不同固定位置及方向张力带钢板对重建骨盆后环稳定性的影响

谭国庆，何吉亮，朱秉瑞，徐展望，周东生

(1山东中医药大学附属医院，济南250014；2山东省千佛山医院；3山东省立医院)

张力带钢板修复重建不稳定性骨盆骨折后环损伤已取得较好的临床效果，尤其是经皮手术的开展，使其具有微创、操作简单的优点，临床应用越来越广泛[1～6]。但目前对张力带钢板固定骨盆后环生物力学研究还较少，尤其缺乏对其固定力学原理及如何应用可达到最佳生物力学稳定性的系统研究。2011年10月～2016年10月，本研究设计比较了临床和文献中常用的张力带钢板3种固定位置和方向对重建骨盆后环生物力学稳定性影响，并进一步分析其力学原理，以期选出最佳的后环张力带钢板固定方案，为临床进一步合理有效地应用后环张力带钢板提供生物力学依据。

1 材料与方法

1.1 骨盆标本、仪器及设备 甲醛固定湿润成年人骨盆标本8具，患者男5例、女3例，年龄24～53岁、平均41.4岁；死亡时间半年至1年；由山东中医药大学解剖教研室、河南大清生物技术有限公司提供；均带有L4、L5椎体，去除周围软组织，保留耻骨联合、骶髂关节及其周围韧带的完整性；经肉眼及X线检查排除肿瘤、风湿、结核、外伤等病变引起的骨盆环骨质破坏及解剖变异，以确保骨盆环的完整性；双能X线骨密度测量仪测量骨密度，排除明显骨质疏松。WDW-100EⅢ型电子万能试验机(济南试金集团有限公司)，电子拉、扭组合多功能试验机(烟台力尔自动化设备有限公司)，M-10型非接触式高精度磁栅位移传感测量系统传感器、磁栅尺及数显表(Mikra)，GS38/6-3600BM-05LG型旋转角度位移测量系统(济南光宇自动化设备有限公司)，Ⅱ型包埋固定义齿基托树脂(上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂)，3.5 mm重建钢板、2.5 mm螺钉(康辉医疗器械有限公司)。

1.2 模型制备及张力带钢板固定 模型制备方法：各骨盆标本在完成正常完整骨盆检测后，先用线锯将耻骨联合锯开，用手术刀将右侧骶髂关节前、后、骨间韧带及骶结节、骶棘韧带切断，使骶髂关节完全脱位，制成不稳定性骨盆环损伤(AO分类C1.2)模型。模型制备后，经解剖复位，应用以下3种不同位置及方向的张力带钢板固定后环。位置1：钢板固定于髂后上棘，两端沿髂骨外板指向前下方(指向耻骨联合)；位置2：钢板固定于髂后上棘上方，两端沿髂骨外板指向前方；位置3：钢板固定于髂后上棘下方，两端沿髂骨外板指向前上方。在固定钢板时，通过调节螺钉的松紧，利用应变测量系统保证张力带钢板固定的初始张力保持相同。骨盆前环耻骨联合均用1块四孔重建钢板、4枚螺钉固定。为保持固定的一致性，所有固定操作，均由1人完成。

1.3 加载方法与顺序 将加载检测模型固定于电子万能试验机上。正式加载前，用Varga等[7]的预处理方法消除骨盆蠕变影响。以2 mm/min的速度对骨盆进行0～600 N垂直负荷加载。为确保实验的可重复性，循环加载3次。完成垂直负荷加载实验后，将骨盆标本模型连同固定夹具置于拉、扭组合多功能试验机上，再予以600 N的轴向加载，以0.1°/s的角速度逆时针对标本进行扭转负荷加载，使其扭矩逐渐增加至8 N·m[8,9]。

1.4 位移测量 ①垂直轴向加载下的整体骨盆环垂直位移测量及轴向刚度计算：垂直加载时，利用电子万能试验机加载横梁上的位移传感器测量整体骨盆环的垂直位移，并通过自带测控系统(加载控制、数据采集分析软件)即时记录骨盆模型加载时的负载和垂直位移，并据此绘制、分析负载与位移关系曲线。记录3次循环加载至600 N时相应的位移，并以载荷除以位移的计算整体骨盆环轴向刚度，取其3次最大位移平均值。②扭转加载下的整体骨盆环扭转角度的测量及扭转刚度计算：扭转加载时，利用试验机加载装置上的角度位移传感器测量整体骨盆环的扭转角度。并通过自带测控系统(加载控制、数据采集分析软件)即时记录骨盆模型加载时的扭距和角位移，并据此绘制、分析负载与位移关系曲线。记录3次循环加载至8 N·m时的相应位移，并以扭矩除以角位移的方法计算整体骨盆环扭转刚度，取其3次最大位移平均值。为消除各个骨盆标本之间的差异并便于进一步比较，本研究将各个骨盆完整状态时的轴向和扭转刚度定义为100%，3种不同位置后环张力带钢板固定骨盆后环后的整体骨盆环轴向和扭转刚度用其计算值与完整骨盆计算值的比值来表示。③垂直轴向加载下的骨盆后环位移测量：分别在完整骨盆标本及3种不同位置张力带钢板固定骨盆后环后的拟损伤或损伤侧骶髂关节周围安放高精度非接触式磁栅位移传感器，测量损伤侧骶髂关节处骶骨和髂骨在垂直、左右及前后方向上的线性位移，并在骶骨和髂骨后方安放角度位移传感器测量骶骨相对于髂骨在矢状面上的相对旋转位移。分别记录3次循环加载时最大位移和相应加载值，取3次最大位移平均值。

2 结果

2.1 垂直载荷下不同固定位置整体骨盆环垂直位移及轴向刚度比较 各模型整体骨盆环垂直位移形成的负荷-位移曲线大致为直线，说明骨盆标本的变形是弹性变形，加载未超过其弹性变形范围。在0～600 N垂直载荷下垂直位移比较：完整骨盆环<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)；轴向刚度比较：完整骨盆环>固定位置1>固定位置3>固定位置2(P均<0.05)。固定位置1的整体骨盆环轴向刚度为完整骨盆的73.3%，固定位置3为完整骨盆的66.7%，而固定位置2仅为完整骨盆的62.5%。见表1。

表1 垂直载荷下不同固定位置整体骨盆环垂直位移及轴向刚度比较

2.2 扭转载荷下不同固定位置整体骨盆环扭转角度及扭转刚度比较 各模型整体骨盆环扭转角度位移形成的负荷-位移曲线大致呈直线，说明骨盆环标本发生的是弹性变形，加载未超过其弹性变形范围。3种不同位置张力带钢板固定后，0～8 N·m扭转载荷下整体骨盆环扭转角度比较：固定位置1、2、3均<完整骨盆(P均<0.05)，固定位置1<固定位置2、3(P均<0.05)，固定位置2、3比较差异无统计学意义(P均>0.05)。轴向刚度比较：固定位置1、2、3均<完整骨盆(P均<0.05)，固定位置1>固定位置2、3(P均<0.05)，固定位置2、3比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。固定位置1为整体骨盆环轴向刚度为完整骨盆的72.7%，固定位置3为完整骨盆的66.2%，固定位置2仅为完整骨盆65.5%。

表2 扭转载荷下不同固定位置整体骨盆环扭转角度及扭转刚度比较

2.3 垂直载荷下不同固定位置骨盆后环位移(骶骨与髂骨的相对位移)比较 ①垂直方向位移：在0～600 N垂直载荷下，骶髂关节垂直方向最大位移均出现在最大加载600 N时，完整骨盆的垂直位移均小于0.6 mm。伤侧骶髂关节垂直方向位移比较：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。②左右方向位移：在0～600 N垂直载荷下，骶髂关节左右方最大位移均出现在最大加载600 N时，完整骨盆的左右位移均<0.2 mm。伤侧骶髂关节左右位移比较：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。③前后方向位移：在0～600 N垂直载荷下，骶髂关节前后方向最大位移均出现在最大加载600 N时，完整骨盆的前后位移均<0.30 mm。伤侧骶髂关节前后位移比较：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。④矢状面旋转角度位移：在0～600 N垂直载荷下，伤侧骶髂关节在矢状面上的最大旋转位移均出现在最大加载600 N时，完整骨盆骶髂关节在矢状面的旋转角度均<1°。旋转角度比较：完整骨盆<固定位置1<固定位置3<固定位置2(P均<0.05)。见表3。

表3 垂直载荷下不同固定位置伤侧骶髂关节在各方向的位移比较

3 讨论

Alber等[1]研究证明张力带钢板具有较好的生物力学稳定性，与骶骨棒相当。张力带钢板与骶髂螺钉联合应用可增强其固定效果[10]。张力带钢板在修复重建骨盆后环后在轴向加载下骨盆后环应力分布与正常骨盆相似[11]。可见，张力带钢板重建骨盆后环的稳定性已得到认可，但很少有研究对其生物力学机制进行分析。从后环的解剖形态来看，作为张力带的重建钢板连接在两侧髂骨后方，远离损伤部位，其不是通过钢板对后环的夹持和连接作用来实现固定，而是一种非直接固定方式。从整体骨盆环的立体结构来看，后方张力带钢板修复重建骨盆后环的生物力学效应类似于传统的箍桶技术力学原理[5]。其通过钢板固定于双侧髂嵴时产生的张力来模仿正常骨盆后环的韧带结构所产生的张力带作用，与前环的固定配合，将破裂的骨盆环箍紧。

由于骨盆后环髂骨、骶骨及两者组成的骶髂关节后方有的范围较大，形态也不规则。临床在使用张力带钢板时，可有多种固定的位置及方向。目前从临床应用和生物力学研究来看，钢板固定的位置和方向无统一标准。以髂后上棘为中心固定方式大致可分为三类：①固定于双侧髂后上棘，两端沿髂骨外板指向前下方固定[1,2,12]；②固定于双侧髂后上棘稍上方，两端沿髂骨外板指向前方固定[4,13]；③固定于双侧髂后上棘下方，两端沿髂骨外板指向前上方固定[5,10,14]。虽然部分研究对张力带重建骨盆环的稳定性予以了肯定，但并未对张力带钢板重建骨盆后环的生物力学机制进行分析，更未探讨不同固定位置和方向对重建骨盆后环和整体骨盆环稳定性的影响。本研究固定位置1连于双侧髂后上棘之间，因髂后上棘平对骶髂关节的中心[15]，可认为是“中心性固定”，能有效维持骨盆后环“拱桥”形式的稳定机制。

本研究结果显示，骨盆环后方张力带钢板按照位置1的固定方式联合骨盆前环钢板修复重建不稳定性骨盆骨折，在垂直载荷下，骨盆后环损伤侧骶髂关节在各个测量方向上位移虽然明显大于正常完整的骨盆环，但也均明显小于固定位置2、3。固定位置3与固定位置2相比各方向位移也均小，固定位置2位移最大。在垂直载荷和扭转载荷下固定位置1固定后整体骨盆环轴向刚度和扭转刚度均优于固定位置2、3。固定位置2与固定位置3相比，在垂直载荷下两者轴向刚度之间的差别也有统计学意义，但在扭转载荷下扭转刚度之间的差别无统计学意义。说明不同的固定位置和方向对张力带钢板修复重建骨盆后环的效果可能有影响。在垂直和扭转载荷下，按照位置1的固定方式来修复重建骨盆后环虽远不及完整骨盆环的刚度和后环的稳定性，但明显优于位置2和位置3，位置2最差。从整体骨盆环分析来看：固定位置1张力带钢板固定于髂后上棘，钢板两端在髂骨外板大致平行于骨盆界线方向指向前下方(耻骨联合)，从去除半侧髋骨的骨盆侧面来看，张力带钢板固定于骨盆环后方结构(骶髂关节上下极)的中心，固定方向与骨盆界线大致平行，直指前环耻骨联合的中心。因此也可以说此固定位置的平面在“真骨盆环”环状结构的中心上(前下到后上的中心)。固定位置2钢板固定于髂后上棘上方，两端沿髂骨外板指向前方固定(骨盆前方开口处)，从去除半侧髋骨的骨盆侧面来看，钢板固定于骨盆环后方结构的中心上方，固定方向高于骨盆界线，也不与之平行，主要固定平面在“真骨盆环”环状结构的上方，同固定位置3一样与前环固定钢板相配合不在同一平面上对骨盆环固定(两者固定方向交叉)，这样固定位置2、3钢板固定平面并没有沿着“真骨盆环”环状结构方向，属“偏心固定”。固定位置2同固定位置3相比，从其固定平面来看更加远离真骨盆环，因此其固定效果也会比固定位置3差。从本实验结果来看，这些差别主要体现在固定位置3的整体骨盆环垂直位移小于固定位置2，并且其轴向刚度也大于固定位置2。其扭转位移和扭转刚度差别不显著可能是与固定位置2固定偏上，而扭转负荷是通过骨盆标本上方的夹具来加载有关。

从后环局部分析来看，后方张力带钢板连于两侧髂骨之间，固定位置1连于双侧髂后上棘之间，因髂后上棘平对骶髂关节的中心，可以认为固定在后环后面的中心，可认为为“中心性固定”，能有效的维持骨盆后环“拱桥”形式的稳定机制。这与本实验研究中固定位置1固定后环后，在垂直载荷下伤侧骶髂关节在各个方向上的位移均小相符合。固定位置2同固定位置3相比，钢板由下向上固定，呈U型，这一形态似乎可对骶骨有一定的承托作用，另外，固定位置3钢板几乎贴近骶骨背面固定，在加载时对骶骨运动可能会有一定的阻挡作用。这些可解释为何固定位置3对后环固定的稳定性优于固定位置2。

张力带钢板固定于骨盆后环后方还有一些固有缺陷，这主要与双侧髂骨在骨盆环后方围成的容纳骶骨的间隙及骶骨前宽、后窄的空间结构有关。在这一空间结构后方使用张力带钢板固定，就会有使其前方有增宽的趋势，不利骶骨和髂骨的紧密嵌合，如同后环的这一形态，不利于后环的稳定性。张力带钢板固定骨盆后环其生物力学原理类似于“箍桶”的力学原理。张力带钢板的固定位置和方向对其固定效果有重要影响，在临床应用时，不能随意选择钢板在后环的固定位置和钢板两端固定的方向。其固定后环时不仅需要考虑骨盆后环的结构形态，也需要从整体骨盆环的结构形态来考虑。在垂直和扭转载荷下，张力带钢板固定位置选择在髂后上棘水平、钢板两端指向耻骨联合(大致与骨盆界线平行)固定，无论是对骨盆环局部，还是对整体骨盆环来说，接近于“中心性”固定，更符合张力带钢板重建骨盆环的生物力学机制。虽然还不及完整骨盆环的刚度和骨盆后环的稳定性，但与选择在髂后上棘上方、钢板两端指向前方固定和选择在髂后上棘下方、钢板两端指向前上方固定相比，无论是对骨盆环的整体固定还是对后环的固定都能提供更好的生物力学稳定性。

另外，本研究存在局限性。首先，因骨盆标本不易大量获得，样本量小。其次，尸体标本个体间在骨盆形态结构、骨质质量及韧带强度上存在较大差异。因此为最大可能消除这两方面的影响，本研究采取了同一标本重复测量的方法。尽管每次加载完成后均予以检查，以保证骨盆环完整无损，但反复固定和加载可能会使前一固定对后一固定造成一定影响。