究显示，载荷作用下的这种联合固定无法阻止围绕内外侧轴的旋转[4]。与此相反，穿髂棒固定在扭转载荷的作用下表现出较高水平的稳定性[9]。对于不稳定的垂直剪切骨折，穿髂棒和骶髂螺钉的组合优于骶髂接骨板和骶髂螺钉[9]。

2 骶髂铰链式固定

骶髂铰链式固定是一种新的单侧骶髂固定技术，用于控制髂骨翼的上移和旋转，同时保留了轴向活动，且在特定情况下可通过该装置辅助前环损伤的复位[12]。Ilharreborde等[13]对 Type C1和 Type C2型骶髂关节损伤进行生物力学比较研究后发现，骶髂铰链式固定不亚于骶髂螺钉组合（S12枚骶髂螺钉）固定，但均无法恢复正常骨盆的生物力学性能。

3 三角接骨术

三 角 接 骨 术[14,15]适 用 于 不 稳 定 的 经 骶 孔 骶 骨 骨折。它包括下位腰椎椎弓根螺钉和后髂部螺钉并配合骶髂螺钉固定，从而完成三角形的固定。该项技术与标准的骶髂螺钉接骨术比较更具稳定性[14]，有学者使用该项技术对19例患者进行固定，只有1例发生医源性神经损伤[15]。

4 骨盆重建系统

骨盆重建系统由相互连接的平行而横行的棒组成，能够抵抗不稳定的骨盆骨折的垂直循环载荷。Berber等[4]的研究显示，相比骶髂螺钉、张力带接骨板或是两者组合，骨盆重建系统是最稳定的结构，该固定装置显示出维持骨折急性期的复位和利于早期负重的优势，具有较高的临床应用价值。骨盆重建系统的概念包含骶髂螺钉、张力带接骨板、穿髂棒、三角接骨术中关键的生物力学优势，它同样允许剪切载荷穿过该结构并为腰骶枢轴点前方提供固定。Kuklo 等[16]和 Lebwohl等[17]的研究证实附加延长至枢轴点前方的髂内板螺钉使脊柱骨盆固定器械的稳定性显著增大，导致轴向和屈伸失败载荷的增大。

5 骶髂螺钉

骶髂螺钉已成为经皮骨盆后环固定常用的微创技术[18]。其在生物力学性能和临床可操作性方面的优秀表现使之成为骨盆后环固定相关比较性研究的标尺。相比骶髂接骨板和骶骨棒，骶髂螺钉在垂直不稳骨盆骨折的治疗中提供了优秀的生物力学强度。Yinger等[5]的研究认为，2 枚骶髂螺钉以及 1 枚骶髂螺钉和2块骶髂前接骨板的组合是刚度最大的固定装置；1枚骶髂螺钉与1块张力带接骨板（或1～2枚骶骨棒）的组合装置表现出中等水平的固定刚度；骶髂前接骨板尽管在阻止裂缝移位方面的刚度很大，但其抗旋转刚度则小得多。Comstock 等[9]对多个垂直不稳的骨盆环模型进行研究，这些模型中的前环损伤均未进行固定，唯一的骶髂螺钉固定方式是2枚骶髂螺钉均置入S1，2枚骶髂螺钉恢复骨盆约80%的扭转刚度和压缩刚度，该研究同时发现骶骨棒固定不及骶髂螺钉和骶髂接骨板固定。

一项体外骨折模型试验发现，单独1枚螺钉能够恢 复 与 完 整 骨 盆 相 似 的 生 物 力 学 状 态[19]。Simonian等[7]在针对经骶孔的骨折模型的研究发现，1～2 枚骶髂螺钉在控制半骨盆矢状面上旋转的能力方面无明显差别。该研究未对2枚骶髂螺钉中的1枚置入S2的情况进行评估。尚不明确骶髂关节的屈曲是否意味着骶骨在矢状面上的向前旋转或半骨盆的不稳定。Sagi等[20]的研究数据显示，1 枚和 2 枚骶髂螺钉在控制半骨盆旋转或线性移位方面无显著性差异。

另有生物力学实验证明，2枚螺钉可以提供更优的稳定性。Zwienen 等[21]的生物力学研究认为，在完全不稳定的骨盆骨折中第2枚螺钉增加了后稳定性；S1的 2 枚螺钉与 S1、S2的 2 枚平行螺钉固定具有相似的生物力学特征；而与临床研究相结合，S1的 2枚螺钉比 S1、S2的 2 枚平行螺钉固定更加安全。上述均为垂直不稳的骨折模型中得出的结论。Osterhoff等[22]对旋转不稳侧方挤压的骨盆骨折患者进行影像学和临床结果的观察认为，单纯经皮骶髂螺钉固定对于旋转不稳的骨盆骨折的固定是充分的，不愈合率及其它合并症发生率低，为不适合接受开放前环手术的患者提供了一种微创的治疗方式。研究认为只存在旋转不稳患者的骶髂复合体的后部韧带可被推定是完整的，只需对术中看似骨量不充分和（或）根据术前CT扫描发现骨量不充分的患者使用第2枚螺钉，因为2枚螺钉延长了手术时间且增加了神经损伤风 险 ，尤 其在 S2置 入螺 钉 时 更 加 困 难[23]。 赵勇 等[24-26]的 生 物 力 学 研 究 发 现 ，针 对 Tile C 型（DenisⅡ 型）骶骨骨折，无论针对单侧还是双侧骶骨骨折，S1和 S2双层面骶髂螺钉固定组合的稳定性均明显优于 S1或S2单层面骶髂螺钉固定。

经皮骶髂螺钉固定是解决 Tile B 型旋转不稳的适 当 方 法 ，但 对 Tile C 型 骨 折 脱 位 无 法 提 供 早 期 承重。有研究证实，这种结构在低循环载荷下出现早期的固定失败（在只有 50 N 的最大载荷下骨折端发生 12 mm 移位）[4]。这种方式有骶神经受压的风险，可能不适用于闭合复位固定经骶孔的骨折，并且由于骨折内侧的骨储量最小，使得内固定装置的力臂增大。一项检测经皮骶髂螺钉治疗垂直不稳骨盆骨折失败率的研究证实，纵行骶骨骨折合并内固定失败率显著增高[27]。

6 加长骶髂螺钉

加长骶髂螺钉是单枚通过双侧骶髂关节和骶骨体而固定骨盆后环的螺钉[25]，它能够同时解决双侧骶髂关节骨折脱位的固定问题，也适用于初次骶髂螺钉固定失败而需翻修的病例和合并骨质疏松的骨盆后环损伤病例[28]。Tornetta等[29]针对骶骨骨折尸体模型的生物力学研究中，比较标准骶髂螺钉与1枚穿过对侧骶髂关节的加长骶髂螺钉的固定组合和标准的2枚骶髂螺钉固定组合，发现两者的失败模式不同：标准骶髂螺钉表现为切穿骶骨，而加长螺钉表现为弯曲，证明加长螺钉远端的固定更佳，因而推测完整骨盆中有较长的杠杆力臂，并将螺钉-骨界面的失败模式转换为螺钉本身的失败模式，考虑可能对粉碎骨折或非解剖复位等情况有益。赵勇等[30,31]使用有限元的研究方法，以 Tile C 型骨盆损伤作为研究对象，对双侧和单侧骶骨纵行骨折进行固定，研究结果显示加长骶髂螺钉比普通骶髂螺钉固定的稳定性更佳。

骶 骨 不 完 全 骨 折（sacral insufficiency fracture, SIF）发生于严重的骨质疏松患者，可以导致严重的疼痛和功能障碍，传统治疗方式为休息和使用止痛药物。最近的研究证实，骶骨成形术[32]或是螺钉固定[33]能够达到减轻疼痛的目的。骶骨成形术的临床结果显示效果持久[34]，尽管疼痛减轻的机制尚不明确。有限元分析提示，骶骨成形术减小了骨折端的微动[35]。实验室研究显示，骶骨成形术未能达到骶骨的全部强度[19]。Mears等[23]使用骶骨成形术、骶髂螺钉（穿过单侧骶髂关节）、加长骶髂螺钉（穿过双侧骶髂关节）对骨质疏松性骶骨不完全骨折的研究结果显示，所模拟的骨折模型导致骨折端活动度显著增大；三种固定方式的骨折端活动度无显著性差异；所有模型固定之后的活动度均显著小于固定前。上述结果支持微动可能是SIF疼痛的原因，这与三种治疗方式均可有效减轻骨折后疼痛的临床证据相一致[32,33]。

综上所述，随着骨盆相关生物力学研究的逐渐深入，研究方法不断改进，已有多种骨盆后环固定形式及其组合可供临床医师选择和使用。然而，各个实验及观察报告分别使用不同的载荷条件和研究方法来评估其生物力学特征，实验对象和方法的不同导致测量分析结果差异较大，难以对其进行统一的量化比较。我们仅可以通过这些生物力学研究进行大致的比较分析，在一定程度上指导骨盆固定的相关临床工作。此外，传统的生物力学研究方法所需器械复杂、耗材昂贵、样本来源受限，且难以实现标准化，今后的研究应向数字化、标准化方向看齐，借助计算机仿真技术、有限元分析技术等新型研究工具，注重计算生物力学研究与离体生物力学研究相结合，开发、改进或筛选出更贴近临床、更符合生物力学和生理特点的内固定方式，以利于骨科临床实践及相关学科研究更快更深入地开展。

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国家自然科学基金（81301553）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（BS2013SF015）

**通信作者：赵勇，E-mail:nihaoedde@126.com