外固定支架参数监测及其与骨折愈合的关系

方 斌 燕好军 杨海韵 梁伟春

1.上海杨浦区中医院，上海 200090； 2.广东佛山中医院，广东 佛山 528000

骨折局部的力环境变化对骨折愈合有着重要的作用[1]。在骨折固定过程中，应力引起固定器械力学变化，同时应力引起骨折端适度的微动可以刺激骨痂生长，促进骨折修复，但不当的力学刺激会影响固定器械的稳定，影响骨折端骨痂的形成[2]。通过观察骨折愈合不同时期应力所产生的骨折端微动，认识到骨桥形成后适当的微动有利于促进骨折愈合并加速骨的塑形，但是早期不当的应力刺激引起骨折端的活动不利于愈合。也注意到过早负重引起的不良应力变化会影响固定器械的稳定性，影响骨折的愈合，因为不良的应变会引起骨折块明显移位或引起硬骨痂的再骨折[3]。

本研究基于以往的基础研究上，结合临床，采用压力传感器和电子信息技术，通过监测外固定支架肌肉动力- 弯矩线性关系的斜率，探讨应力环境下，骨折愈合不同时期，外固定支架力学变化与骨折愈合关系，避免骨折愈合和固定不良情况的发生，提高骨折修复率，甚至实现从生物力学角度观测骨折愈合情况。

1 资料与方法

1.1 一般资料

全组15例，男性11例，女性4例；年龄18～65(46.5±12.3)岁。全部为胫骨开放性骨折，交通事故伤6例，自行跌倒9例；其中胫骨上段骨折3例，中段骨折8例，下段骨折4例；按骨折线分类：横形3例，短斜形7例，粉碎性骨折5例。Gustilo和Anderson分型为Ⅰ型和Ⅱ型。

1.2 材料与方法

采用夏和桃式小腿单侧不锈钢普通外固定支架(由北京骨外固定技术研究所研发生产)固定(如图1所示)。手术方法：在助手拔身牵引，远端内外旋转下，利用骨折远端对近端原则，避免成角及旋转移位，最大程度恢复骨折对位对线。维持骨折对位对线，于骨折近、远端平行各钻2孔，皮质骨处拧入直径4.5 mm螺纹钉，松质骨处拧入4.5 mm的骨圆针，然后上连接杆装架固定，调整残留移位。术后抬高患肢，行抗炎、消肿和活血化瘀等治疗，支架全部装在胫骨内前方。术后1天开始进行踝关节屈伸和股四头肌收缩锻炼，待伤肢消肿后，可适当增加膝关节屈伸锻炼。

图1 外固定支架示意图

1.3 监测方法

压力传感器(如图2所示)安装于外固定支架纵行连接杆中点处，肌肉活动时，传感器传出的信号放大后由计算机相连接的接收器接收，并通过波形表现出来，肌肉动力与弯矩同步采集，以X- Y函数记录表示，并计算出其斜率。压力传感器由中国中医研究院骨伤科研究所提供，肌力传感器专利号：ZL92 Z 04390.6，卡式骨圆针变形传感器专利号：ZL00201477.7。

图2 压力传感器实物图

1.4 统计学方法

2 结 果

15例患者均获随访，每周末测量1次，随访时间1.5～2个月。

2.1 术后1～7周肌肉动力

术后1～3周，随着患肢肿胀消减，疼痛减轻，肌肉动力逐渐加大；3周后，肌肉动力基本恢复正常，肌肉动力逐渐平稳。术后1～7周肌肉动力分别为(2.71±0.45)，(5.92±0.77)，(13.50±1.13)，(13.56±1.08)，(13.12±0.87)，(13.10±0.66)，(13.17±0.51) kg。

2.2 术后1～7周支架弯矩

术后早期随着肌肉动力的加强，于此同时，血肿尚未机化，原始骨痂尚未形成，支架弯矩变化逐渐增大，3周时弯矩变化最大；4周后随着血肿机化，原始骨痂的形成，骨折端逐渐稳定，在相同的肌肉动力下，支架弯矩逐渐减少，直至稳定。1～7周支架弯矩分别为(0.24±0.05)，(0.77±0.17)，(2.65±1.16)，(1.05±0.41)，(0.46±0.11)，(0.20±0.03)，(0.14±0.02) n·m。

2.3 术后1～7周肌肉动力- 弯矩线性关系的斜率变化

术后前3周，随着时间的延长，肌肉动力的增强，支架形变增大，斜率显著增大，与前1周比较，差异具有统计学意义；术后4～5周，骨折端微动逐渐减小，支架形变开始变小，斜率开始逐渐减小，与前1周比较，差异具有统计学意义；术后6～7周，骨折端逐渐偏于稳定，支架形变微小，与前1周比较，差异无统计学意义。具体见表1。

表1 术后1～7周肌肉动力- 弯矩线性关系的斜率变化

注：t值、P值均为与前1周比较。

3 讨 论

骨折修复过程中遵循的生物力学原理是：充分利用功能活动下的力学状态去促进骨修复，避免去干扰甚至破坏骨应承受的力学状态[4]。弹性固定时，应力作用于骨折端，断端产生位移，骨折固定物也发生一定的力学变化，将这一观点应用在临床，尤其是应用于外固定架治疗骨折时，可使外固定架成为可控制骨折处运动幅度和力量的固定器械[5]。

通过对固定后骨折断端应力变化分析可以监测骨折的愈合程度，因为在骨折愈合之前固定物需承受较大应力[6]，随着骨折愈合的进展，骨痂强度增强，分担越来越大的应力，内植固定物或外固定器承受的应力逐渐减小，形变也随之减少[7]。骨科界一直期望对应力状态下骨折固定物的力学变化作出定性或定量的描述。我们尝试通过力学传感器和计算机电子系统，监测骨折愈合过程中外固定系统受力学影响相关指标的变化，探讨外固定支架力学变化与骨折愈合的关系。

本研究我们观察到：术后1周，由于局部软组织受损及手术创伤刺激，局部处于创伤性炎症反应期，伤肢肿胀疼痛，功能锻炼及肌肉活动少，骨折端的应力刺激小，相应断端位移小，支架应力较小，肌肉动力- 弯矩线性关系的斜率为0.41±0.06。术后2周，随着炎症反应期消退，疼痛随之减轻，肢体活动度增大，而血肿尚未完全机化，骨折端位移也随之增大，外固定支架形变增大，斜率为0.86±0.12，与第1周相比，差异有统计学意义(P<0.01)。术后3周，血肿机化，纤维性骨痂生长，骨折端部分连接，但尚未形成骨性骨痂，骨折端稳定性仍不牢固，而同时肌肉活动能力明显增强，肌肉活动力量大部分通过支架传导，外固定支架应变明显增大，斜率达到2.84±0.30，显著大于第2周(P<0.01)。术后4周，骨折愈合进入软骨痂期，外骨痂形成明显，而肌肉活动力量大致与第3周相当，肌肉活动力量的传导由骨折端连接骨痂和外固定支架共同完成，支架的形变明显减小，斜率为1.44±0.21，较第3周明显减小(P<0.01)。术后5周，随着骨性骨痂和内骨痂的生长，骨折端的连接更加牢固，稳定性进一步增强，肌肉活动时力量的传导很大一部分转移至骨折端，大致相同肌肉力量活动下外固定支架上的应力传导明显减少，支架形变更小，支架稳定，斜率降至0.11±0.01。术后第6、7周，斜率为0.10±0.02和0.09±0.02，斜率基本不再变化，与第5周相比，差异无统计学意义(P>0.05)。

综上所述，功能活动状态下，应力通过骨折端和外固定的传导，骨折端产生微动，并使外固定发生弹性形变，大约4周内，骨折端尚不稳定，外固定器械受力明显，功能活动要适当，应力刺激不宜过大，避免骨折端过多的活动和外固定器械过度的变形，从而影响骨折愈合和固定的可靠性。4周以后，骨折端骨痂形成明显增多和增强，力的传导逐步由支架的传导过渡到支架和骨痂共同传导，功能活动可适当增大，刺激骨折端应力产生微动，促进骨痂形成，但仍需兼顾外固定的稳定性，避免引起骨折固定失败。7周以后，骨性骨痂力学强度的进一步增强，支架上力的传导基本已转移至骨上，支架稳定。此时可加大功能锻炼的范围，避免应力遮挡，应力刺激更有利用于骨折的愈合和肢体功能的恢复。这与强调生物力学固定的BO观点一致，且普遍为大家所认可，这种观点不是一味追求解剖复位及坚强固定，而是提倡骨折的弹性固定方式[8]；且很多临床研究也认为，骨折早期需要静力固定，但骨折愈合到一定程度后，可改为动力固定，具有一定的生物学特性[9]。

因此，我们认为观察骨折愈合不同时期固定物的力学变化，有助于科学的指导术后的康复训练，既能保证骨折端有一定的力学传导，促进骨折愈合，又可维护固定器械的生物力学稳定性，避免产生不利于骨折愈合和固定物稳定性的过量活动，甚至有望从生物力学角度实现对骨折愈合程度的监测。