数字散斑法测量加载100 N与500 N肱骨干骨折钢板固定下的位移

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.016

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (52): 9035-9040.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.52.016

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

数字散斑法测量加载100 N与500 N肱骨干骨折钢板固定下的位移

杨利萍¹，田明²，周轶平³，叶宏⁴，李必俊⁵，陈英杰⁶

¹昆明市法医院司法鉴定中心，云南省昆明市 650214；²昆明医科大学生物学教研室，云南省昆明市 650500；³昆明医科大学药学院暨天然药物重点实验室，云南省昆明市 650500；⁴昆明医科大学统战部，云南省昆明市 650500；⁵湖北医药学院人体组织胚胎学教研室，湖北省十堰市 442000；⁶昆明医科大学解剖学教研室，云南省昆明市 650500

修回日期:2013-09-18 出版日期:2013-12-24 发布日期:2013-12-24
通讯作者: 李必俊，讲师，湖北医药学院人体组织胚胎学教研室，湖北省十堰市 442000 516209179@qq.com 陈英杰，教授，昆明医科大学解剖学教研室，云南省昆明市 650500 1984818576@qq.com
作者简介:杨利萍，女，1969年生，云南省大理市人，白族，1992年昆明医科大学毕业，主检法医师，主要从事医学生物学研究。 kmfyy@126.com 并列第一作者: 田明★，男，1976年生，湖北省荆门市人，汉族，2003年中科院昆明动物研究所毕业，硕士，副教授，主要从事医学生物学研究。 761470408@qq.com 并列第一作者：周轶平☆，女，1975年生，云南省昆明市人，汉族，2007年巴黎第十一大学毕业，博士，副教授，主要从事医学生物学研究。 1073452689@qq.com 并列第一作者: 叶宏★，男，1981年生，云南省宣威市人，汉族，2011年昆明医科大学毕业，硕士，助教，主要从事医学生物学研究。 191221969@qq.com
基金资助:
云南省科技厅-昆明医科大学联合专项基金资助项目(2007C0043R，2011FZ098X)**；云南省教育厅科学研究基金立项资助项目(07Z10199，2010Y191，03Y508C，13000035，2010ZL004)*****；国家自然科学基金(31101616，31160425)**

Displacement of steel plate for humeral fractures under the load of 100 N and 500 N measured using digital speckle method

Yang Li-ping¹, Tian Ming², Zhou Yi-ping³, Ye Hong⁴, Li Bi-jun⁵, Chen Ying-jie⁶

¹Kunming Judicial Expertise Center of Forensic Medicine Hospital, Kunming 650214, Yunnan Province, China; ²Department of Biology, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China; ³Yunnan Key Laboratory of Pharmacology for Natural Products and College of Pharmacy, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China; ⁴Department of United Front Work, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China; ⁵Department of Human Histology and Embryology, Hubei Medical University, Shiyan 442000, Hubei Province, China; ⁶Department of Anatomy, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China

Revised:2013-09-18 Online:2013-12-24 Published:2013-12-24
Contact: Li Bi-jun, Lecturer, Department of Human Histology and Embryology, Hubei Medical University, Shiyan 442000, Hubei Province, China 516209179@qq.com Chen Ying-jie, Professor, Department of Anatomy, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China 1984818576@qq.com
About author:Yang Li-ping, Coroner-in-charge, Kunming Judicial Expertise Center of Forensic Medicine Hospital, Kunming 650214, Yunnan Province, China kmfyy@126.com Tian Ming, Master, Associate professor, Department of Biology, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China 761470408@qq.com Zhou Yi-ping, Doctor, Associate professor, Yunnan Key Laboratory of Pharmacology for Natural Products and College of Pharmacy, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China 1073452689@qq.com Ye Hong, Master, Assistant, Department of United Front Work, Kunming Medical University, Kunming 650500, Yunnan Province, China 191221969@qq.com Yang Li-ping, Tian Ming, Zhou Yi-ping, and Ye Hong contributed equally to this paper.
Supported by:
the Union Specific Foundation of Yunnan Province Technology Department and Kunming Medical University, No. 2007C0043R, 2011FZ098X**; the Scientific Research Project of Yunnan Province Education Department, No. 07Z10199, 2010Y191, 03Y508C, 13000035, 2010ZL004*****; the National Natural Science Foundation of China, No. 31101616, 31160425**

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前国际上还没有统一骨组织力学性能测试的试验标准。以往将传统传感器引入骨折位移的研究，存在精度低、高消耗成本等问题。
目的：采用数字散斑法测量肱骨骨折内固定后钢板螺钉的位移特点。
方法：取8根肱骨，于其中点横断，制造肱骨中段骨折模型。将标本用8孔钢板固定，骨折线两端各使用4枚螺钉。将实验模型设计成5种状态进行对比分析：状态a是骨折后加压钢板坚强内固定组(未锯断，模拟骨折愈合)，状态b是在状态a锯断后基础上近端去1枚螺钉，状态c是在状态b的基础上远端去1枚螺钉，状态d是在状态c的基础上近端去1枚螺钉，状态e是在状态d的基础上远端去1枚螺钉。螺钉编号顺序从上到下依次为1-8号，即骨折线上位螺钉为1-4号，骨折线下位螺钉为5-8号。用电子万能试验机进行加载100 N与500 N测量，通过相关软件计算位移。
结果与结论：在不同载荷间的总位移比较，差异有显著性意义(F=49.155，P < 0.001)，即随着加载力的增大，5种模拟状态下第4钉、第5钉的总位移值均呈逐渐增大趋势。提示骨折线两端的2枚螺钉是承受较多应力的部位(应力集中)，易于发生断裂，应选用比现有螺钉直径增大1-2.5 mm的螺钉，增加骨折线旁固定螺钉的稳定性以避免断钉等后遗症。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 骨关节植入物, 骨关节与生物力学, 肱骨干, 骨折, 钢板, 内固定, 生物力学, 数字散斑法, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: There is no unified measure of bone tissue mechanical property test at present. The study concerning traditional sensor for fracture displacement had some problems such as low precision, and high consumption cost.
OBJECTIVE: To measure the displacement of plate and screw after internal fixation for fracture of humerus using digital speckle method.
METHODS: A total of eight humeral specimens were taken. The steel plate fixation model in the humerus 1/2 was made. The specimens were fixed using eight-hole steel plate, and four screws were fixed on each end of fracture line. Five conditions of experimental model were designed for comparative analysis. Condition a: compression plate fixation group (not saw off, to simulate fracture healing). Condition b: on the basis of sawing off in condition a, one screw was removed on the proximal end. Condition c: on the basis of condition b, one screw was removed on the distal end. Condition d: on the basis of condition c, one screw was removed on the distal end. Condition e: on the basis of d, one screw was removed on the distal end. The screws were numbered No. 1-8 from top to bottom. That is, the screws on upper fracture line were numbered No. 1-4, and those on the lower fracture line were numbered No. 5-8. The specimens were installed on electronic universal testing machine, and loaded 100 N and 500 N. The displacement was calculated using the related software.
RESULTS AND CONCLUSION: Significant differences in total displacement were detected under different loads (F=49.155, P < 0.001). With increased load, the total displacement of the fourth and fifth screws gradually increased under five kinds of conditions. These indicated that the two screws on the two ends of the fracture line endured more stresses (stress concentration), and easily broke. It would be better to choose the screw with the screw diameter of 1-2.5 mm bigger than the present one in order to increase its stability to avoid the breakage of screws.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Key words: fractures , humerus , internal fixators , biomechanics , fractures , stress

中图分类号:

R318

杨利萍，田明，周轶平，叶宏，李必俊，陈英杰. 数字散斑法测量加载100 N与500 N肱骨干骨折钢板固定下的位移[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(52): 9035-9040.

Yang Li-ping, Tian Ming, Zhou Yi-ping, Ye Hong, Li Bi-jun, Chen Ying-jie. Displacement of steel plate for humeral fractures under the load of 100 N and 500 N measured using digital speckle method[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(52): 9035-9040.

图/表（结果） 3

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引言

人体骨组织材料力学性能参数是进行骨骼内部应力计算分析、断裂损伤分析、应力骨改建研究等的基础数据，也是深入开展人体骨骼生物力学行为特性研究的必要已知条件之一，但目前国际上还没有统一的骨组织力学性能测试的试验标准^[1]。以往将传统传感器引入骨折位移的研究，存在精度低，高消耗成本等问题，而作者首次将数字散斑法引入肱骨骨折内固定后钢板螺钉的位移、受力状况和断裂特点等进行分析研究，精度达到纳米级，具有高精度、高效率等优点，是课题组的一个创新点，目前还很少见到这样的研究。为肱骨骨折后钢板内固定的临床治疗与康复提供生物力学依据，以减少肱骨骨折内固定后钢板螺钉的断裂，为手术治疗和康复训练提供指导性建议，提高临床治疗效果。

钢板内固定由于适应证广泛、操作简单、成本低廉仍然是临床主要的治疗肱骨干骨折的重要方法。1958年瑞士AO组织(关于“骨坚强内固定融合”的组织)，该组织强调了骨折坚强内固定等核心原则。1999年Palmar指出BO(生物力学骨折固定)新概念的核心理念：“骨折的治疗必须着重于寻求骨折稳固和软组织完整之间的一种平衡”。在临床工作中，既要求骨折稳固，又要求软组织保持完整，实非易事，如果达不到良好的平衡，即可能导致骨不愈合等并发症^[2]。因此，在钢板内固定中，要求钢板较薄，使软组织易于闭合，但又要具有内固定必要的强度与生物力学稳定性。然而肱骨干骨折钢板内固定后的钢板的断裂、螺钉的断裂发生畸形却依然成为困扰临床医生的常见问题。本实验将光学测量技术应用到生物医学的研究领域中，能够更精确地分析螺丝钉受力和断裂的特点^[3-4]。

钢板是治疗长骨骨折常用的内固定物之一^[5-6]，钢板螺钉的选择至关重要，钢板多选择长度为骨干直径的四五倍，视骨折部位在骨折两端一般各3-5枚螺钉固定，且需适当的厚度和宽度。钢板螺钉的选择不当是发生钢板螺钉断裂发生畸形的重要原因^[7-8]。坚强内固定为骨折愈合提供可靠条件，它能使骨

折端紧密贴附在低应变条件下，在具有生物活性和生理应力的刺激下向成骨转化^[3]。文章采用数字散斑技术分析钢板螺钉在肱骨骨折愈合过程中的生物力学特点，为骨科肱骨钢板内固定在临床的应用提供生物力学依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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材料方法

设计：开放性实验。

时间与地点：于2007年10月至2010年10月在昆明理工大学力学系完成。

材料：选用昆明医科大学人体解剖教研室提供的体积分数10%甲醛常规固定的成人离体肱骨标本8根，男女不限，左右侧随机。实验方法得到昆明医科大学伦理委员会批准。

数字散斑法测量肱骨干骨折钢板固定下位移实验的主要材料及仪器：

方法：

标本的制作及分组：将标本解剖后剔除所有软组织，分别测量肱骨干的全长，定出其中点位置后以线锯垂直于骨干长轴横行截断，制造肱骨干中段骨折模型。将骨折标本进行复位并使用钛合金8孔钢板，依照标准AO固定技术加压固定，骨折线上下两端各使用4枚螺钉固定。将所有内固定模型两端放置在自制的方形夹具里，同时使用义齿基托树脂Ⅱ型将肱骨的两端进行包埋固定在方形夹具里，以利于力的均匀传导。在测试之前，所有标本表面喷涂银漆粉，用于数字散斑测量。前期进行各种骨折拉力试验，后期装备进行各种骨折压力试验。

模拟各种受力情况的差异性：目前所进行的试验是骨折拉力试验，将实验模型设计成5种状态进行对比分析：状态a是骨折后加压钢板坚强内固定组(未锯断，模拟骨折愈合)；状态b是在状态a锯断后基础上近端去1枚螺钉；状态c是在状态b的基础上远端去1枚螺钉；状态d是在状态c的基础上近端去1枚螺钉；状态e是在状态d的基础上远端去1枚螺钉。螺钉编号顺序从上到下依次为1-8号，即骨折线上位螺钉为1-4号，骨折线下位螺钉为5-8号。

生物力学测定：人类上肢已高度分化，其功能要求已完全不同于四足动物，承载上肢自重及提、拉动作的完成均要求肱骨具有一定的拉伸强度。肱骨的受力方式和其它长骨不同。上举屈伸运动时载荷一般在400-800 N，提物、支撑运动时在500 N左右，用手推拉时载荷在300-650 N^[9]。据此，在本实验中，其生理轴向载荷设计在1 000 N 范围以内。将各组实验模型固定在力学测试仪上，肱骨头夹在上端，肱骨髁夹在下端。

将载荷加在肱骨头上方顶点，首先，进行预实验，预载荷50 N，以消除骨的松弛、蠕变等时间效应影响，选定的荷载值是0-1 000 N，在加载的过程中出现肱骨断裂现象；随后将荷载值减至0-800 N，仍然出现肱骨断裂，最后荷载值锁定在0-500 N，实验成功率50%，加载速度为10 N/s，计算机自动记录应变情况，记录成连续的曲线，再利用数字散斑法计算出钢板上各枚螺钉受力时的位移。

将模型用夹具固定后装于万能试验机进行加载拉力测量，轴向加载100 N与500 N，因为在预实验中，作者将载荷从100 N加载到800 N，发现骨质断裂，但是将载荷加载到500 N时，未发现骨质断裂，故选择最开始的100 N载荷与最后适当的500 N载荷，加载速度为10 N/s，按照a-j组测试顺序进行测试，计算机自动处理数据。数字散斑相关方法常用公式：

通过相关软件计算位移。

主要观察指标：数字散斑法测量肱骨骨折内固定后钢板螺钉的位移。

统计学分析：由叶宏硕士进行统计学处理，实验数据收集后用SPSS 11.5统计软件包录入并进行统计分析，计量资料以x(_)±s表示，多组比较采用重复测量的方差分析，进一步两两比较采用q检验，P < 0.05认为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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讨论

传统研究是将传感器引入骨折位移的研究，存在精度低、地灵敏度、高消耗成本等问题，而我们首次将数字散斑法引入肱骨骨折内固定后钢板螺钉的位移等进行分析研究，精度达到纳米级，具有高精度、高灵敏度、高效率等优点，是本课题组的一个创新点，目前还很少见到这样的研究。为肱骨骨折后钢板内固定的临床治疗与康复提供生物力学依据，以减少肱骨骨折内固定后钢板螺钉的断裂，为手术治疗和康复训练提供指导性建议，以减轻患者病痛与经济损失。

肱骨干骨折是临床常见骨折，一般指肱骨外科颈以下2 cm至肱骨髁上2 cm之间的骨折，约占所有骨折的3%^[10-11]，亦有学者研究数据为1%-5%^[12-13]。尽管手术技术种类繁多，一直以来，切开复位钢板内固定仍然为肱骨干骨折治疗的金标准^[14-17]。在手术治疗骨折时，内固定器械必须能适应骨力学特点，允许轴向压缩^[18]。虽然钢板的坚强固定会引起应力遮挡效应等不利因素^[19]，但是在陈旧性骨折仍然是常用治疗方法^[20-21]。

生物力学为医学建立了具有划时代意义的贡献^[22]。患者术后的功能锻炼要在骨痂形成后进行，负重从10%-30%开始逐渐增加^[23-24]。当然，骨折的对合差异也是固定成功的要素之一。尽管手术治疗可能会造成一定比例的骨不连和内固定物失效等并发症^[25-26]，但随着内固定物材料的发展以及手术操作的日益完善，采用手术方法治疗肱骨干骨折已得到广泛认可。尤其对于多发骨折、开放骨折、脊髓损伤(高位截瘫)或臂丛损伤、骨折伴有神经血管损伤、漂浮肘和闭合复位不满意的患者，手术治疗已经成为首选的治疗方法^[27-29]。钢板内固定可用于所有肱骨骨折，特别是骨干的远近端骨折和伴有关节内的粉碎骨折，手术效果肯定，可获得满意的功能恢复和愈合率，优良率高^[30-31]。另外，对于骨折畸形愈合后畸形的矫正、肱骨干骨折骨不连不愈合和复杂肱骨干骨折^[32]，钢板可维持良好的固定，使用钢板重新固定仍是一个标准的治疗方法^[33]。

生物力学是力学向生物医学的渗透，又是促进力学本身发展的动力。生物力学不仅扩大了医学生物学的研究内容，也推动着医学科学的发展。数字散斑相关方法是一种迅速发展的新兴的光力学测量技术，是利用图像处理技术来计算物体的位移及变形的方法，是物理学、统计学与生物医学交叉学科的应用，具有非接触、精度高、操作简单灵活、测量全面等优点，避免了传统传感器的测试不足，可更精确测定实验位移量^[34-36]，并且适合体积小而不规则形态物的测量^[37]，同时对测试环境要求不高，可以在普通白光下进行等，无需对试件做过多的预处理，不会给试件带来任何损伤，这对于生物材料完成在无损条件下的非接触全场测量而言显得尤为突出，在生物力学研究中越来越受到人们的重视。将该方法引入骨折生物力学研究，是本课题组一大特色。

通过加载力的作用，钢板上的螺钉会发生肉眼所无法识别的微小位移。当加载100 N与500 N时，第4，5枚螺钉的位移变化相对较大，而它们又恰恰位于骨折线的两端，这可能由于骨折线处的应力在此处被更多地转移到钢板，因此在此处适当增加钢板的厚度成为一个合理化建议。该处承受更大应力的结果也证明了第4，5枚螺钉在承受患者功能锻炼时发生断钉的可能性更大。因此手术固定时这2枚螺钉需要穿透双侧肱骨骨皮质，以保证有足够的抓持力，以减少第4，5枚螺钉发生断钉的可能性。根据以往对下肢骨的研究，也证实了这些特点^[38-40]。

钢板构成肱骨的一个分载系统，钢板与骨端共同承担负载。由于钢板的弹性模量比骨组织大许多倍，这便使得应力应变重新分配。具有较高弹性模量的钢板必然承担较多的载荷，螺钉也受到了弯应力的作用^[41]，在钢板上应力被分散给每个螺钉。因此医生在手术时应该让每个孔都钻上螺钉，同时应把骨孔钻在钢板孔的中央，使螺钉头完全进入钢板孔，钉帽以最大面积与钢板孔缘相接触，以保证应力的平均分配，因为螺钉的空缺或较少数量的螺钉会造成钢板抗张力的降低，随着时间推移，最终可能导致骨折断摇摆或成角移位等并发症的发生。同时亦可减少由于应力分配不均而导致的螺钉断裂。

钢板抗张力，骨能耐受压力，如果骨折断端对合不好，必然出现钢板的断裂或螺丝钉的松动。统计学结果证明，成对称分布的螺钉所承受的应力基本差别不大，所以手术固定时应尽量保证穿钉方向的一致性，以保证固定的稳定性和骨折的顺利愈合。本实验结果也表明，骨折线上近端第4，5枚螺钉所承受的位移量较大，说明这2个螺钉承受了骨折线两端的主要应力，根据AO理论，为达到肱骨骨折内固定的要求，固定的螺钉数目不能太少，否则由于受力的力臂过短，易引起螺钉折断弯曲，松动脱出，所以应选择6孔钢板^[42]，比4孔钢板更能抵抗张力^[43]，以减少由于钢板的强度损失所引发的螺丝钉断裂。而最近的综述也说明在肱骨干骨折远、近断端各放置3枚螺钉固定较为合理^[44]。骨折线两端的2枚螺钉是承受较多应力的部位(应力集中)，易于发生断裂，应选用比现有螺钉的直径增大1-2.5 mm的螺钉，增加骨折线旁的固定螺钉稳定性以避免断钉等后遗症。而且罗世兴等^[45]在最近的临床实践中增加螺钉直径1 mm从而达到更多的接触面积而达到骨折端的更好稳定性，随访中也未发现内固定松动或骨不愈合等并发症，也证明了这一结论。这样以减少内固定失效等并发症，为骨折愈合提供最佳的符合生物力学要求的条件，以便提高临床治疗效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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数字散斑法测量加载100 N与500 N肱骨干骨折钢板固定下的位移

Displacement of steel plate for humeral fractures under the load of 100 N and 500 N measured using digital speckle method

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