在1.5 mm LCP上打开螺钉放置在断裂间隙上减少疲劳寿命

概要
目的
目的探讨钢板和螺钉孔位置对1.5 mm髁突锁定加压钢板（LCP）稳定模拟桡骨骨折稳定性的影响。

学习规划
成对尸体肢体的体外力学测试。

样本人口
成对半径（n = 7）用1.5 mm髁LCP稳定，开放螺孔位于（PG）近端或OG（模拟小裂缝间隙）上方。

方法
构造物在模拟小跑载荷下以轴向压缩循环直至失效或最多200,000次循环。然后将在没有失效的情况下持续200,000次循环的试样在单个循环中轴向压缩加载至失效。使用方差分析评估构造循环轴向刚度和间隙应变，疲劳寿命和残余强度，并在构造之间进行比较。

结果
在循环加载期间发生故障的对中，OG构建体比PG（116,800±49,300）存活的循环次数（54,700±60,600）更少。 OG构建体在整个循环加载中具有显著较低的初始刚度，并且在前1000个循环内具有比PG构建体更高的间隙应变范围。残余强度变量在构造之间没有显著差异，但是在载荷下产生的屈服载荷仅略微高于近似小跑载荷。疲劳寿命随着体重的增加而降低。

结论
与在所研究的模型中由骨支撑的开放螺钉孔相比，通过直接在裂缝间隙上的开放螺钉孔来破坏骨折固定稳定性。对于具有适当径向几何形状但体重较高的狗，1.5mm髁LCP可能不足以稳定。

关键词：髁锁板，桡骨骨折，玩具品种，生物力学，离体，间隙模型

介绍
骨板固定通常用于稳定玩具犬的远端桡骨骨折（1）。然而，固定后报告的并发症包括较高的延迟愈合和不愈合的频率，与较大的狗相同治疗相似的骨折（2,3）。玩具犬的骨折固定稳定性不足可能导致并发症的发生率更高。

用于内部骨折稳定的植入物选择受到玩具品种狗的径向和断裂几何形状的限制。小于7千克的狗的径向中间直径范围为6至6.4毫米（4）。已经在尸体绵羊股骨中显示，最终的失效扭矩随着未填充的单皮质缺损的尺寸增加而线性减小，当缺损直径为骨直径的40％时，失效扭矩减少1/2（5）。虽然用螺钉填充孔可以最大限度地减少这种减少（6），但只有1.5 mm的螺钉和钢板符合建议的AO原则，即钻孔小于骨直径的40％，以尽量减少医源性骨折的风险（7）。其次，玩具品种远端径向骨折中的远端片段的典型短长度可能需要T形板或髁板构造以确保至少2个板螺钉接合远端片段。第三，固定猪掌骨骨折的锁定螺钉固定比非锁定螺钉固定更能获得更大的弯曲固定刚度和失效负荷（8）。因此，锁定板设计可以在玩具品种狗中实现比在半径中的非锁定板系统中更大的断裂修复稳定性，其在轴向加载期间维持弯曲。

1.5 mm髁LCP系统®满足远端桡骨骨折颅骨板固定的几何形状，尺寸和负荷考虑因素，临床上用于玩具犬。该板设计成允许在孔＃6处进行碎片间压缩，如果使用则在断裂处实现压缩并且在小的远端碎片和板的轴中锁定固定。在临床情况下，由于骨折线直接位于皮质螺钉孔下方的共同位置，骨折倾斜可以排除用螺钉填充压缩孔，以便适当地容纳小远端碎片上的T部分。因此，尽管在半径上仔细定位1.5 mm髁LCP以容纳远端碎片上的板的T部分，但1.5 mm髁LCP的皮质螺钉孔通常与骨折线完全或部分重合并且未填充。

假设在空螺纹孔处更可能发生板失效，因为在低横截面板区域（9,10）的这些区域处发生高应力。虽然临床建议永远不会在骨折线上直接有一个空螺钉孔，但是不知道由骨头部分或完全支撑的空螺钉孔是否具有一些防止板失效的保护功能。本研究的目的是研究板块和螺钉孔位置对1.5 mm髁突LCP稳定的模拟玩具品种桡骨骨折间隙模型中生物力学性能的影响。据推测，如果在骨折上直接放置一个开放的螺钉孔，那么在玩具犬中使用1.5 mm髁LCP稳定的远端桡骨骨折的疲劳特性和残余弯曲强度将受到影响。

材料和方法
学习规划
使用1.5 mm髁突LCP稳定的犬半径的生物力学特性，评估板，特别是开放螺钉孔相对于骨折间隙（近端，上方）的位置对使用模拟桡骨远端骨折的板稳定性的影响在7对尸体半径中有一个间隙，对侧半径有2种不同的治疗方法。尸体来自两个机构，由于与研究无关的原因，全部死亡或被安乐死。本研究中的所有尸体都被批准进行研究。通过在机械测试系统中模拟轴向循环载荷和残余强度以及通过量化构造刚度，疲劳寿命和残余强度以及间隙应变来评估构造稳定性。

结构体
评估了两个结构，每个结构各自在每个尸体的对侧桡骨上。 两种构造均使用1.5 mm，8孔髁LCP（DePuy Synthes Vet，1301 Goshen Parkway，West Chester，PA 19380）和5,1.5 mm锁定螺钉（DePuy Synthes Vet，1301 Goshen Parkway，West Chester，PA 19380） 根据制造商指南，半径的颅骨方面用于稳定具有间隙1的模拟完全斜向远端骨折。 填充板孔1,3,5和T部分中的板孔，而未填充板孔2,4和6。 2个构造因板位置而变化，导致开口螺孔6的位置相对于模拟的裂缝间隙发生变化（图1）。


图1
治疗组（OG，Over the Gap; PG，Proximal to the Gap）具有板和螺钉位置的颅内侧视图。黑色箭头：未填充的＃6皮质螺钉孔在模拟骨折上方（OG）或近端（PG）居中。所有组都有1.5 mm直径的锁定螺钉，位于螺钉位置1,3,5,7和8。

标本准备
使用1.1毫米直径的钻头在板孔1,3,5,7和8中钻出双皮孔，穿过适当的1.5毫米锁定钻孔导向器，牢固地拧入1.5毫米髁LCP中。自攻1.5毫米锁定螺钉双孔插入钻孔中。所有螺钉均由经验丰富的板认证外科医生（ASK）根据1.5 LCP技术的制造商指南1放置并手动拧紧。在固定之后，使用dremel工具和手锯小心地不会损坏板，产生标准化的倾斜模拟骨折，其在近端到远侧内侧。得到的截骨间隙为2mm厚（dremel工具刀片的厚度），并使用标准化的标记（16.5和18.1％的骨长度，通过电子卡尺测量，从骨骼的最远侧的内侧和横向侧（分别）在垂直于穿过骨的前平面的平面中。从桡骨的近端到远端方面测量骨长度。使用电子卡尺测量从半径的最远端（靠近间隙）的25％骨长度的骨中间 - 外侧和头尾宽度。

由于半径弯曲的几何形状，允许在轴向加载期间弯曲试样在矢状平面上，半球形金属球（1/4“球，250-TBR-T，Bal-Tec，洛杉矶，加利福尼亚州）螺纹柱（＃4-40固定螺钉，McMaster-Carr，Santa Fe Springs，CA）连接到远端径向段。球与一个定制的凹¼“半球形杯子连接到机械测试系统装载板。半径的近端刚性地固定在罐中，用于使用固定K线和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（Coe Tray Plastic，GC America）连接到机械测试系统。使用2个正交激光器实现罐内半径的对准以确保沿着半径的纵向轴线的轴向载荷。在测试之前允许PMMA设定30分钟。

两个线性位移传感器（DVRT;模型M-DVRT-3，LORD MicroStrain，Williston VT）跨越模拟骨折间隙的尾侧和侧面，以测量样本加载期间矢状面和颅面的间隙位移（图2）。


图2
材料测试系统说明了装载的玩具品种半径模型，其具有模拟的2mm裂缝间隙和头部施加的1.5mm髁LCP。一个线性位移传感器横向放置，一个尾部放置。半径的远端用不锈钢半球形球固定，以允许在所有方向上旋转和弯曲。近端保持刚性。

机械测试
在材料测试系统（型号809，MTS公司）中，构造物在5-108％的尸体重量下在轴向压缩下循环以模拟在1.5Hz负载控制下的小跑负载（11,12），直至失效或最大200,000正弦曲线周期（小狗在3-4个月内所需的近似步数）（13）。构造物在1000次循环时完全卸载，并且在失效或200,000次循环后如果没有发生故障，则允许确定未固定样本中的残余位移。失效定义为1.5 mm的构造位移。在200,000次循环内没有失效的试样在负荷控制下以20N / s的速度在轴向压缩的单个循环中加载直至失效。轴向载荷，构造（致动器）位移和循环测试间隙位移，在测试期间以128Hz收集数据。测试失败定义在负载与执行器位移曲线之间，作为无法承受负载之前的点。

数据减少
疲劳寿命计算为直到构造失败所达到的循环次数。失效模式分为板破裂，螺纹 - 骨界面失效（螺钉松动），螺钉板界面失效或无明显失效。

根据各自的间隙位移（δL）和原始间隙长度（L）计算间隙应变（侧向，尾部）;当应变（ε）=δL/ L，L = 2mm。在前1000个循环的构建体之间比较间隙菌株，即在循环测试期间任何构建体失败之前。在1,000次循环后的残余间隙位移计算为在第1次和第1,000次循环中未加载的构造中的间隙位移的差异。

残余强度机械测试变量来自载荷 - 位移曲线（图3）。变量包括屈服刚度，屈服，位移和屈服，最大和失效点的能量。通过收率前数据的中间1/3的最小二乘回归计算刚度。屈服点被确定为数据首先偏离预屈服刚度线性位移截距0.1％的位移截距与定制软件（MATLAB，Mathworks Natick MA）。最大强度点是失效前的最高负荷。屈服，最大和失效的能量计算为曲线下面积到曲线上各个点的面积。


图3
代表性载荷与位移曲线表示残余强度期间的屈服，最大和失效点，单轴向载荷与失效试验。

统计分析
使用混合模型方差分析（α= 0.05）评估板位置对特定循环和残余强度变量的循环疲劳寿命变量的影响。在犬尸体中重复测量并且尸体被视为随机变量。使用Shapiro Wilks统计检验来自每个ANOVA的残差的正态性。数据报告为最小二乘平均值±SE误差。应用Pearson相关性检验，以图形方式评估间隙应变范围与疲劳寿命之间以及狗体重与疲劳寿命之间的关系。

结果
女性绝育尸体的骨骼，中位年龄10岁（范围2-13岁），中位数体重3.5公斤（范围2.8-7.2公斤），中位径向长度73.4毫米（范围58.7-114.0毫米）研究。半径长度与体重之间没有线性相关性（p = 0.13）。

疲劳生活
在周期性测试的7对尸体半径中，3对（OG和PG构建体）完成200,000次无故障（尸体<3.5 kg），3对在<200,000次循环中失败（尸体> 3.5 kg），并且仅在1对中PG构建体在<200,000个循环（尸体= 4.2kg）中失败（图4）。在200,000个循环之前至少有一次失败的配对构建体中，4个OG构建体中的3个在比其对侧PG（116,800±49,300）构建体更少的循环（54,700±60,600，平均值±SD）中失败。


图4
配对OG和PG构建体的疲劳寿命达到200,000次循环。

最常见的失败模式是在骨折间隙水平处的板破裂，随后是远端骨碎片中的螺钉 - 骨界面失效。 一种构建体没有表现出失败原因的视觉证据（表1）。

表格1
疲劳试验期间的失效模式通过构造类型对于那些在少于200,000个循环中失败的构造。



在7个尸体中的5个中，OG构建体具有比对侧PG构建体更大的残余间隙位移。 构建体在1000个循环（OG：0.31±0.30mm对比PG：0.16±0.33mm）之间的平均残余间隙位移的差异不显著（p = 0.075）。

构造刚度
对于大多数循环通过200,000次循环（p≤0.01），PG构建体与OG构建体的构建刚度显著更大（图5）。 在大约150,000次循环后循环加载期间刚度的增加与较低刚度的试样的失效一致。


图5
通过构建体（PG，OG）构建200,000次循环的刚度（lsmean±SE）。 图中的不规则性对应于200,000个循环之前的构造失败，如x轴下方的构建体样本大小（N）所示。

差距菌株
在前1000个循环期间，OG构建体在循环间隙应变的范围显著大于PG构建体（p≤0.02;图6）。 在前1000次循环后，在每个循环内的循环载荷的高或低水平，横向间隙应变或构造之间没有显著差异（高负荷应变：OG 25.5-8.5％，PG 15.8-8.7％，p = 0.11） ;低负荷应变：OG 2.9-3.6％，PG 2.9-3.7％，p = 0.68）。


图6
通过构建体（OG，PG）通过200,000个循环在每个循环（lsmean±SE）内的尾部间隙应变范围。 间隙应变范围的最大差异发生在前20,000个循环期间（框）。 由于较不稳定的构建体由于早期失效而退出，因此间隙应变范围内的构建体之间的差异不再明显。

在前1000个循环结束时，疲劳寿命与尾部间隙应变范围之间存在统计学上显著的反比关系（R = -0.73; P = 0.003;图7）。


图7
1000个循环的尾部间隙应变范围与OG和PG样品的疲劳寿命相比。

剩余强度
在结构之间的刚度，屈服，最大或失效位移，载荷或能量方面没有统计学上的显著差异（表2）。 由于板弯曲，所有构造在残余强度测试期间都失败了。

表2
OG和PG构建体的残余强度测试变量lsmean（95％置信限）。



*表S1是各个OG和PG构建体的残留强度测试值。

体重
体重和疲劳寿命之间存在反比关系，随着狗体重的增加，疲劳寿命明显减少（R = -0.89; p <0.001;图8）。 体重与内外侧宽度（R = 0.42，p = 0.30），颅骨宽度（R = 0.42，p = 0.30）或长度（R = 0.18，p = 0.67）的半径之间没有统计学显著性关系。图9）。


图8
犬体重与疲劳寿命的关系。 开圆= OG，圆圈= PG。


图9
狗体重相对于桡骨颅尾宽度（X），中间 - 横向宽度（三角形）和长度（点）。

讨论
这项研究的结果表明，如果一个开放的板孔直接放置在裂缝间隙上，那么用1.5 mm髁LCP稳定的玩具品种狗的远端桡骨骨折的疲劳特性，而不是残余强度将受到损害（OG） ）与裂缝间隙（PG）的近端相比。疲劳和残余强度试验中的失效最常发生在板的水平。在200,000个循环之前至少有一个失败的配对构建体中，OG构建体在比其对侧PG构建体更少的循环中失败。 OG构建体在前1000个循环中具有比PG构建体更低的刚度和更高的间隙运动。

在该研究中使用小间隙模型，而临床上仅偶尔存在间隙。在锁定板中，用插入件填充开口螺钉孔不会增加板结构（14）的扭转或轴向刚度。一个小的间隙模型让作者观察到，与骨间隙上的未受阻的孔相比，支撑骨上的开放螺钉孔增加了对1.5髁LCP的保护。如果模型在解剖学上减少并且半径共享负荷，则该研究的结果可能是不同的。

在近端骨段中仅使用3个螺钉。研究表明，每个断裂段仅需要3个锁定螺钉来保持锁定结构的轴向刚度，而额外的螺钉则无益（9,15）。选择板的长度和小间隙附近的螺钉的位置以使间隙应变最小化（9,15）。目前的研究中没有一个故障涉及近端螺钉。

循环加载期间的间隙运动对于PG而言比OG构建体更少，但是两种构建体都超过了有助于骨愈合的应变。两个构建体的尾部间隙应变为在前1000个周期中间接骨愈合的上限的1.5-2.5倍。当骨折稳定后，由于不良的复位技术或粉碎性骨折，骨折间隙仍然存在，1.5 mm髁LCP可能无法为玩具犬的骨折愈合提供足够的稳定性。

与OG构建体相比，PG构建体在疲劳测试中表现更好。在远端桡骨和尺骨骨折中使用1.5 mm髁突LCP时，应优先考虑骨折支撑骨折附近的开孔。尽管通过避免在裂缝线上打开螺孔可以增强构造的刚度是直观的，但是直到这项研究，没有证据表明移动该裸眼并用骨支撑它可以在一个小间隙中改善该板的生物力学性能。模型。

虽然残余强度屈服和失效载荷在PG和OG构造之间没有显著差异，但值得注意的是，在载荷下产生的屈服载荷仅略微高于近似的小跑载荷（OG，66.2±10.6 n; PG：59.3±11.7 n;小跑负载，44.4±15.2 n）。术后期间的受控活动对于成功的结果非常重要。

在体重超过3.5千克的狗中，板的疲劳寿命是不可接受的。在超过5千克的狗中，体外疲劳寿命与骨愈合期16的仅1.5-2个月相当，而1.5毫米髁LCP稳定。虽然外科医生不太可能考虑在大多数5公斤犬中使用1.5毫米髁突LCP，但重要的是要注意径向大小不一定与体重相关。作者的研究包括来自狗的相似尺寸半径，体重在3-5千克之间变化。因此，虽然径向几何形状可能适用于1.5 mm髁突LCP，但应考虑身体状况评分。

目前研究的最大限制是样本量小。不幸的是，玩具品牌尸体的来源远远超出预期。因此，确定生物学相关效应大小的能力很小。请注意，某些残余强度变量的平均值差异高达100％，这在临床上很重要，但在所研究的小样本中没有统计学意义。报告平均残余强度值的置信区间以增强对样本大小限制的解释。其次，在临床情况下，在骨折附近的开口螺钉孔可能已经用螺钉填充。然而，用螺钉填充孔最有可能导致近端间隙组的稳定性更高，这与当前研究中的发现一致。

作者的研究结果表明，颅骨应用1.5 mm髁突LCP，其中开放的皮质孔位于骨折线的近端，而不是直接位于骨折线上，这将改善1.5 mm髁突LCP在非解剖学上减少远端时的性能桡骨和尺骨骨折。即使具有适当的径向几何形状，对于重量> 3.5 kg的狗，1.5 mm髁LCP也不足以稳定。

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Open Screw Placement in a 1.5 mm LCP Over a Fracture Gap Decreases Fatigue Life
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