基于锁定钢板形态构建股骨近端骨折外固定架三维模型的研究

【作 者】蒋奎娄，申倩，袁毅，陈贵全

1 西南医科大学 体育学院，泸州市，646000

2 武警陕西总队医院 门诊部，西安市，710000

3 西南医科大学附属中医医院 骨伤科，泸州市，646000

4 西南医科大学附属中医医院 针灸推拿康复科，泸州市，646000

0 引言

随着社会老龄化的发展，股骨近端骨折（proximal femoral fracture，PFF）发病率逐渐上升，一项研究提出预计到2050年，全球髋部骨折人数将达到450万，导致的并发症问题将耗费大量医疗资源[1]。除了降低跌倒风险，手术治疗已成为骨折之后首选治疗方式，目前主要有四种手术治疗方式：髋关节置换术、髓内固定、髓外固定及外固定架固定[2-3]，前三种治疗方式均有不同程度骨、软组织破坏，对于麻醉不耐受、身体综合情况差及深静脉血栓等患者存在较高手术风险，并易引发多项术后并发症，延长患者康复周期。外固定支架在术中出血量少、骨折愈合时间更短，可进行早期肢体活动，术后D-二聚体水平及凝血功能不受影响[4-5]，具有较好的康复效果。不过，传统的外固定架固定仍有一些不足之处，如透视时间较长，内植物松动、稳定性欠佳及安装烦琐。因此，通过研制内固定锁定钢板形态的外固架解决上述问题具有重要意义。

1 三维构建外固定架

1.1 实验思路与方法

构建外固定架三维模型之前，使用标本进行实验，探寻内固定形态外固定架制作思路。首先将锁定钢板置于皮肤表面（股骨粗隆外2 cm），使用导针固定钢板两端，按照127°颈干角及10°前倾角在钢板近端通过套管植入三枚3.0导针，将三枚锁定空心螺钉拧入锁定孔，随后将钢板远端三个锁定孔用同样的办法拧入螺钉。因钢板近端三个螺纹孔具有颈干角和前倾角，此时钢板已与股骨牢固固定，不能外移。股骨近端锁定钢板外移呈外支架的模拟实验操作，如图1所示。

图1 股骨标本实验Fig.1 Femur specimen test

外移钢板成支架可采用两种方法：一是将钢板分为上下两个部分，将上下两块钢板分别固定在皮肤外5 cm，以连接杆使二者相连（见图2）。二是将内固定锁定钢板改为具有10°前倾角的弯曲型钢板，该钢板分为近端、远端两个部分，但不需要连接杆连接。第一种方法实际操作较为烦琐，且使用连接杆固定会导致稳定性受到一定影响。第二种方法相对简易，但因钢板近端锁定孔存在颈干角的影响，钢板在外移过程中，钢板同时需要向远端移动，然而钢板远端具有三枚螺钉固定不能向外移动，于是进一步提出钢板远端锁定孔带有直径2.0 mm导针可滑动的凹槽设计，并设计固定器进行临时固定导针（见图3）。综上所述，外固定架设计的思路及模型（见图3、图4）：①钢板近、远端各有一个供固定针打入的固定孔，近端另有三个供螺钉拧入的平行锁定孔，三孔呈“▽”形状并有127°颈干角，远端也另有三个平行锁定孔，三孔呈“丨”形排列，螺钉拧入方向与股骨干垂直（见图5B）；②钢板形态与股骨解剖形态相吻合；③钢板中段形成10°夹角，整体厚6 mm；④钢板远端固定孔与锁定孔通过凹槽相连，带螺纹的组合克氏针可在其中滑行，可用六边形固定器随时固定，实现钢板灵活移动和临时固定。

图2 可外移的内固定钢板Fig.2 Mobile internal fixation plate

图3 槽型设计及临时固定器Fig.3 Linear groove design and temporary fixator

图4 外固定架3D视图及参数Fig.4 3D views and parameters of external fixator

图5 解剖形状外固定架Fig.5 Anatomically shaped external fixator

1.2 形态与参数

1.2.1 股骨模型参数

使用软件UG NX 10.0对上述实验存在问题及预形成的钢板形态、参数进行三维模型展现。设计股骨三维模型，模型参数选取国内学者汪轶平等[6]使用自主研发的Femeter软件对30例股骨标本的测量值范围：股骨颈长度为47 mm、颈干角为127o、前倾角为10o、偏心距为40 mm、股骨头半径为24 mm、大转子与小转子的距离为59 mm、股骨总长为428 mm[7-8]，如图6所示。

图6 外固定架3D视图Fig.6 3D views of external fixator

1.2.2 外固定架3D模型及参数

（1）外固定架近端保留股骨近端解剖型钢板的弧形C，以贴合大转子解剖结构（见图5A）。

（2）钢板总长19.0 cm，宽3.3 cm，厚6.0 mm，近、远端分别长9.5 cm并成10o夹角（前倾角）。

（3）钢板近端设计有一个固定孔和三个锁定孔，四孔直径6.5 mm，螺纹均设计有127o颈干角，四孔可拧入直径6.5 mm全螺纹空心锁定螺钉。固定孔位于近端上面，中心距钢板顶端1.0 cm，其下方1.65 cm处为三个锁定孔，呈倒“品”字排列，三孔中心之间的距离为1.5 cm、1.5 cm、2.1 cm。

（4） 钢板远端同样有一个固定孔和三个锁定孔，孔直径5.0 mm，四孔可拧入直径5.0 mm全螺纹空心锁定螺钉，螺钉与钢板垂直角度拧入。固定孔位于远端下面，孔中心距离钢板底端1.0 cm，其上方1.5 cm处有三个锁定孔，呈纵行排列，三孔之间孔心距1.5 cm，固定孔与三个锁定孔有镂空的凹型槽连接，其宽2.0 mm，长5.0 cm。

（5）设计带有半螺纹的直径2.0～3.0 mm组合克氏针作为钢板远端定位使用（见图6B），同时设计带螺纹的直径7.0 mm六边形空心螺钉，中空直径2.0 mm。

3 外固定架实际操作思路与流程

（1）术前准备，患者仰卧位，患侧腰臀部置入15～20 cm软垫，暴露患侧髋外侧。

（2）闭合复位骨折断端，确保骨折断端对位对线。

（3）使用内固定钢板的解剖形态进行定位，将钢板近端固定孔A置于股骨粗隆下7.5 mm处，把直径5.0 mm套管拧入钢板近端固定孔A中，将直径3.0 mm导针内套管插入直径5.0 mm套管内，把直径3.0 mm克氏针a经3.0 mm内套管钻入股骨粗隆下以完成钢板近端固定，使用另一枚直径2.0 mm 克氏针b以同样方法经钢板远端固定孔B钻入股骨干，完成钢板远端固定，X线透视，判断定位是否准确。因钢板远端固定孔具有凹槽与固定器设计（见图6），所以当上述方向未平行可将钢板近端克氏针取出后，将钢板向近端移动合适距离，再以同样方法将近端克氏针钻入股骨粗隆下，经过透视，骨折复位良好且克氏针方向与股骨颈方向基本平行，即可进行下一步操作。

（4）将直径5.0 mm套管拧入钢板定位孔下方的锁定孔中，把直径3.0 mm导针内套管插入直径5.0 mm套管内。

（5）再将3.0 mm导针经3.0 mm内套管钻入股骨，进行透视观察骨折复位及导针方向无误后，测量3.0 mm导针钻入股骨内长度。

（6）根据3.0 mm导针钻入深度，用钻头限位器调节5.0 mm限位中空钻头的深度，套于3.0 mm导针进行钻孔至限位器深度，取出钻头。

（7）剩余两个锁定孔按同样的方法进行钻孔，待钢板近端三个锁定孔钻孔完毕，取出3.0 mm内套管，根据三枚导针分别钻入的深度选择合适长度的直径6.5 mm全螺纹空心锁定螺钉，将螺钉均拧入钢板锁定孔内至导针钻入深度。

（8）此时可将钢板向股骨外侧及远端移动，直到钢板距离皮肤表层5 cm距离左右（同时固定钢板远端的克氏针会沿卡槽近端移动），拧紧以上三枚螺钉至与锁定钢板结合。

（9）在钢板远端固定孔B重新打入一枚直径2.0～3.0 mm组合克氏针c（一端直径2.0 mm，另一端直径3.0 mm）进行固定并将之前向近端移动的克氏针b取出。

（10）按照以上三枚螺钉的植入方法，将钢板远端中直径5.0 mm的全螺纹空心锁定螺钉拧紧加压（见图5B）。

（11）将所有导针取出，对空心螺钉进行封孔，消毒。

4 讨论

4.1 股骨近端骨折空心螺钉的排列方式与生物力学

股骨头坏死是股骨近端骨折非常棘手的问题，股骨颈骨折后固定方式的选择对股骨头血液循环影响很大，章猛奇等[9]认为高质量的骨折复位及固定措施能保护股骨头血供，可有效防止应力性坏死。目前股骨近端骨折的空心螺钉固定方式以2枚、3枚、4枚空心螺钉等三种类型为主。在2枚、3枚螺钉固定研究上，有研究者认为2枚螺钉对股骨颈的破坏更小，操作更方便，因此更具有优势，也有研究者认为当Pauwels角度小于等于50°时，两种螺钉固定股骨颈骨折无明显差异[10]，但在Pauwels角度较大时使用3颗钉固定更具有抗压力[11-12]。在3枚、4枚螺钉固定方面的研究，殷浩等[13]用有限元分析3枚正三角排列的空心螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折同4枚空心螺钉固定进行对比，有限元模型应力分别为436.6 MPa及227.2 MPa，3枚螺钉固定应力更为分散。程培焱使用不同数量及不同排列的螺钉固定不同Pauwels分型的股骨颈骨折，力学分析发现不同 Pauwels 分型中，4枚螺钉在压力作用下发生的骨折断端移位较3枚螺钉小[14]，但4枚螺钉对股骨颈的血供破坏较大，一定程度增加了股骨头坏死。AUGAT等[15]认为4枚螺钉并不能提供较好致的生物力学性能，这可能是由于螺钉插入孔削弱了外侧壁导致的。总的来讲，2枚螺钉固定虽然破坏小、手术时间缩短，但是固定的牢固性还有较多局限，而4枚螺钉虽有较好的稳定性，但骨质破坏较多，易减少断端血供，而采用三枚螺钉可保证固定牢固的同时，减少组织损伤。

三枚空心螺钉排列方式颇具争议，大致分为正三角和倒三角排列两种。有研究认为倒三角形更能分散压力，王雪飞等[16]使用不同结构排列的三枚空心螺钉固定股骨标本，发现等腰倒三角形排列的螺钉抗压及最大垂直载荷能力都大于等腰正三角形。还有研究发现，在分散压力方面3枚倒三角螺钉强于正三角形[14]。YANG等[17]研究发现使用倒三角形和正三角形的螺钉固定股骨颈囊内骨折，结果使用倒三角结构的螺钉增加了断端联合率。大多数研究认为倒三角的螺钉排列更能抵抗剪切力，而在正三角排列方面，尽管《骨科手术学》与《坎贝尔骨科手术学》都提倡使用正三角排列的方法，但股骨颈骨折断端上方承受的更多为张应力，断端下方更多为压应力，骨折固定应当把张应力尽可能转换为压应力，因此采用2枚螺钉抵抗上方更大的张应力，用1枚螺钉在下方抵抗压应力，更能实现断端的压力平衡。基于以上原理，本研究的股骨近端骨折外固定架采用三枚空心螺钉设计，既增加断端稳定性，又减少血供破坏。

4.2 内固定形态外固定架的适用性及优势

内固定形态外固定架是股骨近端锁定钢板与传统外固定架结合的骨折治疗器械模型，是使用内固定锁定钢板优良的稳定性与解剖定位，又将内固定钢板置于体外的一种尝试。有研究表明，以股骨形态设计的解剖型钢板对老年人转子间骨折的治疗效果不差于动力髋螺钉治疗，有良好的稳定性和安全性[18]。本支架模型适用于高龄、骨质疏松、体质差、身体合并内科疾病较多及不耐受手术等患者。

本外固定架模型具备的优势：①解剖型钢板可以利用其与股骨大转子解剖形态的吻合实现快速定位；②相比髓内固定减少透视及手术时间长[19]，本外固定架不同于内固定解剖钢板之处：前者贴合于皮肤表面，进行经皮转孔，后者是在骨表面进行贴合，不切开组织，可大大减少透视次数和时长，减少患者身体损伤及出血，有利于早期功能康复；③外固定架具有两个固定孔，远端固定孔具有固定用克氏针可滑行设计及临时固定细小螺钉，既可定位钢板位置，又可根据操作需求做位置灵活调整，方便空心螺钉植入；④外固定“架”不用传统的连接杆进行固定，而是使用一整块锁定钢板将螺钉与钢板合为一体，有良好的力学稳定性，可较好地防止螺钉松动、脱出，为骨折愈合创造有利条件；⑤钢板近端锁定孔螺纹与钢板呈127o，此外钢板弯曲呈10°夹角，在股骨颈前倾角的范围内，解决股骨颈近端三颗空心螺钉在植入骨内之后，仍可以向外滑行至皮肤表面5 cm，实现三颗螺钉与钢板进行螺纹锁定；⑥螺钉使用自攻、全螺纹、直径6.5 mm的空心螺钉，对于骨质疏松患者仍有较好的固定效果；⑦降低并发症发生率、提高安全性及缩短康复周期。

5 结论

综上所述，本研究根据股骨近端内固定锁定钢板形态，创新性地提出将内固定钢板外移成为外固定架，对形态参数进行设计、制定具体操作流程，进行力学性能分析，具有微创、透视少、出血量低、手术操作简便等优点，对于身体合并内科疾病较多、体质差及不耐受手术等患者有较大使用价值，有望成为股骨近端骨折治疗的新方法。