跟骨撬拨支架的改进及生物力学实验研究

跟骨撬拨支架的改进及生物力学实验研究刘保健1张乾军 1 刘召勇2张洁1刘建军 1宁学乾1（1．甘肃中医学院附属医院，2.甘肃中医学院）摘要：目的：根据传统中医治疗骨折的动静结合原则，结合现代生物力学理论，改进原跟骨撬拨支架的设计，并对其进行生物力学测试，为进一步临床实验提供理论依据。

方法：选取动物足标本16只，从踝关节以上15cm处截下，随机取5只作为正常组，其余标本垂直放于电子万能试验机台上，分级加载，制造Essex-Lopresti关节塌陷型跟骨骨折。

将造模成功的10只标本分为两组，5只用跟骨撬拨支架固定，作为治疗组，5只用原跟骨撬拨支架固定，作为对照组。

分别用200N力牵拉跟腱、胫骨前后肌、及腓骨长断肌，使足踝部被动屈伸和内外翻，观察治疗组和对照组足踝活动对固定效果的影响。

将三组标本垂直放于试验机加载台上加载，每次增加600N，加载速率为1.5mm／min，描记位移-载荷曲线。

记录屈服载荷、屈服时足部纵向位移，最大载荷、足部最大纵向位移，生理载荷下足部整体纵向位移。

结果：治疗组和对照组足踝部活动对固定效果无影响，骨折无明显移位，其力学性能可满足正常足的生理活动要求。

治疗组和对照组载荷-位移曲线开始时均按一定斜率呈线性升高，达到屈服载荷后呈非线性增加，直至标本和固定破坏。

治疗组曲线高于正常组和对照组，对照组曲线最低。

最大载荷各组间均有统计学差异（P＜0.05）, 足部纵向最大位移治疗组与正常组差异无显著性（P＞0.05），对照组与另两组均有统计学差异（P＜0.05）。

屈服载荷和屈服时位移三组间比较均有统计学差异。

正常组和治疗组在生理载荷600N作用下的足部纵向位移统计学无显著差异（P＞0.05）。

对照组生理载荷下位移与治疗组比较有显著性差异（P＜0.05）。

结论：新跟骨撬拨支架能够纠正跟骨关节内骨折的增宽、高度减低移位，恢复塌陷的关节面、Böhler's角，维持足弓，既有整复又有固定功能，完全能满足足部生理活动的需要，其生物力学性能优于原跟骨撬拨支架。

关键词：跟骨；骨折；撬拨支架；生物力学1实验原理足弓为足所特有。

它是由跗骨与跖骨借韧带、关节及辅助结构按一定的空间布阵排列形成的抛物拱结构。

正常足有两条纵弓，内侧纵弓高，富于弹性，为足弓的主要运动部分，外侧纵弓常接触地面，活动度较小，比较稳定，为足弓的负重部分。

足弓存在一定弹性和变形柔性。

跟骨是构成足弓支点的一个重要组成部分，在足的承载和运动中有重要的综合力学功能。

跟骨骨折会改变足部的骨骼、关节结构及足弓的力学性能，使足部丧失承载功能。

故对于跟骨骨折而言，恢复其解剖特点及其稳定性具有重要意义。

撬拨支架固定跟骨骨折后，载荷由骨折接触面和固定架共同承担，是否能恢复跟骨的承载能力及维持足部正常的生物力学功能具有重要意义。

2实验设备电子万能试验机（日本岛津AG-10KIVA型）、国产精度0.02mm游标卡尺由兰州军区总医院骨伤科研究所提供；WD-5A万能试验机由甘肃建材科研设计院提供；X光机、骨科手术器材1套、￠3.5mm骨圆针3根由甘肃中医学院附属医院手术室提供；自制T形固定架、计算机1台、扫描仪、数码相机1台。

1 3 标本采集搜集成年动物足标本16只。

足踝部完整，临床检查和足踝部X线拍片显示功能和解剖结构正常，无畸形和足疾。

4 实验方法4.1分组与造模将足标本于踝关节以上15cm处横行截断胫腓骨，剔除软组织，并注意保留胫腓骨间膜、踝关节外侧副韧带、内侧三角韧带、跟距骨间韧带等重要韧带，以维持踝关节和距下关节的稳定性。

按足长编号，根据随机数字表法抽取5只为正常组，正常组不制造骨折模型，不固定。

其余标本造模。

标本垂直放于试验机台上，下部垫以木板，上部采用自制T形夹具，分级加载，每次增加600N，加载速度1.5mm∕min，轴向加压造成跟骨骨折。

注意始终保持力量垂直。

加载后将标本足拍正轴位X线片确认为Essex-Loperst i关节塌陷型骨折。

按照实验力学要求，所有标本在结构、材料性质、模型制备上基本一致，建立实验力学模型。

其中1只造模失败，将造模成功的10个标本随机抽取5只用本撬拨支架固定，作为治疗组，另5只用原跟骨撬拨支架固定，作为对照组。

治疗组手术方法：用￠4mm骨圆针自标本足跟骨结节后上缘，沿跟腱外缘，用手摇钻自后外向前内下方向经皮穿入第1枚骨圆针，针走行方向与足外缘向内倾斜约15°，钻入到塌陷的跟骨后关节面的跖侧，尽量贴近塌陷骨块，为防止撬拨时骨块发生旋转，可在此针外侧约1cm处平行钻入第2枚骨圆针，当2枚骨圆针均到达上述位置后，安装撬拨支架，调节足弓垫的位置使之和足弓帖服良好，系紧足背固定皮革，安放侧压垫，使之贴于跟骨两侧。

旋紧螺钉使侧压垫加压，纠正跟骨增宽，同时下压撬拨针，以结节骨皮质为支点撬起塌陷的关节面，以足弓垫为支点纠正跟骨增高移位，恢复Böhler's角。

维持撬拨的同时，再从后结节中点沿跟骨长轴钻入第3枚骨圆针，直至跟骰关节。

观察复位满意，将第2枚骨圆针拔出。

第1、3枚骨圆针尾部用锁钉锁紧，调节拉杆螺母及侧压垫螺钉以维持复位后的位置。

对照组手术方法：用骨钻夹持骨圆针从跟骨结节处，距轴线45°夹角向前方穿入，进针2~3cm，然后上撬拨支架，用侧压垫挤压跟骨，使增宽的跟骨横径恢复到正常，调节骨圆针拉丝，逐渐加压，使Böhler's角恢复到40~50°。

系紧足面固定皮革固定。

4.2 检测指标生理载荷600N下足部总体纵向位移、将标本加载直至破坏时的载荷-位移曲线，屈服载荷、最大破坏载荷及相应足部总体纵向位移。

4.3 牵拉及关节活动试验将治疗组和对照组用夹具固定胫骨，分别以200N力牵拉跟腱、胫骨前后肌腱、及腓骨长断肌腱，使足踝部被动屈伸和内外翻，观察足踝活动对固定效果的影响。

4.4 加载试验将正常组、治疗组和对照组标本分别垂直放于试验机台上，下部垫以木板，上部采用自制T形夹具，以确保加载力中心在胫骨。

实行等级加载，每次增加人体站立时的生理载荷600N，直至破坏为止，加载速率为1.5mm／min。

每次试验预载100N，以消除跟骨松弛，蠕变等时间效应的影响，然后正式重复加载试验。

加载时均描记位移-载荷曲线。

记录屈服载荷、屈服时纵向位移及最大载荷、最大纵向位移。

，4.5 统计处理统计学方法：用SPSS13.0统计软件包进行统计学分析处理。

实验数据以均数±标准差（x x ±s ）表示，组间差异判断用方差分析。

5结果5.1牵拉及关节活动试验显示治疗组和对照组足踝部活动对撬拨支架的固定效果无影响，骨折无明显移位，其力学性能可以满足正常足的生理活动的要求。

说明使用本撬拨支架治疗后，踝关节及距下关节能够早期进行主动活动锻炼。

5.2 正常组、治疗组、对照组载荷-位移曲线图如下从下图看出正常组足部总体纵向位移，随着载荷的加大，呈一定斜率线性增加，达到屈服载荷后呈非线性变化，随之发生跟骨骨折而破坏。

治疗组跟骨骨折采用撬拨支架固定后，载荷由跟骨骨折接触面和撬拨支架共同承担，其载荷-纵向位移曲线变化趋势基本上与正常足相一致，并高于对照组曲线。

对照组用原跟骨撬拨支架固定，其载荷-纵向位移曲线最低，在载荷作用下足部总体纵向变形最大。

说明本撬拨支架具备变形柔性，使足承载能力逐步增加，且变形较小，能维持足部正常的生物力学功能要求，在力学性能上优于原跟骨撬拨支架。

图5载荷-位移曲线表（1正常组，2治疗组，3对照组）5.3 足标本加载后最大载荷、足部总体纵向最大位移指标比较表2 足标本加载后最大载荷、足部总体纵向最大位移指标比较（x ±s ）组 别标本个数 最 大 载 荷(N) 纵向最大位移（mm ） 正常组治疗组对照组 5 5 5 5520.00 ±162.63 6354.0±223.86△ 4194.4±155.22﹡ 31.19±0.69 31.79±0.60＃ 36.35±0.52※注：与正常组比较△P＜0.05，与治疗组比较﹡P＜0.05。

与对照组比较﹟P＜0.05，与正常组比较※P＜0.05。

上表表明，最大载荷各组间均有统计学差异（P＜0.05），足部总体纵向最大位移正常组与对照组差异无显著性（P＞0.05），对照组与另两组均有统计学差异（P＜0.05）。

治疗组与正常组在最大承载能力上相差13%，而足部总体纵向最大位移相差不足2%。

说明治疗组跟骨骨折经撬拨支架固定后，具备足够的强度和抵抗破坏的能力，而对照组经原跟骨撬拨支架固定后，其牢固程度较上两组都低。

5.4足标本加载后屈服载荷、屈服时足部总体纵向位移指标比较表3 足标本加载后屈服载荷、屈服时足部总体纵向位移指标比较（x±s）组别标本个数屈服载荷(N) 屈服时位移（mm）正常组治疗组对照组5554989.80±128.595855.80±133.52△974.40±33.87﹡28.14±0.6729.11±0.66＃18.75±0.46※注：与正常组比较△P＜0.05，与治疗组比较﹡P＜0.05。

与正常组比较＃P＜0.05，＃＃P＞0.01，与治疗组比较※P＜0.05。

上表显示，治疗组和对照组的屈服载荷和屈服时位移与正常组比较均有统计学差异，治疗组屈服时位移和正常组比较差异显著性不高（P＞0.01）。

说明跟骨骨折经撬拨支架固定后承载能力较高，而对照组表现为承载能力相对较低。

5.5生理载荷下足部总体纵向位移指标比较表4 生理载荷下足部总体纵向位移指标比较组别标本个数生理载荷下位移(mm)正常组治疗组对照组5554.88±0.165.14±0.17△12.73±0.25﹡注：与对照组比较△P＜0.05，与治疗组比较﹡P＜0.05。

根据测定，正常足标本在生理载荷600N作用下的纵向移位为4.88mm，而跟骨骨折用撬拨支架固定后在相同载荷作用下引起的位移为 5.14mm，两者比较分别相差5%，统计学无显著差异（P＞0.05）。

显示跟骨骨折用撬拨支架固定后在生理载荷下能牢固地固定骨折块，移位较小，在整上能维持足弓的良好力学性能。

对照组生理载荷下位移与治疗组比较有显著性差异（P＜0.05），其位移变化较大，固定稳定性差。

6 讨论6.1跟骨骨折特点跟骨是不规则骨，其骨质大部分由松质骨组成，特别在跟骨沟下方中和三角区，骨质稀少，为其薄弱区。

在垂直暴力的作用下，来自距骨的楔状压力冲压跟骨外侧面及薄弱的中和三角区，足跟后侧及足跖前侧着力点均被向上的反作用力拉向上，通过杠杆作用产生弯矩力，将跟骨体中和三角区折断，同时丘部后关节突塌陷被挤入到跟骨结节骨块的骨松质中，造成塌陷性跟骨骨折。