微创双板矫治漏斗胸的术中力学测量及影响因素*

徐 波 刘吉福 谭 健 叶金铎 刘克强 张春秋

(北京军区总医院胸外科，北京 100700)

·论著·

微创双板矫治漏斗胸的术中力学测量及影响因素*

徐 波 刘吉福**谭 健 叶金铎①刘克强 张春秋①

(北京军区总医院胸外科，北京 100700)

目的探讨微创双矫形板矫治漏斗胸的生物力学及影响因素。方法2012年7月～2013年2月，连续对38例漏斗胸(儿童组和成人组各19例)行微创双矫形板矫治术。术前测量胸围、身高和体重；胸部CT扫描三维重建并测量漏斗胸指数(Haller index，HI)。用微创方法矫治，术中均使用2根矫形板；并用电子显示拉力计测量抬举胸骨单纯成形力、施压成形力和矫形板支撑压力，专用软件分析。结果38例用2根矫形板术中所测支撑胸壁的压力成人组高于儿童组，但仅有下板施压成形力[成人(207.2±37.0)N，儿童(175.2±36.8)N，t=2.670，P=0.011]和上板的矫形板压力[成人(75.1±21.9)N，儿童(60.6±13.7)N，t=2.249，P=0.020]，2组差异有显著性(P<0.05)；2组组内比较上、下板压力差异均无显著性。成人组下板单纯成形力、施压成形力和上板施压成形力与胸围显著正相关(r=0.545、0.681、0.581，P=0.016、0.001、0.009)，上板和下板单纯成形力、施压成形力与体重显著正相关(r=0.504、0.704和0.483、0.614，P=0.028、0.001和0.036、0.005)；而3个压力与身高无关。儿童组3个压力与身高、体重、胸围均无关。结论微创矫治漏斗胸术中胸廓成形力成人高于儿童，抬举胸骨压力强度与成人的胸围、体重有关。

漏斗胸； 微创外科治疗； 矫形力学

漏斗胸微创矫治的生物力学研究目前仅限于有限元分析[1～4]，而术中胸廓成形的生物力学变化少有报道。我们2012年7月～2013年2月连续对38例漏斗胸行微创双矫形板矫治，分析矫形过程中胸廓成形的力学变化及影响因素，报道如下。

1 临床资料与方法

1.1 一般资料

本研究经我院伦理委员会批准(201206069)。患者术前签署手术知情同意书(包括术中测压内容)。

病例选择标准：①漏斗胸诊断明确，胸部CT显示胸骨或(和)肋软骨对心脏有压迫；②胸骨和相连肋软骨凹陷范围广泛；③无相关手术禁忌证。

本组38例，男33例，女5例。儿童组(<18岁)19例，年龄11～17岁；成年组(≥18岁)19例，年龄18～44岁。31例有症状(可以是一种症状或2、3种症状共存)，其中活动耐力低20例，胸闷或偶有胸痛16例。胸部体格检查和胸部正侧位片、胸部CT、胸廓三维成形提示Ⅰ型17例，Ⅱ型21例。漏斗胸指数(Haller index, HI)3.2～7.50，4.18±1.10。见表1。

表1 2组漏斗胸的一般资料(n=19)

1.2 方法

1.2.1 测压装置 电子显示拉力计(艾固ZP-1000N，香港)，有数据输出接口与电脑连接，电脑安装有专门分析软件。测压时，拉力计的测力端与术中扩展钳或矫形板两端孔借牵引带连接；牵引拉力计的一端牵引绳穿过固定在手术台两侧竖杆上的滑轮，当测量时缓慢用力牵拉牵引绳，直至完成测压。两侧端的所测压力之和为胸廓的整体矫形力值，单位牛顿(N)(图1)。测量压力时设定的采样速率为250次/s，每次测量从开始到结束电脑视屏上以曲线的形式显示，当鼠标指在曲线的任何点都可以获取读数；每例采样数据储存并用软件进行分析，显示峰值、平均值。

1.2.2 微创双矫形板矫形手术 全身麻醉，仰卧位，取胸骨凹陷最重的部位相当于第3、5前肋水平两侧腋中线分别切口3.0 cm，切开皮肤、皮下、肌层。在胸腔镜全程监视下自一侧切口进扩展钳经胸骨后在对侧切口穿出，成形后再引入已经制备好的矫形板，将弓背翻转向前，矫形板两端置横行固定翼板。术后门诊随访胸廓外形、胸部CT及三维成形，测量胸骨与脊柱前缘的距离和HI。

1.2.3 漏斗胸术中成形压力的测定 自一侧腋中线切口将扩展钳穿入并通过胸骨后在对侧切口穿出，扩展钳的两端用线带与电子显示拉力计连接，用力牵引拉力计相连的牵引绳测压。测压分3个阶段获取压力数值：①单纯成形压力，牵拉抬举扩展钳两端，使凹陷的胸骨部位矫正，而胸背部伸展不离开手术台面；②施压成形压力，在牵拉抬举扩展钳两端时，同时术者再用手对外翻的肋弓施压；③矫形板压力，将按胸壁畸形制备好的矫形板置入胸骨后，翻转其弓背朝前，在矫形板两端孔穿入线带，再次与电子拉力计连接，用力缓慢牵拉拉力计，用2 mm厚的电刀头探查矫形板与承受压力的肋骨分离时所记录的压力。采用专用分析软件获得每例术中成形压和矫形板对胸壁压力的峰值压和平均压。

1.2.4 数据分析与统计处理 采用SPSS17.0软件，用独立样本t检验比较不同胸廓成形力、组内上下板之间压力；将胸廓成形压力与胸围、身高、体重做直线相关性分析。

2 结果

本组按设计要求全部完成手术矫治和术中测压。

2.1 术中压力测量结果

38例用2根矫形板术中所测支撑胸壁的压力成人组高于儿童组，但仅有下板施压成形力和上板的矫形板压力2组差异有显著性(P<0.05)(表2)。成人组和儿童组上、下板单纯成形力均明显高于矫形板支撑力(成人组t=7.578、8.379，儿童组t=7.492、7.726，P均=0.000)；而2组组内比较上、下板压力差异均无显著性。

表2 38例漏斗胸用双矫形板术中矫形压力 N

2.2 胸围、身高、体重与单纯抬举成形力、施压抬举成形力和矫形板支撑压力的相关性

成人组下板单纯成形力、施压成形力和上板的施压成形力与胸围显著正相关，上、下板单纯成形力、施压成形力与体重显著正相关；而身高与3个压力无关。儿童组胸围、身高、体重三种因素与成形压力均无显著相关性。见表3。

2.3 术中和术后情况

术中胸廓成形以施压成形过程中的抬举压力最大，抬举力对胸壁产生的是张力，其最大的张力在104～322 N。术后7天胸片和胸部CT三维重建未发现胸廓骨损害，仅在胸骨深度凹陷患者中因肋骨弹性低，而肋软骨向前牵拉致使肋软骨与肋骨连接处明显成角改变，未发生肋骨和肋软骨间分离现象(图2)。

术后随访8～20个月，平均13.6月。术后胸骨向前移位11～29 mm，(18.0±3.1)mm；术后HI儿童组2.80±0.32，成人2.73±0.28。按疗效评价标准[5]术后优良率97.4%(37/38)(优34例，良3例)。

表3 用2根矫形板术中胸围、身高和体重与矫形压力的相关性

图1 漏斗胸术中测力系统 A-电子显示拉力计；B-电子显示拉力计相连接的微机实时显示及分析系统 图2 患者男，22岁，漏斗胸微创矫治术后7天胸部CT轴位扫描，胸骨抬举后牵拉使肋骨、肋软骨间成角(箭头)

3 讨论

微创矫治漏斗胸是一种不需要切断畸形肋软骨、保持胸廓完整性的一次性抬举成形技术[5～7]。此种成形与开放性手术比较对胸骨的支撑力需要更大。这种支撑力反作用于胸廓，可反映出胸骨和胸廓骨所发生的张力变化，以及矫形板翻转后其支撑矫形板的肋骨所承受的压力。临床了解漏斗胸成形过程中的实际压力，更有助于确定胸廓成形过程对胸廓产生的张力和压力是否损害骨性胸廓；也可以反映出支撑矫形板对肋骨局部变形改变与所承受压力程度的关系，以指导手术方案的设计，提高疗效。本研究通过前瞻性设计获得临床矫形过程中实际成形的生物力学与可能的影响因素，如胸围、身高、体重等，现对以下问题重点讨论。

随着社会环境和生活质量的变化，青少年发育中身高和体重已发生明显变化，儿童期多已显著超过其相应年龄的身高和体重，接近成年人，但其胸廓弹性等内在的变化是否存在差异，通过成形过程中生物力学的变化可以反映其骨性胸廓的骨化程度和弹性。本研究将患者的身高、体重、胸围列为漏斗胸胸廓成形力的可能影响因素。

3.1 漏斗胸矫治过程力学变化的影响因素

漏斗胸微创矫治术中经过单纯成形、施压成形和翻转后的矫形板对胸骨支撑的持续成形力，前2个过程是外力强制成形，使长期凹陷的胸骨一次性完成抬举，相连肋软骨经过抬举后得以伸展，经过此种成形后凹陷的胸骨及相连肋骨、肋软骨顺应性明显改善，而后将已制备好的矫形板再置入胸骨后，此时矫形板所需要的对胸骨的支撑力明显减低，大大缓解了矫形板支撑作用对骨性胸廓成形产生的张力，这一变化经过术中不同过程的测压得到证实。设想中年龄是影响骨性胸廓成形力学的重要因素之一，因为随着年龄的增加，胸廓骨尤其是肋骨和肋软骨骨化和钙化明显增加，胸廓弹性降低；另外，胸围、身高、体重、性别应该与胸廓骨的容积一致，尤其是肋骨的粗细程度有关。从理论上讲，肋骨越粗，胸廓成形时所需要的支撑力越大。本研究第一部分[8]已经证实，使用单根矫形板中，儿童组以身高和体重因素与胸廓成形力学有显著相关，青年组则以胸围和体重明显。本文为该项研究的第二部分，使用2根矫形板3种影响因素有所不同，成人主要与胸围、体重显著相关，而儿童组中3种因素与胸廓成形过程无显著相关性。这说明胸围、身高、体重在儿童和成人对胸廓的影响有所不同，其成形过程中矫形板对胸廓骨产生的张力成人主要与胸围和体重有显著相关性；而儿童胸廓成形的力学张力与胸围、身高、体重无显著相关。也表明尽管儿童的身高、胸围、体重接近成年人，但其胸廓骨的弹性仍优于成人。

3.2 漏斗胸矫治中使用矫形板的数量和矫形板的位置影响胸廓支撑力的分布

矫形板的使用数量主要根据胸骨凹陷的范围，胸骨凹陷范围广泛者(与分型对应的是Ⅰb、Ⅱa3、Ⅱb型)多使用2根矫形板。2根矫形板上、下板之间的胸廓成形力是否有所不同，我们未见临床报道。已有报道[3,4]使用1根矫形板后其胸骨上段下沉，或术后疼痛增加；而使用2根矫形板术后较1根者疼痛轻。1根矫形板的支撑压力青年组大于儿童组，而且有统计学差异[8]。2根矫形板与1根相比则应该是分散了举起凹陷胸骨的力，但2根矫形板所承受的压力有所不同，上板高于下板，但2根矫形板间无统计学差异。可能因为下板支撑了胸骨下端，向前抬举胸骨的支撑力沿胸骨向上传递并形成使胸骨向后移位的反向作用力，这种反作用力可能导致上板压力略高于下板[9]。

3.3 微创矫治漏斗胸术中施压成形对胸骨及肋骨的影响

漏斗胸微创矫治过程中当扩展钳穿过胸骨后，常通过抬举穿出胸廓的扩展钳两端，同时对外翻的肋弓施压，使凹陷的胸骨达到初步成形，也为此后置入的矫形板减轻了支撑力，这一过程尽管胸廓所承受的张力最高达到322 N，但并未对胸廓骨造成损伤；而对胸骨及肋骨、肋软骨严重向内凹陷的患者，因肋骨和肋软骨弹性系数不同，当抬举胸骨时，肋软骨则随胸骨向前伸展，而肋骨的伸展度较差，致使肋软骨向前牵拉与肋骨间形成一定角度，肋骨、肋软骨交界处分离现象很少见；在北京军区总院已治疗的700例中有2例发生。此种情况对患者并无影响，仅局部外形有凹陷表现。

3.4 微创矫治漏斗胸的力学变化可以影响疗效

矫形板翻转后所承受的矫形压力可代表支撑矫形板的受压肋骨之载荷，压力越大，支撑矫形板的肋骨凹陷越明显。当然还与肋骨走行有关，当肋骨向前下直行时，则肋骨远离肋软骨与胸骨的连接，所承受压力薄弱；反之，肋骨可承受较强的压力。矫形板对承受压力薄弱的肋骨施压时，常沿肋骨走行发生凹陷，使前胸壁外形不平；另外，胸骨抬举后肋软骨与肋骨连接处形成向前屈曲成角，该部位也会出现局部凹陷，这些都会影响胸廓的外形及饱满度。

漏斗胸微创矫治所需要的抬举成形力成人高于儿童，成年人的主要影响因素是患者胸围和体重。这一结果显示，微创矫治漏斗胸的力学变化不会造成骨性胸廓的损害，而且有利于指导临床个体化设计手术方案。

1 Nagasao T,Miyamoto J,Tamaki T,et al.Stress distribution on the thorax after Nuss procedure for pectus excavatum results in different patterns between adult and child patients.J Thorac Cardiovasc Surg,2007,134(6):1502-1507.

2 Chang PY，Hsu ZY,Chen DP,et al.Preliminary analysis of the forces on the thoracic cage of patients with pectus excavatum after the Nuss procedure.Clin Biomech (Bristol,Avon),2008,23(7):881-885.

3 Olbrecht VA,Abdullah F,Arnold MA,et al.Upper sternal depression following Lorenz bar repair of pectus excavatum.Pediatr Surg Int,2008,24(7):843-846.

4 Nagasao T,Miyamoto J,Kokaji K,et al.Double-bar application decrease postoperative pain after the Nuss procedure.J Thorac Cardiovasc Surg,2010,140(1):39-44.

5 刘吉福，刘 涛，徐 波，等.微创外科治疗成人漏斗胸疗效观察.中国修复与重建杂志,2012，26(9)：1084-1087.

6 Kelly RE,Goretsky MJ,Obermeyer R,et al.Twenty-one years of experience with minimally invasive repair of pectus excavatum by the Nuss procedure in 1215 patients.Ann Surg,2010,252(6):1072-1081.

7 刘吉福，薛文平，刘克强,等.成人漏斗胸胸腔镜辅助矫治32例.中华胸心血管外科杂志,2010，26(2):129-130.

8 裴迎新,刘吉福,谭 健,等.漏斗胸微创单根板矫治胸廓成形的生物力学及影响因素.生物医学工程与临床,2013，17(5)：446-449.

9 刘吉福，叶金铎，徐 波,等.微创矫治漏斗胸后时间延展胸廓骨重塑的临床研究.生物医学工程与临床，2011，15(6)：555-558.

(修回日期：2014-03-24)

(责任编辑：王惠群)

BiomechanicalMeasurementDuringOperationandItsInfluencingFactorsforPectusExcavatumTreatedbyMinimallyInvasiveRepairwithTwoStruts

XuBo,LiuJifu,TanJian,etal.

DepartmentofThoracicSurgery,GeneralHospitalofBeijingMilitaryRegion,Beijing100700,China

LiuJifu,E-mail:liujf200809@sina.com

ObjectiveTo investigate biomechanical features and influencing factors of the pectus excavatum (PE) repaired by minimally invasive surgery with two struts.MethodsFrom July 2012 to February 2013, a total of 38 consecutive patients (19 cases of children and 19 cases of adults) with PE were given minimally invasive surgery with two struts. Preoperatively, thoracic circumference, height, and body weight were measured, and the Haller index was recorded by thoracic three-dimensional CT reconstruction. The patients were corrected by minimally invasive surgery with two struts. The mechanics of the lifting merely the sternum forming, lifting and pressing forming, and the strut pressure were measured by electron display pull dynamometer during operation. The data were analyzed by the special-purpose software.ResultsThe strut pressure during operation was more higher in the adult group than in the child group, but only pressing vis formative [adult (207.2±37.0) N, child (175.2±36.8) N,t=2.670,P=0.011] in the lower strut and the strut pressure [adult (75.1±21.9) N, child (60.6±13.7) N,t=2.249,P=0.020] in the upper strut existed had significant difference between the two groups (P<0.05). However, no significant difference was found between the lower and upper strut pressure in the same group. In the adult group, mechanics of the lifting merely the sternum forming, lifting and pressing forming on the lower strut, and lifting and pressing forming on upper strut were positively correlated to thoracic circumference (r=0.545, 0.681, 0.581;P=0.016, 0.001, 0.009). The mechanics of the lifting merely the sternum forming, lifting and pressing forming on the lower and upper strut were positively correlated to body weight(upper strut:r=0.504,0.704,P=0.028,0.001;lower strut:r=0.483,0.614,P=0.036,0.005). The three forming mechanics were not correlated to height. In the child group, all three forming mechanics were not correlated to the thoracic circumference, body weight, or height.ConclusionsThe thoracic vis formative during PE repaired by minimally invasive surgery is higher in adults than in children. The pressure intensity of the sternum raised is correlated to thoracic circumference and body weight in adults.

Pectus excavatum; Minimally invasive surgery; Orthopedic mechanics

国家自然基金资助(11372221)

R655.1

：A

：1009-6604(2014)07-0637-05

10.3969/j.issn.1009-6604.2014.07.019

2014-01-06)

**通讯作者，E-mail:liujf200809@sina.com

①(天津理工大学生物力学研究所，天津 300191)