引用本文： 盧慶威, 萬春友, 張弢, 王曉衛, 劉彥士, 馬繼海. 軸向載荷力學測試在脛腓骨骨折術后外固定器拆除中的臨床應用. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(9): 1085-1088. doi: 10.7507/1002-1892.20160221 復制
對于合并多發傷的開放粉碎性骨折，為早期固定、減輕手術本身帶來的傷害、降低術后感染率、方便日常護理及術后快速康復，臨床常選用外固定器治療。隨著固定理論的發展以及各種外固定器的研制，外固定器治療已從單一骨折固定發展至畸形矯正、肢體延長等方面。但外固定器占據空間較大，給患者日常生活帶來極大不便，同時存在釘道感染、外固定器松動、斷裂等風險，其中釘道感染發生率可達80%[1]，所以需要在骨折愈合后盡早拆除。但拆除過早有骨折不愈合、再骨折等嚴重并發癥發生可能。有報道骨搬移術外固定器拆除后再骨折發生幾率為8%～9.4%[2-3]。
目前關于外固定器拆除時間的確定，主要依靠影像學檢查結果、患者臨床癥狀、體征以及術后時間來綜合判斷。也有報道應用雙能X線吸收測量法[4]及B超檢測法[5-6]判斷骨折愈合程度。但以上方法存在主觀因素影響、放射性傷害、費用高及無法定量評價骨折愈合程度等不足[7]。外固定器軸向載荷力學測試可以定量分析外固定器及骨折斷端骨痂在患者正常平穩負重時的力學分擔比，為臨床安全、盡早拆除外固定器提供了更客觀、可靠數據參考。2014年1月－2015年8月，我院對27例行外固定器固定的脛、腓骨骨折患者，根據外固定器軸向載荷力學測試結果確定外固定器拆除時間，獲得較好療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組男21例，女6例；年齡19～63歲，平均45歲。致傷原因：交通事故傷18例，重物砸傷9例。左側17例，右側10例。閉合骨折7例，開放骨折20例。開放骨折根據Gustilo分型標準：Ⅰ型6例、Ⅱ型10例、Ⅲ型4例。X線片復查示：螺旋型不穩定骨折4例，粉碎型不穩定骨折23例。患者傷后至入院時間2～13 h，平均6 h；均一期行外固定器固定。采用Ilizarov外固定器11例，Hybrid外固定器10例，Orthofix外固定器4例，Taylor外固定器2例。3例行外固定器固定后7、12、15周出現感染致骨不連，其中采用Taylor外固定器1例、Ilizarov外固定器2例；1例行Ilizarov外固定器固定后20周發生骨折不愈合伴骨缺損。以上4例均行二期脛骨截骨延長術。
1.2 外固定器軸向載荷力學測試
外固定后，經正側位X線片復查，明確骨折處均有連續性高密度骨痂形成、骨折線基本消失，查體無異常活動及縱向叩擊痛后，行外固定器軸向載荷力學測試。將3個拉壓力傳感器（深圳耐特恩科技有限公司）安裝于外固定器（圖 1），以藍牙連接電腦并打開配套測試程序RemoteSensor_Monitor，勾選與拉壓力測試頭相對應的3個測試通道，持續記錄患者正常平穩行走時拉壓力傳感器數值。如圖 2顯示通道1、3、4的3條曲線分別代表 3個拉壓力傳感器在一段時間內所受拉力與壓力變化，記錄每條曲線各波峰和波谷值，取均值并計算兩者差值，再計算3條曲線所得結果總和（∑F）。最后，根據公式計算患者平穩行走時外固定器軸向載荷分擔比，公式：∑F/體質量（kg）×100%。參照Aarnes等[8]提出的當外固定器軸向載荷分擔比 < 10%時，可安全拆除外固定器標準，確定是否拆除外固定器。
圖1
于Hybrid外固定器的骨折遠、近端兩環上安裝拉壓力傳感器??圖 2??患者正常平穩行走時測量曲線
Figure1.
Installation of tension and compression sensor on the proximal and distal rings of Hybrid external fixator??Fig. 2??Measurement interface when patients stably and normally walk
2 結果
本組經外固定治療21～85周（平均44周）后，X線片復查示骨折處有連續性高密度骨痂形成，骨折線模糊，行外固定器軸向載荷力學測試。測試結果顯示，本組26例外固定器軸向載荷分擔比 < 10%，為0.7%～9.3%，平均4.6%，拆除外固定器；拆除外固定器后隨訪6周，患者下肢完全負重，恢復正常生活，無再骨折發生。
1例術后65周測量外固定器軸向載荷分擔比為14.6%，術后85周再次測量為14%，此時X線片顯示骨折斷端明顯向內側成角且未完全愈合，因治療時間過長且無完全愈合征象及趨勢，擬改內固定繼續治療。拆除外固定器后患者發生再骨折，行骨折閉合復位髓內釘內固定術，25周后骨折愈合。
3 討論
外固定器軸向載荷分擔比測試屬于骨生物力學中的拉壓試驗，拉壓試驗是測定材料機械性能的基本方法，也是測定彈性模量的常用方法，反映了組織及材料抵抗彈性變形的能力[9]。通過測量患者正常平穩負重時外固定器軸向載荷分擔比，可間接反映骨折端新生骨的抗變形能力，即骨折愈合強度，從而指導外固定器安全拆除。傳統臨床工作中，對于外固定器拆除時間的評定，常參照患者術后X線片、CT等影像學檢查結果，如新生骨痂與正常骨質量相仿，骨折線消失，同時查體無壓痛、縱向叩擊痛及異常活動時，則先松動螺母去除連接桿進行外固定器預拆除；囑患者完全負重功能鍛煉數周后，再完全拆除外固定器。但是影像學檢查只能定性分析骨痂形成情況，且不能避免主觀因素影響[10-11]，對骨折愈合情況以及拆除時間判斷有一定干擾。本組26例患者在符合預拆除外固定器標準時進行軸向載荷分擔比測量，結果均低于10%，提示在傳統預拆除期間可能大部分患者外固定器軸向載荷分擔比已低于10%，可以直接拆除外固定器，表明傳統方法可能延長了外固定器佩戴時間，給患者生活帶來不便，又增加了外固定器相關并發癥的發生率。本組結果顯示，以拉壓力傳感器測量外固定器軸向載荷分擔比的靈敏度、準確度均較高，對骨折外固定術后安全拆除外固定器及降低拆除外固定器前后相關并發癥的發生率具有重要意義。
骨科生物力學是以骨骼肌肉系統為對象，利用生物力學方法將工程原理，尤其是機械力學原理，應用于臨床醫學來解決骨科問題的一門學科[12-13]。我國方先之、尚天裕等確立的中國接骨學派，其核心原則為“內外兼顧、筋骨并重、動靜結合、醫患合作”[14]。隨后，AO學者借鑒中國接骨學派理論提出了生物學固定概念[15]，強調了骨折固定治療過程中生物學因素的重要性。患者術后應早期功能鍛煉，在理想骨折對位及不干擾骨折處髓內、外血運情況下，骨折愈合與功能康復應同步進行。而通過外固定器軸向載荷分擔比測試很好地解決了“動”與“靜”之間的矛盾，即只要外固定器軸向載荷分擔比 < 10%，便可盡早拆除外固定器，完全負重進行功能鍛煉，促進骨與軟組織血液循環，加速骨折端的塑形重建、“二期愈合”及肢體功能的恢復。
外固定器軸向載荷分擔比測試除了用于確定外固定器拆除時間外，還可以進一步用于骨折外固定的后續治療，指導功能鍛煉，促進骨折愈合。夏和桃[16]提出的“骨折固定適應性剛度”，強調骨折早期實施堅強固定，以維持骨連續性和穩定性，為軟組織修復、血運重建提供穩定的環境；中期提供軸向和綜合應力刺激的彈性，增加骨界面和荷載能力，促進骨再生速度；后期提供平衡固定，使骨功能適應多種應力，完成骨結構優化重建，防止功能狀態下的應力性骨折。這一概念符合骨折固定后愈合、重建的生物學過程，為骨外固定技術在臨床上應用提供了理論指導[17]。有研究表明，拆除外固定器后發生再骨折通常是由于外固定器拆除前未能進行適應性功能鍛煉所致，盡管相關檢查提示骨折達臨床愈合，但新骨達正常骨骼的生物力學強度需1～2年[18]。所以，臨床上可以盡早進行外固定器軸向載荷分擔比測定，指導骨折外固定后中后期間斷松解外固定器，去除應力遮擋，逐漸增加負重刺激骨折斷端，加快骨再生速度，并最終通過臨床實驗總結，確定松解外固定器進行功能鍛煉的安全時機。除此之外，也可以通過多學科合作，研究外固定器軸向載荷分擔比變化與骨折斷端新生骨質量影像學變化的關系，但這些應用方向尚需大量臨床實踐研究。
該方法臨床應用時間較短，尚存在以下問題需要解決。拉壓力傳感器檢測系統尚不能精準測量扭轉及加速度載荷變化。裝置本身及安裝后存在系統誤差，患者行走時測量獲得的外固定器軸向載荷分擔比受患者步態速率變化影響，以上因素均會影響測量結果的準確性。此外，骨折類型及嚴重程度也是早期使用該方法的限制因素，如橫形穩定骨折外固定器軸向載荷分擔比測量結果在骨折愈合前或術后早期就可能低于10%，臨床上需要綜合影像學檢查結果及臨床癥狀、體征綜合分析骨折愈合程度。
綜上述，骨外固定器軸向載荷分擔比力學測試指導外固定器拆除時間的判定，但同時也需要結合患者病史、影像學檢查結果、癥狀體征及骨折術后治療時間等因素綜合制定。此外，骨外固定器軸向載荷分擔比力學測試方法以及裝置還需要不斷完善，并嚴格制定應用指征，使其臨床應用規范化。
對于合并多發傷的開放粉碎性骨折，為早期固定、減輕手術本身帶來的傷害、降低術后感染率、方便日常護理及術后快速康復，臨床常選用外固定器治療。隨著固定理論的發展以及各種外固定器的研制，外固定器治療已從單一骨折固定發展至畸形矯正、肢體延長等方面。但外固定器占據空間較大，給患者日常生活帶來極大不便，同時存在釘道感染、外固定器松動、斷裂等風險，其中釘道感染發生率可達80%[1]，所以需要在骨折愈合后盡早拆除。但拆除過早有骨折不愈合、再骨折等嚴重并發癥發生可能。有報道骨搬移術外固定器拆除后再骨折發生幾率為8%～9.4%[2-3]。
目前關于外固定器拆除時間的確定，主要依靠影像學檢查結果、患者臨床癥狀、體征以及術后時間來綜合判斷。也有報道應用雙能X線吸收測量法[4]及B超檢測法[5-6]判斷骨折愈合程度。但以上方法存在主觀因素影響、放射性傷害、費用高及無法定量評價骨折愈合程度等不足[7]。外固定器軸向載荷力學測試可以定量分析外固定器及骨折斷端骨痂在患者正常平穩負重時的力學分擔比，為臨床安全、盡早拆除外固定器提供了更客觀、可靠數據參考。2014年1月－2015年8月，我院對27例行外固定器固定的脛、腓骨骨折患者，根據外固定器軸向載荷力學測試結果確定外固定器拆除時間，獲得較好療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組男21例，女6例；年齡19～63歲，平均45歲。致傷原因：交通事故傷18例，重物砸傷9例。左側17例，右側10例。閉合骨折7例，開放骨折20例。開放骨折根據Gustilo分型標準：Ⅰ型6例、Ⅱ型10例、Ⅲ型4例。X線片復查示：螺旋型不穩定骨折4例，粉碎型不穩定骨折23例。患者傷后至入院時間2～13 h，平均6 h；均一期行外固定器固定。采用Ilizarov外固定器11例，Hybrid外固定器10例，Orthofix外固定器4例，Taylor外固定器2例。3例行外固定器固定后7、12、15周出現感染致骨不連，其中采用Taylor外固定器1例、Ilizarov外固定器2例；1例行Ilizarov外固定器固定后20周發生骨折不愈合伴骨缺損。以上4例均行二期脛骨截骨延長術。
1.2 外固定器軸向載荷力學測試
外固定后，經正側位X線片復查，明確骨折處均有連續性高密度骨痂形成、骨折線基本消失，查體無異常活動及縱向叩擊痛后，行外固定器軸向載荷力學測試。將3個拉壓力傳感器（深圳耐特恩科技有限公司）安裝于外固定器（圖 1），以藍牙連接電腦并打開配套測試程序RemoteSensor_Monitor，勾選與拉壓力測試頭相對應的3個測試通道，持續記錄患者正常平穩行走時拉壓力傳感器數值。如圖 2顯示通道1、3、4的3條曲線分別代表 3個拉壓力傳感器在一段時間內所受拉力與壓力變化，記錄每條曲線各波峰和波谷值，取均值并計算兩者差值，再計算3條曲線所得結果總和（∑F）。最后，根據公式計算患者平穩行走時外固定器軸向載荷分擔比，公式：∑F/體質量（kg）×100%。參照Aarnes等[8]提出的當外固定器軸向載荷分擔比 < 10%時，可安全拆除外固定器標準，確定是否拆除外固定器。
圖1
于Hybrid外固定器的骨折遠、近端兩環上安裝拉壓力傳感器??圖 2??患者正常平穩行走時測量曲線
Figure1.
Installation of tension and compression sensor on the proximal and distal rings of Hybrid external fixator??Fig. 2??Measurement interface when patients stably and normally walk
2 結果
本組經外固定治療21～85周（平均44周）后，X線片復查示骨折處有連續性高密度骨痂形成，骨折線模糊，行外固定器軸向載荷力學測試。測試結果顯示，本組26例外固定器軸向載荷分擔比 < 10%，為0.7%～9.3%，平均4.6%，拆除外固定器；拆除外固定器后隨訪6周，患者下肢完全負重，恢復正常生活，無再骨折發生。
1例術后65周測量外固定器軸向載荷分擔比為14.6%，術后85周再次測量為14%，此時X線片顯示骨折斷端明顯向內側成角且未完全愈合，因治療時間過長且無完全愈合征象及趨勢，擬改內固定繼續治療。拆除外固定器后患者發生再骨折，行骨折閉合復位髓內釘內固定術，25周后骨折愈合。
3 討論
外固定器軸向載荷分擔比測試屬于骨生物力學中的拉壓試驗，拉壓試驗是測定材料機械性能的基本方法，也是測定彈性模量的常用方法，反映了組織及材料抵抗彈性變形的能力[9]。通過測量患者正常平穩負重時外固定器軸向載荷分擔比，可間接反映骨折端新生骨的抗變形能力，即骨折愈合強度，從而指導外固定器安全拆除。傳統臨床工作中，對于外固定器拆除時間的評定，常參照患者術后X線片、CT等影像學檢查結果，如新生骨痂與正常骨質量相仿，骨折線消失，同時查體無壓痛、縱向叩擊痛及異常活動時，則先松動螺母去除連接桿進行外固定器預拆除；囑患者完全負重功能鍛煉數周后，再完全拆除外固定器。但是影像學檢查只能定性分析骨痂形成情況，且不能避免主觀因素影響[10-11]，對骨折愈合情況以及拆除時間判斷有一定干擾。本組26例患者在符合預拆除外固定器標準時進行軸向載荷分擔比測量，結果均低于10%，提示在傳統預拆除期間可能大部分患者外固定器軸向載荷分擔比已低于10%，可以直接拆除外固定器，表明傳統方法可能延長了外固定器佩戴時間，給患者生活帶來不便，又增加了外固定器相關并發癥的發生率。本組結果顯示，以拉壓力傳感器測量外固定器軸向載荷分擔比的靈敏度、準確度均較高，對骨折外固定術后安全拆除外固定器及降低拆除外固定器前后相關并發癥的發生率具有重要意義。
骨科生物力學是以骨骼肌肉系統為對象，利用生物力學方法將工程原理，尤其是機械力學原理，應用于臨床醫學來解決骨科問題的一門學科[12-13]。我國方先之、尚天裕等確立的中國接骨學派，其核心原則為“內外兼顧、筋骨并重、動靜結合、醫患合作”[14]。隨后，AO學者借鑒中國接骨學派理論提出了生物學固定概念[15]，強調了骨折固定治療過程中生物學因素的重要性。患者術后應早期功能鍛煉，在理想骨折對位及不干擾骨折處髓內、外血運情況下，骨折愈合與功能康復應同步進行。而通過外固定器軸向載荷分擔比測試很好地解決了“動”與“靜”之間的矛盾，即只要外固定器軸向載荷分擔比 < 10%，便可盡早拆除外固定器，完全負重進行功能鍛煉，促進骨與軟組織血液循環，加速骨折端的塑形重建、“二期愈合”及肢體功能的恢復。
外固定器軸向載荷分擔比測試除了用于確定外固定器拆除時間外，還可以進一步用于骨折外固定的后續治療，指導功能鍛煉，促進骨折愈合。夏和桃[16]提出的“骨折固定適應性剛度”，強調骨折早期實施堅強固定，以維持骨連續性和穩定性，為軟組織修復、血運重建提供穩定的環境；中期提供軸向和綜合應力刺激的彈性，增加骨界面和荷載能力，促進骨再生速度；后期提供平衡固定，使骨功能適應多種應力，完成骨結構優化重建，防止功能狀態下的應力性骨折。這一概念符合骨折固定后愈合、重建的生物學過程，為骨外固定技術在臨床上應用提供了理論指導[17]。有研究表明，拆除外固定器后發生再骨折通常是由于外固定器拆除前未能進行適應性功能鍛煉所致，盡管相關檢查提示骨折達臨床愈合，但新骨達正常骨骼的生物力學強度需1～2年[18]。所以，臨床上可以盡早進行外固定器軸向載荷分擔比測定，指導骨折外固定后中后期間斷松解外固定器，去除應力遮擋，逐漸增加負重刺激骨折斷端，加快骨再生速度，并最終通過臨床實驗總結，確定松解外固定器進行功能鍛煉的安全時機。除此之外，也可以通過多學科合作，研究外固定器軸向載荷分擔比變化與骨折斷端新生骨質量影像學變化的關系，但這些應用方向尚需大量臨床實踐研究。
該方法臨床應用時間較短，尚存在以下問題需要解決。拉壓力傳感器檢測系統尚不能精準測量扭轉及加速度載荷變化。裝置本身及安裝后存在系統誤差，患者行走時測量獲得的外固定器軸向載荷分擔比受患者步態速率變化影響，以上因素均會影響測量結果的準確性。此外，骨折類型及嚴重程度也是早期使用該方法的限制因素，如橫形穩定骨折外固定器軸向載荷分擔比測量結果在骨折愈合前或術后早期就可能低于10%，臨床上需要綜合影像學檢查結果及臨床癥狀、體征綜合分析骨折愈合程度。
綜上述，骨外固定器軸向載荷分擔比力學測試指導外固定器拆除時間的判定，但同時也需要結合患者病史、影像學檢查結果、癥狀體征及骨折術后治療時間等因素綜合制定。此外，骨外固定器軸向載荷分擔比力學測試方法以及裝置還需要不斷完善，并嚴格制定應用指征，使其臨床應用規范化。