摘要
目的 对采用不同缝线缝合方法修复髌骨下极骨折的生物力学性能进行对比研究。方法 以正常髌骨(A组)结构对比,采用Krackow缝合法固定(B组)、Kessler缝合法固定(C组)、“8字”网兜法(D组)、改良缝线桥(E组)4种修复方式。测量髌骨下极骨折各种修复方式下屈膝30°、60°和90°时静态刚度和动态稳定性。结果 E组在各屈膝角度的刚度相比其他修复组更接近正常组,其次为B组,然后为D组,最后为C组。第1个循环周期后,屈膝30°时,C组位移最大,B、E组位移略大于A组,D组位移小于A组。屈膝60°、90°时,各修复组位移均小于正常组。后3个循环周期,200周期以后,各修复组位移变化均小于A组。结论 各种修复均为有效修复。从生物力学固定效果而言,固定效果改良缝线桥组优于Krackow缝合法固定和“8字”网兜法,Kessler缝合法固定相对最差。但实际的临床使用需要考虑损伤程度、切口位置、手术操作时间等因素综合选取修复方案,推荐按E、B、D、C的顺序依次选取。
关键词:
髌骨下极骨折
骨折修复
生物力学
膝关节运动过程中,髌骨受载较大,且受力情况复杂,主要有股四头肌和髌腱的牵拉、股骨施加力带来的弯矩等。髌骨下极是髌腱的附着点,其解剖结构使得它易发生骨折,发病率约占髌骨骨折的5% 。髌骨下极骨折骨折块小,其固定是临床治疗难题 。目前主要的手术方式为张力带固定 、垂直钢丝固定 、特殊钢板固定 、锚钉技术 、缝线缝合固定 以及部分髌骨切除术 。虽然金属内置物固定方式固定效果良好,但髌骨表浅,凸出的钢针或钢丝残端造成软组织激惹引发疼痛不适,影响术后关节功能锻炼。锚钉缝合技术是一种微创固定技术,软组织并发症少,术后关节功能恢复良好 。但髌骨下极处骨质较为疏松,锚钉有松脱的风险。而髌骨下极切除会缩短髌骨长轴,导致低位髌骨,改变膝关节的生物力学结构。
为了解决上述问题,本文对使用传统Krackow缝合法固定 [11-13] 、Kessler缝合法固定、“8字”网兜法、改良缝线桥 [14-17] 4种修复方式(见 图1 )的生物力学性能开展对比研究 [18-19] ,测量和分析髌骨下极骨折在不同修复方式下屈膝30°、60°和90°时静态刚度和动态稳定性 [20-21] 。
因为牛后肢膝关节和人体膝关节结构类似,故采用新鲜牛后肢膝关节进行实验。本研究通过西南医科大学动物实验伦理审批(20230916-003)。
获取牛后肢完整膝关节标本,股骨保留至膝关节上15 cm处,胫骨保留至膝关节下10 cm处,保证膝关节的完整,包括完整的髌骨、髌腱以及髌腱连接。标本经肉眼观察及CT摄片排除骨质破坏、退行性骨关节炎等异常。生物力学试验采用新鲜牛膝关节标本进行。
力学测试机为拉扭复合的Instron E10000动静态力学试验机(见 图2 ),根据实验要求设计定制夹具。对于不同的标本,软组织长度、软组织状态、骨质状态等均有区别,在力学测试时这些区别导致的数据扰动较大。为了排除这些干扰,在同一标本中进行力学测试。同一标本多次缝合后损伤会适当增加,但本试验为非破坏性测试,加载负载较小,损伤量可控。
试验设计分为5组。A组正常膝关节,B、C、D、E组髌骨下极骨折,分别采用Krackow缝合法固定、Kessler缝合法固定、“8字”网兜法、改良缝线桥修复。将相对较新的修复方式放在更后面,试验按照ABCDE次序进行。手术缝线统一采用2号超高分子聚乙烯线(施乐辉公司,美国)。
剔除皮肤等无关软组织,切断并剔除股骨和胫骨的软组织连接,使股骨游离。首先进行正常膝关节的生物力学测试,测试结果作为对照数据。将膝关节股骨和胫骨分别固定在定制夹具的对应位置,切断标本股直肌肌腱,用直径0.4 mm尼龙绳固定髌骨上端,并通过定滑轮连接力学测试机的上夹具。先进行不同屈膝角度下的静态刚度测试,然后进行不同屈膝角度下的动态稳定性测试。同一标本手术处理之后重复测试步骤。
静态刚度测试:实验样本固定好后,上夹具以20 mm/min速率施加竖直载荷,加载到125 N后停止实验,记录标本的受载-位移曲线,并循环测量5次。动态稳定性测试:实验样本固定好后,上夹具施加频率为0.5 Hz、50～200 N正弦载荷,循环500次。第1次实验从0 N加载,不卸载,继续后面剩余3组实验,即剩余实验均从125 N加载。
在距髌骨下极1.5 cm处垂直于髌骨冠状面用手持式角磨机从髌骨内面将髌骨锯断,构造的髌骨下极骨折模型。标记髌骨矢状面中线及双侧四等分线位置,用2 mm×400 mm克氏针从髌骨下极贴髌骨关节面钻3个平行于髌骨长轴的骨隧道备用。各种术式操作如下:
(1) Krackow缝合法固定(B组)。采用Krackow缝合法固定髌韧带下极,对髌腱缝合了6个环,缝线经骨隧道穿入后于髌骨上方利用骨折点式复位钳对骨折端进行加压后打结固定 。
(2) Kessler缝合法固定(C组)。采用Kessler缝合髌韧带下极后,缝线经骨隧道穿出于髌骨上极,利用骨折点式复位钳对骨折端进行加压后打结固定。
(3) “8字”网兜法固定(D组)。将1根缝线对折,缝线的两端使用骨穿针引导自上而下穿过一侧骨隧道于髌骨下极,缝线两头经髌腱中线交叉穿入后经对侧骨隧道,于髌骨上方利用骨折点式复位钳对骨折端进行加压后打结固定,形成髌骨下极“8”字固定。
(4) 改良缝线桥固定(E组)。将1根预先穿好缝线的穿针由髌骨上极一侧骨隧道引导至髌骨下极,经“缝线桥技术”缝合髌韧带下极,用骨穿针引导缝线从中间的骨隧道与另一侧缝线交叉穿出于髌骨上极,再用另一根预先穿好缝线的穿针由同侧髌骨上极骨隧道引导至髌骨下极,经“缝线桥技术”缝合髌韧带下极,不与另一侧交叉,从中间的骨隧道穿出于髌骨上极,利用骨折点式复位钳对骨折端进行加压后打结固定。
分析多次测量的力学测试数据,计算均值和标准差。统计分析采用单因素ANOVA检验。使用SPSS 25(IBM公司,美国)对数据进行统计分析处理。
不同屈膝角度时,除E-90°组外,各修复组与正常组均存在显著性差异,但数据均在同一数量级。屈膝30°时,C组刚度测量均值与正常值相差最大,为 61.1%,其余组与正常值差别均在20.5%以内,E组相差最小,为11.1%。屈膝60°时,C组刚度测量均值与正常值相差最大,为 37.2%,其余组与正常值差别均在15.5%以内,B组相差最小,为7.1%。屈膝90°时,D组刚度测量均值与正常值相差最大,为52.4%,其余组与正常值差别均在32.4%以内,E组相差最小,为10.7%。综合而言,E组在各屈膝角度的刚度相比其他修复组更接近正常组,其次为B组,然后为D组,最后为C组(见 图3 )。
第1组动态循环实验从0 N加载,标本软组织从松弛到紧绷。结果表明,第1组实验500次循环后,屈膝30°时,C组位移变化测量值与正常值相差最大,为 147.3%,其余组与正常值差别均在51.3%以内,D组相差最小,为13.0%。屈膝60°时,C组位移变化测量值与正常值相差最大,为 50.3%,其余组与正常值差别均在45.8%以内,B组相差最小,为29.7%。屈膝90°时,B组位移变化测量值与正常值相差最大,为 61.1%,其余组与正常值差别均在5.8%以内,D组相差最小,为0.8%。综合而言,D组在各屈膝角度的位移变化值相比其他修复组更接近正常组,其次为E组,然后为B组,最后为C组(见 图4 )。
分别计算C、D、E组不同屈膝角度下第1、100、200、300、400、500个周期的位移平均值和标准差。屈膝30°,第100个周期时B、C、D组与正常组存在显著性差异,第300周期时E组与正常组存在显著性差异;屈膝60°,第200周期时B、E组与正常组存在显著性差异;其余周期各修复组与正常组差异不显著。整体上,标本紧绷状态下各修复组的动态稳定性与正常组差异不明显。综合考虑每个动态循环加载周期的数据,屈膝30°与正常组接近程度排序为E组﹥D组﹥B组﹥C组;屈膝60°与正常组接近程度排序为B组﹥D组﹥E组﹥C组;屈膝90°与正常组接近程度排序为D组﹥B组﹥C组﹥E组(见 图5 )。
本文主要对髌骨下极骨折不同修复后的稳定性进行分析,测量了髌骨下极骨折不同修复组在不同屈膝角度下的静态刚度和动态稳定性。对于本实验的设计方案,在相同加载力下,屈膝角度越大,髌骨受到的弯矩越大。结果显示,屈膝90°髌骨受到的弯矩最大,屈膝30°髌骨受到的弯矩最小,受到的拉力最大。因此,在小屈膝角度下的数据能体现该种修复方式的抗拉性能,在大屈膝角度下的数据能体现该种修复方式的抗弯性能。
根据静态刚度的测试结果,各修复组的刚度均比正常组小。E组和B组在不同屈膝角度下都具有较好的静态刚度,很接近正常组刚度,说明E组和B组在不同屈膝角度时都具有相对较好的抗拉和抗弯性能。D组在小屈膝角度时,静态刚度接近正常组,在屈膝90°时,静态刚度与正常组差距较大,提示D组的静态抗弯存在优化空间。C组在小屈膝角度时,刚度相对最小,屈膝90°时仅优于D组,提示C组抗弯略优于抗拉。就静态加载而言,固定效果E组优于B组和D组,C组固定相对最差。
根据动态稳定性测试结果,第1个循环周期后的位移变化显示,屈膝30°时,C组位移最大,动态稳定性最差,B组和E组位移略大于正常组,D组位移小于正常组。屈膝60°、90°时,各修复组位移均小于正常组,说明各组抗弯的动态稳定性相对抗拉更好。分析后3个周期各选定周期数据,200个周期以后,各修复组的位移变化均小于正常组,说明修复组材料和组织绷紧之后,整体的刚度得到提升。就动态循环加载而言,动态稳定性E组优于B组和D组,C组最差。
本实验采用新鲜牛膝关节 模拟人体膝关节进行髌骨下极骨折不同修复术式的生物力学测试分析。由于牛膝关节和人体膝关节细节结构上存在一定差异,故研究结果和真实人体膝关节测试结果会存在差别。为了横向对比不同修复方式的力学效果,本研究中各种术式均在同一标本上进行多组测试,可以排除因样本的差异影响测试数据,数据对比结果更具有参考意义。
以正常组测试数据作为参考,各修复组测试数据和正常组均在同一数量级,说明各种修复均为有效方式。从生物力学固定效果而言,综合考虑静态加载和动态循环加载,固定效果改良缝线桥组(E组)优于Krackow缝合法固定组(B组)和“8字”网兜法(D组),Kessler缝合法固定组(C组)固定相对最差。但实际的临床使用需要考虑损伤程度、切口位置、手术操作时间等因素综合选取修复方案,推荐按E、B、D、C的次序依次选取。
作者贡献声明： 许玉林、梁成负责设计实验、实施试验、分析数据、论文撰写、研究指导、论文修改;唐元贵、崔永康负责实施实验、数据采集;刘豫川、王涛负责数据处理;漆万银、刘晋珲负责论文修改;许玉林负责研究指导。
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