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1/4管型接骨板與加壓騎縫釘固定對第一跖跗關(guān)*節(jié)骨折脫位關(guān)節(jié)面穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究

2019-07-23 09:35:04余霄張迪峰宋蒙勝龐清江
關(guān)鍵詞:跖骨植入物骨板

余霄張迪峰宋蒙勝龐清江**

(1.中國科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院骨科,浙江寧波315010;2.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院,浙江寧波315211)

第一跖跗關(guān)節(jié)的完整性對足內(nèi)側(cè)縱弓和足橫弓的維持具有重要的意義。盡管臨床上跖跗關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率較低,但在跖跗關(guān)節(jié)損傷的患者中,累及第一跖跗關(guān)節(jié)的并不少見。早在1986年Myerson等在對跖跗關(guān)節(jié)進(jìn)行損傷分型時,便將單純的第一跖跗關(guān)節(jié)損傷并向背內(nèi)側(cè)脫位定義為Myerson B1型損傷,該分型系統(tǒng)一直沿用至今,對跖跗關(guān)節(jié)的治療具有一定指導(dǎo)作用[1]。近年來,圍繞跖跗關(guān)節(jié)損傷后的治療存在的主要爭論是:對切開復(fù)位內(nèi)固定的患者,究竟采用何種植入物效果最好。植入物選擇不當(dāng)會影響足部局部的生物力學(xué)環(huán)境,出現(xiàn)植入物斷裂、復(fù)位丟失、畸形愈合等一系列并發(fā)癥[2]。隨著植入物的迅速發(fā)展,在跖跗關(guān)節(jié)損傷的治療上陸續(xù)出現(xiàn)了騎縫釘、縫合紐扣、鎖定接骨板等新型植入物,然而這些植入物的應(yīng)用在臨床上又缺乏大樣本多中心的隨機(jī)對照研究,無法給出令人信服的結(jié)論。鑒于此,本研究對1/4管型接骨板與加壓騎縫釘固定對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位關(guān)節(jié)面穩(wěn)定性的影響進(jìn)行生物力學(xué)研究,從生物力學(xué)的角度對第一跖跗關(guān)節(jié)損傷后合理選擇內(nèi)植入物進(jìn)行初步探討。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

選取新鮮足標(biāo)本8具(寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院提供),所有標(biāo)本足外形正常,無足趾缺損,無足部肌肉、韌帶和肌腱的損傷及攣縮等病態(tài),經(jīng)X線檢查,排除骨與關(guān)節(jié)的退行性變、骨折、腫瘤、結(jié)構(gòu)性畸形及骨質(zhì)異常等骨骼疾病。

1.2 實驗設(shè)備與器材

2T扭拉負(fù)荷試驗機(jī)(長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司);數(shù)字散斑相關(guān)儀器:CCD鏡頭(JAI CV-A1攝像機(jī))、曼富圖三腳架、圖像轉(zhuǎn)換存儲卡、數(shù)字圖像采集及處理軟件(上海MATFOLT有限公司)等。采用大頭針定位足部骨骼標(biāo)志物,頂端圓頭直徑5 mm。

1.3 內(nèi)植入物材料

6孔1/4管型接骨板(康輝醫(yī)療器械公司),CHARLOTTETM加壓騎縫釘(Wright公司,美國)。

1.4 實驗方法

標(biāo)本準(zhǔn)備:實驗前室溫下自然解凍標(biāo)本,切除足背處的皮膚、皮下組織及肌肉,暴露內(nèi)側(cè)楔骨,中間楔骨,第一、二跖骨及連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底的背側(cè)韌帶(圖1)。適當(dāng)剝離位于第一、二跖骨間的骨間肌以備實驗過程中的標(biāo)記和操作。完成解剖操作后,將踝關(guān)節(jié)置于跖屈30°位固定。按Alberta報道[3]的方法,選取近第一跖跗關(guān)節(jié)面處的內(nèi)側(cè)楔骨內(nèi)下、內(nèi)側(cè)楔骨背外側(cè)、第一跖骨基底內(nèi)下和第一跖骨基底背外側(cè)4個點作為人工散斑的制斑點,用大頭針進(jìn)行標(biāo)記。然后將標(biāo)本倒置于標(biāo)本固定盒內(nèi),用牙托粉包埋后,將標(biāo)本固定盒置于扭拉負(fù)荷試驗機(jī)的底座上固定。開機(jī)后調(diào)節(jié)萬能試驗機(jī)頂端壓板的位置,保證加載過程中壓板僅與前足接觸(圖2)。

圖1標(biāo)本準(zhǔn)備過程中完全暴露內(nèi)側(cè)楔骨,第一跖骨和連接與兩者間的背側(cè)韌帶(黃色箭頭)。完成解剖操作后,將踝關(guān)節(jié)在跖屈30°的體位固定(擰入螺釘用于固定踝關(guān)節(jié))

圖2實驗現(xiàn)場及加載過程中散斑圖像的采集

工況設(shè)置和數(shù)據(jù)采集:標(biāo)本測試分為4個工況:①工況1:骨-韌帶結(jié)構(gòu)完整狀態(tài);②工況2:第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位狀態(tài)(圖3);③工況3:用一塊6孔1/4管型接骨板固定(圖4A);④工況4:用一枚加壓騎縫釘固定(圖4B)。第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位模型參照Alberta的方法[3],先切斷連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底部的背側(cè)韌帶和跖側(cè)韌帶,造成脫位模型;然后再沿第一跖骨基底部關(guān)節(jié)面截骨,造成第一跖跗關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折模型,每具標(biāo)本截骨的方向均保持一致。

圖3切斷第一跖跗關(guān)節(jié)的背側(cè)關(guān)節(jié)囊和背側(cè)、跖側(cè)韌帶并在第一跖骨基底部關(guān)節(jié)內(nèi)截骨

標(biāo)本在萬能試驗機(jī)上,模擬人體步態(tài)周期站立相末端踝關(guān)節(jié)所處的位置,經(jīng)前足足底進(jìn)行軸向加載。每一工況均通過萬能試驗機(jī)從0~600 N逐級加載,每間隔300 N加載機(jī)停止1 min,通過CCD攝像頭采集灰度圖像并在電腦上存儲,以完成數(shù)據(jù)采集。每一工況完成全部加載及數(shù)據(jù)采集后,即對實驗標(biāo)本進(jìn)行下一工況的處理,然后再次加載測試,以此類推,直至實驗結(jié)束。為確保散斑標(biāo)記點在實驗前后的位置不變,所有操作均在標(biāo)本固定架上完成。

圖4第一跖跗關(guān)節(jié)分別用接骨板(A)、騎縫釘(B)進(jìn)行固定

1.5 位移計算及統(tǒng)計學(xué)處理

設(shè)定非負(fù)重狀態(tài)下(0 N)正常標(biāo)本的灰度圖像作為參照和坐標(biāo)原點并確定測量坐標(biāo)系。設(shè)X軸為冠狀面水平位移,朝向外側(cè)定義為正值;Y軸為矢狀面縱向位移,朝向足底定義為正值;Z軸為矢狀面水平位移,朝向前足為正值(圖5)。將采集到的灰度圖像按數(shù)字散斑相關(guān)法計算出標(biāo)記點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo),并計算各標(biāo)記點相對位移,以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,檢驗標(biāo)準(zhǔn)為α=0.05。采用單因素方差分析比較各工況下各標(biāo)記點的三維位移,若組間有統(tǒng)計學(xué)差異,再用SNK-q檢驗法行兩兩比較。

圖5足踝部三維運動測試的坐標(biāo)系設(shè)定示意圖

2 結(jié)果

根據(jù)實驗要求得到不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面的相對位移(第一跖骨基底相對內(nèi)側(cè)楔骨的位移,表1)。各組數(shù)據(jù)的總體趨勢顯示:無論在完整狀態(tài)、破壞狀態(tài)還是內(nèi)固定狀態(tài)下,第一跖骨基底和內(nèi)側(cè)楔骨在X軸、Y軸及Z軸的位移加載600 N負(fù)荷時比300 N時大。工況2(破壞狀態(tài)下)與工況1相比,在相同的載荷下,X軸、Y軸及Z軸上的位移差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。工況3(接骨板固定)分別與工況2與工況1相比,在相同載荷下,第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有明顯減小,且在300 N、600 N載荷下都有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。工況4(騎縫釘固定)與工況2相比,在相同載荷下,第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有明顯減小,且X軸、Y軸以及Z軸上各自的位移差異在300 N、600 N載荷下均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);工況4與工況1相比,在相同載荷下,第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有所增大,但各自的位移差異僅在300 N和600 N的載荷下有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。工況4與工況3相比,在相同載荷下,第一跖跗關(guān)節(jié)面在三軸上的位移均有所增大,且各自的位移差異在300 N和600 N載荷下都有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1 不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面X、Y、Z軸上的位移(±s,mm,n=8)

表1 不同工況逐級加載后第一跖跗關(guān)節(jié)面X、Y、Z軸上的位移(±s,mm,n=8)

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3 討論

臨床上,因韌帶損傷而引起的跖跗關(guān)節(jié)脫位并不少見,因此通過切斷跖跗關(guān)節(jié)的主要韌帶建立單純的脫位模型是較為可取的方法。但目前的實驗手段尚不能通過損傷機(jī)制精確地制造出跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型。本實驗中,切斷第一跖跗關(guān)節(jié)背側(cè)關(guān)節(jié)囊及連接內(nèi)側(cè)楔骨與第一跖骨基底部的背側(cè)韌帶和跖側(cè)韌帶,并在第一跖骨基底部截骨,造成第一跖跗關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折模型,對前足足底加壓,建立第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位模型。在踝關(guān)節(jié)跖屈30°的位置下進(jìn)行負(fù)重[4],因為當(dāng)跖屈幅度變大時,容易造成跖跗關(guān)節(jié)損傷。本實驗將最高載荷設(shè)定為600 N(正常成人的體重),當(dāng)載荷超過600 N后,踝關(guān)節(jié)跖屈30°固定容易失敗。

臨床上中足部位的損傷常較多的累及第一跖跗關(guān)節(jié),第一跖跗關(guān)節(jié)損傷會影響第一跖列的長度和前中足正常應(yīng)力的傳導(dǎo),因此,第一跖跗關(guān)節(jié)不穩(wěn)也被認(rèn)為是前足異常的重要原因[5]。此外,因跖跗關(guān)節(jié)損傷引起的關(guān)節(jié)面不平整或力線異常,也是關(guān)節(jié)發(fā)生退行性變及骨關(guān)節(jié)炎的重要原因,患者容易產(chǎn)生局限性的中足疼痛[6]。Saxena等[7]總結(jié)其治療原則包括:解剖復(fù)位,恢復(fù)第一跖列的力線和長度;堅強(qiáng)固定,穩(wěn)定第一跖跗關(guān)節(jié)。該治療原則對固定第一跖跗關(guān)節(jié)的植入物提出了很高的要求,因此,有必要從生物力學(xué)角度對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位后合理選擇內(nèi)植入物進(jìn)行研究。

接骨板在跖跗關(guān)節(jié)的固定和融合中有著較廣泛的應(yīng)用,尤其在融合的病例中,據(jù)報道使用接骨板融合率可達(dá)88%~100%[8,9]。若第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的同時還伴有舟楔關(guān)節(jié)損傷,也可用接骨板跨跖跗關(guān)節(jié)和舟楔關(guān)節(jié)固定[10]。此外,在非鎖定接骨板中,接骨板不僅具有直接接觸加壓的作用,還可以通過骨折端的解剖復(fù)位和壓縮內(nèi)固定,增強(qiáng)骨折端之間的接觸摩擦力,而且采用接骨板固定后,可以不必行外固定,允許術(shù)后立即進(jìn)行附近關(guān)節(jié)的主動不負(fù)重功能鍛煉[11,12]。由于本實驗所建立的模型為關(guān)節(jié)內(nèi)截骨的簡單骨折模型,對簡單骨折采用鎖定接骨板固定并不是最佳選擇,因此,本實驗參考Alberta的方法[3]對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型進(jìn)行了1/4管型接骨板固定。實驗結(jié)果顯示:接骨板固定與骨折脫位狀態(tài)相比,第一跖跗關(guān)節(jié)面在X、Y、Z軸上的位移都有明顯減小,在各載荷下均有顯著性差異,說明接骨板固定能較好地維持第一跖跗關(guān)節(jié)面的對位。

臨床上,接骨板固定也存在著一定的局限性,首先接骨板置入時需要較大的切口和較多跖骨處的軟組織剝離,容易損傷附近的足背動脈和腓深神經(jīng)[13,14]。其次,由于跖跗關(guān)節(jié)表面缺乏軟組織覆蓋,接骨板容易和皮膚及皮下組織摩擦,影響傷口愈合[15,16]。臨床上,由于損傷機(jī)制的不同,有向跖側(cè)脫位的可能,此時,可考慮經(jīng)足底入路將接骨板置于第一跖跗關(guān)節(jié)的跖側(cè),但手術(shù)難度相對較大。若選擇鎖定接骨板于背側(cè)或背內(nèi)側(cè)固定,可能具有較好的效果,但目前仍缺乏相關(guān)的臨床和生物力學(xué)證據(jù)。本實驗由于受標(biāo)本數(shù)目及建模類型的限制,并未對跖跗關(guān)節(jié)骨折并向跖側(cè)脫位后用鎖定接骨板固定進(jìn)行評價。

騎縫釘在足部的截骨術(shù)和關(guān)節(jié)融合術(shù)中應(yīng)用較多,特別適用于跟骰關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)、跟骨截骨以及前足截骨矯形[17-19]。騎縫釘?shù)男误w小,對軟組織的剝離程度小于接骨板,對皮膚的激惹也較小,因而,就操作上而言,騎縫釘較接骨板具有較大的優(yōu)勢。Payette等[20]比較了空心釘與騎縫釘在三關(guān)節(jié)融合術(shù)中的生物力學(xué)強(qiáng)度,結(jié)果顯示兩者無明顯統(tǒng)計學(xué)差異,但目前沒有相關(guān)的生物力學(xué)研究比較騎縫釘和其他植入物在跖跗關(guān)節(jié)中的固定強(qiáng)度,也未見騎縫釘在跖跗關(guān)節(jié)上大規(guī)模應(yīng)用的報道。

本實驗對第一跖跗關(guān)節(jié)骨折脫位的模型進(jìn)行了騎縫釘固定,結(jié)果顯示:騎縫釘固定與完整狀態(tài)相比,第一跖跗關(guān)節(jié)面在X、Y、Z軸上的位移都有明顯增大,這些數(shù)據(jù)一方面與騎縫釘?shù)墓潭ㄌ攸c有關(guān),另一方面可能與標(biāo)本反復(fù)加載至后期產(chǎn)生疲勞有關(guān)。我們認(rèn)為騎縫釘固定在控制關(guān)節(jié)面三個方向的位移上的效果均較差,使用騎縫釘治療往往容易造成手術(shù)失敗。實驗中還發(fā)現(xiàn),在第一跖跗關(guān)節(jié)背側(cè)形成約2 mm臺階的同時,常伴有騎縫釘釘腳的部分拔出,造成騎縫釘加壓固定失敗,這在老年骨質(zhì)疏松人群中更容易發(fā)生,可能與騎縫釘釘腳上倒鉤的抗拔出作用有關(guān),因此在這類人群中,在骨折脫位未完全愈合前若提前負(fù)重,極易出現(xiàn)復(fù)位丟失,并且發(fā)生關(guān)節(jié)面對位不良后出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎的可能性也會大大增加。因此,盡管騎縫釘能克服接骨板的一些固有缺陷,在操作上具有優(yōu)勢,但對伴有跖側(cè)韌帶損傷的患者,騎縫釘固定應(yīng)被列為禁忌。然而,值得一提的是,在跖側(cè)韌帶完整的跖跗關(guān)節(jié)損傷患者或本身活動度就較大的第四、五跖跗關(guān)節(jié)損傷的患者中使用騎縫釘固定,則仍能體現(xiàn)其在固定上的優(yōu)勢[21]。

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