牵引复位器治疗四肢长骨骨折的生物力学特性分析

叶丹丹，李 升，侯志勇，张 飞，陈 伟，郑占乐，张英泽

(河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

·研究快报·

牵引复位器治疗四肢长骨骨折的生物力学特性分析

叶丹丹，李 升，侯志勇，张 飞，陈 伟，郑占乐，张英泽*

(河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

本文介绍快速牵引复位器的结构及设计原理，对该复位器进行生物力学分析。分析结果表明该复位器符合力学分解平衡原则和人体生理特点。顺势双反牵引复位器是一种携带便捷、设计巧妙、牵引复位性能好的复位器，在手术室、急救现场和战场均可使用，并且在临床应用中也取得了较显著的疗效，是目前值得推广使用的治疗四肢长骨骨折的医疗器械之一。

骨折；四肢长骨；牵引复位器；生物力学

四肢长骨是管状骨，其两端称为骨端，中段为骨干，骨干内中空，呈现管状，因此长骨也可称为管状骨[1]。骨端表面由骨密质组成，内部由骨松质组成。四肢长骨骨折是临床常见损伤[2-3]。近年来，骨折的发生率不断升高，严重影响患者的正常生活和工作。根据30余年对近上万例患者诊治的经验，张英泽教授率先提出骨折顺势复位固定理论[4-5]，通过顺应肢体机械轴线及软组织和骨关节运行轨迹的顺势牵引作用复位骨折块，并据此研发了顺势双反牵引复位器。

1 牵引复位器的结构及设计原理

牵引复位器经过七代产品的不断完善和改进，图1所示为第七代牵引复位器的结构。

图1第七代牵引复位器

在丰富的临床实践中，牵引复位器越来越精细，图2所示是第四代牵引复位的结构示意图。该牵引复位器治疗四肢长骨及关节内骨折，能达到顺势复位和提供持续可控牵引力量的双重目的。牵引复位器的特点是简便、快速、力量大，符合顺势复位要求(牵引力与肢体的机械轴线一致，骨对骨牵引，力量大，牵引力均衡持续，不损伤骨折周围软组织)和力学分解平衡原理。综合整个复位器的结构特征，它既克服了四肢长骨周围肌肉的记忆恢复力，又平衡了肢体的机械轴线上的牵引力，故它在临床应用中达到了预期的要求，取得了较为显著的疗效。

图2牵引复位的结构示意图

2 牵引复位器治疗四肢长骨骨折的生物力学分析

在应用牵引复位器治疗四肢长骨骨折中，四肢的受力主要由于体重、肌肉活动和外加载荷产生的。由于患者的胖瘦、高矮等一些基本情况不同，牵引复位器的连接杆及牵引把手均是可调节的。由于四肢长骨骨折主要导致肢体的机械轴线发生变形，牵引复位器通过力学分解使牵引力与肢体的机械轴线一致，从而达到治疗四肢长骨骨折的目的。近年来应用顺势双反牵引复位器治疗胫骨平台骨折、股骨粗隆间骨折、股骨干骨折、上肢骨折等[4-8]，均收到了较好的效果。

牵引复位器治疗四肢长骨骨折的受力分析：假设骨折部分的重力为G，骨折部分受到了牵引把手的牵引力为FL，骨折部分还受到了连接杆的水平牵引力为FHL；点A为牵引把手处的受力点，点B为人体在水平面的受力点，点C为骨折部分的骨折处；除了骨折部分的人体其他部分受到地面的支撑力为FZC，P为其他部分对水平面的压力；FML为肌肉力，Ff1、Ff2分别为其他部分在水平面上的点B处受到不同方向的摩擦力，m为人体的重量，θ为骨折部分与水平面的之间的夹角，g=10 N/kg。图3所示为生物力学分析，则此平衡方程为：

(1)

对于一般力学问题，外力是已知的，解方程求得在外力作用下，受力物体内部所受的力及其应力分布。但对于此问题是为了进一步论证牵引复位器各部件的受力情况及结构设计是否合理。在方程(1)中，FL、F都是根据力学的平行四边形法则而得到的两个分解力。由于在牵引把手点A处的力学分解，F的水平反作用力通过F′与F″传导到连接杆上，即是应力FHL。在牵引复位时，骨折处点C不仅受到牵引把手的牵引力FL，还受到了反向的肌肉力。根据作用力跟反作用力可知，F、FHL，FL、FML和FZC、P均是大小相等，方向相反。在牵引复位时，水平力F的作用使点B处受到静摩擦力Ff1；连接杆上的应力FHL的作用使点B处受到静摩擦力Ff2。静摩擦力大小随着推力的增大而增大，并与推力保持大小相等。所以，点B处受到静摩擦力为零。

图3生物力学分析示意图

为了进行定量分析，取80 kg体重的男子为研究对象，给出各力值。以往研究表明，体重80 kg的男子，其下肢重量约占人体重量的35%，所以一个下肢的重量为80 kg×35%÷2=14 kg。在骨折部位进行牵引复位时，人体的肌肉还具有反向的恢复力，即FML=FL。因此，简化后的方程为：

(2)

可求得：FL、F与θ之间的关系。

图4FL、F与θ之间的关系

图5FL与F之间的关系

3 牵引复位器的临床应用

应用顺势双反牵引复位器治疗四肢长骨骨折，骨折均获得满意复位，应用接骨板或髓内钉微创固定。术后切口愈合良好，无切口感染、压疮等软组织并发症发生，患肢功能恢复良好[4-8]。

4 结 论

通过临床应用和生物力学分析，应用该牵引复位器治疗四肢长骨骨折具有以下优点：①该复位器的结构设计符合力学分解平衡原则和人体生理特点，结构简单，可拆卸，体积小，携带方便，快速高效，组装简便，由术者一人即可完成从组装至复位整个过程，减少了术中人员占用及手术时间；②经生物力学分析，该复位器设计能达到顺势复位和提供持续可控牵引力量的双重目的，为术者提供了高效的手术条件，减少了术中透视次数；③应用该复位器治疗，与使用牵引床治疗法相比较，术后切口愈合好，骨折愈合满意，无切口感染、皮肤坏死等并发症；④Matap软件对牵引把手的拉力FL、牵引杆的拉力F和骨折部分与水平面之间夹角θ之间的关系以及FL与F之间的关系进行分析，结果发现FL、F随着θ增大而增大，FL与F几乎呈线性关系。但应特别注意的是，应用该牵引复位器治疗四肢长骨骨折时，骨折部分与水平面之间的夹角θ要适当：当θ的值很小时，牵引把手的拉力FL和牵引杆的拉力F均很大，可能超过它们的负荷或者导致患者身体发生移动；当θ的值很大时，牵引把手的拉力FL和牵引杆的拉力F均很小，可能不好控制平衡。通过设计牵引复位器的连接杆的可调节性及摩擦力的作用，所有的力均控制在有效范围内。总之，笔者认为该牵引复位器是目前值得推广使用的治疗四肢长骨骨折的医疗器械之一。

[1] 高招文，吴建斌，连伟飞，等.弹性髓内钉治疗儿童四肢长骨骨折[J].临床骨科杂志，2011，14(5)：553-555.

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[5] 陈伟，魏宁，杜晨光，等.顺势双反牵引复位和牵引床复位对手术治疗老年股骨转子间骨折疗效的影响[J].中华创伤杂志，2017，33(4)：102-107.

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[7] 王娟，李升，臧砚超，等.应用四肢长骨骨折快速复位器治疗股骨骨折[J].河北医科大学学报，2015，36(12)：220-221.

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(本文编辑：赵丽洁)

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1007-3205(2017)10-1229-03

2017-09-27；

2017-10-09

叶丹丹(1989-)，女，江苏宿迁人，河北省骨科研究所初级研究员，理学硕士，从事骨科相关数学模型的研究。

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.10.028

*通信作者。E-mail：yzling_liu@163.com*