文章题目：Dual tension band technique for patellar fractures involving articular surface and inferior pole: a retrospective cohort study and finite element analysis
通讯作者单位：上海交通大学第六附属医院，骨科
摘要
背景：涉及髌骨下极的骨折容易导致术后髌骨低位。对于同时累及关节面及下极的粉碎性髌骨骨折，本研究旨在探索一种能够提供可靠内固定并降低髌骨低位发生率的新型固定方法。
方法：我们开展了有限元生物力学研究和回顾性队列临床研究。有限元分析基于髌骨骨折三维模型，将“双张力带”技术与传统单张力带方法进行比较。临床研究纳入66例累及关节面及下极的髌骨骨折患者，根据固定方式分为两组。通过关节活动度（ROM）、Böstman评分及Insall-Salvati指数（ISI）评估疗效。
结果：有限元分析显示，与单张力带相比，双张力带技术在髌骨最大应力及固定装置位移方面均更低。临床结果方面，双张力带组患者术后ISI显著更高（0.93 ± 0.16 vs. 0.85 ± 0.17，p < 0.05），关节活动度更好（123.75 ± 9.58 vs. 117.63 ± 12.28，p < 0.05），髌骨低位发生率更低（17.86% vs. 34.21%）。两组Böstman评分差异无统计学意义。
结论：双张力带技术可为累及关节面及下极的髌骨骨折提供有效稳定性，降低术后髌骨低位发生率，并改善功能结局。
关键词：有限元分析；髌骨下极；Insall-Salvati指数；髌骨低位；髌骨骨折
1 引言
髌骨骨折是常见的损伤类型，占所有创伤相关骨折的约0.5%–1.5%（Bostrom, 1972）。作为膝关节伸直装置的重要组成部分，髌骨的完整性对膝关节功能至关重要。对于许多髌骨骨折病例，为了获得良好的关节面复位和骨折愈合，常常需要手术干预（Levack et al., 1985; Gao et al., 2023a）。迄今为止，已经发展出多种内固定方法，包括张力带钢丝、髌骨钢板、髌骨爪、非金属固定以及纵向钢丝等（Kim et al., 2011; Lin et al., 2015; Matejcic et al., 2015; Bonnaig et al., 2015; Malik and Halwai, 2014; Yang and Byun, 2003）。然而，随着患者对术后功能恢复要求的不断提高，临床治疗的标准也随之提升。研究表明，术后髌骨低位与膝关节不适和功能受限密切相关（Paulos et al., 1987; Paulos et al., 1994）。此类骨折常伴随骨块较小、松质骨质量差以及粉碎程度高等特点，处理难度较大（Saltzman et al., 1990）。尤其是当骨折累及关节面及下极时，内固定方式的选择显得尤为关键（Cho et al., 2018; Buschbeck et al., 2022）。对于累及髌骨下极的粉碎性骨折，如何获得有效且可靠的内固定方式一直是外科医生亟待解决的问题（Zhu et al., 2020; Zhu et al., 2022）。
为应对这一特殊类型的骨折，我们采用了“双张力带”固定技术。该方法自2016年被提出以来，已应用于髌骨骨折及部分内固定失败后的翻修手术（Xue et al., 2016; Zhang et al., 2020）。其设计目的在于提供有效稳定性，同时降低术后髌骨低位的发生率。本文通过有限元模型比较“双张力带”与传统单张力带固定方法的力学表现，并结合回顾性临床队列研究结果，对这一新型技术的可行性与有效性进行探讨。
2 资料与方法
2.1 有限元生物力学研究
本研究开展有限元生物力学实验，以评价“双张力带”技术的稳定性。患者左膝关节的CT数据（DICOM格式）导入 Mimics Research 19.0 医学建模软件，利用阈值调整、区域生长、掩膜分割及编辑等命令重建髌骨模型，并导出为STL文件。随后，将该STL文件导入 Geomagic Wrap 2017 进行进一步处理，包括平滑、网格优化及高精度曲面重建，并保存为STEP格式（补充材料 S1）。
STEP文件导入 NX12.0 软件进行三维设计与建模。在髌骨表面及中央位置绘制曲线以模拟术中环扎及纵向固定，设定钢丝直径为1 mm。随后对髌骨进行切割，以模拟累及关节面及下极的骨折。
髌骨三维模型随后导入 Abaqus 6.14 软件进行有限元分析。定义材料参数，包括弹性模量、泊松比及材料密度（补充材料 S2）。建立“双张力带”模型用于处理累及关节面及下极的髌骨骨折。在髌骨上极逐步施加0–500 N的牵张载荷（历时2秒），并记录钢丝的最大应力。
建立两种对照模型：A组为传统单张力带，B组为双张力带。分别记录两组钢丝的最大应力进行比较（见图1）。
2.2 临床队列研究
2.2.1 伦理批准与队列描述
本回顾性队列研究获得伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意。本研究遵循《赫尔辛基宣言》。纳入标准为：（1）累及关节面及下极的髌骨骨折，并在伤后14天内接受手术治疗；（2）年龄18–75岁。排除标准为：（1）合并胫骨近端或股骨远端骨折；（2）术前膝关节功能严重障碍（VAS >70 mm）；（3）术前临床诊断为关节炎；（4）开放性髌骨骨折；（5）合并不可控糖尿病、高血压、恶性肿瘤、心脑血管疾病、影响下肢功能评估的血管疾病，或其他严重疾病。
2.2.2 患者
自2021年4月至2023年4月，共纳入105例患者。本研究最终分析了其中66例接受累及关节面及下极髌骨骨折切开复位内固定术，且随访≥1年的患者。所有手术均由经验丰富的创伤骨科医师完成。根据固定方式分为两组：A组采用传统单张力带结合环扎固定，B组采用“双张力带”固定（按照Deng的术式，Zhang et al., 2020）。为减少植入物移位，允许环针替代克氏针，复杂骨折可辅以螺钉或克氏针。
2.2.3 基线资料收集
记录患者术前一般资料，包括性别、年龄及患侧。累及关节面及下极的髌骨骨折由两名资深骨科医师基于CT独立评估（见图2）。
2.2.4 结局指标
功能结局采用随访时的关节活动度（ROM）和Böstman评分进行评估。并发症在随访期间均被记录并及时处理。最终随访（术后1年）时，于膝关节30°屈曲位的膝关节侧位X线片上测量 Insall-Salvati 指数（ISI），ISI＜0.8 定义为髌骨低位（Blackburne and Peel, 1977）。所有结局（包括ISI和ROM）均由两名研究者在不知分组信息的情况下独立评估，取其平均值作为最终结果。
2.2.5 统计学分析
连续变量以均数 ± 标准差（SD）表示，分类变量以频数和百分比表示。组间差异采用卡方检验或Fisher确切检验。所有统计分析使用 IBM SPSS 26.0 软件（IBM公司，美国纽约州Armonk）完成，检验水准设为0.05。
3 结果
3.1 有限元分析
在累及下极的髌骨三维模型上逐步施加牵张载荷，当牵张载荷达到500 N时，记录钢丝和髌骨的应力。结果显示，A组的髌骨最大位移大于B组（0.834 mm vs. 0.6 mm）。A组克氏针所承受的应力与位移均高于B组（307.4 MPa vs. 242.7 MPa；0.849 mm vs. 0.601 mm）（图3，表1）。
对髌骨应力的分析表明，A组髌骨下极的应力高于B组（93.26 MPa vs. 76.79 MPa）。提示双张力带固定有助于更好地分散髌骨下极的集中应力（图4，表2）。
3.2 临床研究
3.2.1 患者队列
自2021年4月至2023年4月，共有105例累及关节面及下极的髌骨骨折患者在我院接受手术治疗。根据纳入与排除标准，共84例患者符合条件。剔除未满1年随访者后，最终纳入66例患者进行分析。其中男性30例（45.45%），女性36例（54.54%）；年龄范围32–74岁，平均年龄为56.29 ± 11.51岁；左侧骨折34例（51.51%），右侧骨折32例（48.63%）；平均随访时间为14.323 ± 1.82个月。A组中额外使用克氏针或螺钉14枚，B组为11枚。患者分组的详细情况见表3。图5为一例67岁女性接受双张力带内固定术的影像学资料，包括术前CT及X线片、术后次日X线片及术后1年随访影像。
3.2.2 ISI及疗效
表4展示了ISI值、髌骨低位发生率、关节活动度（ROM）及术后Böstman功能评分的结果。结果显示，B组术后ISI值显著高于A组（0.93 ± 0.16 vs. 0.85 ± 0.17，p < 0.05）。A组有13例（34.21%）发生髌骨低位，而B组仅7例（17.86%）。此外，B组ROM优于A组（123.75 ± 9.58 vs. 117.63 ± 12.28，p < 0.05）。两组的Böstman评分差异无统计学意义（26.32 ± 2.19 vs. 25.76 ± 2.48，P = 0.347）。
3.2.3 并发症
在66例患者中，B组有1例术后出现浅表感染，经换药处理后痊愈。A组有1例术后2个月出现内固定失败，需再次行内固定手术（图6）。所有患者均实现骨折愈合，未出现钢丝断裂。
4 讨论
本研究针对累及关节面及下极的髌骨骨折，探索了一种新型的内固定方式。通过有限元分析和回顾性研究，我们旨在证实该固定方法能够提供稳定、有效的固定，同时降低术后髌骨低位的发生率，从而改善患者预后。
已有大量研究报道了骨折内固定术后出现髌骨低位的情况，其发生率在14.5%–57%之间，但这一问题并未受到足够重视（Sebastian 等，2022；Lazaro 等，2013）。髌骨低位与膝关节功能障碍及不适密切相关（Barth 和 Strickland，2022）。髌骨位置与膝关节负荷紧密相关，当髌骨位置过低时，可导致髌腱结构改变并削弱股四头肌力量（Tecklenburg 等，2006）。部分研究提示髌骨下极骨折与髌骨低位相关，但其具体机制尚不明确，可能与术后功能锻炼或瘢痕组织形成有关，仍需进一步探讨（Cutbill 等，1997；Mariani 等，1994；Lancourt 和 Cristini，1975）。此外，研究还发现其可能引发关节僵硬、力臂功能下降、伸膝滞后及关节活动度受限等不良影响（Fox 等，2012）。我们既往研究提示，粉碎性骨折尤其是累及下极者，术后髌骨低位发生率显著增加，而“双张力带”技术正是为应对这一问题而提出。
双张力带技术自2016年提出以来，已被应用于髌骨骨折内固定失败的翻修手术。有学者认为该技术可为髌骨骨折提供可靠的内固定（Xue 等，2016）。有研究表明，增加跨骨折线钢丝数量可有效提高骨折块之间的压力，从而促进骨折愈合（John 等，2007）。2019年，Deng 等将该技术应用于横形或粉碎性髌骨骨折的治疗（Zhang 等，2020），结果显示可有效固定累及关节面的骨折，但随访功能结局无显著差异。这可能与病例数量有限、骨折类型未作详细分型分析以及研究重点偏向骨折愈合而非髌骨低位有关。
对于累及下极的髌骨骨折，髌骨高度是关键的预后指标，因为其直接影响膝关节活动度。其机制尚未完全阐明，但骨折类型无疑是重要因素。粉碎性骨折常导致内固定早期失败；另一方面，临床医师为避免再移位，往往延长制动时间，间接限制了膝关节功能。本研究中的双张力带技术能够固定髌骨下极骨块，但由于临床上髌骨骨折常呈粉碎性，往往需联合环形钢丝进一步增强固定稳定性。
需要指出的是，“双张力带”这一术语并不完全准确。严格意义上，该技术并非传统的张力带，而是通过克氏针与多根钢丝形成网状结构，包绕髌骨下极骨块。克氏针用于稳定累及关节面的骨折块，而多根钢丝则用于分散下极的集中应力并防止骨折块前移。本质上，该方法更接近于分离式纵向钢丝（SVW）技术，只是针对下极骨折作了特殊改良。传统纵向钢丝不能充分控制关节内骨折块，而本技术弥补了这一不足（Cho 等，2018；He 等，2018；Yan 等，2021；Gao 等，2023b）。从临床效果来看，该方法与纵向钢丝类似，均能降低累及下极骨折术后髌骨低位的发生率。
在临床应用中，我们发现该方法适用于多种类型的髌骨骨折，包括累及上下极的A1型、C1.2型和C1.3型，能够在保证有效固定的同时减少手术步骤、缩短手术时间。对于C1.1型骨折，该技术同样可提供有效固定，但相较于传统张力带并无明显优势。这些结论尚需进一步系统研究加以验证。
本研究亦存在一定局限性。首先，髌骨低位患者中常需行内植物取出术，但由于随访时间较短，本研究未能纳入此类数据。其次，由于骨折类型的特殊性，本研究仅纳入66例患者，但我们认为研究结果仍能证明该固定方式的有效性与可靠性。此外，有限元分析虽不能完全替代传统生物力学实验，但可为临床实践提供有价值的指导。临床实际问题往往更为复杂，涉及软组织及多种动态因素。本研究的主要意义在于验证该技术的可行性，未来仍需开展更大规模的前瞻性研究，以进一步评估其整体疗效，包括并发症与功能结局。