骨外固定技術(shù)的發(fā)展史與骨科自然重建理念的形成

　作者：秦泗河，曲龍

　　【關(guān)鍵詞】 骨外固定技術(shù) 發(fā)展史 骨科

　　骨外固定技術(shù)(technology of external skeletal fixation，TESF)發(fā)展到今天，其生物學(xué)理論、外固定器(external fixator，EF)功能水平與臨床適應(yīng)證擴展，已出現(xiàn)了突破性的變化，在固定治療骨折的基礎(chǔ)上，能夠治療傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療的嚴重肢體損傷、殘缺，重建肢體的形態(tài)和功能。其進展表現(xiàn)為：形成新的生物學(xué)和生物力學(xué)理論，系列技術(shù)創(chuàng)新、器械改進，操作技術(shù)的規(guī)范完善，以及適應(yīng)證的合理拓展等方面。其中Ilizarov創(chuàng)立的牽拉成組織技術(shù)已經(jīng)擴展到關(guān)節(jié)外科、頜面外科、血管外科、腦神經(jīng)外科等領(lǐng)域，而且對骨科其它相關(guān)技術(shù)的研究與臨床應(yīng)用具有啟示與推動作用。國際上骨外固定技術(shù)的發(fā)展總體上經(jīng)歷了以下四個階段，第四階段是“骨科自然重建理念”的形成和應(yīng)用階段。骨外固定技術(shù)已經(jīng)不同程度的滲透到骨科所有專業(yè)。
　　1 固定骨折與軟組織彈性延展的階段

　　早使用外固定器治療骨折的是法國的Malgaigne(1853年)，他設(shè)計的爪型外固定器可使髕骨骨折復(fù)位同時進行加壓固定。
　　1907年比利時的Labotte早使用螺釘在體外固定骨折，這也是文獻中早關(guān)于外固定的報告，而且這種方法與現(xiàn)代使用的外固定方法幾乎沒有區(qū)別。
　　1934年Anderson使用的外固定器不但可以治療骨折，還可以做關(guān)節(jié)固定術(shù)和骨延長術(shù)，并首先稱此方法為骨外固定(external skeletul fixation)。
　　1938年瑞士Hoffmann的外固定器已具備了除了固定骨折，同時還可以進行延長短縮和對各種變形矯正的功能，堪稱外固定器發(fā)展的里程碑。
　　1948年英國的Charnley報告了應(yīng)用外固定對膝關(guān)節(jié)融合后進行加壓固定，這種方法使骨折愈合時間加快2～3倍，以后加壓治療骨折被全世界認同采用，這也是首先對骨外固定進行的理論闡述。
　　早報告骨延長的是Codivillani(1905年)，方法是截斷股骨，然后利用跟骨牽引進行骨延長。使用外固定架做骨延長的代表人物是德國的Wagner(1970年)，其方法是截骨后用外固定架牽開，然后再做植骨內(nèi)固定手術(shù)，這種骨延長治療至少要三次手術(shù)才能完成。
　　1970年意大利的De.Bastiani設(shè)計出一種單邊、簡便、具有伸縮作用的動態(tài)外固定架及其骨折動態(tài)的外固定理念，在世界范圍得到推廣。
　　對以上階段總的評價，這個時期的骨外固定器(也稱外固定架)，其應(yīng)用技術(shù)的要求、治療作用類似鋼板等內(nèi)固定技術(shù)，主要用于治療骨折、關(guān)節(jié)加壓融合。也成功的用于實施肢體延長與畸形矯正，但器械的構(gòu)型簡單，缺乏系統(tǒng)的生物力學(xué)研究，理論認識局限在加壓或植骨能促進骨愈合，骨干延長術(shù)主要采用“Z”型截骨，軟組織彈性延展受到神經(jīng)、血管的限制，因此，肢體延長的比例，一般控制在所延長骨干長度的25%以內(nèi)。這個階段一直持續(xù)到1985年Ilizarov生物學(xué)理論與技術(shù)在全世界廣泛傳播之前。
　　2 生物學(xué)原理(張力-應(yīng)力法則)指導(dǎo)下的組織再生管理治療階段

　　俄羅斯Ilizarov醫(yī)生在20世紀60年代發(fā)現(xiàn)的“張力-應(yīng)力法則”生物學(xué)理論，即“生物組織在持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢牽拉下能刺激細胞分裂、生成組織，從而可修復(fù)肢體的各種缺損”，這種簡稱“張應(yīng)力骨再生”的生物學(xué)原理，被譽為是20世紀外科領(lǐng)域偉大的發(fā)現(xiàn)。它與其它切除外科、以替代為主的骨科治療方法(假體置換或游離組織移植等)大的不同是，醫(yī)生應(yīng)用外固定技術(shù)的緩慢推拉產(chǎn)生應(yīng)力，刺激自身局部組織細胞的分裂再生機能，來達到畸形矯正、感染愈合、組織缺損修復(fù)等治療目的，也稱為應(yīng)力刺激理論(應(yīng)力刺激可分為張應(yīng)力、壓應(yīng)力和微動應(yīng)力刺激)。
　　Ilizarov發(fā)明了系列環(huán)形外固定器、200多種外固定器附件，形成了標準的骨穿針固定臨床應(yīng)用技術(shù)體系。1981年這一理論與技術(shù)傳到意大利，1986年后逐漸傳遍全世界。在中國、歐洲、美國又進行了深入的基礎(chǔ)研究，將內(nèi)固定技術(shù)、工程技術(shù)、信息技術(shù)等多種新的技術(shù)與其融合、滲透，綻放出新的光彩。使骨外固定技術(shù)在治療復(fù)雜骨折，加壓促進骨折斷端愈合的基礎(chǔ)上，發(fā)展到醫(yī)生可控制的牽拉性骨再生(distraction osteogenes,DO)階段[1]，即在骨外固定技術(shù)的條件下，其骨塑形(bone modeling)與骨重建(bone remodeling)過程，會隨肢體的負荷運動而變化，表現(xiàn)為運動使骨量增加[2]。當前國際上各個學(xué)者發(fā)明的骨外固定器，雖然構(gòu)型、穿針布局與臨床應(yīng)用方法有別，但都在遵循著DO技術(shù)的生物學(xué)原理，真正體現(xiàn)了動靜結(jié)合、筋骨并重的骨科治療原則。
　　肢體是復(fù)合組織，所有參入牽伸的肌肉、筋膜、神經(jīng)、皮膚等軟組織在緩慢牽拉下，皆有類似胚胎發(fā)育過程的細胞分裂與組織生成，簡稱“牽拉成組織(distraction histogenesis，DH)技術(shù)。在這一理念涵蓋下，使骨外固定技術(shù)體系不同程度的應(yīng)用到骨科絕大多數(shù)的創(chuàng)傷、疾病的治療。而且能夠治療傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療甚至不能治療的一些重度肢體殘缺和疑難骨科雜癥，如四肢復(fù)雜的開放創(chuàng)傷、大段骨缺損、慢性骨髓炎，先天或后天性嚴重關(guān)節(jié)攣縮和四肢畸形，先天性脛骨假關(guān)節(jié)、四肢缺血性疾病、骨性關(guān)節(jié)炎等[3～7]。國內(nèi)率先進行牽拉成骨技術(shù)研究的是李起鴻教授，他20世紀80～90年代的系列基礎(chǔ)與臨床研究，奠基了我國現(xiàn)代骨外固定技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。
　　3 計算機數(shù)字化與空間結(jié)構(gòu)智能化階段

　　外固定器的發(fā)展方向是堅固、通用、可調(diào)、精確、智能。Ilizarov的環(huán)形外固定器雖然使用比較繁雜，但它奠定了外固定技術(shù)完成“時間變量、數(shù)字化管理、智能化和空間架構(gòu)”應(yīng)用的基礎(chǔ)。美國Dror Paley等在學(xué)習(xí)、應(yīng)用、總結(jié)Ilizarov技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了以下肢的機械軸、解剖軸、關(guān)節(jié)線進行量化表達的術(shù)前分析方法，簡稱下肢畸形矯正的“成角旋轉(zhuǎn)中心(the center of roration angulati on,CORA)概念，手術(shù)前只要按照CORA方法對肢體畸形進行劃線分析，由此確定截骨固定與矯形方法，就不會出現(xiàn)治療策略的失誤。CORA是國際矯形骨科發(fā)展史上出現(xiàn)的具有普遍指導(dǎo)意義的方法與原則[8]。2002年Dror Paley出版了影響世界矯形骨科進程的“矯形外科原則”專著[9]，從此，各種下肢骨與關(guān)節(jié)畸形的矯正與重建，由過去主要靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗判斷進入了簡單、易學(xué)的量化時代。
　　1994年美國J Charles Taylor等，在Ilizarov環(huán)形外固定器的基礎(chǔ)上，設(shè)計成數(shù)字化的“空間架構(gòu)”外固定器(Taylor Spatial fr[x]ame，TSF)。該器械的設(shè)計是基于StewartGough平臺的基本概念，在八面體的每一個面被設(shè)計成平臺，與之對應(yīng)的被設(shè)計成基礎(chǔ)面，連接基礎(chǔ)面到平臺的6根支柱，其長度、空間可變化，借助于機器人技術(shù)和平行機械學(xué)，通過計算機輸出的指令數(shù)字來調(diào)節(jié)6根支具的長度，改變支架的空間構(gòu)型，達到骨折斷端復(fù)位、矯形或延長的目的，而這一切都是根據(jù)電腦軟件事先設(shè)計、計劃好完成的[10]。Taylor三維空間外固定器代表著外固定器未來發(fā)展的方向，促使骨外固定技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用，由過去的定性走向定量、由描述到數(shù)學(xué)模型發(fā)展的科學(xué)軌道。
　　盡管TSF外固定器的設(shè)計、制作與臨床應(yīng)用已經(jīng)達到了精密、標準化和智能化的程度，但也存在不如人意的地方。如價格昂貴，固定的剛度不能變化，一些特別復(fù)雜的病例如幾種需要治療的問題同時存在時，這些精密的外固定裝置其靈活性顯得不足，此時骨科醫(yī)生和工程師合作，設(shè)計組裝有針對性的、個性化的外固定器來完成治療是國內(nèi)更實際的要求。
　　4 “骨科自然重建理念”的形成與“下肢形態(tài)與功能重建”的臨床應(yīng)用階段

　　以Ilizarov技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代外固定技術(shù)是生物科學(xué)、技術(shù)與人文相結(jié)合的產(chǎn)物，它動搖了很多骨科金科玉律的基本概念和傳統(tǒng)理論，也被稱為“是讓骨科重新思考，改變骨科技術(shù)”的新體系。
　　如何用一個新的理念來反應(yīng)現(xiàn)代外固定技術(shù)的精髓并指導(dǎo)臨床治療?秦泗河提出并詮釋了“骨科自然重建理念”[11]。它的核心思想是：從生物骨骼的起源、演變與人類自然進化史層面探索肢體損傷與重建的發(fā)展史，利用時間變量及其生物學(xué)原理，“調(diào)動人體組織自然修復(fù)的潛能和醫(yī)生的臨床智慧治療骨科創(chuàng)傷與疾病，適度應(yīng)用替代重建，避免對機體過度干預(yù)性治療”。該保留的組織要盡量保留，不該切除的組織不要輕易切除!如為了骨折堅強的固定，超范圍使用鋼板時必然破壞骨膜與血液循環(huán)。治療骨不連為了植骨和內(nèi)固定對骨折斷端進行剝離和部分切除，有可能會發(fā)生新的骨感染與骨缺損。“骨科自然重建理念”是對現(xiàn)在骨科盛行的“替代重建理論體系”的一種補充和糾偏，也為骨科學(xué)的基礎(chǔ)研究提供了一些新的思路，符合由目前的替代外科時代(Replacement Surgery)向再生醫(yī)學(xué)時代(Regenerative Medicine)發(fā)展的方向。
　　治療骨折(包括骨骼畸形截骨矯形后)如何實施合理的固定，只能根據(jù)骨愈合的生物學(xué)規(guī)律，分析、評價、探索合理的固定剛度，并以此進行技術(shù)創(chuàng)新，而不是圍繞固定方法研究固定剛度的合理性。夏和桃依據(jù)“骨科自然重建理念”，提出了“骨折固定的適應(yīng)性剛度概念”[12]。
　　適應(yīng)性固定剛度，是外固定器在維持骨折復(fù)位穩(wěn)定的同時，按照骨胚胎原始發(fā)育方式，提供階段性佳固定剛度，充分利用骨對應(yīng)力的適應(yīng)性控制，調(diào)整骨的生長與吸收，促進骨折愈合的進程，完成骨功能的優(yōu)化重建，直至骨愈合恢復(fù)到完善的程度，即骨折固定的剛度隨著骨愈合的強度的增加而降低，骨力學(xué)強度隨著固定剛度的降低而增加的一個動態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。由此總結(jié)出：骨折早期實施堅強固定，中期提供軸向和綜合應(yīng)力刺激的彈性固定，后期提供平衡固定。這一概念符合骨折固定、愈合、重建的生物學(xué)過程，對外固定技術(shù)在臨床上合理應(yīng)用提供了有實際意義的理論指導(dǎo)。到目前為止，骨折固定的適應(yīng)性剛度只能用骨外固定的方法才能實現(xiàn)。換言之，正確的應(yīng)用骨外固定技術(shù)可加速骨的愈合過程，使骨折達到功能性愈合與塑造的完美狀態(tài)。
　　曲龍?zhí)岢龅墓前嵋?Bone Transport)治療骨缺損過程中的“哈爾濱現(xiàn)象(Harbin phenomenon)”[13]，進一步詳細的闡述了“骨科自然重建的理念”的細節(jié)，包括如何通過具體的時間變量，即每天1 mm移動骨塊(數(shù)字化)，并合理的利用牽拉應(yīng)力與壓縮應(yīng)力(智能化)的變化，后達到組織再生修復(fù)、功能重建的目的。
　　骨搬移“哈爾濱現(xiàn)象”，就是應(yīng)用骨搬移外固定裝置在治療骨缺損過程中，每天1 mm距離逐漸移動被截斷的游離活性骨塊，骨塊在一種牽拉和壓縮應(yīng)力的不斷作用下將缺損部修復(fù)，后骨塊與骨端合攏愈合。在骨搬移過程中，骨缺損內(nèi)有軟組織甚至還有大量的感染組織嵌插在中間，治療前并未切除這些組織，但這些組織后并未影響骨的合攏愈合，甚至一部分變成骨組織，把“骨搬移治療缺損中不需要的軟組織消失或轉(zhuǎn)化成骨組織，包括其它組織的再生現(xiàn)象稱為骨搬移哈爾濱現(xiàn)象”，這種現(xiàn)象是不可思議的!教科書中教的是如何把骨與骨之間的軟組織清除掉，然后再植骨，否則骨是不會愈合的[14]，而骨搬移的過程與結(jié)果恰恰相反，這一信息充分證實了秦泗河在“骨科自然重建理念”中提出的“機體具有極大的自然修復(fù)潛力，醫(yī)生的責(zé)任主要是創(chuàng)造條件，避免對機體過度干預(yù)性治療”的重要性，在牽張應(yīng)力作應(yīng)下，人體組織能根據(jù)自然修復(fù)的要求和過程發(fā)生轉(zhuǎn)化。
　　“骨科自然重建理念” 符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和諧發(fā)展的價值理性、決策理性。人類既然是“自然選擇”的產(chǎn)物，任何創(chuàng)傷和疾病都是生命過程的一部分，治療疾病的醫(yī)療模式就應(yīng)當遵循生命過程的自然規(guī)律。在目前“替代外科”成為骨科主流發(fā)展的大背景下，秦泗河在“下肢形態(tài)與功能重建”領(lǐng)域率先實踐，已引起骨科界某些專家的認可和關(guān)注[15]，如：(1)下肢嚴重髖、膝關(guān)節(jié)畸形需要實施人工關(guān)節(jié)置換者，先用外固定技術(shù)牽拉矯正關(guān)節(jié)畸形后，再實施人工關(guān)節(jié)置換，如此，可顯著降低人工關(guān)節(jié)置換后的并發(fā)癥，提高治療效果;(2)對退行性或創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎通過外固定器持續(xù)牽拉關(guān)節(jié)使之保持一定的關(guān)節(jié)間隙下活動關(guān)節(jié)，從而修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨或改變持重力線，避免或推遲人工關(guān)節(jié)置換的時間;(3)用外固定技術(shù)逐漸完成骨延長后，加入有限的內(nèi)固定技術(shù)，可控髓內(nèi)針的植入可使治療的結(jié)果更加可靠;(4)關(guān)節(jié)鏡技術(shù)(用外固定器牽開關(guān)節(jié)間隙，有利于關(guān)節(jié)鏡優(yōu)勢的發(fā)揮);(5)髖關(guān)節(jié)或股骨畸形的矯正，手術(shù)中先用外固定器調(diào)節(jié)和固定截骨斷端達到矯形要求后，再實施髓內(nèi)釘或鋼板內(nèi)固定;(6)四肢開放性或復(fù)雜性骨折先用簡單的外固定技術(shù)整復(fù)和固定骨折斷端，為實施鋼板等內(nèi)固定技術(shù)提供有利的條件。總之，在實施各種內(nèi)固定治療骨折、人工關(guān)節(jié)置換時，若注意貫徹“骨科自然重建理念”，將會增加替代重建的優(yōu)勢，減少并發(fā)癥。
　　骨外固定技術(shù)涉及病理生理、生物力學(xué)、生物物理、醫(yī)學(xué)工程、骨科基本技術(shù)等多學(xué)科的知識與技能，并非人們想象的“是一種簡單的技術(shù)”。其治療又是一個手術(shù)與非手術(shù)交融、漸進、動態(tài)的過程，張力—應(yīng)力法則因增加了“時間”這個可調(diào)節(jié)的變量，被認為是一種具有哲學(xué)概念的四維相治療方法[16]，醫(yī)生應(yīng)具有“時空一體、因勢利導(dǎo)、有無相生”的哲學(xué)思維意識，掌握醫(yī)患互動、適度交流的臨床藝術(shù)，沒有一個科學(xué)的實事求是的態(tài)度，難以發(fā)揮骨外固定技術(shù)的優(yōu)勢。目前我國骨科醫(yī)生的培養(yǎng)模式，醫(yī)療市場的牽引方向、大醫(yī)院骨科管理制度以及骨科學(xué)術(shù)界的主流引導(dǎo)，不利于骨外固定技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮與推廣。
　　5 現(xiàn)代骨外固定技術(shù)將分解的骨科專業(yè)趨向統(tǒng)一

　　生命的存在形式是統(tǒng)一的整體，人體的運動是整體的統(tǒng)一行動，過分細化的專業(yè)已經(jīng)使骨科學(xué)的整體發(fā)展出現(xiàn)困境。2007年9月在開羅召開的世界骨外固定學(xué)術(shù)會議，分組報告了與骨科相關(guān)的25個專題，幾乎涵蓋包括脊柱矯形的所有骨科專業(yè)，包括手外科、足踝外科的重建、某些骨腫瘤的瘤段切除與肢體重建等?；A(chǔ)研究基本解答了外固定的機械力轉(zhuǎn)化成生物力，如何刺激牽拉區(qū)域的干細胞激活、細胞分裂、生成組織，從而修復(fù)肢體殘缺的機理問題。說明現(xiàn)代骨外固定技術(shù)的理論、技術(shù)與臨床成就，幾乎又將分化的骨外科專業(yè)統(tǒng)一起來。其中組合式的骨外固定器，其穿針、安裝固定的手術(shù)操作過程簡單、快捷，不需要高、頂、尖的設(shè)備，一般的手術(shù)和麻醉條件即可完成，尤其適合突發(fā)性事件：如地震等自然災(zāi)害造成群體性肢體創(chuàng)傷的救治。
　　現(xiàn)代骨外固定技術(shù)已經(jīng)與其它學(xué)科、專業(yè)進行多層次、全方位的聯(lián)合研究與鑲嵌，既往擔(dān)心的嚴重并發(fā)癥已降到低，實現(xiàn)了再生醫(yī)學(xué)肢體重建的一些目標，成為治療疑難骨科雜癥有效、廉價、適宜、微創(chuàng)的外科治療體系。目前臨床上已經(jīng)不同程度的達到對肢體的結(jié)構(gòu)與功能進行自然重建(體塑工程)。正開拓著與人體健康、微循環(huán)重建、美容外科相關(guān)的領(lǐng)域，如頜面整形、侏儒癥增高、矯正成年人內(nèi)、外“八字”步態(tài)，各種瘢痕攣縮性足踝畸形[18]、四肢缺血性疾病[19]、截肢后的殘端延長與重建、嚴重創(chuàng)傷、骨性關(guān)節(jié)炎的牽伸治療等[20]，其中聯(lián)合應(yīng)用髓內(nèi)釘技術(shù)或骨髓內(nèi)延長器的發(fā)明又克服了外固定器的缺點，骨外固定技術(shù)在臨床上尤其是在“下肢重建”領(lǐng)域尚有很大的創(chuàng)新與發(fā)展空間。
　　我國有上千萬嚴重肢體創(chuàng)傷、四肢畸形、汶川大地震后形成的肢體殘缺，眾多傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療的疑難骨科雜癥，需要用現(xiàn)代骨外固定技術(shù)為主導(dǎo)的骨科自然重建理念才能獲得滿意療效。我們應(yīng)當轉(zhuǎn)變觀念、勇于實踐，改革與之不合理的?？乒芾眢w制，創(chuàng)造具有中國特色、使國際社會廣泛認可的“下肢形態(tài)與功能重建”技術(shù)體系。
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