金敬华 潘志军 薛德挺

AO张力带技术用于髌骨不同部位骨折内固定的生物力学研究

金敬华 潘志军 薛德挺

目的 通过生物力学实验来研究AO张力带技术用于髌骨不同部位骨折内固定的力学稳定性，从而为髌骨骨折的治疗提供理论依据。方法 取8具新鲜成人尸体膝关节，于髌骨中点、髌骨上下1/3及1/4用线锯将髌骨做成横行骨折模型，按AO张力带技术采用克氏针加钢丝固定建成实验力学模型，对股四头肌进行加载测试，加载负荷以骨折端分离1mm为实验终点，记录加载的力、髌骨骨折端分离的位移，并进行统计学分析。结果 根据髌骨骨折端分离位移1mm为失效的约定，在1/2部位AO张力带能达到最大的张力为（452.2±15.1）N；在上1/3部位AO张力带能达到最大的张力为（361.2±12.3）N；在下1/3部位AO张力带能达到最大的张力为（351.0±5.6）N；在上1/4部位AO张力带能达到最大的张力为（226.7±5.8）N；在下1/4部位AO张力带能达到最大的张力为（215.3±13.1）N。结论 按照正常人单膝关节生理负荷为350～400N计算，在髌骨1/2及1/3横行骨折AO张力带技术均能达到人体的生理载荷，在1/4部位则不能达到人体的生理载荷。

髌骨骨折 治疗 AO张力带技术 生物力学

AO张力带技术是治疗髌骨骨折的有效方法之一，目前已在临床上得到广泛应用。它的原理是应用克氏针钢丝的张力带固定将肌肉牵拉产生的张力转化为骨折关节面一侧的压力，为骨折愈合提供力学稳定性。然而，在临床使用过程中也出现不少失败的病例，如固定不可靠导致骨折端分离﹑骨折不愈合，膝关节不能早期功能锻练导致关节功能障碍，需多次手术治疗，给患者造成巨大的痛苦。髌骨不同部位骨折采用相同的张力带固定是否有一样的力学稳定性，目前尚缺少这方面的研究。本研究拟通过生物力学实验来研究AO张力带技术用于髌骨不同部位骨折所提供的力学稳定性，从而为髌骨骨折的临床治疗提供理论依据，以期为临床手术方式的选择提供参考。

1 对象和方法

1.1 实验设备 布巾钳、Ф0.6cm线锯、血管钳、Ф1.5mm克氏针 (上海医疗器械有限公司)、老虎钳、Ф1.0mm钢丝、固定在试验机下平台上的底板，底板上装有夹骨套1（用于固定膝关节样本的一端）和滑轮座、肌腱夹、600N传感器、夹骨套2（夹持膝关节样本的另一端，可吊砝码架，用于对样本进行加载）、髌骨张开位移引伸计及测髌骨骨折用钢丝梱扎复位的压力引伸计。膝关节力学试验装置根据Schnabel等[1]的方法定制（图1、2）。

1.2 研究对象 新鲜成人（20～50岁）尸体膝关节8对（浙江大学医学院解剖实验室提供），包括膝上20cm股骨及膝下19cm胫骨，保留股四头肌肌腱、髌骨、髌韧带及关节囊。双层塑料袋密封，-20℃度冰柜保存备用，室温下自然解冻，经肉眼及X线检查排除病变。

图1 膝关节实验装置示意图

图2 膝关节装置实体图

1.3 研究方法 选择15个膝关节并随机分为5组，每组3个。于髌骨中点、上下1/3及1/4处用线锯锯成横行骨折模型。在骨折模型内、外1/3及前后面中点交界处自髌骨下极向上极钻入2枚Ф1.5mm克氏针，钢丝“8”字捆扎，建成髌骨骨折实验力学模型（图3）。每组3个标本均做3次实验，根据髌骨骨折端分离位移1mm为失效标准。

图3 髌骨力学模型实体图

膝关节按图3按装后，在髌骨骨折端插入一1mm厚刀片，并在髌骨骨折两端钻2个孔，间距与髌骨压力引伸计两插针间距相同，安装髌骨压力引伸计，拔出刀片，引伸计显示器调零，开始捆扎并拧紧钢丝，直到骨折间隙消失，引伸计显示器达到合适的力值（12.5N），此后每一标本都控制捆扎力为12.5N。未挂上砝码吊架前，在髌骨骨折两端钻另外2个孔，安装髌骨张开位移引伸计（图4），肌腱拉力传感器显示调零，挂上砝码吊架（重5N）后，张开位移引伸计连接的电阻应变仪调零，待肌腱力和应变显示稳定后，应变仪再次调零，即开始加载。初始位置为膝关节伸直0°位置，随着载荷加大，膝关节逐渐弯曲，膝关节活动范围为0°至屈曲90°[1]，砝码每级加载5kg（49N），加载后2～3s进行应变读数（时间延迟太长肌腱会产生较大的蠕变应变），加载直至产生1mm应变量。

1.3 观察指标 记录每一个标本骨折端分离1mm时的加载拉力及张开位移引伸计应变读数。应变读数使用自制小量程张开位移引伸计标定曲线确定（图4）。

1.4 统计学处理 使用SPSS13.0统计软件，所得计量数据以表示。

2 结果

在1/2部位AO张力带分离1mm时能达到最大的拉力为（452.2±15.1）N，拉力应变曲线见图5；在上1/3部位AO张力带分离1mm时能达到最大的拉力为（361.2±12.3）N，拉力应变曲线见图6；在下1/3部位AO张力带分离1mm时能达到最大的拉力为（351.0± 5.6）N，拉力应变曲线见图7；在上1/4部位AO张力带分离1mm时能达到最大的拉力为（226.7±5.8）N，拉力应变曲线见图8；在下1/4部位AO张力带分离1mm时能达到最大的拉力为（215.3±13.1）N，拉力应变曲线见图9。

3 讨论

髌骨骨折是临床上较为常见的骨折之一，因股四头肌的猛烈收缩或直接撞击引起，累及髌股关节面，常伴有股四头肌扩张部撕裂和关节内血肿，易发生膝关节功能障碍和创伤性关节炎。因此，髌骨骨折治疗原则是：（1）骨折尽量达到解剖复位；（2）内固定可靠，直至骨折愈合；（3）重视膝关节重建的连续性；（4）尽可能恢复膝关节的生理功能[2]。临床上髌骨骨折的治疗方法可分为保守和手术治疗两大类。对无移位的髌骨骨折，通常以石膏或支具固定，对移位＞2mm，关节面不平整的，合并伸肌支持带撕裂的骨折及开放性骨折多要施行手术治疗[3]。髌骨骨折的手术方法较多，临床应用最多的是张力带技术。张力带内固定的力学原理：凡偏心位承重的骨骼其典型的应力分布系在凸侧产生张力，凹侧产生压力，张力带技术最早被Wber[4]应用到骨科领域，并得到其他学者的推荐[5]。而张力带固定的条件为：（1）钢板或钢丝能承受张力；（2）骨可承受压力；（3）对侧皮质有完整的支撑[6]。张力带技术有钢丝环扎加“8”字钢丝张力带固定、AO张力带内固定、中空螺钉加钢丝张力带固定。对骨块较大和横行骨折最好选用AO张力带内固定或中空螺钉加钢丝张力带固定。对髌骨严重粉碎性骨折可选用聚髌器或钢丝环扎治疗，髌骨骨折的治疗还可选用Cable-pin系统内固定及单纯的螺钉固定。

图4 自制小量程张开位移引伸计标定曲线[回归直线方程 Y=A+BX；Y-张开位移（mm）；B-直线斜率（mm/με）；X-应变（με，1με=10-6）；A=-9.31367×10-4；B=8.74383×10-4（=0.000874383mm/με）；R=0.99999（相关系数）；标准差SD=0.00256；N=16（1mm位移的应变仪读数=1 147με；0.1mm位移的应变114.7με）]

图5 1/2部位时，3个样本拉力-应变曲线

图6 上1/3部位时，3个样本拉力-应变曲线

图7 下1/3部位时，3个样本拉力-应变曲线

图8 上1/4部位时，3个样本拉力-应变曲线

图9 下1/4部位时，3个样本拉力-应变曲线

AO张力带技术是应用2枚克氏针穿入复位良好的骨块，将钢丝置于髌骨的张力侧，缠绕成“8”字。张力带能使股四头肌收缩产生对髌骨的牵张力转换为对骨折端的压力，达到骨块间的紧密接触，增强骨折固定后的稳定，有利于骨折的愈合。其优点是操作简便，固定可靠，患者能早期开始功能锻炼，并且费用低廉，已成为治疗横型和骨块较大的髌骨骨折首选内固定方式。然而，在临床的应用过程中也出现不少失败的病例，如固定不可靠，导致骨折端的分离，骨折的不愈合。本研究通过制成不同部位（1/2、1/3、1/4）髌骨横行骨折模型，每个模型均用AO张力带技术固定，测定AO张力带固定产生的载荷与骨折端的分离位移，分析两者之间的关系。结果显示，AO张力带固定产生的载荷在髌骨1/2处为（452.2±15.1）N，在上1/3处为（361.2±12.3）N，在下1/3处为（351±5.6）N，在上1/4处为226.7±5.8N；在下1/4处为（215.3±13.1）N。Koval等[7]认为当膝关节能够克服250N应力时可以满足人体术后正常生活的生理载荷需求，根据本研究结果在髌骨1/2及上下1/3处AO张力带均能满足人体的生理载荷需求，在上下1/4部位AO张力带则不能满足人体的生理载荷需求。因此，在上下1/4处单纯使用AO张力带技术往往容易出现固定失败的情况。

骨折在上下1/4部位固定失败可能与多种因素有关。首先，在胫骨加载实验过程中出现髌骨上下1/4骨折断端容易分离，可能与髌骨上下极骨折块太小有关。髌骨上下1/4骨块大小通常为1.5cm×1cm×0.8cm，而髌骨的最宽横径约为5cm，此时2枚克氏针固定相对比较靠近，在一定程度上减小了固定强度。其次，与髌骨的解剖形态及力学机制有关。髌骨表面是弧形，根据力矩平衡原理，如果要使骨折块不分离，作用于髌骨表面的张力侧力矩应该等于作用于髌骨关节面侧的压力力矩。因为髌骨张力侧的力矩可以将作用于髌骨表面的力分解为通过骨折线支点的垂直加压力和平行身体纵轴的纵向分力，垂直加压力的力矩为0，因而作用于髌骨骨折线的转力矩就等于垂直身体纵轴分力与骨折线表面到髌骨距离的乘积。由于髌骨越靠近中线越厚，即骨折线表面到关节面支点的距离越长，越靠近下极，骨折线表面到关节面支点的距离越短，在假设髌腱张力恒定的情况下，力臂越短，产生的转力矩越小，而关节面侧的压力矩越小，即压力侧加压作用越小。第三，髌骨是松质籽骨，本身强度有限，当骨折靠近上下极时2枚克氏针较近，容易产生松动。本研究中虽然采用的标本均为青壮年患者髌骨，实验过程中仍然发现克氏针固定后有松动情况发生。在实际临床工作中，一些老年骨质疏松患者这种现象会更为普遍，这也可能是临床上髌骨骨折内固定治疗失败的原因之一。第四，钢丝的切割。由于上下极骨块较小，骨量有限，膝关节屈伸过程中完全依靠钢丝固定，强大的压力作用下钢丝可能切割髌骨上下极，钢丝内陷，出现松动，固定强度减弱。第五，并发上下极骨块骨折。本研究过程中发现在胫骨加载过程中出现髌骨上下极骨块骨折，此时内固定完全失败。

综上所述，本研究结果提示采用AO张力带技术治疗髌骨1/2及上下1/3横行骨折，均能满足人体的生理载荷需求，但用于上下1/4横行骨折则不能满足人体的生理载荷需求。由于本研究为体外力学模拟实验，与临床实际有一定的差别，是否能指导临床实际工作，尚需进一步临床实践验证。

[1] Schnabel B,Scharf M,Schwieger K,et al.Biomechanical comparison of a new staple technique with tension band wiring for transverse patella fractures[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2009, 24(10):855-859.

[2] Kakazu R,Archdeacon M T.Surgical Management of Patellar Fractures[J].Orthop Clin North Am,2016,47(1):77-83.

[3] Gwinner C,Ma rdian S,Schwabe P,et al.Current concepts review: Fractures of the patella[J].GMS Interdiscip Plast Reconstr Surg DGPW,2016,18;5:Doc01.

[4] Weber B G.Grundlagen und moglichkeiten der Zuggurtungsosteosythese[J].Der Chirurg,1963,35:81-86.

[5] Lee S K,Hwang YS,Choy WS.Horizontalversus verticalorientation of the loop for tension band wiring of transverse patella fractures[J].Orthopedics,2014,37(3):265-271.

[6] Schuett D J,Hake M E,Mauffrey C,et al.Current Treatment Strategies for Patella Fractures[J].Orthopedics,2015,38(6):377-384.

[7] KovalKJ,Polatsch D,Kummer F J,et al.Split fractures of the lateral tibial plateau:evaluation of three fixation methods[J].Orthop Trauma,1996,10:304-308.

Biomechanical study of AO tension band for patellar fractures at different levels

JIN Jinghua,PAN Zhijun,XUE Deting.Department of Orthopedics,Linhai Second People's Hospital,Taizhou 317016,China

【 Abstract】 Objective To evaluate the stability of AO tension band for the fixation of patellar fractures at different levels. Methods Transverse patellar fractures models at middle,upper and lower 1/3,upper and lower 1/4 levels were created with fretsaw in 8 cadaver joints.AO tension bands were used to fix the fractured patellar bone for biomechanical study.A force to quadriceps femoris was loaded until the fractures sites were displaced to 1mm. Results When fracture sites displaced to 1mm, the largest loading in the middle level,upper 1/3,lower 1/3,upper 1/4 and lower 1/4 transverse fractures was(452.2±15.1)N, (361.2±12.3)N,(351.0±5.6)N,(226.7±5.8)N and(215.3±13.1)N,respectively. Conclusion As a normal single knee physiological loading 350N-400N,AO tension bands can provide sufficient stability for middle,upper 1/3 or lower 1/3 transverse patellar fractures,but the stability may be insufficient for upper or lower 1/4 transverse patellar fractures.

Patellar fracture TtreatmentAO tension band technique Biomechanicalstudy

2015-11-09）

（本文编辑：沈叔洪）

317016 临海市第二人民医院骨科（金敬华）；浙江大学医学院附属第二医院骨科（潘志军、薛德挺）

潘志军，E-mail：zepzj@163.com