自动加压带锁髓内钉疗股骨干骨折的生物力学原理与临床应

1、    自动加压带锁髓内钉疗股骨干骨折的 生物力学原理与临床应        摘要目的：验证自动加压带锁髓内钉(ALN)的生物力学性能比GK钉治疗股骨干骨折的优越性，为临床提供可靠的科学依据。方法：采用9具成人新鲜尸股骨标本，对其骨折固定后，在压缩、弯曲、扭转的生物力学性能进行电测实验应力分析。结果：ALN钉与国外GK钉在强度、刚度和稳定性方面相当(P>0.05)；在应力遮挡率方面特别小，明显比GK钉优越(P<0.01)；ALN钉具有力学分布合理、应力遮

2、挡小、内固定稳定可靠，手术操作方便，能早期恢复伤肢功能的特点。结论：ALN钉除了具备GK钉抗弯、剪、扭、旋优良的作用外，还具备了GK钉所不具备的自动加压弹性固定的作用。解决了临床上坚强内固定（带锁髓内钉）骨折端应力传导不够或没有应力传导，弹性固定（梅花钉）不易控制骨折端弯、剪、扭、旋应力这一矛盾。是一种性能特别优良的内固定器械。关键词：自动加压带锁髓内钉股骨干骨折生物力学 Biomechanic Principle and Clinical Application of Auto-Compress Locking Nail in Femoral Shaft Fracture TherapyXu

3、 Weizhou,Uang Honghe,Uang Yijin,et al.（Luohe First peoples Hospital, Henan）Abstract Objective: To verify the biomechanic performance of auto-compress locking nail(ALN) in femoral shaft fracture therapy, to provide reliable basis for clinical use. Methods:9 fresh cadaveric femurs were used,the biomec

4、hanic properties of compression,bending and torsion were analysed using electric measuring apparatus after fixation of fracture. Results: ALN was similar to GK nail in strength,stiffness and stability(p>0.05); The stress shielding rate of ALN was significantly smaller than that of GK nail;ALN had

5、 reasonable mechanic distribution, low stress shielding rate and fixation stability,also was easy to operate and rehabilitation was rapid. Conclusion:ALN not only have the same properties of anti-bending,anti-shearing,anti-torsion and anti-rotation as GK nails but also have auto-compress elastic fix

6、ation. In clinnic,rigid fixation(interlocking intramedullary nail) has no enough stress conduction in fracture region,elastic fixation(cloverleaf type intramedullary nail)can not effectively control bending,shearing,torsion and rotation stress in fracture region,ALN have successfully resolved the co

7、ntradicition. It is one kind of new interfixation instrument with good performance.Key words:auto-compress locking nail fracture of femoral shaft biomechanics80年代以来的带锁髓内钉已成为目前国内外治疗长管骨骨折的应用主流1。经临床实践有学者认为静力型带锁髓内钉阻断了轴向压力，易导致骨折的不愈合或愈合迟延，故建议在术后一定时间内（6-8周）取出一端的钉子，由静力型改为动力型固定。这种固定方式的改变，可能发生骨折的旋转移位及加大骨折端的剪切

8、应力，且多次手术给病人带来不便。为此作者在研究国内外带锁髓内钉结构的基础上，根据断骨面骨折修复的生物力学原理及临床手术的需求，突破原有带锁髓内钉固定骨折的方法，设计了一种新型带有自动加压装置的带锁髓内钉。经18例临床应用，证实该器械设计合理，操作简便，在保留原带锁髓内钉固定骨折的所有优点的基础上，使骨折端早期能通过轴向生理性应力，有利于骨折的愈合。为在理论上论证本研制的自动加压带锁髓内?(Auto-compress locking nailALN)的优越性，现以国外Gross-Kempf 钉作对照，通过生物力学试验加以分析，为临床提供更为科学的依据。材料和方法一、试验力学模型的建立取9具新鲜成

9、人股骨标本,剔除所有软组织,模拟单足站立,远端用骨水泥固定。所有试验标本在高度、结构、载荷、固定处理方法上均一致,本试验标本分为自动加压带锁髓内?(ALN)为试验组,Gross-Kempf 钉为对照组。标本骨折按Pangabi方法2制作,股骨骨折损伤模型如1所示。二、自动加压带锁髓内钉结构与设计原理：ALN钉包括髓内钉和螺钉,髓内钉是由远、近端钉体、挡片和封套组成。远、近端钉体由其倒齿状锁定结构连接组成自动加压装置,挡片插入二者的连接缺口,外加封套定位连接(如2所示)。当近端、远端钉体开始连接组合时,应保持远、近端钉体间留有移动间隙0.81cm。按带锁髓内钉的操作常规置入人体的长骨干内,远、近

10、端由螺钉与骨固定,自动加压装置随人体肌肉的收缩或负重,使远、近端钉体的齿状结构向中间滑行移动进行自动加压,使骨折端产生正压力。本品近端为圆柱形(长度约7cm),远端为三叶草形(长度随型号不同而不同),自动加压装置位于其远、近端的结合部。三、数据处理所有数据均为股骨应变、位移、应力、刚度等力学量，全部数据输入586计算机，按计算程序进行统计学检验3。结果与分析一、轴向压缩实验1.载荷-应变变化将轴向压缩应变数据处理后，结果如3所示，两种不同内固定方法应变有明显的差异，ALN钉比GK钉内固定应变内侧小8.6%，外侧小2.5%，股骨内侧压应变比外侧拉应变绝对值大,与理论计算结果相一致4。统计学处理两

11、者无显著性差异(P>0.05)。2.载荷-位移变化股骨带锁髓内钉内固定后，在载荷作用下股骨会有三种位移变化，即股骨头下沉位移和水平位移以及骨折断面的移位。试验结果如4显示,ALN钉与GK 钉相比，股骨头的下沉位移小4.6%，水平位移小8.8%，骨折断面位移小5.3%，平均两者相差6.2%，显示两者无显著性差异(P>0.05)。二、弯曲试验1.弯矩-应变曲线弯矩试验结果得到5,所示结果表明,股骨在横向载荷作用下股骨中部弯矩最大,但ALN钉的应变仍然比较小，而对照组GK钉的应变比ALN钉大5.6%，说明在等量弯矩作用下，ALN钉对抵抗弯曲变形的能力比较强，固定比较牢固，其平均应变两者相

12、差6%,显示无显著性差异(P>0.05)。2.弯曲-挠度曲线弯曲时挠度的大小表征股骨修复后的抗弯能力大小,即表征抗弯变形能力大小,经过标本试验得到结果用5表示，最大挠度发生在股骨中部，ALN在股骨中部的最大挠度为4.68mm,而对照组GK钉的挠度却为5.08mm,两者相差7.8%,说明前者的抗弯性能比后者优越,但统计学无显著性差异(P>0.05)。1股骨骨折固定生物力学实验装置2为自动加压带锁髓内钉的结构示意3两种不同内因定骰骨头上载荷-应变曲线4两种不同内固定骰头的载荷一位移曲线5两种不同内固定股骨的弯矩一应和挠度变化曲线6两种不同内固定扭矩一扭角曲线7各种不同髓内钉固定股骨的极

13、限载荷试验结果三、扭转试验股骨由于前倾角的存在，并存在偏心弯矩的作用，在股骨头上承受的扭矩较大，所以髓内钉的固定必须以抗扭能力来检验，根据9具标本的扭转试验结果给出6。结果看到,两种不同器械对股骨内固定后进行抗扭能力试验，ALN钉比GK钉增强。在相同的扭角变形时,两者抗扭矩时的扭矩相差3%,仍然显示无显著性差异(P>0.05)。而当在等量扭矩时，可引起的扭角变形两者相差3.1%(P>0.05)。结果显示两者均具有内固定后抗扭强度大而变形小的特点，但比较而言，前者略强于后者。说明ALN钉结构设计合理有效的提高了髓内钉的抗扭能力。四、极限载荷试验结构的极限能力大小是衡量股骨承载能力好坏

14、的标志，极限载荷越大，其股骨的负载能力越好，越不容易破坏，就越有可能早日下地行走、负重。从极限载荷试验结果得到7。结果表明，ALN钉的极限载荷高于对照组GK钉2%，显示无显著性差异(P>0.05)。轴向位移小1.2%,充分说明了作者研制的ALN钉与国外GK钉相当,甚至更加优越和可靠。五、应力遮挡效应所谓应力遮挡是指骨折用器械固定后，压应力刺激被器械承担、遮挡了。从力学观点看是器械和骨组合承载中应力重分配问题，合理的结构和器械牢固可以充分发挥骨和器械的积极作用,应力遮挡很小,使骨的压应力刺激不断得到加强。我们设计的ALN钉就是利用动态自动加压原理使骨的应力刺激不断得以加强,而使器械应力遮挡

15、降低到最低限度。按力学公式计算5，带锁髓内钉与股骨共同承载，其应力计算公式为：其中A1E1,A2E2分别为股骨和髓内钉的截面积和材料弹性常数,P为外载荷。显然,A1E1A2E2,大部分应力由带锁髓内钉来承担。根据这个定义将应力遮挡写成如下公式计算：其中无有分别表示股骨无髓内钉和有髓内钉固定时的应力。根据9具标本的的试验结果，我们得到不同内固定时应力遮挡率(此时以应力保护率表示)的大小，见表1。表1股骨骨折采用不同内固定器械固定应力遮挡率值比较(+SD)Type A侧()B侧( ) A(%)B(%)Normal TestingNormal Testing ALN1232+12 1500+14 -

16、1608+20 -1809+2218+0.415+0.6GK1006+201480+18-1030+12-1800+1634+0.643+0.8 PBN1240+181586+23-1206+14-1742+1822+0.4 28+0.7Ender 1408+141670+16 -1804+18 -2680+24 26+0.6 31+0.86pt1405+162398+22-1400+20-3308+28 40+0.8 59+0.6结果表明：ALN钉由于设计了自动加压装置刚柔结合弹性动态固定,应力遮挡率很小。试验时我们曾将股骨切割7mm缺口,在500N载荷下可使缺口封闭,证实它能达到弹性固定的

17、目的,平均应力遮挡率16.5,GK钉为38.5%。其应力保护率ALN钉比GK钉小57%(p<0.01),其优越性得到充分的显示。从表中结果可见,内固定越坚强,越牢固,其应力保护率就越大,普通压缩钢板平均为50%,梅花钉为25%,Ender钉为29%。可见普通压缩钢板应力遮挡率很大，器械承载应力的比例增大，正由于这个原因，采用坚强内固定后，钢板下的皮质骨X线上可见到骨吸收、骨萎缩,钢板取出后局部有发生再骨折的危险。从公式中可看到，应力遮挡率的影响因素有材料的弹性常数大小、器械结构截面积的大小、器械固定方式以及加截方式静动态有关。本设计的ALN钉就是经综合考虑对上述各种因素进行优化而?制的新

18、产品，经临床应用效果良好。临床资料1997年6月1999年元月，采用ALN治疗股骨干骨折18例，男性12例，女性6例，年令1960岁，平均39.1岁。其中横断型骨折10例，螺旋型骨折3例，钢板断裂骨折不愈合1例，粉碎型骨折4例。前3种骨折类型手术采用带锁髓内钉常规的闭合穿钉方法，术中使用ALN钉的自动加压装置。粉碎型骨折3例采用切开复位，钢丝捆扎大骨折块使之成为上下两骨折端后，顺行穿钉使用自动加压装置,1例采用闭合穿钉方法，使ALN钉的远、近端钉体合在一起，不使用自动加压装置。术后不作外固定，早期活动关节，使ALN钉的自动加压装置随关节活动、肌肉收缩致骨折端加压。稳定性骨折伤口拆线后下床逐渐负

19、重锻炼，而不稳定性骨折病人负重时间则需根据骨折愈合情况而定。随访时间619个月，平均13.2个月，各例均无近、远期不良反应,无骨折不愈合病例(临床应用的详细方法与资料将另文发表）。讨 论从一系列的生物力学实验结果表明，作者研制的自动加压带锁髓内钉在压、弯、扭三种最大载荷作用下，其强度、刚度明显优于对照组，采用ALN钉比GK内固定的轴向强度高6.7%,弯曲强度高5.4%,剪切强度高9.8%。而对应轴向刚度相应高5.9%，弯曲刚度高7.7%，扭转刚度高1.8%，虽然两两比较无显著性差异(p>0.01)。但结果也充分说明，ALN钉具有力学分布合理，内固定稳定可靠，与GK钉一样，是一种优良的内固定器械。由于ALN钉设计了能自动加压弹性固定的结构，从而它能起到动态加压的作用，其应力遮挡特别小，根据9具标本测定的应力遮挡效应（即应力保护率）比对照组GK钉小57%,具有明显的差异(见表1 p<0.01)。结果表明，自动加压带锁髓内钉除了具备GK钉抗弯、剪、扭、旋优良的作用外，还具备了GK钉所不具备的自动加压弹性固定的作用。解决了临床上坚强内固定（带锁髓内钉）骨折端应力传导不够或没有应力传导，弹性固定（梅花钉）不易控制骨折端弯、剪、扭、旋应力这一矛盾。与其它内固定器械相比