环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋的生物力学研究

郑贵雄，钟宏

(北海市人民医院胸心外科，广西北海536000)

环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋的生物力学研究

郑贵雄，钟宏

(北海市人民医院胸心外科，广西北海536000)

目的对环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋的生物力学进行评价。方法将新鲜冷冻的15对猪平行肋骨建立断肋模型后，一半采用多孔钢板加螺丝固定，设为多孔钢板加螺丝固定组，另一半采用环抱式肋骨接骨器固定，设为环抱式肋骨接骨器固定组，分别进行三点弯曲试验、扭转试验与疲劳试验，观察两组试验结果。结果三点弯曲试验中位移2 mm、4 mm、6 mm三个时间点多孔钢板组的施力大小显著大于环抱式肋骨接骨器组，组间比较差异有统计学意义(P＜0.05)；扭转10°时多孔钢板组扭转力大于环抱式肋骨接骨器组，差异有统计学意义(P＜0.05)；扭转20°、30°、40°时两组扭转力大小比较差异均无统计学意义(P＞0.05)。多孔钢板组刚度降低幅度明显大于环抱式肋骨接骨器组，组间比较差异具有统计学意义(P＜0.05)。结论环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋的生物力学指标整体上较多孔钢板更优，建议在临床进一步推广应用。

环抱式肋骨接骨器；医源性断肋；生物力学

在开胸手术中开胸器的应用可以帮助术者获得良好的手术显露，但若操作手速过快或用力过猛，肋骨则可因骤然过度撑开而发生折断；另一种情况也是基于手术显露的需要，术者可能对肋骨进行主动切断或切除处理。我们将以上情况所造成的肋骨骨折定义为医源性断肋。就临床对医源性断肋的处理方法来看，既往通常采用钢丝或钢板给予固定，或是视情况给予保守治疗，但均存在不足之处[1]。近年来，我院对临床发生的医源性断肋患者采用环抱式肋骨接骨器进行内固定处理，取得了颇令人满意的效果[2-3]。而本研究则主要对此种处理方法的生物力学情况进行了进一步考察，并与多孔钢板固定的效果进行了对照，以期为环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋提供更为丰富的理论支持，现报道如下：

1 材料与方法

1.1 材料标本选取30根(15对)新鲜冷冻的猪肋骨作为本研究材料标本，所有标本均取自体重与形态均尽量接近的成年公猪，并在宽度与厚度等形态学指标方面最大程度保持与人体5～8肋接近。排除标准：合并外伤、畸形、肿瘤以及已发生明显退变者。将肋骨上的肌肉干净剃除后冷冻备用。

1.2 仪器与工具①环抱式肋骨接骨器(兰州西脉记忆合金股份有限公司)；②Electroforce 3520-AT型生物力学实验机(美国Bose公司)；③3.5 mm重建多孔钢板与螺丝(天津希翼恒远)；④自制肋骨夹具；⑤Ⅱ型义齿基牙托粉与自凝牙托水(昆山市大进齿科材料有限公司)；⑥电钻与摆锯。

1.3 方法将15对平行肋骨随机分为3份，每份含5对平行肋骨。试验前6 h将冷冻肋骨标本取出并于室温下消融，接着对每份肋骨建立断肋模型，于骨折易发部位的肋体处采用摆锯进行人为横断，断肋模型建立后对每份中的平行肋骨分别采用多孔钢板加螺丝固定(多孔钢板组)与环抱式肋骨接骨器固定(环抱式肋骨接骨器组)，最后两组分别开展三点弯曲试验、扭转试验与疲劳试验，具体方法如下：

1.3.1 三点弯曲试验设置肋骨标本跨度为100 mm，位移速率4 mm/min，将压力装置连接到生物力学试验机，将传感器连接到计算机，将受力点定位于骨折线中心位置，一切准备就绪后开始试验，在位移过程中电脑全程记录各位移点的施力大小，本研究共选取位移2 mm、4 mm、6 mm三个时间点的数据来评估两种固定方法的抗弯曲力水平，见图1a、1b。

1.3.2 扭转试验截取肋骨两端并采用Ⅱ型义齿基牙托粉将其分别固定于自制模具当中，接着将模具与生物力学试验机连接，保持固定两端与肋骨保持同一垂线位置，调节好计算机参数后及进行试验，在上端施以扭转荷载以扭转肋骨，扭转速率为10°/min，在扭转过程中电脑全程记录各扭转角度的施力大小，本研究共选取扭转10°、20°、30°、40°四个时间点的数据来评估两种固定方法的抗扭转力水平。见图1c、1d。

1.3.3 疲劳试验将Ⅱ型义齿基自凝牙托粉倒入两端肋骨夹具中以制得固定物，待其凝固后将约2 cm的克氏针插入夹具中心，外留长度约1 cm并将其插入肋骨一端以达到固定肋骨的效果。接着将肋骨夹具与生物力学试验机压力装置相连接。向肋骨施以2N/Hz的负载力直至肋骨刚度趋于稳定(通常发生于循环施力1 000次以后)，此时设置计算机参数计算出的刚度值为初始刚度，之后再将施力循环次数增加到5 0000次以完成疲劳试验(该过程等效于人以18次/min的频率连续进行48 h的深呼吸)，此时计算出的刚度值为最终刚度，同时计算前后的刚度变化值，见图1e、1f。

1.4 统计学方法采用SPSS19.0统计学软件包对本次结果数据进行处理分析，所测得的数据均采用均数±标准差(±s)表示，其中三点弯曲试验与扭转试验采用两独立样本t检验，疲劳试验采用配对样本t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

图1 医源性断肋模型的生物力学水平测试图示

2 结果

2.1 三点弯曲试验结果位移植2 mm、4 mm、6 mm三个时间点多孔钢板组的施力大小显著大于环抱式肋骨接骨器组，组间比较差异有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

2.2 扭转试验结果扭转试验中扭转10°时多孔钢板组扭转力大于环抱式肋骨接骨器组，差异有统计学意义(P＜0.05)；扭转20°、30°、40°时两组扭转力大小比较差异统计学意义(P＞0.05)，见表2。

2.3 疲劳试验结果环抱式肋骨接骨器组与多孔钢板组的初始刚度比较差异无统计学意义(P＞0.05)，疲劳试验后各组刚度均降低(P＜0.05)，多孔钢板组刚度降低幅度明显大于环抱式肋骨接骨器组，组间比较差异具有统计学意义(P＜0.05)，见表3。

表1 医源性断肋模型的三点弯曲试验结果（N，±s）

表1 医源性断肋模型的三点弯曲试验结果（N，±s）

组别平行肋骨位移值试验数2 mm4 mm 6 mm环抱式肋骨接骨器组513.12±8.0741.74±38.16122.08±65.49多孔钢板组582.95±56.23163.94±78.52236.25±106.64 t值2.8743.2862.974 P值0.0330.0090.024

表2 医源性断肋模型的扭转试验结果(N，±s)

表2 医源性断肋模型的扭转试验结果(N，±s)

组别平行肋骨试验数扭转角度环抱式肋骨接骨器组多孔钢板组t值P值5 5 10° 5.38±0.65 9.06±0.52 5.284 0.036 20° 10.31±4.54 10.98±13.33 0.065 0.957 30° 15.76±12.28 17.63±11.37 0.182 0.872 40° 13.12±6.03 14.34±5.86 0.205 0.901

表3 医源性断肋模型的疲劳试验结果(N/m，±s)

表3 医源性断肋模型的疲劳试验结果(N/m，±s)

组别环抱式肋骨接骨器组多孔钢板组t值P值平行肋骨试验数5 5初始刚度13.32±1.71 13.65±0.35 0.194 0.802最终刚度10.56±1.81 9.73±0.53 0.154 0.897刚度变化值2.76±0.11 3.92±0.20 3.862 0.036 t值7.367 6.038 P值0.015 0.023

3 讨论

早期临床对断肋的处理多采用钢丝或克氏针等，但常有肋骨固定不稳固及术后断肋位移需要二次手术的报道[4-5]。而且术后随访显示，患者胸痛持续时间较长，并影响到患者主动咳嗽排痰的深度与力度。随着医疗技术的发展，新型手术材料不断应用于临床，各类钢板代替钢丝或克氏针作为断肋的内固定材料，在一定程度上解决了断肋不稳固的问题，但采用钢板固定术中需进行更为广泛的骨膜剥离，不仅加大了创伤，手术和麻醉时间均会延长，增加了手术风险，而且延长了断肋的愈合时间[6]。鉴于此，探索并确立一种更为可靠的医源性断肋固定方法是骨科临床亟待攻克的研究课题之一。

在人体进行正常的吸气与呼气运动过程中，肋间肌将拉动肋骨做上升或下降运动，同时胸廓的上下径、前后径及左右径同时将发生增大或缩小的变化。此外，在呼气运动的过程中，肋骨头与肋骨结节还将围绕肋椎关节做上下摆动，故会发生一定程度的弯曲与扭转。而呼吸是一个连续的过程，即以上变化及相关力学因素的改变也是一直存在的，故断肋经固定处理后其固定器材必须要经受住长时间的考验。基于上述分析，本研究将医源性断肋在固定处理后的抗弯曲能力、抗扭转能力以及疲劳试验后的刚度变化作为了重点考察的生物力学指标。本研究结果显示，多孔钢板处理后的断肋在抗弯曲能力方面显著优于环抱式肋骨接骨器，但Charpail等[7]的研究结果提示，肋骨骨折的平均负荷为87 N，而多孔钢板与环抱式肋骨接骨器的屈服强度均大于该数值，同时肋骨所承受的负荷通常也不会达到该数值，故笔者认为正常情况下采用该两种固定器材固定处理医源性断肋在抗弯曲性能方面均有足够的安全保障。在抗扭转能力方面，多孔钢板仅在扭转10°及以内时明显优于环抱式肋骨接骨器，当扭转较大增大后抗扭转能力差异已不具有统计学意义；同时我们还在该试验中观察到多孔钢板的螺丝很容易在扭转增大到一定程度后发生从螺丝孔处纵型劈裂的情况，而环抱式肋骨接骨器则仅仅是固定器材的变形或脱落，并不会对肋骨本身造成明显损伤。尽管在显示中不会出现这样大扭转力，但给予肋骨其骨皮质非常薄的几何形态学特征，故也预示多孔钢板或许难以绝对避免不出现骨质劈裂螺钉松脱的现象。在抗疲劳性能方面，两种固定方法的初始刚度比较差异无统计学意义，但多孔钢板组刚度降低幅度明显大于环抱式肋骨接骨器组，该结果提示环抱式肋骨接骨器具有较多孔钢板更好的抗疲劳性能，可发挥更好的持续固定效果。

综上所述，环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋的生物力学指标整体上优于多孔钢板，尤其体现在抗疲劳性能方面，再加上环抱式肋骨接骨器内固定处理医源性断肋在控制手术时间、材料理化性质、组织相容性以及对骨膜与骨髓腔血供的干扰情况等多方面均具不容忽视的优势，故笔者建议在临床进一步推广应用。

[1]Zsirosl A,Zaborszky Z,Petri A,et al.Easy and effective method for the treatment of rib fracture by using Chrisofix-technique[J].Proceeding of the 7thEuropean Trauma Congress,2006,12:387-390.

[2]冯毅,钟宏,岑兴强,等.肋骨环抱器内固定医源性断肋临床研究[J].中华实用诊断与治疗杂志,2013,27(6):593-594.

[3]钟宏,冯毅,郑贵雄,等.环抱式肋骨接骨器内固定医源性断肋对术后疼痛的影响[J].广西医学,2013,35(3):309-310.

[4]宋善新.镍钛合金环抱式肋骨接骨器治疗26例多发性肋骨骨折效果分析[J].临床医学,2014,34(2):68-69.

[5]唐冰.镍钛记忆合金肋骨环抱式接骨器治疗多发性肋骨骨折24例临床观察[J].北方药学,2012,9(8):65-66.

[6]Li Q,Xia YY,Tang JC,et al.In vitro and in vivo biocompatibility investigation of diamond-like carbon coated nickel-titanium shape memory alloy[J].Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol, 2011,39(3):137-142.

[7]Charpail E,Trosseille X,Petit P,et al.Characterization of PMHS Ribs:A New Test Methodology[J].Stapp Car Crash Journal,2005, 49:183-198.

Biomechanical study of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic rib fracture.

ZHENG Gui-xiong,ZHONG Hong.Department of Thoracic Surgery,Beihai People's Hospital,Beihai 536000,Guangxi,CHINA

ObjectiveTo evaluate the biomechanical features of rib embracing connector for internal fixation of iatrogenic fracture of rib.MethodsModels of broken rib were established by 15 pairs of fresh frozen parallel ribs of pig,half of which were treated by porous plate and screw fixation(group A)and the other half were fixed by rib embracing connector(group B).Three-point bending test,torsion test and fatigue test were carried out respectively,and the results of the two groups were observed.ResultsIn three-point bending test,the applied force at displacement of 2 mm, 4 mm,6 mm in group A was significantly larger than that of group B(P＜0.05).In torsion test,the twisting force for torsion of 10°was significantly greater in group A than group B(P＜0.05),but the twisting force showed no statistically significant difference between the two groups for torsion of 20°,30°,40°(P＞0.05).The decrease in stiffness of group A was more significant than that of group B,and the difference between the two groups was statistically significant(P＜0.05).ConclusionRib embracing connector,compared with porous plate,results in better biomechanical indexes in the treatment of iatrogenic rib fracture on the whole,which should be recommended in clinic.

Rib embracing connector;Iatrogenic rib fracture;Biomechanics

R683.1

A

1003—6350（2016）02—0219—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.02.016

2015-07-07)

郑贵雄。E-mail：53793279@qq.com