改良AO外固定器的生物力学研究与临床构型选择
作者：姚京东 王黎明 徐杰 沈海琦 李广荣 唐天驷 朱国良 杨惠林
单位：姚京东 王黎明 徐杰 沈海琦 李广荣 210006 南京医科大学附属第一医院骨科；唐天驷 朱国良 杨惠林 苏州医学院附属第一医院骨科
关键词：外固定器；生物力学；构型
中华创伤杂志980618 【摘要】 目的 探讨怎样选择合理的临床构型,以提高外固定器的使用效能。方法 对改良AO外固定器进行了5种构型的刚度、屈服点测试,检测指标为抗轴向压力、扭转力、前后弯曲力和侧方弯曲力。结果 在综合指标方面,单杆单边式构型(HF1)最差,三角式构型(DF)较好,半环式构型(RF)最佳。双杆单边式构型(HF2)在抗轴向压力、前后弯曲力方面较突出,双边式构型(BF)在抗扭转力、侧方弯曲力方面较突出。结论 HF2较好地结合了临床和机械性能,适合于大多数稳定与不稳定的胫骨骨折治疗;RF结构虽较复杂,但适合于各种类型的胫骨骨折治疗,特别是近关节骨折。
, http://www.100md.com
Biomechanical Study and Selection of Clinical Configuration of Modified AO Fixator YAO Jing-dong, WANG Li-ming, XU Jie, et al. Dept. of Orthopedics, First Affiliated Hospital, Nanjing Medical University, Nanjing 210006
【Abstract】 Aim To study how to select rational clinical configuration in order to enhance the efficiency of external fixation. Methods The rigidity and the load of yield of five configurations of the modified AO fixator were investigated on the characteristics such as axial compression, torsion, anterior-posterior bending, and medial-lateral bending. Results The single half frame (HF1) was the worst, the delta frame (DF) was better, and the half ring frame (RF) was the best in over-all performances with regard to rigidity. The double half frame (HF2) was more superior to axial compression and anterior-posterior bending with stiffness characteristics. The bilateral frame (BF) was more superior to torsion and medial-lateral bending with stiffness characteristics. Conclusion HF2 has better combination of clinical and mechanical features. It appears to be suitable for most stable and unstable tibial fractures. RF has more complex frame in configurations, however, it appears to be suitable for all kinds of tibial fractures, especially for the fracture besides joints.
, 百拇医药
【Key words】 External fixator Biomechanics Configuration
AO外固定器是目前国外骨科创伤领域应用最广泛的组合式外固定器之一。由于它的结构简单,具有良好的发展潜力,我们从1992～1996年对其所存在的缺点进行了改进,过去临床上遇到的许多非常棘手的复杂骨折,现只要选择合理的外固定器构型,多能得到良好的固定。笔者通过多种构型的生物力学比较,探讨怎样选择合理的临床构型,以提高外固定器的临床使用效能。
材料与方法
1.器械特点:AO外固定器于1952年由瑞士M
tler教授为首的北欧内固定协会(AO/ASIF)首先设计,70年代将连杆定型为φ11mm、厚2mm的空心杆,并于1976年开始广泛应用于临床。由于它的连杆尺寸相对较大,连接器结构仅为单一的简单针杆连接,在操作上有一定缺陷,构型变化受到一定限制,不能完全适应当前的临床需要。因此,笔者将原器械进行了如下改进:(1)将连杆改为8mm、厚3mm的空心杆,并备有相同尺寸的碳素杆和伸缩杆;(2)将原连接器尺寸作了两种修改:一是仍为针杆连接器,二是适合于杆杆连接,免除其他辅助连接结构;(3)增加能与针杆连接器结合的调节装置(Ⅱ型结构),解决进针稍有偏差时器械无法安装的问题;(4)增加针夹式针杆连接器(Ⅰ型结构),简化上肢骨折外固定器的操作;(5)对皮质骨采用螺纹段小于1cm的锥形螺纹针,这样可防止针的松动和增加针骨连接强度。见图1。由于改进后的器械与原AO结构呈模块式组合关系,器械的基本结构和力学性能未变[1],而组合性能明显增强,具备构型变化丰富、操作简单方便等优点,能满足四肢特别是小腿的严重粉碎、多段或近关节骨折的固定。
, 百拇医药
图1 改良AO外固定器示意图
A:连接器 B:Ⅰ型结构 C:Ⅱ型结构
2.假体材料:本实验选用与人体骨标本强度近似的硬质木材(尺寸为6cm×6cm×30cm)作为假体来代替人体骨标本,使它在力学试验中起着传导力量的作用。预实验结果表明,达失败负荷时,器械构型出现变形、松动,而假体未出现破坏,假体与针之间的连接也未松动。试验标准差明显小于人体骨标本。
3.构型选择:外固定器构型根据力学原理与空间分布可分为四大类:(1)单侧单平面;(2)单侧双平面;(3)双侧单平面;(4)双侧双平面。笔者选用四类构型中具有典型代表的5种临床构型进行实验测试:(1)单杆单边式(HF1);(2)双杆单边式(HF2);(3)直角方框式或三角式(DF);(4)双边式(BF);(5)半环式(RF)。见图2。测试指标为:(1)抗轴向压力;(2)抗扭转力;(3)抗前后弯曲力;(4)抗侧方弯曲力。
, 百拇医药
图2 5种临床构型示意图
4.实验条件:本实验基本采用了与目前国外相同的实验条件与要求[2，3]:螺帽扭力10nm;骨杆距离:矢状面S125mm、S280mm,冠状面80mm;骨折端间距10mm;两侧针的最近距离70mm、最远距离250mm,一侧骨块的针距为90mm;连杆为φ8mm、厚3mm的空心不锈钢管;针为φ5mm;每一平面的针不超过4根;针杆连接器均为Ⅱ型;抗弯试验均采用4点弯曲试验;每一指标准备5个样本,进行5次测试。
5.数据处理:对5种构型的4种指标进行刚度和屈服点的测试,根据测试记录的应力—应变曲线,找出屈服点的位置,并算出刚度的大小。抗弯试验通过公式M=1/8PL(nm/mm)换算后进行数据比较,式中M表示弯矩,P表示强度(n/mm),L表示跨度(m)。实验数据以
±s表示,采用t检验判断各组数据均数差异的显著性,以P<0.05作为差异显著。
, 百拇医药
结 果
抗压试验、抗扭转试验、抗前后弯曲和侧方弯曲试验结果见表1～4。
表1 抗压试验(±s) 指标
构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
, 百拇医药 154.4±9.5
325.9±16.6
288.1±14.4
191.1±8.7
357.2±15.6
屈服点(nm)
463.2±25.4
1140.7±51.3
867.4±38.2
563.7±28.7
1249.5±62.5
表2 抗扭转试验(±s) 指标
, http://www.100md.com
构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
1.3±0.1
1.6±0.1
3.1±0.3
2.3±0.2
3.6±0.3
, http://www.100md.com
屈服点(nm)
8.4±0.5
12.8±0.7
24.8±1.0
16.1±0.7
28.8±1.1
表3 抗前后弯曲试验(±s) 指标
构型
HF1
HF2
, 百拇医药 DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
14.6±1.5
19.4±2.1
17.3±1.8
6.1±0.8
18.4±1.7
屈服点(nm)
29.1±3.2
43.2±3.9
, http://www.100md.com 36.3±3.7
11.3±1.3
37.8±3.5
表4 抗侧方弯曲试验(±s) 指标
构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
, 百拇医药
7.9±1.0
9.3±1.1
13.8±1.4
18.5±1.6
12.3±1.3
屈服点(nm)
17.3±1.7
18.7±1.7
26.2±2.2
38.2±3.5
25.8±2.1
1.试验结果显示:(1)HF1的各方面指标均为最差,但结构简单、操作方便,临床上主要用于上肢骨折;(2)HF2的抗压及抗前后弯曲指标较突出,由于性能可靠,所占空间小,是胫骨选用的最常见构型;(3)DF的各方面指标均较优良,适合于一些不稳定的骨干骨折,缺点是所占空间较大,固定后不易再调节,临床上常将其变形成30°～60°使用;(4)BF除抗侧方弯曲及抗扭转力的指标较突出外,其余相对较差,优点是双侧力量平衡,可安放动力加压装置,临床上主要用于小腿,但在靠近骨折端的2根贯穿针,由于要通过相对安全区,使用不当会引起并发症;(5)RF的各方面指标均较优秀,可适合于各类胫骨骨折,特别是近关节部位,安放调节装置后能较好地发挥其作用。
, 百拇医药
2.据国外生物力学试验证实,增加外固定几何构型的力学性能,有以下几种方法:增大针距,减少骨干与纵向连杆的距离,增加纵向连杆与横向连杆的数量,增加外固定器的平面[4]。生物力学研究为合理的构型选择提供了良好的理论依据,但临床使用应综合考虑,在构型具有足够的刚度情况下,应尽量选择针数少、空间范围小、结构相对简单的构型。总的来说,单侧构型软组织并发症较少,但应力不对称,骨折并发症较多,适合于严重开放但骨折类型相对简单、稳定的病例;双侧或多平面构型,骨并发症较少,但软组织并发症相对较多,适合软组织损伤较轻但骨折粉碎严重、稳定性差的病例。
3.在创伤骨折的外固定器治疗中,单纯的闭合手法复位部分难以达到复位效果,复位不满意是骨折延迟愈合或骨不连的主要原因之一。笔者认为切开复位应受到重视,其优点是软组织损伤较小而复位效率较高;同时在不影响骨干应力传导的情况下,有限内固定也是必要的。如蝶形骨片或大块粉碎骨片,在有限内固定后更有利于骨折愈合,这样大部分骨折在解剖复位后,外固定器可免除不必要的伸缩连杆或动力加压装置,早期部分负重后通过针在刚度范围内产生的弹性,使骨折端受到应力刺激,有利于骨折愈合。
, 百拇医药
4.目前,在骨科创伤领域中外固定器已向模块式组合方向发展[5]。改良AO外固定器正是根据组合方向发展的需要,改进了原来单一结构的连接器,使连接器功能多样化。它不仅具备原有的组合功能,而且使构型变化更加丰富,为合理的构型选择提供了方便。在这方面,国内李起鸿[6]、夏和桃等[7]曾有论述。而夏和桃等[7]的组合式外固定器,在构型变化方面提供了许多新的思路,也为改良AO外固定器的临床使用提供了很好的借鉴,其中半环构型,能治疗各种类型胫骨骨折,特别是近关节部位,具有良好的应用前景。见图3。
图3 胫骨下端严重粉碎性骨折(A:术前;B:术后)
参考文献
[1]姚京东,朱国良,许立,等.改良AO外固定Ⅰ型的研制与初步临床使用.医用生物力学,1995,4∶249-252.
, 百拇医药
[2]Finlay JB, Moroz TK, Rorabeck CH, et al. Stability of ten configurations of the hoffmann external-fixation frame. J Bone Joint Surg(Am), 1987, 69∶734-744.
[3]Behrens F, Johnson WD. Unilateral external fixation: Methods to increase and reduce frame stiffness. Clin Orthop, 1989, 241∶48-56.
[4]Behrens F. General theory and principles of external fixation. Clin Orthop, 1989, 241∶15-48.
[5]Behrens F. A primer of fixator devices and configurations. Clin Orthop, 1989, 241∶5-15.
[6]李起鸿.骨外固定原理与临床应用.成都:四川科学技术出版社, 1992,57-75.
[7]夏和桃,张晓林,杜加明.骨外固定器治疗胫腓骨严重开放性骨折.中华创伤杂志, 1992,1∶8-11.
(收稿:1998-04-22 修回:1998-08-11), 百拇医药
单位：姚京东 王黎明 徐杰 沈海琦 李广荣 210006 南京医科大学附属第一医院骨科；唐天驷 朱国良 杨惠林 苏州医学院附属第一医院骨科
关键词：外固定器；生物力学；构型
中华创伤杂志980618 【摘要】 目的 探讨怎样选择合理的临床构型,以提高外固定器的使用效能。方法 对改良AO外固定器进行了5种构型的刚度、屈服点测试,检测指标为抗轴向压力、扭转力、前后弯曲力和侧方弯曲力。结果 在综合指标方面,单杆单边式构型(HF1)最差,三角式构型(DF)较好,半环式构型(RF)最佳。双杆单边式构型(HF2)在抗轴向压力、前后弯曲力方面较突出,双边式构型(BF)在抗扭转力、侧方弯曲力方面较突出。结论 HF2较好地结合了临床和机械性能,适合于大多数稳定与不稳定的胫骨骨折治疗;RF结构虽较复杂,但适合于各种类型的胫骨骨折治疗,特别是近关节骨折。
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Biomechanical Study and Selection of Clinical Configuration of Modified AO Fixator YAO Jing-dong, WANG Li-ming, XU Jie, et al. Dept. of Orthopedics, First Affiliated Hospital, Nanjing Medical University, Nanjing 210006
【Abstract】 Aim To study how to select rational clinical configuration in order to enhance the efficiency of external fixation. Methods The rigidity and the load of yield of five configurations of the modified AO fixator were investigated on the characteristics such as axial compression, torsion, anterior-posterior bending, and medial-lateral bending. Results The single half frame (HF1) was the worst, the delta frame (DF) was better, and the half ring frame (RF) was the best in over-all performances with regard to rigidity. The double half frame (HF2) was more superior to axial compression and anterior-posterior bending with stiffness characteristics. The bilateral frame (BF) was more superior to torsion and medial-lateral bending with stiffness characteristics. Conclusion HF2 has better combination of clinical and mechanical features. It appears to be suitable for most stable and unstable tibial fractures. RF has more complex frame in configurations, however, it appears to be suitable for all kinds of tibial fractures, especially for the fracture besides joints.
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【Key words】 External fixator Biomechanics Configuration
AO外固定器是目前国外骨科创伤领域应用最广泛的组合式外固定器之一。由于它的结构简单,具有良好的发展潜力,我们从1992～1996年对其所存在的缺点进行了改进,过去临床上遇到的许多非常棘手的复杂骨折,现只要选择合理的外固定器构型,多能得到良好的固定。笔者通过多种构型的生物力学比较,探讨怎样选择合理的临床构型,以提高外固定器的临床使用效能。
材料与方法
1.器械特点:AO外固定器于1952年由瑞士M
tler教授为首的北欧内固定协会(AO/ASIF)首先设计,70年代将连杆定型为φ11mm、厚2mm的空心杆,并于1976年开始广泛应用于临床。由于它的连杆尺寸相对较大,连接器结构仅为单一的简单针杆连接,在操作上有一定缺陷,构型变化受到一定限制,不能完全适应当前的临床需要。因此,笔者将原器械进行了如下改进:(1)将连杆改为8mm、厚3mm的空心杆,并备有相同尺寸的碳素杆和伸缩杆;(2)将原连接器尺寸作了两种修改:一是仍为针杆连接器,二是适合于杆杆连接,免除其他辅助连接结构;(3)增加能与针杆连接器结合的调节装置(Ⅱ型结构),解决进针稍有偏差时器械无法安装的问题;(4)增加针夹式针杆连接器(Ⅰ型结构),简化上肢骨折外固定器的操作;(5)对皮质骨采用螺纹段小于1cm的锥形螺纹针,这样可防止针的松动和增加针骨连接强度。见图1。由于改进后的器械与原AO结构呈模块式组合关系,器械的基本结构和力学性能未变[1],而组合性能明显增强,具备构型变化丰富、操作简单方便等优点,能满足四肢特别是小腿的严重粉碎、多段或近关节骨折的固定。, 百拇医药
图1 改良AO外固定器示意图
A:连接器 B:Ⅰ型结构 C:Ⅱ型结构
2.假体材料:本实验选用与人体骨标本强度近似的硬质木材(尺寸为6cm×6cm×30cm)作为假体来代替人体骨标本,使它在力学试验中起着传导力量的作用。预实验结果表明,达失败负荷时,器械构型出现变形、松动,而假体未出现破坏,假体与针之间的连接也未松动。试验标准差明显小于人体骨标本。
3.构型选择:外固定器构型根据力学原理与空间分布可分为四大类:(1)单侧单平面;(2)单侧双平面;(3)双侧单平面;(4)双侧双平面。笔者选用四类构型中具有典型代表的5种临床构型进行实验测试:(1)单杆单边式(HF1);(2)双杆单边式(HF2);(3)直角方框式或三角式(DF);(4)双边式(BF);(5)半环式(RF)。见图2。测试指标为:(1)抗轴向压力;(2)抗扭转力;(3)抗前后弯曲力;(4)抗侧方弯曲力。
, 百拇医药
图2 5种临床构型示意图
4.实验条件:本实验基本采用了与目前国外相同的实验条件与要求[2，3]:螺帽扭力10nm;骨杆距离:矢状面S125mm、S280mm,冠状面80mm;骨折端间距10mm;两侧针的最近距离70mm、最远距离250mm,一侧骨块的针距为90mm;连杆为φ8mm、厚3mm的空心不锈钢管;针为φ5mm;每一平面的针不超过4根;针杆连接器均为Ⅱ型;抗弯试验均采用4点弯曲试验;每一指标准备5个样本,进行5次测试。
5.数据处理:对5种构型的4种指标进行刚度和屈服点的测试,根据测试记录的应力—应变曲线,找出屈服点的位置,并算出刚度的大小。抗弯试验通过公式M=1/8PL(nm/mm)换算后进行数据比较,式中M表示弯矩,P表示强度(n/mm),L表示跨度(m)。实验数据以
±s表示,采用t检验判断各组数据均数差异的显著性,以P<0.05作为差异显著。, 百拇医药
结 果
抗压试验、抗扭转试验、抗前后弯曲和侧方弯曲试验结果见表1～4。
表1 抗压试验(
±s) 指标构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
, 百拇医药 154.4±9.5
325.9±16.6
288.1±14.4
191.1±8.7
357.2±15.6
屈服点(nm)
463.2±25.4
1140.7±51.3
867.4±38.2
563.7±28.7
1249.5±62.5
表2 抗扭转试验(
±s) 指标, http://www.100md.com
构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
1.3±0.1
1.6±0.1
3.1±0.3
2.3±0.2
3.6±0.3
, http://www.100md.com
屈服点(nm)
8.4±0.5
12.8±0.7
24.8±1.0
16.1±0.7
28.8±1.1
表3 抗前后弯曲试验(
±s) 指标构型
HF1
HF2
, 百拇医药 DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
14.6±1.5
19.4±2.1
17.3±1.8
6.1±0.8
18.4±1.7
屈服点(nm)
29.1±3.2
43.2±3.9
, http://www.100md.com 36.3±3.7
11.3±1.3
37.8±3.5
表4 抗侧方弯曲试验(
±s) 指标构型
HF1
HF2
DF
BF
RF
刚度(nm/mm)
, 百拇医药
7.9±1.0
9.3±1.1
13.8±1.4
18.5±1.6
12.3±1.3
屈服点(nm)
17.3±1.7
18.7±1.7
26.2±2.2
38.2±3.5
25.8±2.1
1.试验结果显示:(1)HF1的各方面指标均为最差,但结构简单、操作方便,临床上主要用于上肢骨折;(2)HF2的抗压及抗前后弯曲指标较突出,由于性能可靠,所占空间小,是胫骨选用的最常见构型;(3)DF的各方面指标均较优良,适合于一些不稳定的骨干骨折,缺点是所占空间较大,固定后不易再调节,临床上常将其变形成30°～60°使用;(4)BF除抗侧方弯曲及抗扭转力的指标较突出外,其余相对较差,优点是双侧力量平衡,可安放动力加压装置,临床上主要用于小腿,但在靠近骨折端的2根贯穿针,由于要通过相对安全区,使用不当会引起并发症;(5)RF的各方面指标均较优秀,可适合于各类胫骨骨折,特别是近关节部位,安放调节装置后能较好地发挥其作用。
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2.据国外生物力学试验证实,增加外固定几何构型的力学性能,有以下几种方法:增大针距,减少骨干与纵向连杆的距离,增加纵向连杆与横向连杆的数量,增加外固定器的平面[4]。生物力学研究为合理的构型选择提供了良好的理论依据,但临床使用应综合考虑,在构型具有足够的刚度情况下,应尽量选择针数少、空间范围小、结构相对简单的构型。总的来说,单侧构型软组织并发症较少,但应力不对称,骨折并发症较多,适合于严重开放但骨折类型相对简单、稳定的病例;双侧或多平面构型,骨并发症较少,但软组织并发症相对较多,适合软组织损伤较轻但骨折粉碎严重、稳定性差的病例。
3.在创伤骨折的外固定器治疗中,单纯的闭合手法复位部分难以达到复位效果,复位不满意是骨折延迟愈合或骨不连的主要原因之一。笔者认为切开复位应受到重视,其优点是软组织损伤较小而复位效率较高;同时在不影响骨干应力传导的情况下,有限内固定也是必要的。如蝶形骨片或大块粉碎骨片,在有限内固定后更有利于骨折愈合,这样大部分骨折在解剖复位后,外固定器可免除不必要的伸缩连杆或动力加压装置,早期部分负重后通过针在刚度范围内产生的弹性,使骨折端受到应力刺激,有利于骨折愈合。
, 百拇医药
4.目前,在骨科创伤领域中外固定器已向模块式组合方向发展[5]。改良AO外固定器正是根据组合方向发展的需要,改进了原来单一结构的连接器,使连接器功能多样化。它不仅具备原有的组合功能,而且使构型变化更加丰富,为合理的构型选择提供了方便。在这方面,国内李起鸿[6]、夏和桃等[7]曾有论述。而夏和桃等[7]的组合式外固定器,在构型变化方面提供了许多新的思路,也为改良AO外固定器的临床使用提供了很好的借鉴,其中半环构型,能治疗各种类型胫骨骨折,特别是近关节部位,具有良好的应用前景。见图3。
图3 胫骨下端严重粉碎性骨折(A:术前;B:术后)
参考文献
[1]姚京东,朱国良,许立,等.改良AO外固定Ⅰ型的研制与初步临床使用.医用生物力学,1995,4∶249-252.
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[3]Behrens F, Johnson WD. Unilateral external fixation: Methods to increase and reduce frame stiffness. Clin Orthop, 1989, 241∶48-56.
[4]Behrens F. General theory and principles of external fixation. Clin Orthop, 1989, 241∶15-48.
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[6]李起鸿.骨外固定原理与临床应用.成都:四川科学技术出版社, 1992,57-75.
[7]夏和桃,张晓林,杜加明.骨外固定器治疗胫腓骨严重开放性骨折.中华创伤杂志, 1992,1∶8-11.
(收稿:1998-04-22 修回:1998-08-11), 百拇医药