套管式骨外固定器及其生物力学测试
作者：刘丹 张玉发 张建明 刘军 王以进
单位：刘丹(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；张玉发(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；张建明(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；刘军(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；王以进(上海科技大学 上海201800)
关键词：套管式骨外固定器；静力性固定；动力性固定；弹性固定。
中国医疗器械杂志000113 提 要：介绍套管式骨外固定器结构。通过对新鲜尸胫骨进行生物力学测试，对套管式骨外固定器静力性、动力性及弹性固定定等三种不同固定方式下骨折断湍及器械上的应力、应变、位移及转角的分布规律和应力遮档率进行测量与计算。
中图分类号：TH781 文献标识码：C
文章编号：1000-6974(2000)01-0041-02
, http://www.100md.com
A Biomechanical Study of Telescopic External Fixator▲
目前外固定器在临床的应用日益广泛，但仍存在骨延迟愈合及骨不愈合等并发症，主要是由于外固定器结构僵硬，应力遮挡明显所致。针对上述不足，我们从1992年开始研制套管式骨外固定器，临床应用50例，均获骨性愈合，愈合时间加快，愈合质量好的效果。
1 器械结构原理
本器械由连接杆、固定座、连接块及固针体等主要部件组成(图1)。连接杆由固定棒和套管组成，固定棒上有滑槽，套管上有导向键和锁固螺钉与固定棒上的滑槽配合，使套管可在固定棒上滑移并能防旋。固定座、连接块和固针体组成一“万向节”结构。锁固螺钉放松时，套管可沿固定棒滑移对骨折端形成动力加压，称动力性固定。拧紧锁固螺钉将套管和固定棒锁固则形成静力性固定。本器械在固定棒上设有一弹簧，调节螺母即可调整弹簧位置阻挡套管滑移。当动力加压时套管受弹簧阻挡产生一有限弹性滑移，在骨折端形成轴向微动，此即弹性固定。
, 百拇医药
图1 套管式骨外固定器部件
1. 固针体 2. 连接块 3. 固定座 4. 固定棒
5. 调节螺母 6. 锁固螺钉 7. 弹簧 8. 套管
2 材料与方法
实验研究采用6具湿润新鲜固定胫骨标本，随机取样。在两端浇注骨水泥平台。模拟临床横断骨折，用套管式骨外固定器予以固定，实验采用WD-S电子万能试验机，在生理载荷1000N内分级加载。分别对外固定器静力性、动力性及弹性固定三种不同固定方式进行轴向、弯曲和扭转等三种不同工况加载测试。
3 结果
3.1 器械的三种固定方式在轴向压缩、弯曲及扭转实验中，骨断端的载荷—应变和载荷—位移(角度)值呈同一变化趋势，以静力性固定时最小，动力性固定时最大，弹性固定时居二者之间(图2)。
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图2 三种不同固定方式在轴压时骨断端上应变曲线
S静力性固定 E弹性固定 D动力性固定
3.2 当轴向载荷为1000N，动力性固定时骨上的应力比静力性固定时大31.5%，静力性固定时骨与器械分别承载32%与68%的应力(P<0.01)(表1)。静力性固定时骨的轴向刚度比动力性固定大30%，比弹性固定大10%(P<0.01)。同样，骨的弯曲和扭转应变在静力性固定时最小，动力性固定时最大，弹性固定居中，但骨的弯曲、扭转刚度无显著差异(表2)。
表1 1000N轴压时骨与器械上的应力值(105MPa) 固定方式
骨
螺杆
内针
, 百拇医药
外针
A点
B点
平均
动力性固定
6.38
2.13
4.26
60.0
60.0
6.0
弹性固定
5.85
, 百拇医药
1.59
3.72
100.0
70.0
10.0
静力性固定
4.78
1.06
2.92
150.0
90.0
20.0
表2 骨的轴向压缩、弯曲及扭转刚度 固定方式
, 百拇医药
压缩刚度
(N/mm)
弯曲刚度
(N-M/0)
扭转刚度
(N-M/0)
动力性固定
769.23
10.60
1.14
弹性固定
990.10
10.80
, 百拇医药
1.26
静力性固定
1111.12
11.45
1.38
3.3 按照应力遮挡效应的定义[1]，应力遮挡率
，根据表3得出结果，静力性固定时骨上的η=37.5%，弹性固定时η=16.7%(P<0.01)动力性固定时η=0，无应力遮挡效应。表3 骨上应力遮挡效应η(%) 固定方式
η
测点A
测点B
, 百拇医药
平均
动力性固定
0
0
0
弹性固定
8.30
25.0
16.7
静力性固定
25.0
50.0
37.5
, 百拇医药
4 讨论
4.1 静力性固定时，套管与固定棒锁固，整个外固定器形成一个坚强整体。外固定器对骨上的应力起到分流作用，产生应力重分配现象。器械承载68%的应力，而骨上只承载32%的应力(P<0.01)，骨的轴向刚度为1111.12N/mm，弯曲刚度11.45N-m/度，扭转刚度1.38N-m/度。器械静力性固定时完全能满足骨折固定的强度、刚度和稳度性要求。在骨折固定早期采用静力性固定使骨折端尽量少受干扰以利于创伤的恢复和局部血运的恢复。
4.2 器械动力性固定时套管可沿固定棒滑移，不能承担轴向负荷，负荷完全由骨折端承担。所以，骨折端轴向刚度明显减弱，比静力性固定小30%，骨上的应力比静力性固定时大31.5%(P<0.01)。从骨上的应力遮挡率来看，静力性固定时为37.5%，动力性固定时为零，无应力遮挡效应。所以在骨折固定的中晚期将静力性固定改为动力性固定，这时肢体功能锻炼产生的应力即被转化为骨折端的压应力，对骨折端形成动力性加压，有效促进骨折愈合[2]。
, 百拇医药
4.3 器械弹性固定时，骨上的应力介于静力性和动力性固定之间。其轴向刚度比静力性固定时小10%(P<0.01)，应力遮挡率比静力性固定时小10.8%(P<0.01)。在粉碎性等不稳定骨折时可采用弹性固定，应力刺激时套管受弹簧阻挡产生一有限、弹性滑移，使骨折端形成一轴向微动。这既发挥了动力加压功能，使骨折端获得有效的应力刺激，又无肢体短缩、骨折移位之虑。
4.4 从理论上讲，三种不同固定方式下骨断端的弯曲和扭转应变、位移值应无变化，但实际上却随着固定方式由静力性固定改为弹性和动力性固定而逐渐增大。分析其原因为固定棒和套管在制作工艺上不可能完全密合，两者间总会存在细微的摆动和旋转。但三种不同固定方式下弯曲和扭转刚度变化并无显著差异，说明在弹性和动力性固定时不影响骨折的弯曲和扭转稳定性。■
参考文献：
[1]王以进.应力遮挡效应的理论基础和影响因素.医用生物力学杂志.1992；(3)：7
[2]李起鸿.骨外固定原理与临床应用：四川科学技术出版社，1992；18～20., 百拇医药
单位：刘丹(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；张玉发(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；张建明(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；刘军(解放军118医院骨科 浙江温州325000)；王以进(上海科技大学 上海201800)
关键词：套管式骨外固定器；静力性固定；动力性固定；弹性固定。
中国医疗器械杂志000113 提 要：介绍套管式骨外固定器结构。通过对新鲜尸胫骨进行生物力学测试，对套管式骨外固定器静力性、动力性及弹性固定定等三种不同固定方式下骨折断湍及器械上的应力、应变、位移及转角的分布规律和应力遮档率进行测量与计算。
中图分类号：TH781 文献标识码：C
文章编号：1000-6974(2000)01-0041-02
, http://www.100md.com
A Biomechanical Study of Telescopic External Fixator▲
目前外固定器在临床的应用日益广泛，但仍存在骨延迟愈合及骨不愈合等并发症，主要是由于外固定器结构僵硬，应力遮挡明显所致。针对上述不足，我们从1992年开始研制套管式骨外固定器，临床应用50例，均获骨性愈合，愈合时间加快，愈合质量好的效果。
1 器械结构原理
本器械由连接杆、固定座、连接块及固针体等主要部件组成(图1)。连接杆由固定棒和套管组成，固定棒上有滑槽，套管上有导向键和锁固螺钉与固定棒上的滑槽配合，使套管可在固定棒上滑移并能防旋。固定座、连接块和固针体组成一“万向节”结构。锁固螺钉放松时，套管可沿固定棒滑移对骨折端形成动力加压，称动力性固定。拧紧锁固螺钉将套管和固定棒锁固则形成静力性固定。本器械在固定棒上设有一弹簧，调节螺母即可调整弹簧位置阻挡套管滑移。当动力加压时套管受弹簧阻挡产生一有限弹性滑移，在骨折端形成轴向微动，此即弹性固定。
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图1 套管式骨外固定器部件
1. 固针体 2. 连接块 3. 固定座 4. 固定棒
5. 调节螺母 6. 锁固螺钉 7. 弹簧 8. 套管
2 材料与方法
实验研究采用6具湿润新鲜固定胫骨标本，随机取样。在两端浇注骨水泥平台。模拟临床横断骨折，用套管式骨外固定器予以固定，实验采用WD-S电子万能试验机，在生理载荷1000N内分级加载。分别对外固定器静力性、动力性及弹性固定三种不同固定方式进行轴向、弯曲和扭转等三种不同工况加载测试。
3 结果
3.1 器械的三种固定方式在轴向压缩、弯曲及扭转实验中，骨断端的载荷—应变和载荷—位移(角度)值呈同一变化趋势，以静力性固定时最小，动力性固定时最大，弹性固定时居二者之间(图2)。
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图2 三种不同固定方式在轴压时骨断端上应变曲线
S静力性固定 E弹性固定 D动力性固定
3.2 当轴向载荷为1000N，动力性固定时骨上的应力比静力性固定时大31.5%，静力性固定时骨与器械分别承载32%与68%的应力(P<0.01)(表1)。静力性固定时骨的轴向刚度比动力性固定大30%，比弹性固定大10%(P<0.01)。同样，骨的弯曲和扭转应变在静力性固定时最小，动力性固定时最大，弹性固定居中，但骨的弯曲、扭转刚度无显著差异(表2)。
表1 1000N轴压时骨与器械上的应力值(105MPa) 固定方式
骨
螺杆
内针
, 百拇医药
外针
A点
B点
平均
动力性固定
6.38
2.13
4.26
60.0
60.0
6.0
弹性固定
5.85
, 百拇医药
1.59
3.72
100.0
70.0
10.0
静力性固定
4.78
1.06
2.92
150.0
90.0
20.0
表2 骨的轴向压缩、弯曲及扭转刚度 固定方式
, 百拇医药
压缩刚度
(N/mm)
弯曲刚度
(N-M/0)
扭转刚度
(N-M/0)
动力性固定
769.23
10.60
1.14
弹性固定
990.10
10.80
, 百拇医药
1.26
静力性固定
1111.12
11.45
1.38
3.3 按照应力遮挡效应的定义[1]，应力遮挡率
，根据表3得出结果，静力性固定时骨上的η=37.5%，弹性固定时η=16.7%(P<0.01)动力性固定时η=0，无应力遮挡效应。表3 骨上应力遮挡效应η(%) 固定方式η
测点A
测点B
, 百拇医药
平均
动力性固定
0
0
0
弹性固定
8.30
25.0
16.7
静力性固定
25.0
50.0
37.5
, 百拇医药
4 讨论
4.1 静力性固定时，套管与固定棒锁固，整个外固定器形成一个坚强整体。外固定器对骨上的应力起到分流作用，产生应力重分配现象。器械承载68%的应力，而骨上只承载32%的应力(P<0.01)，骨的轴向刚度为1111.12N/mm，弯曲刚度11.45N-m/度，扭转刚度1.38N-m/度。器械静力性固定时完全能满足骨折固定的强度、刚度和稳度性要求。在骨折固定早期采用静力性固定使骨折端尽量少受干扰以利于创伤的恢复和局部血运的恢复。
4.2 器械动力性固定时套管可沿固定棒滑移，不能承担轴向负荷，负荷完全由骨折端承担。所以，骨折端轴向刚度明显减弱，比静力性固定小30%，骨上的应力比静力性固定时大31.5%(P<0.01)。从骨上的应力遮挡率来看，静力性固定时为37.5%，动力性固定时为零，无应力遮挡效应。所以在骨折固定的中晚期将静力性固定改为动力性固定，这时肢体功能锻炼产生的应力即被转化为骨折端的压应力，对骨折端形成动力性加压，有效促进骨折愈合[2]。
, 百拇医药
4.3 器械弹性固定时，骨上的应力介于静力性和动力性固定之间。其轴向刚度比静力性固定时小10%(P<0.01)，应力遮挡率比静力性固定时小10.8%(P<0.01)。在粉碎性等不稳定骨折时可采用弹性固定，应力刺激时套管受弹簧阻挡产生一有限、弹性滑移，使骨折端形成一轴向微动。这既发挥了动力加压功能，使骨折端获得有效的应力刺激，又无肢体短缩、骨折移位之虑。
4.4 从理论上讲，三种不同固定方式下骨断端的弯曲和扭转应变、位移值应无变化，但实际上却随着固定方式由静力性固定改为弹性和动力性固定而逐渐增大。分析其原因为固定棒和套管在制作工艺上不可能完全密合，两者间总会存在细微的摆动和旋转。但三种不同固定方式下弯曲和扭转刚度变化并无显著差异，说明在弹性和动力性固定时不影响骨折的弯曲和扭转稳定性。■
参考文献：
[1]王以进.应力遮挡效应的理论基础和影响因素.医用生物力学杂志.1992；(3)：7
[2]李起鸿.骨外固定原理与临床应用：四川科学技术出版社，1992；18～20., 百拇医药