新型髋臼四方区解剖钢板(Union Plate)的研发、生物力学研究及临床应用

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第一部分新型髋臼四方区解剖钢板的设计与力学有限元分析目的:随着人们对髋臼骨折的认识不断深入,四方区及四方区骨折受到的关注度日益增高,而目前国内市场上仍十分缺乏针对髋臼四方区骨折的特殊内固定器械,基于此,本团队设计了一套髋臼四方区解剖钢板。本研究采用有限元分析模型,比较髋臼四方区解剖钢板与经典的固定方式在站立和坐姿两种生理负荷条件下治疗髋臼前方伴后半横行(ACPHT)骨折的生物力学性能和稳定性。方法:选取一名健康成年男性的骨盆CT数据,并构建标准的髋臼ACPHT骨折的有限元模型。然后分别采用以下4种固定方式进行固定:(A)弓状缘内侧髋臼四方区解剖钢板;(B)弓状缘上方髋臼四方区解剖钢板;(C)弓状缘上方普通重建钢板联合后柱及髋臼下螺钉;(D)弓状缘内侧普通重建钢板联合后柱及髋臼下螺钉。最后将4种模拟内固定的骨盆模型分别导入到有限元分析软件Abaqus中,施加相同的边界和载荷(700N)等条件,并分别在模拟人体站立和坐姿两种生理负荷条件下,分析比较四种固定方式的应力分布和骨折位移情况。结果:在模拟站立位模型中,位移较大和应力集中的区域主要位于髋臼下方,且4种固定方式中,骨折线位移最小的是B(0.076mm),其次是A(0.078mm),最大的是C(0.087mm),然而最大有效刚度的固定方式为D(5833N/mm)。在模拟坐位模型中,位移较大和应力集中的区域主要位于髋臼前柱,骨折线位移最小的固定方式是C(0.101mm),其次是B(0.105mm),最大的是A(0.13mm),且最大有效刚度的固定方式为B(1628N/mm)。结论:在站立和坐位下,4种固定方式均可对ACPHT骨折达到有效的固定。在站立位下,骨折位移较大处和应力集中区域主要位于髋臼下方,提示髋臼下螺钉或四方区阻挡钢板固定的必要性,且新型髋臼四方区解剖钢板的稳定性优于普通重建钢板联合后柱及髋臼下螺钉。在坐位下,骨折位移较大处和应力集中区域主要位于髋臼前柱,提示前柱钢板固定的必要性,且钢板置于弓状缘上方更加稳定。第二部分四种内固定方式治疗累及四方区髋臼骨折的生物力学研究目的:髋臼前方伴后半横行(ACPHT)骨折多见于老年患者,常合并四方区骨折或粉碎。传统的固定方式已不能很好地满足治疗需求,因而针对髋臼四方区骨折的特殊内固定器械一直是近年来研究热点。本部分实验的目的是利用人工模型骨(Sawbones),比较2种新型髋臼四方区解剖钢板与传统的重建钢板联合关节周围拉力螺钉治疗合并四方区独立骨块髋臼ACPHT骨折的生物力学性能和稳定性。方法:选取24具人工半骨盆(第四代Sawbones)模型,建立合并有四方区独立骨块的髋臼ACPHT骨折模型,并分为4组:(A组)弓状缘内侧髋臼四方区解剖钢板;(B组)弓状缘上方髋臼四方区解剖钢板;(C组)弓状缘上方普通重建钢板联合3枚髋臼周围长螺钉;(D组)弓状缘内侧普通重建钢板联合3枚髋臼周围长螺钉。模拟部分负重(35-350 N)和完全负重(75-750 N)对每组固定后的模型进行应力加载。将力学试验机与三维运动示踪系统同步,选择性对沿骨折线上预设点的位移进行监测,并计算出内固定物刚度。采用Kruskal-Wallis和Mann-Whitney-U检验方法进行统计学分析。结果:部分负重和完全负重的应力加载的实验结果相似。在290个加载循环下,4组固定方式中,6个沿骨折线的预设点的最大相对位移均未超过1.1 mm,且组间比较无显著统计学差异(p>0.05)。C组固定方式的内固定物刚度最强,显著高于D组,且具有统计学差异(p<0.017),但与A组或B组相比较,尤其是与A组比较时,未表现出显著统计学差异(p>0.017)。结论:在模拟部分负重和完全负重的应力活动下,4组内固定方式均可维持牢靠的固定。弓状缘上方普通重建钢板联合3枚髋臼周围长螺钉依然是固定的金标准。2种新型髋臼四方区解剖钢板,尤其是弓状缘内侧四方区解剖钢板,与标准固定方式的稳定性和刚度具有可比性。然而并不推荐将普通重建钢板由弓状缘上方固定改为弓状缘内侧固定,因为这将显著降低固定强度。第三部分新型髋臼四方区解剖钢板在治疗复杂髋臼骨折中的临床应用目的:探讨新型髋臼四方区解剖钢板在治疗复杂髋臼骨折中的临床疗效和优缺点,并阐述其术中的使用方法和注意事项。方法:回顾性分析2017年1月至2019年6月期间在我科接受手术治疗的36例髋臼骨折患者的临床资料,其中女7例,男29例,平均年龄48.9岁(范围:2774岁);根据Judet-Letournel分型:前柱骨折5例(累及四方区),T型骨折5例,横行伴顶后壁骨折2例,前方伴后半横行骨折12例,双柱骨折12例。所有患者术前均拍摄骨盆前后位X线片及CT+三维重建,充分了解骨折形态。记录患者的手术时间、术中出血量及术后并发症。术后患者均拍摄标准前后位及Judet位骨盆平片、CT+三维,按照Matta标准评价骨折复位情况,改良Merle D’Aubigné评分评价髋关节功能。结果:手术时间100180 min,平均140 min;术中出血量3001200 ml,平均600 ml;术中置入弓状缘上方或内侧四方区解剖板的患者各18例,均无需再次塑形,所有患者均获得618个月的短期随访,平均12个月,骨折均完全愈合。骨折复位按Matta评分标准评分,其中优21例,良8例,可7例,优良率80.6%(29/36);末次随访时改良Merle D’Aubigné评分平均16.2分(范围:1318分),其中优20例,良11例,可5例,优良率86.1%(31/36)。术后发生闭孔神经麻痹患者1例,股外侧皮神经损伤2例,一月后均好转,无其他并发症发生。结论:该套新型髋臼四方区解剖钢板可满足各种复杂髋臼骨折的治疗所需,尤其适用于累及四方区的髋臼骨折,解剖设计,无需塑形,安全性好,固定牢靠,手术相关并发症低,早期临床疗效满意,值得临床推广。
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