松质骨骨折不同位置螺钉固定效果的生物力学研究
作者：邹霞 朱青安 赵卫东 王志宏
单位：邹霞 朱青安 赵卫东(第一军医大学全军医学生物力学实验室 510515 广州市)；王志宏(附属南方医院放射科 510515 广州市)
关键词：松质骨；骨折；螺钉固定；生物力学
中国临床解剖学杂志000132
摘 要：目的：分析松质骨骨折不同位置的固定效果。方法：成人防腐固定的股骨、胫骨标本各15侧，测股骨髁部、胫骨踝部骨密度。摹拟股骨外侧髁和胫骨内踝骨折，于骨折面中心O点、O点正上方(近关节面)A点及正下方B点旋入金属拉力螺钉，应用生物力学方法，测试螺钉最大轴向拔出力。结果：股骨髁部骨密度平均为0.30g/cm2；踝部骨密度为0.47g/cm2。股骨外侧髁骨折面A、O、B点螺钉的最大轴向拔出力分别为404.9N、233.8N和105.2N。内踝骨折时，A、O、B点螺钉最大轴向拔出力分别为335.1N、193.1N、141.9N。O、A两点最大轴向拔出力的差异有显著性(P<0.05)，A、B两点的差异非常显著(P<0.01)。结论：拔出力大小与螺钉固定位置有关。拉力螺钉固定松质骨骨折，进钉点应尽可能选择在骨折面中点或靠近关节面一侧。
, 百拇医药
Biomechanical study of screw fixation at different position in cancellous fracture
Zou Xia Zhu Qing'an Zhao Weidong, et al.
(Department of Anatomy, The First Military Medical University, Guangzhou 510515)
Abstract：Objective:To evaluate extraction force of screw fixation at different position in cancellous fracture. Methods:Fifteen embedded cadaveric femurs and tibias were used. The bone mineral density(BMD) was measured in condylus femoris and malleolus. Imitating condylus lateralis femoris fracture and medial malleolus fracture separately, screw was inserted from A、O、B point succesively and axial extraction forces were measured. Results:The BMD of condylus femoris averaged 0.30g/cm2,and that of malleolus averaged 0.47g/cm2.In condylus lateralis femoris fracture,the extraction force of A、O、B point were 404.9N,233.8N and 105.2N respectively. While in medial malleolus fracture, the data were 335.1N,193.1N and 141.9N separately. The difference between the extraction force of O point and that of A point was significant(P<0.05), and the difference between the extraction force of A point and that B point was Significant greatly (p<0.01). Conclusions: Extraction force was relevant to screw position. In cancellous fracture, screw should better be inserted at the center point of the fracture plate or adjacent to articular surface.
, 百拇医药
Key words：Cancellous bone Fracture Screw fixation Biomechanics▲
螺钉轴向拔出力的大小是反映钉—骨界面坚固程度的重要指标之一。通过测试螺钉的最大轴向拔出力，可以评价其固定效果或进行其它生物力学研究。如椎骨、枕骨、软骨骨折和长骨端部松质骨骨折螺钉固定[1～4]。长骨松质骨螺钉拔出试验多侧重于动物实验[5，6]，人体材料的实验数据较少[7]。本实验通过测量长骨松质骨骨折不同位置螺钉的最大轴向拔出力，分析在不同位置螺钉固定的稳定程度，从而为临床选择长骨松质骨骨折螺钉固定的选择最佳进钉点提供参考。
1 材料和方法
1.1 实验材料
取经防腐固定的成人股骨、胫骨标本各15侧，剔除周围肌肉等软组织，应用美国Hologic公司的QDR-2000Plus型双能X 线骨密度仪测试股骨髁和胫骨踝部的骨密度，排除骨密度值小于0.25g/cm2的股骨5侧、胫骨3侧。将股骨、胫骨远端约15 cm锯下，断端用自凝牙托粉包埋，浸泡于福尔马林溶液中。
, 百拇医药
1.2 测试方法
股骨外侧髁摹拟经髁间窝部分关节内骨折，内踝摹拟大块撕脱性骨折(用钢锯锯开)，移去骨折块。以骨折面中心为O点，股骨外侧髁O点正上方和正下方1 cm处分别为A、B点(图1)，内踝处以O点的正上方和正下方0.8 cm处分别为A、B点。按标准操作打好钉道，垂直于骨折面旋入螺钉，使螺钉的螺纹部分完全穿过骨折面，而钉头不穿出对侧皮质。股骨外侧髁和内踝分别选用6.5 mm和4.0 mm的金属拉力螺钉(张家港医疗器械厂)。
图1 骨折面三个不同进钉点
将标本的包埋盒固定于台钳上，在SWD—10型材料试验机(长春试验机研究所)上分别测试不同点螺钉的最大轴向拔出力，拔出速率为5 mm/min(图2)。计算机采集拔出力和拔出位移，得到螺钉拔出时的最大轴向拔出力。所有数据利用SPSS软件的单因素方差分析方法进行统计学处理。
, 百拇医药
图2 螺钉的轴向拔出力测试示意图
2 结果
附表给出了不同位置螺钉固定位置下股骨外侧髁和胫骨内踝骨折的螺钉最大拔出力。A点的最大轴向拔出力最大，O点次之，B点最小。O、A两点最大轴向拔出力的差异有显著性(P<0.05)；A、B两点的差异非常显著(P<0.01)；O点的最大轴向拔出力大于B点，但两者间差异无统计学意义。
附表 拉力螺钉于不同进钉点的最大轴向拔出力 (
±s)N 部位
A点
O点
B点
股骨外侧髁
, 百拇医药
404.9±304.4
233.8±105.7
105.2±85.5
内 踝
335.1±209.9
193.1±126.3
141.9±110.0
3 讨论 螺钉拔出力代表了该骨折端的最大加压力，它的大小代表了骨折块的抗剪切强度，是评价螺钉固定稳定性的重要指标之一。影响拔出力的因素有螺钉设计的优劣、固定部位骨质的骨密度、螺钉固定位置等[8～10]。我们在研究骨密度对长骨松质骨骨折螺钉固定的影响时证实：骨密度与最大轴向拔出力有正相关关系，骨密度的大小直接影响着螺钉拔出力的大小(另文发表)。William和Siamak曾以6.5 mm松质骨螺钉在牛的松质骨标本上做拔出试验[4]，由于没有考虑松质骨会随位置的不同而有不同的力学性质，其试验数据误差很大。邬蜀威等[5]以松质骨三维各向异性模型来模拟其力学性质，在牛股骨远端和颈椎做拔出实验，结论均为垂直方向的拔出力大于水平方向。而本实验则在螺钉植入方向相同的情况下，测试螺钉在不同部位的拔出力。
, 百拇医药
为这实现最大的骨折块间加压，临床上使用拉力螺钉固定松质骨骨折时，必须将其拧在与边缘等距离的中心并与骨折面垂直。骨折块较大时需选用两枚以上螺钉固定，临床通常根据经验选择钉的排列方式。为达到最理想的固定效果，就必须选择最佳的进钉位置，但目前尚无螺钉最佳排列的研究报道。
通过我们对骨折面的观察发现：长骨两端的松质骨在近关节面一侧骨小梁排列紧密，结构较致密。从关节面向骨髓腔松质骨逐渐变得疏松，直至消失。因此A点的松质骨最致密，骨质对螺钉的持握力最大，所需的最大轴向拔出力也最大，O点次之，B点则更小。可见螺钉进钉点越靠近长骨两端的关节面一侧，其稳定程度就越大。综合骨折内固定的其它要点，我们认为：拉力螺钉固定松质骨骨折时，进钉点应尽量选择在骨折面中点及靠近关节面一侧，而避免选在靠近骨干一测。例如当骨折片较大需置入两枚钉时，此两枚钉应尽可能水平方向排列而不是上下排列。■
参考文献：
[1]Thomas AZ, David NK, Mary EC, et al. Pedicle screw pullout strength correlation with insertional torque. Spine, 1993,18(2):1673
, 百拇医药
[2]Roberts DA, Doherty BJ,Heggeness MH.Quantitative anatomy of the occiput and the biomechanics of occipital screw fixation. Spine, 1998,23(10):1100
[3]Plant RL, Pinczower EF. Pullout strength of adaption screws in thyroid cartilage. Am J Otolaryngol, 1998, 19(3):154
[4]Zindrick MR, Wiltse LL,Widell EH. A biomechanical study of intrapedancular screw fixation in the lumbosacral spine. Clin Orthopaedics and Related Research, 1986,203:99
, http://www.100md.com
[5]Pratt WB,Yazdni S. Laboratory testing of bolts and screws in cancellous bone. Orthopaedic Review, 1989,18:1073
[6]邬蜀威，龚耀春，郭荣富.海绵质骨螺旋钉拔出试验之生物力学分析.医用生物力学，1995，10(3)：167
[7]祝 联，洪天禄，徐耀增，等.骨螺钉设计、生物力学测试及临床应用研究，苏州医学院学报，1998，18(6)：551
[8]Chapman JR， Harrington RM,Lee k, et al. The influence of screw design and insertion technique on the pullout strength of screws in porous materials. Trans 38th Orthopedic Research Society Meeting, 1992,17:406
, http://www.100md.com
[9]DeCoster TA, Heetderks DB, Downey DJ, et al. Optimiizing bone screw pullout force. J Orthop Trauma, 1990,4:169
[10]Finlay JB, Jarada L ,Boune RB,et al. Analysis of the pullout strength of screws and pegs used to secure tibial components following total knee arthroplasty. Clin Orthop, 1989,247:220
收稿日期：1999-03-29, http://www.100md.com
单位：邹霞 朱青安 赵卫东(第一军医大学全军医学生物力学实验室 510515 广州市)；王志宏(附属南方医院放射科 510515 广州市)
关键词：松质骨；骨折；螺钉固定；生物力学
中国临床解剖学杂志000132
摘 要：目的：分析松质骨骨折不同位置的固定效果。方法：成人防腐固定的股骨、胫骨标本各15侧，测股骨髁部、胫骨踝部骨密度。摹拟股骨外侧髁和胫骨内踝骨折，于骨折面中心O点、O点正上方(近关节面)A点及正下方B点旋入金属拉力螺钉，应用生物力学方法，测试螺钉最大轴向拔出力。结果：股骨髁部骨密度平均为0.30g/cm2；踝部骨密度为0.47g/cm2。股骨外侧髁骨折面A、O、B点螺钉的最大轴向拔出力分别为404.9N、233.8N和105.2N。内踝骨折时，A、O、B点螺钉最大轴向拔出力分别为335.1N、193.1N、141.9N。O、A两点最大轴向拔出力的差异有显著性(P<0.05)，A、B两点的差异非常显著(P<0.01)。结论：拔出力大小与螺钉固定位置有关。拉力螺钉固定松质骨骨折，进钉点应尽可能选择在骨折面中点或靠近关节面一侧。
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Biomechanical study of screw fixation at different position in cancellous fracture
Zou Xia Zhu Qing'an Zhao Weidong, et al.
(Department of Anatomy, The First Military Medical University, Guangzhou 510515)
Abstract：Objective:To evaluate extraction force of screw fixation at different position in cancellous fracture. Methods:Fifteen embedded cadaveric femurs and tibias were used. The bone mineral density(BMD) was measured in condylus femoris and malleolus. Imitating condylus lateralis femoris fracture and medial malleolus fracture separately, screw was inserted from A、O、B point succesively and axial extraction forces were measured. Results:The BMD of condylus femoris averaged 0.30g/cm2,and that of malleolus averaged 0.47g/cm2.In condylus lateralis femoris fracture,the extraction force of A、O、B point were 404.9N,233.8N and 105.2N respectively. While in medial malleolus fracture, the data were 335.1N,193.1N and 141.9N separately. The difference between the extraction force of O point and that of A point was significant(P<0.05), and the difference between the extraction force of A point and that B point was Significant greatly (p<0.01). Conclusions: Extraction force was relevant to screw position. In cancellous fracture, screw should better be inserted at the center point of the fracture plate or adjacent to articular surface.
, 百拇医药
Key words：Cancellous bone Fracture Screw fixation Biomechanics▲
螺钉轴向拔出力的大小是反映钉—骨界面坚固程度的重要指标之一。通过测试螺钉的最大轴向拔出力，可以评价其固定效果或进行其它生物力学研究。如椎骨、枕骨、软骨骨折和长骨端部松质骨骨折螺钉固定[1～4]。长骨松质骨螺钉拔出试验多侧重于动物实验[5，6]，人体材料的实验数据较少[7]。本实验通过测量长骨松质骨骨折不同位置螺钉的最大轴向拔出力，分析在不同位置螺钉固定的稳定程度，从而为临床选择长骨松质骨骨折螺钉固定的选择最佳进钉点提供参考。
1 材料和方法
1.1 实验材料
取经防腐固定的成人股骨、胫骨标本各15侧，剔除周围肌肉等软组织，应用美国Hologic公司的QDR-2000Plus型双能X 线骨密度仪测试股骨髁和胫骨踝部的骨密度，排除骨密度值小于0.25g/cm2的股骨5侧、胫骨3侧。将股骨、胫骨远端约15 cm锯下，断端用自凝牙托粉包埋，浸泡于福尔马林溶液中。
, 百拇医药
1.2 测试方法
股骨外侧髁摹拟经髁间窝部分关节内骨折，内踝摹拟大块撕脱性骨折(用钢锯锯开)，移去骨折块。以骨折面中心为O点，股骨外侧髁O点正上方和正下方1 cm处分别为A、B点(图1)，内踝处以O点的正上方和正下方0.8 cm处分别为A、B点。按标准操作打好钉道，垂直于骨折面旋入螺钉，使螺钉的螺纹部分完全穿过骨折面，而钉头不穿出对侧皮质。股骨外侧髁和内踝分别选用6.5 mm和4.0 mm的金属拉力螺钉(张家港医疗器械厂)。
图1 骨折面三个不同进钉点
将标本的包埋盒固定于台钳上，在SWD—10型材料试验机(长春试验机研究所)上分别测试不同点螺钉的最大轴向拔出力，拔出速率为5 mm/min(图2)。计算机采集拔出力和拔出位移，得到螺钉拔出时的最大轴向拔出力。所有数据利用SPSS软件的单因素方差分析方法进行统计学处理。
, 百拇医药
图2 螺钉的轴向拔出力测试示意图
2 结果
附表给出了不同位置螺钉固定位置下股骨外侧髁和胫骨内踝骨折的螺钉最大拔出力。A点的最大轴向拔出力最大，O点次之，B点最小。O、A两点最大轴向拔出力的差异有显著性(P<0.05)；A、B两点的差异非常显著(P<0.01)；O点的最大轴向拔出力大于B点，但两者间差异无统计学意义。
附表 拉力螺钉于不同进钉点的最大轴向拔出力 (
±s)N 部位A点
O点
B点
股骨外侧髁
, 百拇医药
404.9±304.4
233.8±105.7
105.2±85.5
内 踝
335.1±209.9
193.1±126.3
141.9±110.0
3 讨论 螺钉拔出力代表了该骨折端的最大加压力，它的大小代表了骨折块的抗剪切强度，是评价螺钉固定稳定性的重要指标之一。影响拔出力的因素有螺钉设计的优劣、固定部位骨质的骨密度、螺钉固定位置等[8～10]。我们在研究骨密度对长骨松质骨骨折螺钉固定的影响时证实：骨密度与最大轴向拔出力有正相关关系，骨密度的大小直接影响着螺钉拔出力的大小(另文发表)。William和Siamak曾以6.5 mm松质骨螺钉在牛的松质骨标本上做拔出试验[4]，由于没有考虑松质骨会随位置的不同而有不同的力学性质，其试验数据误差很大。邬蜀威等[5]以松质骨三维各向异性模型来模拟其力学性质，在牛股骨远端和颈椎做拔出实验，结论均为垂直方向的拔出力大于水平方向。而本实验则在螺钉植入方向相同的情况下，测试螺钉在不同部位的拔出力。
, 百拇医药
为这实现最大的骨折块间加压，临床上使用拉力螺钉固定松质骨骨折时，必须将其拧在与边缘等距离的中心并与骨折面垂直。骨折块较大时需选用两枚以上螺钉固定，临床通常根据经验选择钉的排列方式。为达到最理想的固定效果，就必须选择最佳的进钉位置，但目前尚无螺钉最佳排列的研究报道。
通过我们对骨折面的观察发现：长骨两端的松质骨在近关节面一侧骨小梁排列紧密，结构较致密。从关节面向骨髓腔松质骨逐渐变得疏松，直至消失。因此A点的松质骨最致密，骨质对螺钉的持握力最大，所需的最大轴向拔出力也最大，O点次之，B点则更小。可见螺钉进钉点越靠近长骨两端的关节面一侧，其稳定程度就越大。综合骨折内固定的其它要点，我们认为：拉力螺钉固定松质骨骨折时，进钉点应尽量选择在骨折面中点及靠近关节面一侧，而避免选在靠近骨干一测。例如当骨折片较大需置入两枚钉时，此两枚钉应尽可能水平方向排列而不是上下排列。■
参考文献：
[1]Thomas AZ, David NK, Mary EC, et al. Pedicle screw pullout strength correlation with insertional torque. Spine, 1993,18(2):1673
, 百拇医药
[2]Roberts DA, Doherty BJ,Heggeness MH.Quantitative anatomy of the occiput and the biomechanics of occipital screw fixation. Spine, 1998,23(10):1100
[3]Plant RL, Pinczower EF. Pullout strength of adaption screws in thyroid cartilage. Am J Otolaryngol, 1998, 19(3):154
[4]Zindrick MR, Wiltse LL,Widell EH. A biomechanical study of intrapedancular screw fixation in the lumbosacral spine. Clin Orthopaedics and Related Research, 1986,203:99
, http://www.100md.com
[5]Pratt WB,Yazdni S. Laboratory testing of bolts and screws in cancellous bone. Orthopaedic Review, 1989,18:1073
[6]邬蜀威，龚耀春，郭荣富.海绵质骨螺旋钉拔出试验之生物力学分析.医用生物力学，1995，10(3)：167
[7]祝 联，洪天禄，徐耀增，等.骨螺钉设计、生物力学测试及临床应用研究，苏州医学院学报，1998，18(6)：551
[8]Chapman JR， Harrington RM,Lee k, et al. The influence of screw design and insertion technique on the pullout strength of screws in porous materials. Trans 38th Orthopedic Research Society Meeting, 1992,17:406
, http://www.100md.com
[9]DeCoster TA, Heetderks DB, Downey DJ, et al. Optimiizing bone screw pullout force. J Orthop Trauma, 1990,4:169
[10]Finlay JB, Jarada L ,Boune RB,et al. Analysis of the pullout strength of screws and pegs used to secure tibial components following total knee arthroplasty. Clin Orthop, 1989,247:220
收稿日期：1999-03-29, http://www.100md.com