舟骨骨折螺钉固定的生物力学研究

郭阳 田光磊 田文 姜保国 韩娜

舟骨骨折螺钉固定的生物力学研究

郭阳 田光磊 田文 姜保国 韩娜

目的对于腰部斜形舟骨骨折，通过生物力学试验评价舟骨骨折螺位置居中性与垂直性对螺钉固定强度的影响。方法将 32 例外形、材质相同的舟骨 Sawbone 骨根据螺钉的位置在舟骨内是否居中、与骨折面是否垂直分 4 组：居中并且垂直，居中但不垂直，不居中但垂直，不居中不垂直，每组 8 例，在舟骨腰部作截骨模拟骨折，用螺钉固定。对其中的 1 例 Sawbone 进行 CT 扫描，利用术前设计与手术模拟软件设计骨折模拟平面、螺钉导针位置，用以确定在生物力学实验中骨折平面及螺钉的位置。将螺钉固定后的舟骨置于生物力学试验机平台，测量并比较不同试验组标本固定失效时的最大负荷及位移。结果当螺钉在舟骨内居中且与骨折线垂直时 ( A 组 ) 的最大负荷及位移均值 ( 398.5 N，2.8 mm ) 与螺钉在舟骨内居中固定但与骨折线不垂直时的 ( B 组 ) ( 393.1 N，2.9 mm ) 变化均不大，差异无统计学意义 ( P＞0.5 )；螺钉在舟骨内偏心固定且与骨折线垂直时 ( C 组 ) 的最大负荷及位移均值 ( 348.25 N，3.6 mm ) 与螺钉在舟骨内偏心固定且与骨折线不垂直时 ( D 组 ) 的 ( 342.50 N，3.8 mm ) 的变化均不大，差异无统计学意义 ( P＞0.5 )。这说明螺钉固定强度与螺钉是否与骨折面垂直无关。而舟骨骨折螺钉位置居中性的 A、B 组的最大负荷值均较偏心固定的 C、D 组大，且差异均有统计学意义 ( P＜0.001 )；A、B 组的最大位移值均较 C、D 组小，且差异有统计学意义 ( P＜0.001 )。结论对于舟骨斜形不稳定骨折，将螺钉在舟骨内居中放置可以提供更高的固定强度，与螺钉是否与骨折面垂直无关。

生物力学；内固定；舟骨骨折；腕

对于不稳定的舟骨骨折复位后用空心螺钉固定骨折并行早期活动已经成为一种最常用的治疗方式。然而，螺钉在舟骨内的位置会影响骨折固定的强度。一些学者指出当螺钉的位置在舟骨内居中时，具有生物力学固定优势[1-2]，将它作为首选的固定方式；另外一些医生认为，螺钉与骨折线是否垂直，对固定是否牢固的影响更大，螺钉居中与否区别不大[3-4]。我们利用以前通过螺旋 CT 建立三维舟骨中央区的方法[5-7]，作为判断螺钉是否居中的标准，在 Sawbone 骨上模拟舟骨骨折进行生物力学试验，探讨螺钉在舟骨内的居中性及螺钉相对骨折平面的垂直性这两个因素哪个对固定牢固程度的影响更为重要，以指导临床治疗，现将结果报告如下。

资料与方法

一、舟骨材料

本研究共 32 例舟骨 Sawbone 骨 ( 购买 pacific research labs，Washington，USA )，质地、强度、外观形态相同，均为左侧。在对舟骨腰部进行截骨模拟斜形骨折，用空心钉固定后，使用生物力学仪器对骨折固定的牢固程度进行评价。评价参考的指标为固定发生失效时的最大负荷和最大位移。

二、Sawbone 骨的 CT 数据计算

由于舟骨的体积较小，如何确保在生物力学试验时螺钉在舟骨内的居中性以及螺钉与骨折平面垂直性的精确度是试验成功与否的重要前提。我们通过利用 Sawbone 骨的 CT 数据，以计算机辅助设计计算骨折面的位置及螺钉的轴线。首先对带有标记线的 Sawbone 舟骨进行 CT 扫描[7]，条件：电压120 KV，电流 100 mA，扫描 0.4 s，视野 225.0 mm，层厚 0.5 mm，矩阵 512×512。应用手术计划和模拟系统软件 VxWork 4.0 接收 CT 扫描所获 DICOM数据，借助 VxWork 软件中的 Erode 功能建立舟骨的“中央区”，此中央区是判断螺钉是否居中的标准[5]( 图1 )。在舟骨腰部取一平面，作为斜形骨折平面。在舟骨 Sawbone 两极的嵴上开槽，用胶水将显影线粘好。

图 1 对一个舟骨进行 CT 扫描，在软件中建立舟骨的中央区Fig.1 The central zone was established in the software after the CT scan of 1 scaphoid

三、实验分组

实验分为 A、B、C、D 共 4 组，分组的依据为螺钉在舟骨内是否居中以及与截骨面是否垂直( 表1 )。将扫描得到的 Sawbone 骨的 CT 数据导入VxWork 软件，行术前设计。A 组：将螺钉的轴线沿舟骨腰部中央区放置并与截骨面垂直，此时螺钉同时具有居中性及垂直性。B 组：将螺钉轴线沿舟骨腰部中央区放置但与截骨面不垂直，有一定成角，方向自舟骨结节至舟骨近极。此时螺钉舟骨内居中，但与骨折面的垂直性差。C 组：将螺钉的轴线放置于舟骨腰部中央区的桡侧，但与骨折面垂直，即螺钉的居中性差，但与骨折面的垂直性好。D 组：螺钉的轴线沿舟骨腰部中央区桡侧放置，且不与截骨面垂直。在软件内利用三维测量功能记录截骨面及螺钉轴线在舟骨两端的出、入点与显影线的相对距离，以确保在 Sawbone 骨上作截骨、打入空心钉进行固定与在软件上设计的位置相同 ( 图2A～D )。

表1 分组与骨折的位置及螺钉是否在舟骨内的关系Tab.1 The specimens were divided into 4 groups according to the positions of the fracture plane and the screw

四、截骨与螺钉固定

根据术前设计确定的螺钉轴线在舟骨远、近端的出、入点，在螺钉导向器的辅助下，将导针以计算好的出、入点打入舟骨。用手动微型锯根据设计的截骨面对 Sawbone 骨进行截骨模拟骨折，之后将骨折复位，以拇、示指拧入合适长度的空心钉( 3.0 mm，Synthes )，对每组的一个舟骨用 CT 扫描确定螺钉与截骨面的位置。

图 2 a：舟骨轴线居中放置；b：舟骨轴线放置不居中；c：舟骨螺钉与骨折面垂直；d：螺钉与骨折平面不垂直Fig.2 a: The screw axis was placed centrally in the scaphoid; b: The screw axis was not placed centrally in the scaphoid; c: The screw axis was perpendicular to the fracture plane; d: The screw axis was not perpendicular to the fracture plane

五、生物力学测量

将舟骨近端用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) 固定，然后再固定到可与生物力学实验机平台相连接的铁质基座上，舟骨近端沉入 PMMA 的距离不能高于骨折平面。舟骨与水平面的夹角控制在 45°，模拟生理状态下腕关节中立位时舟骨的高度，使用生物力学试验机测试螺钉对舟骨固定的强度 ( 图3 )。将舟骨-基座置于试验平台，液压传感器置于舟骨远极，施加垂直方向的压力，模拟舟骨在生理状态下承受的自背-掌方向的负荷。传感器向下移动的速度设定为 1 mm / min，施加的负荷不断增大，直至骨折部位固定失效。我们用个人电脑及专业软件测量最大负荷及失效时发生的位移。

六、样本量估算及统计学处理

根据文献资料 [7-10]，每组的样本量为 8 例。考虑到舟骨 Sawbone 骨本身材质几乎无差异，得到的力学数据应为正态分布，因此用方差分析 ( Spss 11.0 比较最大负荷及位移 ) 检验差异有无统计学意义。

图 3 将舟骨近端用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) 固定，与水平面的夹角控制至 45°Fig.3 The proximal pole of the scaphoid was fxed into Polymethyl Methacrylate ( PMMA ) at 45° to the horizontal plane

结 果

所有样本内固定失效的模式均为空心钉在舟骨内的移动，即钉-骨交界的骨折，骨折远端沿骨折平面出现滑动。实验后检查空心钉，没有 1 例发生弯曲变形。A、D 两组使用的空心钉在舟骨近极居中，长度为 30 mm。B、C 两组使用的空心钉在舟骨远极居中，长度为 28 mm。生物力学实验结果显示，当螺钉居中时，固定后承受的最大负荷及最大位移与骨折平面是否垂直无关 ( A / B )，最大负荷及最大位移的差异均无统计学意义 ( P＝0.889、P＝0.789 )；当螺钉不居中时，螺钉固定后承受的最大负荷及最大位移也与骨折平面是否垂直无关( C / D )，最大负荷及最大位移的差异均无统计学意义 ( P＝0.692、P＝0.638 )。无论螺钉与骨折面垂直或不垂直，螺钉居中组与螺钉不居中组的最大负荷及最大位移相差明显，螺钉位置居中的 A、B 组的最大负荷值均较偏心固定的 C、D 组大；A、B 组的最大位移值均较 C、D 组小：A 组与 C 组比较，最大负荷及最大位移的差异有统计学意义 ( P＜0.001、P＜0.001 )；A 组与 D 组比较，最大负荷及最大位移的差异有统计学意义 ( P＜0.001、P＜0.001 )；B 组与 C 组比较，最大负荷及最大位移的差异有统计学意义 ( P＜0.001、P＜0.001 )；B 组与 D 组比较，最大负荷及最大位移的差异有统计学意义 ( P＝0.001、P＝0.001 ) ( 表2 )。

表2 实验各组固定后承受的最大负荷及最大位移 (±s )Tab.2 The maximum load and displacement after the fixation in different study groups (±s )

表2 实验各组固定后承受的最大负荷及最大位移 (±s )Tab.2 The maximum load and displacement after the fixation in different study groups (±s )

组别 最大负荷 ( N ) 最大位移 ( mm ) A 组 398.50±18.68 2.80±0.5 B 组 395.10±16.18 2.91±0.5 C 组 348.25±16.36 3.62±0.7 D 组 342.50±15.62 3.80±0.6

讨 论

对于有移位的新鲜舟骨骨折以及陈旧不愈合骨折以空心螺钉固定可以缩短制动时间，缩短骨折愈合时间，提高骨愈合率。影响内固定强度的因素有：舟骨骨质情况、骨折面自身形态、骨折是否解剖复位、内固定物的选择及手术的操作技术，例如放置螺钉是否在舟骨内居中，螺钉与骨折线是否垂直，螺钉是否足够长等。舟骨的骨质情况以及骨折面情况医生无法控制，而手术中的操作技术近年来一直是手外科的热点话题。不少学者认为将螺钉在舟骨内居中放置可以缩短骨折愈合时间，提高愈合率，缩短制动时间，从而改善腕关节活动[1-2,10]。因此将螺钉的居中作为最重要的操作，甚至不惜切除部分大多角骨[10-11]；而有些学者认为，舟骨螺钉的中置化并不是必须的，更不应该以牺牲舟-大多角骨关节的完整性作代价。对于舟骨腰部骨折，避开大多角骨，打入与骨折线垂直的螺钉，此时螺钉虽不居中，但其固定强度也足够[3-4]；还有学者认为只要舟骨螺钉完全置于舟骨内加压固定即可，实际上并不用考虑舟骨螺钉的居中性。

本次生物力学试验的主要目的，是评价对于一个舟骨腰部的斜形骨折，术者选择固定螺钉在舟骨内的位置对固定强度的影响。我们试图解答以下几个问题：( 1 ) 螺钉在舟骨内居中且与骨折面垂直是否具有生物力学固定优势，成为最为理想的固定位置；( 2 ) 对于不同骨折线的形态，受到术中操作的影响，如果不能达到最理想的固定位置，是将螺钉在舟骨内居中放置，还是选择与骨折面垂直？如二者仅可取其一，如何选择？本实验结果看来，使螺钉在舟骨居中固定应该是最好的选择。就生物力学测定方法而言，类似的试验在以前有过报告，我们在测量的基本方式沿用了其他人的研究方法[1,8-9]。不同之处是我们对螺钉在舟骨内是否居中的判断方法与以前不同。一直以来，由于舟骨形态比较复杂，居中的判断并无明确、统一的标准[12]；在 X 线片上的划线测量重复性较差。对舟骨这样一个外形轮廓极不规则的短、小骨，如果螺钉居中性的判断不明确，那么螺钉的位置对固定的影响就无从谈起。我们对居中的判断，就是通过以前报告过的 CT 三维重建的方法[5-6]，在软件中导入舟骨的 CT数据，通过计算建立中央区，如果导针轴线位于此中央区内，螺钉即认为在舟骨内居中，所有步骤均为电脑程序计算，精确度和重复性较之前的方法更高。我们认为，用准确度高的方法对螺钉在舟骨内是否居中进行精确的判断，是此类生物力学试验成功与否的基础和关键步骤。

本次实验的结果对临床有一定的指导意义。首先证实了，在可能的情况下，使螺钉在舟骨内居中并与骨折线垂直对固定的牢固程度是有意义的；另外，实验中很好地显示了导针在舟骨上的出入点，由于舟骨的体积比较小，螺钉居中或不居中、与骨折线垂不垂直，其入针点间的差距很小，约2.0～2.5 mm，这提示临床医生的术中操作要特别精细，变换导针入针点时幅度要在 2 mm 以内即可。同时应注意到，本次实验的骨折模型为腰部的短斜形骨折，对于沿舟骨沟的长斜形骨折，本次实验的结果是否也同样适用，值得进一步探讨。

本研究采用 Sawbone 替代舟骨的解剖标本，是考虑 Sawbone 的材料、结构、外形的同一性，但Sawbone 材料的生物力学特性与真正的骨标本不同，试验操作需要一些技巧。例如，固定 Sawbone 所用 PMMA 在固化过程中会产生高温，损坏 Sawbone骨，因此需要在固定时进行降温操作；Sawbone 骨的结构致密性较差，在打入空心钻以及拧入螺钉时，不能施加太大压力，更不能频繁变换导针位置，以免造成固定失效。

我们在试验的自身局限性上并无较大突破。首先，没有考虑舟骨附着的韧带和软组织对固定方式的影响；其次，施加的负荷为单次单向负荷，与生理状态下的实际负荷有差距；最后，模拟骨折的截骨面为简单骨折，不能完全代表实际骨折时可能出现的骨折粉碎或骨量缺损的可能。

[1] Trumble TE, Gilbert M, Murray LW, et al. Displaced scaphoid fractures treated with open reduction and internal fixation with a cannulated screw. J Bone Joint Surg Am, 2000, 82(5): 633-641.

[2] McCallister WV, Knight J, Kaliappan R, et al. Central placement of the screw in simulated fractures of the scaphoid waist: a biomechanical study. J Bone Joint Surg Am, 2003, 85-A(1):72-77.

[3] Luria S, Hoch S, Liebergall M, et al. Optimal fxation of acute scaphoid fractures: finite element analysis. J Hand Surg Am, 2010, 35(8):1246-1250.

[4] Luria S, Lenart L, Lenart B, et al. Optimal fxation of oblique scaphoid fractures: a cadaver model. J Hand Surg Am, 2012, 37(7):1400-1404.

[5] 郭阳, 田光磊, 姜保国, 等. 舟骨中央区在舟骨螺旋CT影像中的确立与舟骨螺钉居中位置的选择. 北京大学学报(医学版), 2011, 43(5):686-689.

[6] Guo Y, Tian GL. The length and position of the long axis of the scaphoid measured by analysis of three-dimensional-reconstructions of computed tomography images. J Hand Surg Eur Vol, 2011, 36(2):98-101.

[7] 郭阳, 田光磊, 姜保国, 等. 舟骨骨折的螺钉居中固定: 生物力学试验. 北京大学学报(医学版), 2013, 45(5):684-687.

[8] Shaw JA. A biomechanical comparison of scaphoid screws. J Hand Surg Am, 1987, 12(3):347-353.

[9] Newport ML, Williams CD, Bradley WD. Mechanical strength of scaphoid fxation. J Hand Surg Br, 1996, 21(1):99-102.

[10] Merrell G, Slade J. Technique for percutaneous fixation of displaced and nondisplaced acute scaphoid fractures and selectnonunions. J Hand Surg Am, 2008, 33(6):966-973.

[11] Geurts G, van Riet R, Meermans G, et al. Incidence of scaphotrapezial arthritis following volar percutaneous fixation of nondisplaced scaphoid waistfractures using a transtrapezial approach. J Hand Surg Am, 2011, 36(11):1753-1758.

[12] Slade JF 3rd, Grauer JN, Mahoney JD. Arthroscopic reduction and percutaneous fixation of scaphoid fractures with a novel dorsal technique. Orthop Clin North Am, 2001, 32(2):247-261.

( 本文编辑：李贵存 )

第八届上海国际骨科前沿技术与临床转化学术会议通知

由中国工程院医药卫生学部、上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心共同主办的第八届上海国际骨科前沿技术与临床转化学术会议将于 2014 年 5 月 17～18 日在上海召开。

会议地点：上海光大国际大酒店 ( 徐汇区漕宝路66 号 )

会议注册：登录 www.orthsh.com 网站，网上报名注册

2014 年 5 月 10 日前注册：900 元 / 人 ( 含学分证书 )

2014 年 5 月 10 日后及现场注册：1200 元 / 人 ( 含学分证书 )

联系方式：

( 1 ) 上海制造局路 639 号，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科

电话 / 传真：021-63139920

E-mail：91guke@163.com

( 2 ) 会议注册、厂商参展及赞助：上海瑞欧展览服务有限公司

电话：021-52665618

传真：021-52668178

E-mail：realexpo@sh163.net

联系人：汤老师、黄老师

A biomechanical test study of screw fixation for scaphoid fractures

GUO Yang, TIAN Guang-lei, TIAN Wen, JIANG Bao-guo, HAN Na. Department of Hand Surgery, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC

ObjectiveTo evaluate the effects of the middle and vertical positions of the screw on the fxation stability in the treatment of oblique scaphoid fractures using biomechanical testing.MethodsOblique osteotomies for 32 sawbone scaphoids that were identical in the shape and texture were designed, and each specimen was fxed with a screw. According to the positions of the screw and the fracture plane, sawbone scaphoids were divided into 4 groups. In group A, the screw was perpendicular to the fracture plane and was central in the scaphoid. In group B, the screw was not perpendicular to the fracture plane and was central in the scaphoid. In group C, the screw was perpendicular to the fracture plane and was eccentric in the scaphoid. In group D, the screw was neither perpendicular to the fracture plane nor central in the scaphoid. There were 8 cases in each group. The Computed Tomography ( CT ) scan was performed on 1 specimen, and the positions of the osteotomy plane and the screw guide pin were designed in biomechanical testing using the preoperative planning and the surgery simulation software. The specimen was placed under the increasing load of a pneumatically driven plunger to measure and compare the maximum load and displacement at fixation failure among the study groups.ResultsThe average maximum load and displacement were ( 398.5 N, 2.8 mm ) in group A, ( 393.1 N, 2.9 mm ) in group B, ( 348.25 N, 3.6 mm ) in group C and ( 342.50 N, 3.8 mm ) in group D, and the differences both between group A and Group B, group C and group D were not statistically different ( P＞0.5 ). It was illustrated that whether the screw was perpendicular to the fracture plane or not was irrelevant to the stability of the screw fxation. The maximum load in group A and group B was greater than that in group C and group D, and the differences between them was statistically different ( P＜0.001 ). The maximum displacement in group A and group B was smaller than that in group C and group D, and the differences between them was statistically different ( P＜0.001 ).ConclusionsIn this biomechanical test study of unstable oblique scaphoid fractures, it is shown that higher stability of fxation can be achieved with the screw placed centrally in the scaphoid, and the stability has nothing to do withwhether the screw is perpendicular to the fracture plane or not.

Biomechanics; Internal fxation; Scaphoid fracture; Wrist

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.04.014

R681.7

100035 北京积水潭医院手外科 ( 郭阳，田光磊，田文 )；100044 北京大学人民医院创伤骨科，北京大学交通医学中心 ( 姜保国，韩娜 )

2014-01-16 )