孫魯琨，王平山

目前臨床上對骨折愈合的評估主要通過普通X線等影像學(xué)檢查，但其受閱片醫(yī)師的主觀影響較大，缺乏有效定量指標，評估準確率難以滿足臨床需求[1-3]。一些定量評估方法在骨折愈合評估中取得一定效果，但植入的鋼板對評估結(jié)果仍有較大影響[4-7]。本研究通過應(yīng)變測量鋼板測量比較不同骨折愈合狀態(tài)下的鋼板應(yīng)變值，初步驗證用應(yīng)變測量鋼板系統(tǒng)評估骨折愈合程度的可行性。

1 對象與方法

1.1 實驗對象 收集12根成年山羊新鮮股骨，長度20～25 cm，并通過大體觀察及拍攝X線片排除骨折、腫瘤、畸形和變性病變等異常情況。用浸有生理鹽水的濕紗布包裹標本，裝入塑料袋中密封，儲藏于-20℃低溫冰箱中備用。使用前12 h取出，放置于室溫條件下自然解凍。

1.2 實驗設(shè)備 直型鎖定鋼板12塊（10孔，鈦合金材質(zhì)，北京理貝爾生物工程有限公司）、48枚鎖定螺釘（直徑5.00 mm，長度24～50 mm，鈦合金材質(zhì)，北京理貝爾生物工程有限公司）、48枚康銅箔式金屬應(yīng)變片（BF1K-3AA 型，電阻值 R：1002±0.1 Ω，靈敏系數(shù) K：2.0±1%， 基底尺寸：7.3 mm×4.1 mm），微機控制電子萬能試驗機（WDW-10型，濟南試金集團有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 應(yīng)變測量鋼板的制作 選用4枚高精度、高靈敏度的應(yīng)變片分別粘貼于直型鎖定鋼板張力面的釘孔旁及釘孔間旁，應(yīng)變片縱軸與鋼板縱軸平行（圖1），使應(yīng)變片與鋼板某一點同時發(fā)生的機械形變轉(zhuǎn)化成電阻變化；再將應(yīng)變片連接于一塊集成有惠斯通電橋、WiFi發(fā)送裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電池及電源開關(guān)的電路板上，惠斯通電橋及模數(shù)轉(zhuǎn)換器能將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號通過WiFi發(fā)送裝置發(fā)送至電腦終端，并轉(zhuǎn)換顯示為應(yīng)變值的變化。應(yīng)變測量鋼板在制作完成后均經(jīng)過應(yīng)變儀的校對，以確保所測數(shù)據(jù)的準確。

圖1 應(yīng)變片粘貼位置示意圖

1.3.2 骨折愈合狀態(tài)模擬 取12根成年山羊新鮮股骨，將附著的肌肉、軟組織剔除。然后用義齒基托樹脂（Ⅱ型）和義齒基托樹脂液劑（Ⅱ型）按照10:1比例進行調(diào)和，制成方形基托包裹股骨兩端，以方便實驗中股骨固定。實驗過程中，每一根股骨依次模擬骨折愈合過程中的3種狀態(tài)（圖2）。

狀態(tài)A：模擬骨折完全愈合狀態(tài)：取完整山羊股骨，選用鋼板橋接方法，將應(yīng)變測量鋼板固定于股骨張力側(cè)，兩端各用2枚合適長度鎖定螺釘固定。

狀態(tài)B：模擬骨折愈合纖維連接狀態(tài)：用線鋸在股骨中央鋸斷，然后復(fù)位骨折斷端，用同一套應(yīng)變測量鋼板在骨折斷端兩側(cè)原釘孔處繼續(xù)固定，使其與狀態(tài)A一致，骨折兩斷端間隙約1 mm，在間隙中填充蠟，模擬骨折愈合中的纖維組織。

狀態(tài)C：模擬粉碎骨折未愈合狀態(tài)：在股骨中央位置用線鋸鋸除1 cm骨段，用同一套應(yīng)變測量鋼板在骨折斷端兩側(cè)原釘孔處繼續(xù)固定，維持骨折兩斷端位置和力線，使其與狀態(tài)A一致，兩斷端間隙約為1 cm。

圖2 骨折愈合模型

1.3.3 軸向壓縮和三點彎曲實驗 隨機抽取狀態(tài)A下的一個樣本，進行軸向壓縮和三點彎曲實驗。軸向壓縮實驗中，負載加載速度為1 mm/min，由0逐漸加載至240 N；三點彎曲實驗中，負載加載速度為1 mm/min，由0逐漸加載至120 N。由應(yīng)變測量鋼板系統(tǒng)終端記錄一組鋼板各應(yīng)變點應(yīng)變值，萬能試驗機關(guān)聯(lián)計算機記錄鋼板-骨骼系統(tǒng)兩端軸向位移及撓度。將狀態(tài)A樣本依次處理得到狀態(tài)B和C后，按照上述實驗方法，分別在狀態(tài)B和C下進行軸向壓縮實驗和三點彎曲實驗（圖3）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 應(yīng)用SPSS22.0軟件分析，實驗數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用重復(fù)方差分析和兩兩比較，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 軸向壓縮實驗及三點彎曲實驗

2 結(jié)果

2.1 不同狀態(tài)軸向位移及撓度的比較 軸向壓縮實驗壓縮負載為240 N時，鋼板-骨骼系統(tǒng)在A、B、C 3種狀態(tài)下的軸向位移具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）；三點彎曲實驗彎曲負載為120 N時，鋼板-骨骼系統(tǒng)在3種狀態(tài)時的撓度具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。每次實驗中，當(dāng)負載剛好完全撤銷時，軸向位移或撓度恢復(fù)至0值。見表1。

表1 3種狀態(tài)下軸向位移及撓度比較(n=12）

2.2 各應(yīng)變點不同狀態(tài)應(yīng)變值比較 軸向壓縮實驗壓縮負載為240 N時，應(yīng)變點1～4在3種狀態(tài)時的應(yīng)變值均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05，表2）；三點彎曲實驗彎曲負載為120 N時，應(yīng)變點1～4在3種狀態(tài)時的應(yīng)變值均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05，表3）。

3 討論

在本實驗中，鋼板-骨骼系統(tǒng)的剛度隨骨折區(qū)域剛度的增加而增加，因此，軸向位移和撓度均是間接評估骨折區(qū)域剛度的指標。鋼板-骨骼系統(tǒng)兩端的軸向位移及撓度在A、B、C 3種狀態(tài)下的統(tǒng)計學(xué)差異，說明3種骨折狀態(tài)下，骨折區(qū)域剛度依次降低，其很好地模擬了骨折愈合中的3種不同狀態(tài)。而3種狀態(tài)下應(yīng)變測量鋼板各應(yīng)變點應(yīng)變值同樣具有統(tǒng)計學(xué)差異，從而有效地將不同骨折愈合狀態(tài)加以區(qū)別，且測得應(yīng)變值隨骨折的愈合而逐漸減小。這一結(jié)果為評估骨折愈合程度帶來了一種新的方法。

表2 240N軸向壓縮實驗各應(yīng)變點不同狀態(tài)應(yīng)變值比較(με，n=12）

表3 120N三點彎曲實驗各應(yīng)變點不同狀態(tài)應(yīng)變值比較(με，n=12）

適當(dāng)?shù)膽?yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力刺激有利于骨痂的形成，促進骨折的愈合，但過度負重則可能影響骨折愈合[8-9]。因此，可以通過監(jiān)測應(yīng)變值變化，將功能鍛煉強度控制在最佳應(yīng)變水平，即初始應(yīng)變水平。而隨著骨折愈合，鋼板在相同功能鍛煉強度時測得應(yīng)變值相應(yīng)減小，這意味著患者可以增加功能鍛煉強度，直至應(yīng)變值達到初始應(yīng)變水平。當(dāng)骨折區(qū)域剛度達到一定水平，即便功能鍛煉達到傷前正?；顒拥膹姸龋摪鍛?yīng)變?nèi)圆荒苓_到初始應(yīng)變水平，此時便可以完全負重正?；顒?。當(dāng)骨折完全愈合后，鋼板應(yīng)變點應(yīng)變值值將不再發(fā)生變化，此時根據(jù)臨床需要可以放心拆除內(nèi)固定。

需注意骨不連或骨延遲愈合發(fā)生時，鋼板應(yīng)變也可不再發(fā)生或發(fā)生很少變化，達到相對穩(wěn)定水平，但此時的應(yīng)變水平遠大于骨折愈合時的正常應(yīng)變水平，或者鋼板應(yīng)變遲遲不能在正?；顒訌姸葧r達到最佳應(yīng)變水平以下，那么便可以判斷骨不連或骨折延遲愈合的發(fā)生，并及時采取干預(yù)措施，調(diào)整治療方案。這使骨折愈合的評估比以往更實時便捷，患者甚至不需要醫(yī)院就診拍片，即可通過無線連接應(yīng)變測量鋼板的手機、電腦等獲知骨折愈合情況，以及時調(diào)整鍛煉強度或到醫(yī)院就診。

當(dāng)然，應(yīng)變測量鋼板系統(tǒng)的研制中還存在諸多困難和問題：根據(jù)應(yīng)變片測量原理，其只能測量應(yīng)變片長軸方向的長度變化，即只能完成單方向上的應(yīng)變測量，這樣將導(dǎo)致對非對稱性愈合的骨折的評估效率降低，從而發(fā)生誤診或錯診。應(yīng)變花即在鋼板上粘貼多個應(yīng)變方向應(yīng)變片的組合，可以用來嘗試解決這個問題。應(yīng)變測量鋼板系統(tǒng)目前只能用來進行體外實驗，而轉(zhuǎn)換傳輸裝置體積較大、防潮防體液腐蝕設(shè)計不足是目前體內(nèi)植入的最大障礙，這也是后期改進工作的重要內(nèi)容。本實驗中，骨折模型只是體外粗略地模擬骨折愈合的不同狀態(tài)，體內(nèi)實驗將會使結(jié)果更加準確。

綜上所述，隨著骨折的愈合，鋼板上任一點的應(yīng)變值將逐漸減小，采用應(yīng)變測量鋼板系統(tǒng)可以有效評估骨折愈合程度。