引用本文： 卢庆威, 万春友, 张弢, 王晓卫, 刘彦士, 马继海. 轴向载荷力学测试在胫腓骨骨折术后外固定器拆除中的临床应用. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(9): 1085-1088. doi: 10.7507/1002-1892.20160221 复制
对于合并多发伤的开放粉碎性骨折，为早期固定、减轻手术本身带来的伤害、降低术后感染率、方便日常护理及术后快速康复，临床常选用外固定器治疗。随着固定理论的发展以及各种外固定器的研制，外固定器治疗已从单一骨折固定发展至畸形矫正、肢体延长等方面。但外固定器占据空间较大，给患者日常生活带来极大不便，同时存在钉道感染、外固定器松动、断裂等风险，其中钉道感染发生率可达80%[1]，所以需要在骨折愈合后尽早拆除。但拆除过早有骨折不愈合、再骨折等严重并发症发生可能。有报道骨搬移术外固定器拆除后再骨折发生几率为8%～9.4%[2-3]。
目前关于外固定器拆除时间的确定，主要依靠影像学检查结果、患者临床症状、体征以及术后时间来综合判断。也有报道应用双能X线吸收测量法[4]及B超检测法[5-6]判断骨折愈合程度。但以上方法存在主观因素影响、放射性伤害、费用高及无法定量评价骨折愈合程度等不足[7]。外固定器轴向载荷力学测试可以定量分析外固定器及骨折断端骨痂在患者正常平稳负重时的力学分担比，为临床安全、尽早拆除外固定器提供了更客观、可靠数据参考。2014年1月－2015年8月，我院对27例行外固定器固定的胫、腓骨骨折患者，根据外固定器轴向载荷力学测试结果确定外固定器拆除时间，获得较好疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组男21例，女6例；年龄19～63岁，平均45岁。致伤原因：交通事故伤18例，重物砸伤9例。左侧17例，右侧10例。闭合骨折7例，开放骨折20例。开放骨折根据Gustilo分型标准：Ⅰ型6例、Ⅱ型10例、Ⅲ型4例。X线片复查示：螺旋型不稳定骨折4例，粉碎型不稳定骨折23例。患者伤后至入院时间2～13 h，平均6 h；均一期行外固定器固定。采用Ilizarov外固定器11例，Hybrid外固定器10例，Orthofix外固定器4例，Taylor外固定器2例。3例行外固定器固定后7、12、15周出现感染致骨不连，其中采用Taylor外固定器1例、Ilizarov外固定器2例；1例行Ilizarov外固定器固定后20周发生骨折不愈合伴骨缺损。以上4例均行二期胫骨截骨延长术。
1.2 外固定器轴向载荷力学测试
外固定后，经正侧位X线片复查，明确骨折处均有连续性高密度骨痂形成、骨折线基本消失，查体无异常活动及纵向叩击痛后，行外固定器轴向载荷力学测试。将3个拉压力传感器（深圳耐特恩科技有限公司）安装于外固定器（图 1），以蓝牙连接电脑并打开配套测试程序RemoteSensor_Monitor，勾选与拉压力测试头相对应的3个测试通道，持续记录患者正常平稳行走时拉压力传感器数值。如图 2显示通道1、3、4的3条曲线分别代表 3个拉压力传感器在一段时间内所受拉力与压力变化，记录每条曲线各波峰和波谷值，取均值并计算两者差值，再计算3条曲线所得结果总和（∑F）。最后，根据公式计算患者平稳行走时外固定器轴向载荷分担比，公式：∑F/体质量（kg）×100%。参照Aarnes等[8]提出的当外固定器轴向载荷分担比 < 10%时，可安全拆除外固定器标准，确定是否拆除外固定器。
图1
于Hybrid外固定器的骨折远、近端两环上安装拉压力传感器 图 2 患者正常平稳行走时测量曲线
Figure1.
Installation of tension and compression sensor on the proximal and distal rings of Hybrid external fixator Fig. 2 Measurement interface when patients stably and normally walk
2 结果
本组经外固定治疗21～85周（平均44周）后，X线片复查示骨折处有连续性高密度骨痂形成，骨折线模糊，行外固定器轴向载荷力学测试。测试结果显示，本组26例外固定器轴向载荷分担比 < 10%，为0.7%～9.3%，平均4.6%，拆除外固定器；拆除外固定器后随访6周，患者下肢完全负重，恢复正常生活，无再骨折发生。
1例术后65周测量外固定器轴向载荷分担比为14.6%，术后85周再次测量为14%，此时X线片显示骨折断端明显向内侧成角且未完全愈合，因治疗时间过长且无完全愈合征象及趋势，拟改内固定继续治疗。拆除外固定器后患者发生再骨折，行骨折闭合复位髓内钉内固定术，25周后骨折愈合。
3 讨论
外固定器轴向载荷分担比测试属于骨生物力学中的拉压试验，拉压试验是测定材料机械性能的基本方法，也是测定弹性模量的常用方法，反映了组织及材料抵抗弹性变形的能力[9]。通过测量患者正常平稳负重时外固定器轴向载荷分担比，可间接反映骨折端新生骨的抗变形能力，即骨折愈合强度，从而指导外固定器安全拆除。传统临床工作中，对于外固定器拆除时间的评定，常参照患者术后X线片、CT等影像学检查结果，如新生骨痂与正常骨质量相仿，骨折线消失，同时查体无压痛、纵向叩击痛及异常活动时，则先松动螺母去除连接杆进行外固定器预拆除；嘱患者完全负重功能锻炼数周后，再完全拆除外固定器。但是影像学检查只能定性分析骨痂形成情况，且不能避免主观因素影响[10-11]，对骨折愈合情况以及拆除时间判断有一定干扰。本组26例患者在符合预拆除外固定器标准时进行轴向载荷分担比测量，结果均低于10%，提示在传统预拆除期间可能大部分患者外固定器轴向载荷分担比已低于10%，可以直接拆除外固定器，表明传统方法可能延长了外固定器佩戴时间，给患者生活带来不便，又增加了外固定器相关并发症的发生率。本组结果显示，以拉压力传感器测量外固定器轴向载荷分担比的灵敏度、准确度均较高，对骨折外固定术后安全拆除外固定器及降低拆除外固定器前后相关并发症的发生率具有重要意义。
骨科生物力学是以骨骼肌肉系统为对象，利用生物力学方法将工程原理，尤其是机械力学原理，应用于临床医学来解决骨科问题的一门学科[12-13]。我国方先之、尚天裕等确立的中国接骨学派，其核心原则为“内外兼顾、筋骨并重、动静结合、医患合作”[14]。随后，AO学者借鉴中国接骨学派理论提出了生物学固定概念[15]，强调了骨折固定治疗过程中生物学因素的重要性。患者术后应早期功能锻炼，在理想骨折对位及不干扰骨折处髓内、外血运情况下，骨折愈合与功能康复应同步进行。而通过外固定器轴向载荷分担比测试很好地解决了“动”与“静”之间的矛盾，即只要外固定器轴向载荷分担比 < 10%，便可尽早拆除外固定器，完全负重进行功能锻炼，促进骨与软组织血液循环，加速骨折端的塑形重建、“二期愈合”及肢体功能的恢复。
外固定器轴向载荷分担比测试除了用于确定外固定器拆除时间外，还可以进一步用于骨折外固定的后续治疗，指导功能锻炼，促进骨折愈合。夏和桃[16]提出的“骨折固定适应性刚度”，强调骨折早期实施坚强固定，以维持骨连续性和稳定性，为软组织修复、血运重建提供稳定的环境；中期提供轴向和综合应力刺激的弹性，增加骨界面和荷载能力，促进骨再生速度；后期提供平衡固定，使骨功能适应多种应力，完成骨结构优化重建，防止功能状态下的应力性骨折。这一概念符合骨折固定后愈合、重建的生物学过程，为骨外固定技术在临床上应用提供了理论指导[17]。有研究表明，拆除外固定器后发生再骨折通常是由于外固定器拆除前未能进行适应性功能锻炼所致，尽管相关检查提示骨折达临床愈合，但新骨达正常骨骼的生物力学强度需1～2年[18]。所以，临床上可以尽早进行外固定器轴向载荷分担比测定，指导骨折外固定后中后期间断松解外固定器，去除应力遮挡，逐渐增加负重刺激骨折断端，加快骨再生速度，并最终通过临床实验总结，确定松解外固定器进行功能锻炼的安全时机。除此之外，也可以通过多学科合作，研究外固定器轴向载荷分担比变化与骨折断端新生骨质量影像学变化的关系，但这些应用方向尚需大量临床实践研究。
该方法临床应用时间较短，尚存在以下问题需要解决。拉压力传感器检测系统尚不能精准测量扭转及加速度载荷变化。装置本身及安装后存在系统误差，患者行走时测量获得的外固定器轴向载荷分担比受患者步态速率变化影响，以上因素均会影响测量结果的准确性。此外，骨折类型及严重程度也是早期使用该方法的限制因素，如横形稳定骨折外固定器轴向载荷分担比测量结果在骨折愈合前或术后早期就可能低于10%，临床上需要综合影像学检查结果及临床症状、体征综合分析骨折愈合程度。
综上述，骨外固定器轴向载荷分担比力学测试指导外固定器拆除时间的判定，但同时也需要结合患者病史、影像学检查结果、症状体征及骨折术后治疗时间等因素综合制定。此外，骨外固定器轴向载荷分担比力学测试方法以及装置还需要不断完善，并严格制定应用指征，使其临床应用规范化。
对于合并多发伤的开放粉碎性骨折，为早期固定、减轻手术本身带来的伤害、降低术后感染率、方便日常护理及术后快速康复，临床常选用外固定器治疗。随着固定理论的发展以及各种外固定器的研制，外固定器治疗已从单一骨折固定发展至畸形矫正、肢体延长等方面。但外固定器占据空间较大，给患者日常生活带来极大不便，同时存在钉道感染、外固定器松动、断裂等风险，其中钉道感染发生率可达80%[1]，所以需要在骨折愈合后尽早拆除。但拆除过早有骨折不愈合、再骨折等严重并发症发生可能。有报道骨搬移术外固定器拆除后再骨折发生几率为8%～9.4%[2-3]。
目前关于外固定器拆除时间的确定，主要依靠影像学检查结果、患者临床症状、体征以及术后时间来综合判断。也有报道应用双能X线吸收测量法[4]及B超检测法[5-6]判断骨折愈合程度。但以上方法存在主观因素影响、放射性伤害、费用高及无法定量评价骨折愈合程度等不足[7]。外固定器轴向载荷力学测试可以定量分析外固定器及骨折断端骨痂在患者正常平稳负重时的力学分担比，为临床安全、尽早拆除外固定器提供了更客观、可靠数据参考。2014年1月－2015年8月，我院对27例行外固定器固定的胫、腓骨骨折患者，根据外固定器轴向载荷力学测试结果确定外固定器拆除时间，获得较好疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组男21例，女6例；年龄19～63岁，平均45岁。致伤原因：交通事故伤18例，重物砸伤9例。左侧17例，右侧10例。闭合骨折7例，开放骨折20例。开放骨折根据Gustilo分型标准：Ⅰ型6例、Ⅱ型10例、Ⅲ型4例。X线片复查示：螺旋型不稳定骨折4例，粉碎型不稳定骨折23例。患者伤后至入院时间2～13 h，平均6 h；均一期行外固定器固定。采用Ilizarov外固定器11例，Hybrid外固定器10例，Orthofix外固定器4例，Taylor外固定器2例。3例行外固定器固定后7、12、15周出现感染致骨不连，其中采用Taylor外固定器1例、Ilizarov外固定器2例；1例行Ilizarov外固定器固定后20周发生骨折不愈合伴骨缺损。以上4例均行二期胫骨截骨延长术。
1.2 外固定器轴向载荷力学测试
外固定后，经正侧位X线片复查，明确骨折处均有连续性高密度骨痂形成、骨折线基本消失，查体无异常活动及纵向叩击痛后，行外固定器轴向载荷力学测试。将3个拉压力传感器（深圳耐特恩科技有限公司）安装于外固定器（图 1），以蓝牙连接电脑并打开配套测试程序RemoteSensor_Monitor，勾选与拉压力测试头相对应的3个测试通道，持续记录患者正常平稳行走时拉压力传感器数值。如图 2显示通道1、3、4的3条曲线分别代表 3个拉压力传感器在一段时间内所受拉力与压力变化，记录每条曲线各波峰和波谷值，取均值并计算两者差值，再计算3条曲线所得结果总和（∑F）。最后，根据公式计算患者平稳行走时外固定器轴向载荷分担比，公式：∑F/体质量（kg）×100%。参照Aarnes等[8]提出的当外固定器轴向载荷分担比 < 10%时，可安全拆除外固定器标准，确定是否拆除外固定器。
图1
于Hybrid外固定器的骨折远、近端两环上安装拉压力传感器 图 2 患者正常平稳行走时测量曲线
Figure1.
Installation of tension and compression sensor on the proximal and distal rings of Hybrid external fixator Fig. 2 Measurement interface when patients stably and normally walk
2 结果
本组经外固定治疗21～85周（平均44周）后，X线片复查示骨折处有连续性高密度骨痂形成，骨折线模糊，行外固定器轴向载荷力学测试。测试结果显示，本组26例外固定器轴向载荷分担比 < 10%，为0.7%～9.3%，平均4.6%，拆除外固定器；拆除外固定器后随访6周，患者下肢完全负重，恢复正常生活，无再骨折发生。
1例术后65周测量外固定器轴向载荷分担比为14.6%，术后85周再次测量为14%，此时X线片显示骨折断端明显向内侧成角且未完全愈合，因治疗时间过长且无完全愈合征象及趋势，拟改内固定继续治疗。拆除外固定器后患者发生再骨折，行骨折闭合复位髓内钉内固定术，25周后骨折愈合。
3 讨论
外固定器轴向载荷分担比测试属于骨生物力学中的拉压试验，拉压试验是测定材料机械性能的基本方法，也是测定弹性模量的常用方法，反映了组织及材料抵抗弹性变形的能力[9]。通过测量患者正常平稳负重时外固定器轴向载荷分担比，可间接反映骨折端新生骨的抗变形能力，即骨折愈合强度，从而指导外固定器安全拆除。传统临床工作中，对于外固定器拆除时间的评定，常参照患者术后X线片、CT等影像学检查结果，如新生骨痂与正常骨质量相仿，骨折线消失，同时查体无压痛、纵向叩击痛及异常活动时，则先松动螺母去除连接杆进行外固定器预拆除；嘱患者完全负重功能锻炼数周后，再完全拆除外固定器。但是影像学检查只能定性分析骨痂形成情况，且不能避免主观因素影响[10-11]，对骨折愈合情况以及拆除时间判断有一定干扰。本组26例患者在符合预拆除外固定器标准时进行轴向载荷分担比测量，结果均低于10%，提示在传统预拆除期间可能大部分患者外固定器轴向载荷分担比已低于10%，可以直接拆除外固定器，表明传统方法可能延长了外固定器佩戴时间，给患者生活带来不便，又增加了外固定器相关并发症的发生率。本组结果显示，以拉压力传感器测量外固定器轴向载荷分担比的灵敏度、准确度均较高，对骨折外固定术后安全拆除外固定器及降低拆除外固定器前后相关并发症的发生率具有重要意义。
骨科生物力学是以骨骼肌肉系统为对象，利用生物力学方法将工程原理，尤其是机械力学原理，应用于临床医学来解决骨科问题的一门学科[12-13]。我国方先之、尚天裕等确立的中国接骨学派，其核心原则为“内外兼顾、筋骨并重、动静结合、医患合作”[14]。随后，AO学者借鉴中国接骨学派理论提出了生物学固定概念[15]，强调了骨折固定治疗过程中生物学因素的重要性。患者术后应早期功能锻炼，在理想骨折对位及不干扰骨折处髓内、外血运情况下，骨折愈合与功能康复应同步进行。而通过外固定器轴向载荷分担比测试很好地解决了“动”与“静”之间的矛盾，即只要外固定器轴向载荷分担比 < 10%，便可尽早拆除外固定器，完全负重进行功能锻炼，促进骨与软组织血液循环，加速骨折端的塑形重建、“二期愈合”及肢体功能的恢复。
外固定器轴向载荷分担比测试除了用于确定外固定器拆除时间外，还可以进一步用于骨折外固定的后续治疗，指导功能锻炼，促进骨折愈合。夏和桃[16]提出的“骨折固定适应性刚度”，强调骨折早期实施坚强固定，以维持骨连续性和稳定性，为软组织修复、血运重建提供稳定的环境；中期提供轴向和综合应力刺激的弹性，增加骨界面和荷载能力，促进骨再生速度；后期提供平衡固定，使骨功能适应多种应力，完成骨结构优化重建，防止功能状态下的应力性骨折。这一概念符合骨折固定后愈合、重建的生物学过程，为骨外固定技术在临床上应用提供了理论指导[17]。有研究表明，拆除外固定器后发生再骨折通常是由于外固定器拆除前未能进行适应性功能锻炼所致，尽管相关检查提示骨折达临床愈合，但新骨达正常骨骼的生物力学强度需1～2年[18]。所以，临床上可以尽早进行外固定器轴向载荷分担比测定，指导骨折外固定后中后期间断松解外固定器，去除应力遮挡，逐渐增加负重刺激骨折断端，加快骨再生速度，并最终通过临床实验总结，确定松解外固定器进行功能锻炼的安全时机。除此之外，也可以通过多学科合作，研究外固定器轴向载荷分担比变化与骨折断端新生骨质量影像学变化的关系，但这些应用方向尚需大量临床实践研究。
该方法临床应用时间较短，尚存在以下问题需要解决。拉压力传感器检测系统尚不能精准测量扭转及加速度载荷变化。装置本身及安装后存在系统误差，患者行走时测量获得的外固定器轴向载荷分担比受患者步态速率变化影响，以上因素均会影响测量结果的准确性。此外，骨折类型及严重程度也是早期使用该方法的限制因素，如横形稳定骨折外固定器轴向载荷分担比测量结果在骨折愈合前或术后早期就可能低于10%，临床上需要综合影像学检查结果及临床症状、体征综合分析骨折愈合程度。
综上述，骨外固定器轴向载荷分担比力学测试指导外固定器拆除时间的判定，但同时也需要结合患者病史、影像学检查结果、症状体征及骨折术后治疗时间等因素综合制定。此外，骨外固定器轴向载荷分担比力学测试方法以及装置还需要不断完善，并严格制定应用指征，使其临床应用规范化。