1/4管型接骨板与加压骑缝钉固定对第一跖跗关*节骨折脱位关节面稳定性影响的生物力学研究

余霄张迪峰宋蒙胜庞清江**

（1.中国科学院大学宁波华美医院骨科，浙江宁波315010；2.宁波大学医学院，浙江宁波315211）

第一跖跗关节的完整性对足内侧纵弓和足横弓的维持具有重要的意义。尽管临床上跖跗关节损伤的发生率较低，但在跖跗关节损伤的患者中，累及第一跖跗关节的并不少见。早在1986年Myerson等在对跖跗关节进行损伤分型时，便将单纯的第一跖跗关节损伤并向背内侧脱位定义为Myerson B1型损伤，该分型系统一直沿用至今，对跖跗关节的治疗具有一定指导作用[1]。近年来，围绕跖跗关节损伤后的治疗存在的主要争论是：对切开复位内固定的患者，究竟采用何种植入物效果最好。植入物选择不当会影响足部局部的生物力学环境，出现植入物断裂、复位丢失、畸形愈合等一系列并发症[2]。随着植入物的迅速发展，在跖跗关节损伤的治疗上陆续出现了骑缝钉、缝合纽扣、锁定接骨板等新型植入物，然而这些植入物的应用在临床上又缺乏大样本多中心的随机对照研究，无法给出令人信服的结论。鉴于此，本研究对1/4管型接骨板与加压骑缝钉固定对第一跖跗关节骨折脱位关节面稳定性的影响进行生物力学研究，从生物力学的角度对第一跖跗关节损伤后合理选择内植入物进行初步探讨。

1 材料与方法

1.1 实验对象

选取新鲜足标本8具（宁波大学医学院提供），所有标本足外形正常，无足趾缺损，无足部肌肉、韧带和肌腱的损伤及挛缩等病态，经X线检查，排除骨与关节的退行性变、骨折、肿瘤、结构性畸形及骨质异常等骨骼疾病。

1.2 实验设备与器材

2T扭拉负荷试验机（长春机械科学研究院有限公司）；数字散斑相关仪器：CCD镜头（JAI CV-A1摄像机）、曼富图三脚架、图像转换存储卡、数字图像采集及处理软件（上海MATFOLT有限公司）等。采用大头针定位足部骨骼标志物，顶端圆头直径5 mm。

1.3 内植入物材料

6孔1/4管型接骨板（康辉医疗器械公司），CHARLOTTETM加压骑缝钉（Wright公司，美国）。

1.4 实验方法

标本准备：实验前室温下自然解冻标本，切除足背处的皮肤、皮下组织及肌肉，暴露内侧楔骨，中间楔骨，第一、二跖骨及连接内侧楔骨与第一跖骨基底的背侧韧带（图1）。适当剥离位于第一、二跖骨间的骨间肌以备实验过程中的标记和操作。完成解剖操作后，将踝关节置于跖屈30°位固定。按Alberta报道[3]的方法，选取近第一跖跗关节面处的内侧楔骨内下、内侧楔骨背外侧、第一跖骨基底内下和第一跖骨基底背外侧4个点作为人工散斑的制斑点，用大头针进行标记。然后将标本倒置于标本固定盒内，用牙托粉包埋后，将标本固定盒置于扭拉负荷试验机的底座上固定。开机后调节万能试验机顶端压板的位置，保证加载过程中压板仅与前足接触（图2）。

图1标本准备过程中完全暴露内侧楔骨，第一跖骨和连接与两者间的背侧韧带（黄色箭头）。完成解剖操作后，将踝关节在跖屈30°的体位固定（拧入螺钉用于固定踝关节）

图2实验现场及加载过程中散斑图像的采集

工况设置和数据采集：标本测试分为4个工况：①工况1：骨-韧带结构完整状态；②工况2：第一跖跗关节骨折脱位状态（图3）；③工况3：用一块6孔1/4管型接骨板固定（图4A）；④工况4：用一枚加压骑缝钉固定（图4B）。第一跖跗关节骨折脱位模型参照Alberta的方法[3]，先切断连接内侧楔骨与第一跖骨基底部的背侧韧带和跖侧韧带，造成脱位模型；然后再沿第一跖骨基底部关节面截骨，造成第一跖跗关节的关节内骨折模型，每具标本截骨的方向均保持一致。

图3切断第一跖跗关节的背侧关节囊和背侧、跖侧韧带并在第一跖骨基底部关节内截骨

标本在万能试验机上，模拟人体步态周期站立相末端踝关节所处的位置，经前足足底进行轴向加载。每一工况均通过万能试验机从0～600 N逐级加载，每间隔300 N加载机停止1 min，通过CCD摄像头采集灰度图像并在电脑上存储，以完成数据采集。每一工况完成全部加载及数据采集后，即对实验标本进行下一工况的处理，然后再次加载测试，以此类推，直至实验结束。为确保散斑标记点在实验前后的位置不变，所有操作均在标本固定架上完成。

图4第一跖跗关节分别用接骨板（A）、骑缝钉（B）进行固定

1.5 位移计算及统计学处理

设定非负重状态下（0 N）正常标本的灰度图像作为参照和坐标原点并确定测量坐标系。设X轴为冠状面水平位移，朝向外侧定义为正值；Y轴为矢状面纵向位移，朝向足底定义为正值；Z轴为矢状面水平位移，朝向前足为正值（图5）。将采集到的灰度图像按数字散斑相关法计算出标记点在坐标系中的坐标，并计算各标记点相对位移，以均数±标准差表示。采用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，检验标准为α=0.05。采用单因素方差分析比较各工况下各标记点的三维位移，若组间有统计学差异，再用SNK-q检验法行两两比较。

图5足踝部三维运动测试的坐标系设定示意图

2 结果

根据实验要求得到不同工况逐级加载后第一跖跗关节面的相对位移（第一跖骨基底相对内侧楔骨的位移，表1）。各组数据的总体趋势显示：无论在完整状态、破坏状态还是内固定状态下，第一跖骨基底和内侧楔骨在X轴、Y轴及Z轴的位移加载600 N负荷时比300 N时大。工况2（破坏状态下）与工况1相比，在相同的载荷下，X轴、Y轴及Z轴上的位移差异均有统计学意义（P＜0.05）。工况3（接骨板固定）分别与工况2与工况1相比，在相同载荷下，第一跖跗关节面在三轴上的位移均有明显减小，且在300 N、600 N载荷下都有统计学意义（P＜0.05）。工况4（骑缝钉固定）与工况2相比，在相同载荷下，第一跖跗关节面在三轴上的位移均有明显减小，且X轴、Y轴以及Z轴上各自的位移差异在300 N、600 N载荷下均有统计学意义（P＜0.05）；工况4与工况1相比，在相同载荷下，第一跖跗关节面在三轴上的位移均有所增大，但各自的位移差异仅在300 N和600 N的载荷下有统计学意义（P＜0.05）。工况4与工况3相比，在相同载荷下，第一跖跗关节面在三轴上的位移均有所增大，且各自的位移差异在300 N和600 N载荷下都有统计学意义（P＜0.05）。

表1 不同工况逐级加载后第一跖跗关节面X、Y、Z轴上的位移（±s，mm，n=8）

表1 不同工况逐级加载后第一跖跗关节面X、Y、Z轴上的位移（±s，mm，n=8）

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3 讨论

临床上，因韧带损伤而引起的跖跗关节脱位并不少见，因此通过切断跖跗关节的主要韧带建立单纯的脱位模型是较为可取的方法。但目前的实验手段尚不能通过损伤机制精确地制造出跖跗关节骨折脱位的模型。本实验中，切断第一跖跗关节背侧关节囊及连接内侧楔骨与第一跖骨基底部的背侧韧带和跖侧韧带，并在第一跖骨基底部截骨，造成第一跖跗关节的关节内骨折模型，对前足足底加压，建立第一跖跗关节骨折脱位模型。在踝关节跖屈30°的位置下进行负重[4]，因为当跖屈幅度变大时，容易造成跖跗关节损伤。本实验将最高载荷设定为600 N（正常成人的体重），当载荷超过600 N后，踝关节跖屈30°固定容易失败。

临床上中足部位的损伤常较多的累及第一跖跗关节，第一跖跗关节损伤会影响第一跖列的长度和前中足正常应力的传导，因此，第一跖跗关节不稳也被认为是前足异常的重要原因[5]。此外，因跖跗关节损伤引起的关节面不平整或力线异常，也是关节发生退行性变及骨关节炎的重要原因，患者容易产生局限性的中足疼痛[6]。Saxena等[7]总结其治疗原则包括：解剖复位，恢复第一跖列的力线和长度；坚强固定，稳定第一跖跗关节。该治疗原则对固定第一跖跗关节的植入物提出了很高的要求，因此，有必要从生物力学角度对第一跖跗关节骨折脱位后合理选择内植入物进行研究。

接骨板在跖跗关节的固定和融合中有着较广泛的应用，尤其在融合的病例中，据报道使用接骨板融合率可达88%～100%[8,9]。若第一跖跗关节骨折脱位的同时还伴有舟楔关节损伤，也可用接骨板跨跖跗关节和舟楔关节固定[10]。此外，在非锁定接骨板中，接骨板不仅具有直接接触加压的作用，还可以通过骨折端的解剖复位和压缩内固定，增强骨折端之间的接触摩擦力，而且采用接骨板固定后，可以不必行外固定，允许术后立即进行附近关节的主动不负重功能锻炼[11,12]。由于本实验所建立的模型为关节内截骨的简单骨折模型，对简单骨折采用锁定接骨板固定并不是最佳选择，因此，本实验参考Alberta的方法[3]对第一跖跗关节骨折脱位的模型进行了1/4管型接骨板固定。实验结果显示：接骨板固定与骨折脱位状态相比，第一跖跗关节面在X、Y、Z轴上的位移都有明显减小，在各载荷下均有显著性差异，说明接骨板固定能较好地维持第一跖跗关节面的对位。

临床上，接骨板固定也存在着一定的局限性，首先接骨板置入时需要较大的切口和较多跖骨处的软组织剥离，容易损伤附近的足背动脉和腓深神经[13,14]。其次，由于跖跗关节表面缺乏软组织覆盖，接骨板容易和皮肤及皮下组织摩擦，影响伤口愈合[15,16]。临床上，由于损伤机制的不同，有向跖侧脱位的可能，此时，可考虑经足底入路将接骨板置于第一跖跗关节的跖侧，但手术难度相对较大。若选择锁定接骨板于背侧或背内侧固定，可能具有较好的效果，但目前仍缺乏相关的临床和生物力学证据。本实验由于受标本数目及建模类型的限制，并未对跖跗关节骨折并向跖侧脱位后用锁定接骨板固定进行评价。

骑缝钉在足部的截骨术和关节融合术中应用较多，特别适用于跟骰关节、距舟关节、跟骨截骨以及前足截骨矫形[17-19]。骑缝钉的形体小，对软组织的剥离程度小于接骨板，对皮肤的激惹也较小，因而，就操作上而言，骑缝钉较接骨板具有较大的优势。Payette等[20]比较了空心钉与骑缝钉在三关节融合术中的生物力学强度，结果显示两者无明显统计学差异，但目前没有相关的生物力学研究比较骑缝钉和其他植入物在跖跗关节中的固定强度，也未见骑缝钉在跖跗关节上大规模应用的报道。

本实验对第一跖跗关节骨折脱位的模型进行了骑缝钉固定，结果显示：骑缝钉固定与完整状态相比，第一跖跗关节面在X、Y、Z轴上的位移都有明显增大，这些数据一方面与骑缝钉的固定特点有关，另一方面可能与标本反复加载至后期产生疲劳有关。我们认为骑缝钉固定在控制关节面三个方向的位移上的效果均较差，使用骑缝钉治疗往往容易造成手术失败。实验中还发现，在第一跖跗关节背侧形成约2 mm台阶的同时，常伴有骑缝钉钉脚的部分拔出，造成骑缝钉加压固定失败，这在老年骨质疏松人群中更容易发生，可能与骑缝钉钉脚上倒钩的抗拔出作用有关，因此在这类人群中，在骨折脱位未完全愈合前若提前负重，极易出现复位丢失，并且发生关节面对位不良后出现骨关节炎的可能性也会大大增加。因此，尽管骑缝钉能克服接骨板的一些固有缺陷，在操作上具有优势，但对伴有跖侧韧带损伤的患者，骑缝钉固定应被列为禁忌。然而，值得一提的是，在跖侧韧带完整的跖跗关节损伤患者或本身活动度就较大的第四、五跖跗关节损伤的患者中使用骑缝钉固定，则仍能体现其在固定上的优势[21]。