骨外固定技术的发展史与骨科自然重建理念的形成

　作者：秦泗河，曲龙

　　【关键词】 骨外固定技术 发展史 骨科

　　骨外固定技术(technology of external skeletal fixation，TESF)发展到今天，其生物学理论、外固定器(external fixator，EF)功能水平与临床适应证扩展，已出现了突破性的变化，在固定治疗骨折的基础上，能够治疗传统骨科技术难以治疗的严重肢体损伤、残缺，重建肢体的形态和功能。其进展表现为：形成新的生物学和生物力学理论，系列技术创新、器械改进，操作技术的规范完善，以及适应证的合理拓展等方面。其中Ilizarov创立的牵拉成组织技术已经扩展到关节外科、颌面外科、血管外科、脑神经外科等领域，而且对骨科其它相关技术的研究与临床应用具有启示与推动作用。国际上骨外固定技术的发展总体上经历了以下四个阶段，第四阶段是“骨科自然重建理念”的形成和应用阶段。骨外固定技术已经不同程度的渗透到骨科所有专业。
　　1 固定骨折与软组织弹性延展的阶段

　　早使用外固定器治疗骨折的是法国的Malgaigne(1853年)，他设计的爪型外固定器可使髌骨骨折复位同时进行加压固定。
　　1907年比利时的Labotte早使用螺钉在体外固定骨折，这也是文献中早关于外固定的报告，而且这种方法与现代使用的外固定方法几乎没有区别。
　　1934年Anderson使用的外固定器不但可以治疗骨折，还可以做关节固定术和骨延长术，并首先称此方法为骨外固定(external skeletul fixation)。
　　1938年瑞士Hoffmann的外固定器已具备了除了固定骨折，同时还可以进行延长短缩和对各种变形矫正的功能，堪称外固定器发展的里程碑。
　　1948年英国的Charnley报告了应用外固定对膝关节融合后进行加压固定，这种方法使骨折愈合时间加快2～3倍，以后加压治疗骨折被全世界认同采用，这也是首先对骨外固定进行的理论阐述。
　　早报告骨延长的是Codivillani(1905年)，方法是截断股骨，然后利用跟骨牵引进行骨延长。使用外固定架做骨延长的代表人物是德国的Wagner(1970年)，其方法是截骨后用外固定架牵开，然后再做植骨内固定手术，这种骨延长治疗至少要三次手术才能完成。
　　1970年意大利的De.Bastiani设计出一种单边、简便、具有伸缩作用的动态外固定架及其骨折动态的外固定理念，在世界范围得到推广。
　　对以上阶段总的评价，这个时期的骨外固定器(也称外固定架)，其应用技术的要求、治疗作用类似钢板等内固定技术，主要用于治疗骨折、关节加压融合。也成功的用于实施肢体延长与畸形矫正，但器械的构型简单，缺乏系统的生物力学研究，理论认识局限在加压或植骨能促进骨愈合，骨干延长术主要采用“Z”型截骨，软组织弹性延展受到神经、血管的限制，因此，肢体延长的比例，一般控制在所延长骨干长度的25%以内。这个阶段一直持续到1985年Ilizarov生物学理论与技术在全世界广泛传播之前。
　　2 生物学原理(张力-应力法则)指导下的组织再生管理治疗阶段

　　俄罗斯Ilizarov医生在20世纪60年代发现的“张力-应力法则”生物学理论，即“生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂、生成组织，从而可修复肢体的各种缺损”，这种简称“张应力骨再生”的生物学原理，被誉为是20世纪外科领域伟大的发现。它与其它切除外科、以替代为主的骨科治疗方法(假体置换或游离组织移植等)大的不同是，医生应用外固定技术的缓慢推拉产生应力，刺激自身局部组织细胞的分裂再生机能，来达到畸形矫正、感染愈合、组织缺损修复等治疗目的，也称为应力刺激理论(应力刺激可分为张应力、压应力和微动应力刺激)。
　　Ilizarov发明了系列环形外固定器、200多种外固定器附件，形成了标准的骨穿针固定临床应用技术体系。1981年这一理论与技术传到意大利，1986年后逐渐传遍全世界。在中国、欧洲、美国又进行了深入的基础研究，将内固定技术、工程技术、信息技术等多种新的技术与其融合、渗透，绽放出新的光彩。使骨外固定技术在治疗复杂骨折，加压促进骨折断端愈合的基础上，发展到医生可控制的牵拉性骨再生(distraction osteogenes,DO)阶段[1]，即在骨外固定技术的条件下，其骨塑形(bone modeling)与骨重建(bone remodeling)过程，会随肢体的负荷运动而变化，表现为运动使骨量增加[2]。当前国际上各个学者发明的骨外固定器，虽然构型、穿针布局与临床应用方法有别，但都在遵循着DO技术的生物学原理，真正体现了动静结合、筋骨并重的骨科治疗原则。
　　肢体是复合组织，所有参入牵伸的肌肉、筋膜、神经、皮肤等软组织在缓慢牵拉下，皆有类似胚胎发育过程的细胞分裂与组织生成，简称“牵拉成组织(distraction histogenesis，DH)技术。在这一理念涵盖下，使骨外固定技术体系不同程度的应用到骨科绝大多数的创伤、疾病的治疗。而且能够治疗传统骨科技术难以治疗甚至不能治疗的一些重度肢体残缺和疑难骨科杂症，如四肢复杂的开放创伤、大段骨缺损、慢性骨髓炎，先天或后天性严重关节挛缩和四肢畸形，先天性胫骨假关节、四肢缺血性疾病、骨性关节炎等[3～7]。国内率先进行牵拉成骨技术研究的是李起鸿教授，他20世纪80～90年代的系列基础与临床研究，奠基了我国现代骨外固定技术发展的基础。
　　3 计算机数字化与空间结构智能化阶段

　　外固定器的发展方向是坚固、通用、可调、精确、智能。Ilizarov的环形外固定器虽然使用比较繁杂，但它奠定了外固定技术完成“时间变量、数字化管理、智能化和空间架构”应用的基础。美国Dror Paley等在学习、应用、总结Ilizarov技术体系的基础上，创立了以下肢的机械轴、解剖轴、关节线进行量化表达的术前分析方法，简称下肢畸形矫正的“成角旋转中心(the center of roration angulati on,CORA)概念，手术前只要按照CORA方法对肢体畸形进行划线分析，由此确定截骨固定与矫形方法，就不会出现治疗策略的失误。CORA是国际矫形骨科发展史上出现的具有普遍指导意义的方法与原则[8]。2002年Dror Paley出版了影响世界矫形骨科进程的“矫形外科原则”专著[9]，从此，各种下肢骨与关节畸形的矫正与重建，由过去主要靠医生的临床经验判断进入了简单、易学的量化时代。
　　1994年美国J Charles Taylor等，在Ilizarov环形外固定器的基础上，设计成数字化的“空间架构”外固定器(Taylor Spatial fr[x]ame，TSF)。该器械的设计是基于StewartGough平台的基本概念，在八面体的每一个面被设计成平台，与之对应的被设计成基础面，连接基础面到平台的6根支柱，其长度、空间可变化，借助于机器人技术和平行机械学，通过计算机输出的指令数字来调节6根支具的长度，改变支架的空间构型，达到骨折断端复位、矫形或延长的目的，而这一切都是根据电脑软件事先设计、计划好完成的[10]。Taylor三维空间外固定器代表着外固定器未来发展的方向，促使骨外固定技术在骨科的临床应用，由过去的定性走向定量、由描述到数学模型发展的科学轨道。
　　尽管TSF外固定器的设计、制作与临床应用已经达到了精密、标准化和智能化的程度，但也存在不如人意的地方。如价格昂贵，固定的刚度不能变化，一些特别复杂的病例如几种需要治疗的问题同时存在时，这些精密的外固定装置其灵活性显得不足，此时骨科医生和工程师合作，设计组装有针对性的、个性化的外固定器来完成治疗是国内更实际的要求。
　　4 “骨科自然重建理念”的形成与“下肢形态与功能重建”的临床应用阶段

　　以Ilizarov技术为基础的现代外固定技术是生物科学、技术与人文相结合的产物，它动摇了很多骨科金科玉律的基本概念和传统理论，也被称为“是让骨科重新思考，改变骨科技术”的新体系。
　　如何用一个新的理念来反应现代外固定技术的精髓并指导临床治疗?秦泗河提出并诠释了“骨科自然重建理念”[11]。它的核心思想是：从生物骨骼的起源、演变与人类自然进化史层面探索肢体损伤与重建的发展史，利用时间变量及其生物学原理，“调动人体组织自然修复的潜能和医生的临床智慧治疗骨科创伤与疾病，适度应用替代重建，避免对机体过度干预性治疗”。该保留的组织要尽量保留，不该切除的组织不要轻易切除!如为了骨折坚强的固定，超范围使用钢板时必然破坏骨膜与血液循环。治疗骨不连为了植骨和内固定对骨折断端进行剥离和部分切除，有可能会发生新的骨感染与骨缺损。“骨科自然重建理念”是对现在骨科盛行的“替代重建理论体系”的一种补充和纠偏，也为骨科学的基础研究提供了一些新的思路，符合由目前的替代外科时代(Replacement Surgery)向再生医学时代(Regenerative Medicine)发展的方向。
　　治疗骨折(包括骨骼畸形截骨矫形后)如何实施合理的固定，只能根据骨愈合的生物学规律，分析、评价、探索合理的固定刚度，并以此进行技术创新，而不是围绕固定方法研究固定刚度的合理性。夏和桃依据“骨科自然重建理念”，提出了“骨折固定的适应性刚度概念”[12]。
　　适应性固定刚度，是外固定器在维持骨折复位稳定的同时，按照骨胚胎原始发育方式，提供阶段性佳固定刚度，充分利用骨对应力的适应性控制，调整骨的生长与吸收，促进骨折愈合的进程，完成骨功能的优化重建，直至骨愈合恢复到完善的程度，即骨折固定的刚度随着骨愈合的强度的增加而降低，骨力学强度随着固定刚度的降低而增加的一个动态的转化过程。由此总结出：骨折早期实施坚强固定，中期提供轴向和综合应力刺激的弹性固定，后期提供平衡固定。这一概念符合骨折固定、愈合、重建的生物学过程，对外固定技术在临床上合理应用提供了有实际意义的理论指导。到目前为止，骨折固定的适应性刚度只能用骨外固定的方法才能实现。换言之，正确的应用骨外固定技术可加速骨的愈合过程，使骨折达到功能性愈合与塑造的完美状态。
　　曲龙提出的骨搬移(Bone Transport)治疗骨缺损过程中的“哈尔滨现象(Harbin phenomenon)”[13]，进一步详细的阐述了“骨科自然重建的理念”的细节，包括如何通过具体的时间变量，即每天1 mm移动骨块(数字化)，并合理的利用牵拉应力与压缩应力(智能化)的变化，后达到组织再生修复、功能重建的目的。
　　骨搬移“哈尔滨现象”，就是应用骨搬移外固定装置在治疗骨缺损过程中，每天1 mm距离逐渐移动被截断的游离活性骨块，骨块在一种牵拉和压缩应力的不断作用下将缺损部修复，后骨块与骨端合拢愈合。在骨搬移过程中，骨缺损内有软组织甚至还有大量的感染组织嵌插在中间，治疗前并未切除这些组织，但这些组织后并未影响骨的合拢愈合，甚至一部分变成骨组织，把“骨搬移治疗缺损中不需要的软组织消失或转化成骨组织，包括其它组织的再生现象称为骨搬移哈尔滨现象”，这种现象是不可思议的!教科书中教的是如何把骨与骨之间的软组织清除掉，然后再植骨，否则骨是不会愈合的[14]，而骨搬移的过程与结果恰恰相反，这一信息充分证实了秦泗河在“骨科自然重建理念”中提出的“机体具有极大的自然修复潜力，医生的责任主要是创造条件，避免对机体过度干预性治疗”的重要性，在牵张应力作应下，人体组织能根据自然修复的要求和过程发生转化。
　　“骨科自然重建理念” 符合现代医学和谐发展的价值理性、决策理性。人类既然是“自然选择”的产物，任何创伤和疾病都是生命过程的一部分，治疗疾病的医疗模式就应当遵循生命过程的自然规律。在目前“替代外科”成为骨科主流发展的大背景下，秦泗河在“下肢形态与功能重建”领域率先实践，已引起骨科界某些专家的认可和关注[15]，如：(1)下肢严重髋、膝关节畸形需要实施人工关节置换者，先用外固定技术牵拉矫正关节畸形后，再实施人工关节置换，如此，可显著降低人工关节置换后的并发症，提高治疗效果;(2)对退行性或创伤性关节炎通过外固定器持续牵拉关节使之保持一定的关节间隙下活动关节，从而修复关节软骨或改变持重力线，避免或推迟人工关节置换的时间;(3)用外固定技术逐渐完成骨延长后，加入有限的内固定技术，可控髓内针的植入可使治疗的结果更加可靠;(4)关节镜技术(用外固定器牵开关节间隙，有利于关节镜优势的发挥);(5)髋关节或股骨畸形的矫正，手术中先用外固定器调节和固定截骨断端达到矫形要求后，再实施髓内钉或钢板内固定;(6)四肢开放性或复杂性骨折先用简单的外固定技术整复和固定骨折断端，为实施钢板等内固定技术提供有利的条件。总之，在实施各种内固定治疗骨折、人工关节置换时，若注意贯彻“骨科自然重建理念”，将会增加替代重建的优势，减少并发症。
　　骨外固定技术涉及病理生理、生物力学、生物物理、医学工程、骨科基本技术等多学科的知识与技能，并非人们想象的“是一种简单的技术”。其治疗又是一个手术与非手术交融、渐进、动态的过程，张力—应力法则因增加了“时间”这个可调节的变量，被认为是一种具有哲学概念的四维相治疗方法[16]，医生应具有“时空一体、因势利导、有无相生”的哲学思维意识，掌握医患互动、适度交流的临床艺术，没有一个科学的实事求是的态度，难以发挥骨外固定技术的优势。目前我国骨科医生的培养模式，医疗市场的牵引方向、大医院骨科管理制度以及骨科学术界的主流引导，不利于骨外固定技术优势的发挥与推广。
　　5 现代骨外固定技术将分解的骨科专业趋向统一

　　生命的存在形式是统一的整体，人体的运动是整体的统一行动，过分细化的专业已经使骨科学的整体发展出现困境。2007年9月在开罗召开的世界骨外固定学术会议，分组报告了与骨科相关的25个专题，几乎涵盖包括脊柱矫形的所有骨科专业，包括手外科、足踝外科的重建、某些骨肿瘤的瘤段切除与肢体重建等。基础研究基本解答了外固定的机械力转化成生物力，如何刺激牵拉区域的干细胞激活、细胞分裂、生成组织，从而修复肢体残缺的机理问题。说明现代骨外固定技术的理论、技术与临床成就，几乎又将分化的骨外科专业统一起来。其中组合式的骨外固定器，其穿针、安装固定的手术操作过程简单、快捷，不需要高、顶、尖的设备，一般的手术和麻醉条件即可完成，尤其适合突发性事件：如地震等自然灾害造成群体性肢体创伤的救治。
　　现代骨外固定技术已经与其它学科、专业进行多层次、全方位的联合研究与镶嵌，既往担心的严重并发症已降到低，实现了再生医学肢体重建的一些目标，成为治疗疑难骨科杂症有效、廉价、适宜、微创的外科治疗体系。目前临床上已经不同程度的达到对肢体的结构与功能进行自然重建(体塑工程)。正开拓着与人体健康、微循环重建、美容外科相关的领域，如颌面整形、侏儒症增高、矫正成年人内、外“八字”步态，各种瘢痕挛缩性足踝畸形[18]、四肢缺血性疾病[19]、截肢后的残端延长与重建、严重创伤、骨性关节炎的牵伸治疗等[20]，其中联合应用髓内钉技术或骨髓内延长器的发明又克服了外固定器的缺点，骨外固定技术在临床上尤其是在“下肢重建”领域尚有很大的创新与发展空间。
　　我国有上千万严重肢体创伤、四肢畸形、汶川大地震后形成的肢体残缺，众多传统骨科技术难以治疗的疑难骨科杂症，需要用现代骨外固定技术为主导的骨科自然重建理念才能获得满意疗效。我们应当转变观念、勇于实践，改革与之不合理的专科管理体制，创造具有中国特色、使国际社会广泛认可的“下肢形态与功能重建”技术体系。
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