梁向黨，孫賡 ，郭占社 ，馬玉倉，房遠(yuǎn)勇

1 解放軍總醫(yī)院骨科，北京，100853

2 北京軍區(qū)252醫(yī)院骨科，保定，071000

3 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京，100191

骨折現(xiàn)象作為人類最常見也是對人體損害較大的創(chuàng)傷之一，其快速治愈技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點。目前，患者治療較多采用內(nèi)固定技術(shù)[1-2]，為廣大骨科醫(yī)生所熟知。但是，由于內(nèi)固定手術(shù)需要切開軟組織，所以不可避免帶來了一些手術(shù)并發(fā)癥，如傷口感染等。同時，切開復(fù)位常導(dǎo)致二次手術(shù)取出內(nèi)固定的問題，一般在第一次內(nèi)固定手術(shù)的時候就決定了需要進(jìn)行第二次手術(shù)，而二次手術(shù)時間一般在術(shù)后一年到一年半，這就意味著患者實際康復(fù)的時間在一年半左右，康復(fù)時間較長。另外，在某些場合，特別是對一些不宜進(jìn)行二次手術(shù)的人，如年齡較大或體質(zhì)較差的老人以及一些伴有嚴(yán)重內(nèi)科疾病的患者，可采用外固定方式[3-4]。但是，傳統(tǒng)外固定架體積較大，外形笨重，裸露的鋼釘直接刺入皮膚是對患者的惡性刺激，笨重的外固定架，嚴(yán)重的限制了患者的活動。為保證固定架的剛度，往往通過采用比較粗的鋼釘來增加外固定架的把持力量，這樣往往容易導(dǎo)致釘?shù)栏腥尽?/p>

綜上所述，傳統(tǒng)內(nèi)固定和外固定的固有特性決定了它們都存在不足。如何設(shè)計一種新型的既能夠克服內(nèi)固定二次手術(shù)的問題，又能解決外固定比較笨重，對患者損傷較小的固定裝置，成為目前研究的熱點之一。

本文針對該問題，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，設(shè)計了一種新型的澆注式外固定接骨裝置，通過有限元模擬分析等方法，對設(shè)計方案的可行性進(jìn)行了驗證。然后，利用該裝置進(jìn)行了動物實驗，取得了滿意的結(jié)果。

1 工作原理

圖1是利用有限元軟件建立的該固定裝置的結(jié)構(gòu)模型，其主要組成部分為鋼釘和高分子支架（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）[5-7]。支架與鋼釘?shù)墓潭ú捎昧藵沧⒌姆绞剑摲椒ū苊饬送夤潭ㄒ约皟?nèi)固定方法存在的螺釘與骨骼之間由于傳統(tǒng)固定方式導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力問題。由于該材料具有常溫條件下易于凝固、聚合熱溫度低、重量輕和體積小等特點，減少了固化過程中高溫對患者的損傷以及凝固時間較長的問題。同時，該方法不但減小了支架的重量、體積，還避免了二次手術(shù)再次切開軟組織取出內(nèi)固定的問題。鋼釘通過澆注方式與高分子固定結(jié)構(gòu)組成一個整體并與骨折斷端相連接，為增加固定穩(wěn)定性，螺釘采用了多個、對稱、均布的排布方式，以避免手術(shù)不均勻造成的愈合困難問題。

圖1 外固定接骨板骨折固定有限元模型Fig.1 FEM model of the external fixator

2 外固定接骨板的有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

為驗證該裝置設(shè)計的可行性，采用有限元軟件Ansys對其進(jìn)行了仿真，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中每個骨頭的長度100 mm，外直徑為30 mm，內(nèi)直徑為12 mm。鋼釘外徑皆為4 mm，長50 mm，總共4根。自凝高分子材料的尺寸為長130 mm、寬為10 mm、高為20 mm。模型中與人體軀體相連接的一端認(rèn)為是固定不動的，而另一端承受外界作用力包括沿骨骼方向的軸向壓力、彎矩及扭矩等，分別為300N、4.5Nm、2Nm。其數(shù)值按照一個普通患者的相關(guān)體形參數(shù)計算得到，符合臨床的實際情況。仿真過程中各材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 骨固定裝置中各材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanics parameters of the material

表2 不同尺寸間距下斷骨間相對位移Tab.2 Relative displacements between the broken bones under different gaps

2.2 仿真結(jié)果分析

通過軟件中的靜力分析模塊，計算得到在不同鋼釘間距下骨骼端部相對位移如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著兩根骨端部固定鋼釘間距的逐漸加大，骨折端相對位移逐漸加大。但是，其最大值都小于0.4 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于骨骼愈合所需要的最小間隙1 mm，說明該結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。

3 動物實驗

3.1 實驗樣本：羊，數(shù)量：10只，體重20～25 Kg，雌雄不限。

3.2 操作步驟

1）電視透視下對受傷部位閉合牽引復(fù)位（也可撬撥復(fù)位、有限切開復(fù)位），達(dá)到功能復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)；

2）在骨折兩端距骨折線2 cm以遠(yuǎn)，于軟組織較薄側(cè)進(jìn)行穿釘，即通過螺釘尾部的凹槽將螺釘擰入骨骼，螺釘數(shù)量根據(jù)具體情況，每端大于或等于2枚；

圖2 固定后羊下肢手術(shù)局部大體圖片F(xiàn)ig .2 Sketch of the fixed leg of the sheep

圖3 麻醉清醒后羊即可站立行走Fig.3 The walking sketch as soon as the sheep woke up

3）電視透視下對骨折進(jìn)行精細(xì)復(fù)位，并進(jìn)行臨時外固定，放置自凝高分子材料澆鑄模具；

4）用自凝高分子材料對各螺釘尾部按模具進(jìn)行澆鑄粘合固定，將骨骼和螺釘以及自凝高分子材料粘合形成一個整體；

5） 自凝高分子材料凝固后，拆除臨時外固定和模具，操作結(jié)束。

3.3 實驗結(jié)果

圖4 術(shù)后2周X線圖片F(xiàn)ig.4 X ray sketch of the leg two weeks after the operation

圖5 術(shù)后4周X線圖片F(xiàn)ig.5 X ray sketch of the leg four weeks after the operation

圖2、圖3是經(jīng)外固定接骨板固定后，羊脛骨的X線圖片。由圖可看出羊的患肢經(jīng)固定后，對位對線良好無明顯畸形，外固定接骨板固定可靠。動物（羊）麻醉清醒后即可站立行走。由圖3還可以看出，相對于傳統(tǒng)外固定裝置，該結(jié)構(gòu)尺寸大大減小。

圖4、圖5和圖6分別是在手術(shù)第2周、第4周、第8周后得到的羊骨折固定后的X線圖片。通過圖片可看出：在術(shù)后2周時骨折斷端有少量骨痂生長，骨折位置沒有變化，位置良好；術(shù)后4周時骨折斷端有較多骨痂生長，骨痂有明顯再塑型，骨折線模糊，骨折復(fù)位位置沒有變化，位置良好；術(shù)后8周時骨折線已消失，骨骼基本愈合，拆除外固定。

圖6 術(shù)后8周拆除外固定后X線圖片F(xiàn)ig.6 X ray sketch of the leg eight weeks after the operation

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種基于外固定方式的骨固定裝置，并通過快速澆注及精密機(jī)械加工的方法，完成了對裝置的加工；

2）通過有限元法，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)上施加載荷后，骨折斷端的相對位移最大為0.37 mm,遠(yuǎn)小于愈合所需要的最小位移1 mm，證明了設(shè)計的可靠性。

3）以羊脛骨為實驗樣本，對該裝置的手術(shù)效果進(jìn)行了動物實驗。結(jié)果顯示，術(shù)后羊的脛骨骨折斷端沒有移位變形，并且術(shù)后羊馬上可以直立行走，說明固定是堅固可靠的，達(dá)到了實驗的設(shè)計要求。X線圖片顯示：術(shù)后2周羊的骨折斷端有少量骨痂生長，骨折位置沒有變化，位置良好；術(shù)后4周時骨折斷端有較多骨痂生長，骨痂有明顯再塑型，骨折線模糊，骨折斷端位置仍然良好；術(shù)后8周時骨折線消失，外固定已去除，骨折愈合。動物實驗進(jìn)一步證明了該結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性。

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