后踝关节骨折不同内固定方式的生物力学性能对比

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.48.017

摘要/Abstract

摘要：

背景：临床对后踝关节骨折患者进行治疗的过程中，可以使用不同的固定物进行内固定治疗，但不同的内固定治疗方式会产生不同的生物力学效果。
目的：比较分析后踝关节骨折行微型钢板内固定以及拉力螺钉内固定治疗的生物力学性能。
方法：回顾性分析95例后踝关节骨折患者的临床资料，均接受内固定治疗，按照内固定方法分为微型钢板组48例和拉力螺钉组47例。
结果与结论：对两组的固定效果进行三维有限元模型模拟和分析，经分析发现，在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，在内固定失效平均压力方面，拉力螺钉组显著小于微型钢板组(P < 0.05)；而当后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以下的情况下，在内固定失效平均压力方面，拉力螺钉组显著大于微型钢板组(P < 0.05)。拉力螺钉组的踝关节内固定优良率显著高于微型钢板组(P < 0.05)。两组治疗过程中均未出现任何内固定材料相关不良事件。结果表明，临床对后踝关节骨折的患者进行内固定治疗的过程中，予以拉力螺钉内固定可以获得较之微型钢板内固定更好的临床效果，但在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，更合适使用微型钢板进行内固定治疗。

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

关键词: 骨科植入物, 关节植入物, 后踝关节, 踝关节骨折, 后踝关节骨折, 手术治疗, 内固定, 微型钢板, 拉力螺钉, 三维有限元模型, 生物力学, 效果

Abstract:

BACKGROUND: Different fixtures can be used for the internal fixation treatment of patients with posterior ankle fractures in clinic, however, different internal fixation methods will produce different biomechanical effect.
OBJECTIVE: To compare and analyze the biomechanical properties of mini steel plate internal fixation and tension screw internal fixation in the treatment of posterior ankle fracture.
METHODS: The clinical data of 95 patients with posterior ankle fractures were retrospectively analyzed. All patients were treated with internal fixation. Mini steel plate group (n=48 cases) and tension screw group (n=47 cases) were divided according to the internal fixation methods.
RESULTS AND CONCLUSION: The fixation effect of these two groups was simulated and analyzed using three-dimensional finite element model. The results showed that when the posterior ankle joint fracture block spreaded to the distal tibial articular surface of more than 25%, the mean pressure of internal fixation failure of tension screw group was significantly less than that of the mini steel plate group (P < 0.05). When the posterior ankle joint fracture block spreaded to the distal tibial articular surface of 25% or less, the mean pressures of internal fixation failure of tension screw group was significantly greater than that of the mini steel plate group (P < 0.05). The excellent and good rate of ankle joint internal fixation of tension screw group was significantly higher than that of the mini steel plate group (P < 0.05). In these two groups, there were no internal fixation material related adverse events during the treatment. These results demonstrate that the clinical effect of tension screw internal fixation for the treatment of posterior ankle fractures was better than that of the mini steel plate internal fixation, but the use of mini steel plate for internal fixation was more appropriate when the posterior ankle joint fracture block spreaded to the distal tibial articular surface of more than 25%.

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中图分类号:

R318

万全会. 后踝关节骨折不同内固定方式的生物力学性能对比[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(48): 7806-7810.

Wan Quan-hui . Comparison of biomechanical properties of different internal fixation methods for the treatment of posterior ankle fractures [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(48): 7806-7810.

图/表（结果） 5

2.1 患者数量分析入组患者全部获得随访，并进入最终的结果分析。试验流程见图2。

2.2 患者基线资料比较两组的一般资料，差异均无显著性意义(P > 0.05)，即说明两组具有可比性，具体结果见表1。

2.3 两组患者手术相关指标变化微型钢板组的手术时间长于拉力螺钉组，但经比较差异无显著性意义(P > 0.05)；微型钢板组的术中出血量大于拉力螺钉组，住院时间长于拉力螺钉组(P < 0.05)，具体结果见表2。

2.4 两组踝关节内固定优良率比较经评估和比较，拉力螺钉组的踝关节内固定优良率显著高于微型钢板组(P < 0.05)，具体结果见表3。

2.5 两组生物力学效果比较对两组的固定效果进行三维有限元模型模拟和分析，经分析发现，在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，在内固定失效平均压力方面，两组进行比较，拉力螺钉组显著小于微型钢板组(P < 0.05)；而当后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以下的情况下，在内固定失效平均压力方面，两组进行比较，拉力螺钉组显著大于微型钢板组(P < 0.05)，具体结果见表4。
2.5 不良事件发生情况两组治疗过程中均未出现任何内固定材料相关不良事件。
2.6 典型病例分析患者，男，35岁，车祸导致后踝关节骨折。入院后经检查符合手术指征，征得患者及其家属同意，实施拉力螺钉内固定治疗。固定后予以常规抗感染等处理和康复锻炼，固定后随访12个月，经X射线平片可见骨折愈合。经CT三维重建，可见固定部位愈合，且钉道显示不清。

参考文献

[1] 吴昊,石展英,李百川,等.不同内固定方式对后踝骨折固定的生物力学效果及临床疗效分析[J].现代生物医学进展,2013,13(26): 5094-5098.

[2] Clyde J, Kosmopoulos V, Carpenter B, et al. A biomechanical investigation of a knotless tension band in medial malleolar fracture models in composite sawbones? J Foot Ankle Surg. 2013;52(2):192-194.

[3] Harper MC, Hardin G. Posterior malleolar fractures of the ankle associated with external rotation-abduction injuries. Results with and without internal fixation. J Bone Joint Surg Am. 1988;70(9):1348-1356.

[4] 刁振斌,夏元升,赵静华,等.经外踝钢板双螺钉交接棒技术内固定治疗下胫腓联合损伤[J].中国骨与关节损伤杂志,2014,29(6): 562-564.

[5] 顾鸿程,蒋兴良,徐兵,等.1/3管形钢板结合拉力螺钉治疗踝关节骨折[J].长春中医药大学学报,2008,24(4):410-411.

[6] 黄雄飞.应用AO钢板加螺钉内固定治疗BC型踝关节骨折[J].中国药物与临床,2004,4(9):680-681.

[7] 彭松明,何晓斌,刘克斌,等.后外侧入路手术治疗三踝关节骨折[J].中国骨与关节损伤杂志,2014,29(6):621-622.

[8] 李健伟,佘黎平,周世梅,等.3D打印技术在踝关节骨折手术中的应用[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2014,6(6):333-338.

[9] 樊健,俞光荣,周家钤,等.后外侧入路在老年性踝关节骨折中的应用[J].中国矫形外科杂志,2012,20(10):865-867.

[10] Barnett PLJ, Lee MH, Oh L, et al. Functional outcome after air-stirrup ankle brace or fiberglass backslab for pediatric low-risk ankle fractures: a randomized observer-blinded controlled trial. Pediatric Emergency Care. 2012;28(8):745-749.

[11] 陆桂成.胫骨远端锁定钢板对Pilon骨折治疗的作用与探讨[J].中国医药指南,2015,13(20):121-122.

[12] 刘建华,余世明,徐栋梁,等.切开复位内固定治疗踝关节骨折的临床研究[J].中国基层医药,2013,20(17):2584-2586.

[13] Pakarinen H, Ohtonen P, Lakovaara M, et al. Intraoperative assessment of the stability of the distal tibiofibular joint in supination-external rotation injuries of the ankle: sensitivity, specificity, and reliability of two clinical tests. J Bone Joint Surg Am. 2011;93/A(22):2057-2061.

[14] Franzone JM, Vosseller JT. Posterolateral approach for open reduction and internal fixation of a posterior malleolus fracture-Hinging on an intact PITFL to disimpact the tibial plafond: a technical note. Foot Ankle Int. 2013;34(8):1177-1181.

[15] Nabees,姜保国,张殿英,等.普通钢板与点状接触钛金属板内固定固定后板下组织学改变的对比观察[J].中国临床康复,2002, 6(12): 1738-1739.

[16] 李海平,刘观燚,徐荣明,等.后外侧入路空心钉内固定治疗下胫腓后韧带止点撕脱后踝骨折[J].中国骨与关节损伤杂志,2013, 28(10): 984-985.

[17] Utsugi K, Sakai H, Hiraoka H, et al. Intra-articular fibrous tissue formation following ankle fracture: the significance of arthroscopic debridement of fibrous tissue. Arthroscopy. 2007; 23(1):89-93.

[18] Donken CC, Goorden AJ, Verhofstad MH, et al. The outcome at 20 years of conservatively treated 'isolated' posterior malleolar fractures of the ankle: a case series. J Bone Joint Surg. 2011;93/B(12):1621-1625.

[19] 巴吾东买合苏木.腓骨解剖型钢板拉力螺钉治疗踝关节骨折45例的临床分析[J].中国医学创新,2011,8(24):136-137.

[20] 秦冠军,林昂如,裴国献,等.踝关节骨折脱位中下胫腓联合分离的诊断与治疗[J].中华创伤骨科杂志,2006,8(5):481-482.

[21] 贾瑞钢,王俊飞,杨永江,等.Endobutton钢板和螺钉内固定治疗急性下胫腓联合损伤的比较研究[J].中国骨与关节损伤杂志, 2013, 28(6):586-587.

[22] 赵春海.钢板螺钉治疗踝关节骨折临床应用及疗效分析[J].当代医学,2012,18(11):113-126.

[23] 林镇荣,吴盛荣,苏剑,等.合并下胫腓联合分离的踝关节骨折脱位的诊断与治疗[J].河北医学,2007,13(5):553-555.

[24] Shibuya N, Frost CH, Campbell JD, et al. Incidence of acute deep vein thrombosis and pulmonary embolism in foot and ankle trauma: analysis of the national trauma data bank. J Foot Ankle Surg. 2012;51(1):63-68.

[25] 李健民.不同手术方法治疗不稳定性踝关节骨折的效果观察[J].医药前沿,2013,(23):110-111.

[26] Curry EE, O'Brien TS, Johnson JE, et al. Fibular nonunion and equinovarus deformity secondary to posterior tibial tendon incarceration in the syndesmosis: a case report after a bimalleolar fracture-dislocation. Foot Ankle Int. 1999;20(8): 527-531.

[27] Gehr J, Neber W, Hilsenbeck F, et al. New concepts in the treatment of ankle joint fractures. The IP-XS (XSL) and IP-XXS (XXSL) nail in the treatment of ankle joint fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 2004;124(2):96-103.

[28] 朱春桥,许硕贵,吴亚乐,等.后侧腓骨钢板内固定在踝关节骨折中的应用[J].中国骨伤,2008,21(9):669-671.

[29] 王万秀,陈国林,杨延涛,等.解剖钢板、拉力螺钉治疗旋后外旋Ⅳ型踝关节骨折的临床体会[J].吉林医学,2010,31(15):2289.

[30] 白洪涛,常利民,贾卫斗,等.空心螺钉经前踝内固定治疗后踝关节骨折57例临床分析[J].中国煤炭工业医学杂志,2014,(9):1397-1399.

[31] 毛玉发,黄东海.踝关节骨折并下胫腓关节分离的手术内固定方案分析[J].临床合理用药杂志,2012,5(25):107-108.

[32] 辛景义,刘忠玉,严成渊,等.踝关节骨折合并Tillaux-Chaput和Volkmann骨折的临床特点及治疗方法[J].中华骨科杂志, 2013, 33(4):398-402.

[33] 李永耀,关继超,金阳,等.手术修补旋前外旋型Ⅲ度踝关节骨折三角韧带损伤的临床对照研究[J].中国中西医结合外科杂志, 2015, (3):293-295.

[34] 许玮,张旭鸣,施爱平,等.后外侧入路治疗合并后踝骨折的外旋型踝关节骨折33例[J].福建医药杂志,2014,(5):42-44.

[35] 李杨,王树森,杨宁,等.复杂踝关节骨折中后踝骨折及下胫腓联合分离的手术治疗体会[J].中国骨与关节损伤杂志,2014,29(12): 1289-1290.

引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。
1.2 时间及地点于2014年4月至2015年3月在南阳市第二人民医院完成。
1.3 对象 95例后踝关节骨折患者，均为本院住院患者，男50例，女45例，平均年龄(45.25±10.15)岁。均经临床诊断确诊为后踝关节骨折。均接受内固定治疗，按照患者意愿选择术中使用的内固定材料，并分为微型钢板组(48例)和拉力螺钉组(47例)，分别予以微型钢板和拉力螺钉内固定治疗。
诊断标准：经常规检查，并予以踝关节正侧位X射线片检查，确诊为后踝关节骨折。
纳入标准：①符合后踝关节骨折诊断标准。②符合手术指征。③对手术相关情况知情且签署同意书，自愿受试。
排除标准：①不符合后踝关节骨折诊断标准者。②身体一般情况差，无法耐受手术治疗者。③伤口愈合能力差及伤口感染。④同时参加其他临床研究者。
试验相关内容和方法均经本院伦理部门审核并批准，入组的所有患者均对试验相关具体内容知情，并自愿参与试验。
1.4 材料
拉力螺钉：由常州华森医疗器械有限公司提供，产品用钛合金材料(TC4)或不锈钢材料(00Cr18Ni14Mo3)制造。具有较好的抗氧化性及腐蚀性，且具有良好的机械强度，且无诱变性、无致癌性、无致畸性等，并具有良好的血液相容性。见图1A。
微型钢板：由强生(上海)医疗器材有限公司提供，材料采用Ti6Al4V钛合金，表面经阳极化处理。非灭菌包装，具有较好的抗氧化性及腐蚀性，且具有良好的机械强度，且无诱变性、无致癌性、无致畸性等，并具有良好的血液相容性。见图1B。

1.5 方法
内固定方法：对患者进行常规麻醉，术区消毒铺巾。于腓骨下段外侧做切口，对骨折端予以复位。两组患者分别利用微型钢板和拉力螺钉进行固定。固定结束后利用血管钳对外踝进行推挤，并活动踝关节，如果下胫腓联合稳定性良好，且经透视踝穴形态良好结束手术。术毕置橡皮条引流，并予以加压包扎。固定后对2组患者均实施常规止血和抗感染等处理，并结合患者的实际情况进行康复锻炼。
三维有限元模型模拟和分析：固定后6个月，对两组的固定效果进行三维有限元模型模拟和分析，对患者进行冠状位利用螺旋CT踝关节扫描，获得72层扫描图像。对获得的图像进行处理，获得关节表面三维信息。对图像进行拟合处理，并将获得的数据置于同一个坐标系中，建立关节三维模型。利用三维模型对微型钢板和拉力螺钉内固定效果进行分析。记录踝关节处于中立位置条件下的水平面与胫腓骨之间的角度，将这一角度设为无负重值。对模型施加轴向递增压力，大小为 50 N，直至出现固定失效，对相应的内固定失效压力记录，并对固定失败时所对应的压力数值进行记录。
1.6 主要观察指标 ①手术相关指标：包括手术时间和术中出血量以及住院时间。②踝关节评分情况：满分100分，分为3部分，其中活动度20分，功能30分，疼痛50分。对患者进行不同的评分，评估治疗优良率，其中70分以下为差，70-74分为及格，75-80分为良，85-100分为优。③对两组的固定效果进行三维有限元模型模拟和分析，分析在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上以及25%以下的内固定失效平均压力。④不良反应评估标准：观察两组是否出现任何内固定材料相关不良事件，包括感染和断裂等。
1.7 统计学分析试验过程中得到的所有研究数据均录入SPSS 19.0统计学软件，计量资料利用x(_)±s表示，组间数据差异的比较采用t 检验和单因素方差分析，计数资料利用百分率进行比较，组间数据差异的均采用χ2检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

在人体的诸多关节中，踝环节是十分重要的关节之一^[6]。踝关节承担人体大部分轴向质量，其稳定性需要由骨性结构及其周围的韧带组织共同予以维持^[7]。踝关节骨折是骨创伤常见疾病，多因剧烈外力等导致^[8-9]。轻度骨折可已经骨折后若诊治出现失误，常造成严重的后遗症，致残率极高，有的甚至需要在后期行关节置换或者以损伤功能为代价进行踝关节置换才可解决[^10]。
临床治疗过程中，要注意选择合适的方案进行治疗^[11]。刘建华等^[12]对采用切开复位内固定治疗的326例踝关节骨折患者的临床资料进行回顾性分析认为，对不同的踝关节骨折类型，要结合实际情况选择正确的路径切开，然后进行妥善的解剖复位，对关节面的平整度予以灰度，并运用有效的方法进行内固定。并认为，对下胫腓联合分离适合予以外侧切口，并利用拉力螺钉穿透3层皮质进行固定；对于双踝和三踝骨折，适合做内外侧双切口；对于内踝骨折，可采用后内侧入路，并在术中使用张力带钢丝、可吸收螺钉或拉力螺钉进行内固定。临床对后踝关节骨折患者进行治疗的过程中，大多采用手术内固定方式，在术中可以使用不同的内固定材料^[13]。其中，拉力螺钉和微型钢板是两种常用的内固定材料^[14-17]。微型钢板内固定治疗过程中，采用的是经皮下进行置入的方式，术中不会对患者的营养血管和关联动脉等产生过大的影响，可以维持正常的骨膜和骨髓血流灌注状态^[18]。并对骨膜及其骨折周围的软组织供血情况予以妥善的保护，从而达到良好的内固定效果^[19]。且钢板板材薄、切口小，固定后更容易闭合，可以促进患者的固定后骨折愈合^[20-21]。赵春海等^[22]对踝关节骨折患者实施切开复位联合板固定的方式进行治疗，固定后观察发现，患者的平均Baird Jackson评分达到(87.5±6.5)分，较术前显著提高，且并发症少，是一种安全可靠的治疗方案。固定后人体功能恢复快，并发症少，能够尽早下地活动，更有利于患者的健康。利用拉力螺钉进行内固定，术中于直视状态下对患者进行后踝复位和内固定，可以使后踝达到良好的解剖复位效果，并利用拉力螺钉按照从后向前的方式对骨折部位进行固定^[23-24]。经妥善内固定之后，螺纹均超过骨折断端，因此可以发挥出良好的断端加压效果，有效促进患者的固定后骨折愈合。并可以减少各种复位不良导致的早期创伤性关节炎等的出现，促进患者的固定后恢复^[25-29]。白洪涛等^[30]对57例后踝关节骨折患者实施空心螺钉经前踝内固定治疗，固定后随访发现，患者的骨折愈合时间为8-12周，经美国AOFAS协会足踝评分，优良率达到100%。并指出，这一内固定方式具有手术创伤小、对周围血运破坏较小，患者固定后骨折愈合较快等特点，可以更好的改善患者的踝关节功能。试验过程中，对两组患者，分别予以拉力螺钉和微型钢板治疗。研究结果显示，对两组的手术相关指标进行比较，微型钢板组的手术时间长于拉力螺钉组，但经比较差异无显著性意义；微型钢板组的术中出血量大于拉力螺钉组，住院时间长于拉力螺钉组，且经比较差异均有显著性意义。分析出现这一结果的原因，可能是因为拉力螺钉固定后的手术切口较小，术中不需要对软组织予以过多的剥离等因素，因此可以更好的减少对患者机体造成的损伤^[31]。
目前，关于后踝骨折块手术治疗的具体指征尚不够明确。临床治疗过程中，大多选择将是否累及25%关节面在临床中常常被作为一个手术治疗阈值。但是，在实际的手术决策制定过程中，也需要同时考虑其他因素的影响^[32-35]。随着CT等影像学检查手段的不断普及，后踝骨折块的大小和关节面压缩程度等均可以得到较好的诊断和评估，从而为临床治疗方案的选择和制定等提供更多具有较高参考价值的依据，并改善临床医师的治疗决策，以提高内固定效果。试验过程中，对两组的固定效果进行三维有限元模型模拟和分析，经分析发现，在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，在内固定失效平均压力方面，两组进行比较，拉力螺钉组显著小于微型钢板组；而当后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以下的情况下，在内固定失效平均压力方面，两组进行比较，拉力螺钉组显著大于微型钢板组。经评估和比较，拉力螺钉组的踝关节内固定优良率为93.62%，显著高于微型钢板组的81.25%。结果表明，临床对后踝关节骨折的患者进行内固定治疗的过程中，在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，利用拉力螺钉进行内固定可以获得较之微型钢板内固定更好的临床效果。但在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，则更合适使用微型钢板进行内固定治疗。因此，临床治疗过程中，需要结合不同患者的实际情况，制定科学的治疗方案，选择合适的内固定材料进行治疗。另外，骨折患者往往都必须经过一段时间的“固定”治疗，但去除固定后，却发现关节周围软组织发生粘连、挛缩，从而影响关节的活动度。如果踝关节的活动度得不到恢复，走路的姿态就会受影响。因此，去除外固定后，尽早活动踝关节是关键。试验过程中，固定后对2组患者均实施常规止血和抗感染等处理，并结合患者的实际情况进行积极的康复锻炼。另外，术中使用的内固定材料还应该具备良好的机械强度和生物相容性等。试验结果还显示，2组治疗过程中均未出现任何内固定材料相关不良事件。即表明，手术过程中使用两种材料均具有良好的生物相容性，可以避免各种材料相关不良反应的出现。
综上所述，临床对后踝关节骨折的患者进行内固定治疗的过程中，予以拉力螺钉内固定可以获得较之微型钢板内固定更好的临床效果，但在后踝关节骨折块波及到胫骨远端关节面25%以上的情况下，更合适使用微型钢板进行内固定治疗。为此，具体的治疗过程中，需要积极的结合不同患者的实际情况以及不同材料的生物力学性能，制定合理的内固定方案，以提高预后效果。

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