书城医学儿童骨与关节损伤
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第5章 儿童骨折的生物学与生物力学(2)

生长板或骺板是软骨内化骨的基本机制,骺板的主要功能是迅速的纵向生长。骺板损伤是骨骼未发育成熟儿童的特有损伤。因为骺板软骨可透X线,除了生理性骨干与骨骺愈合的最后阶段,需要从干骺端的轮廓推断骶板的X线轮廓,因为干骺端轮廓与骺板的轮廓相移行。次级骨化中心的増大更有效的界定骨骺侧的轮廓。随着骨化中心的离心性増大,原来圆形的骨化中心变成扁平状,并逐渐发育成与干骺端相平行的轮廓。临近骺板的骨化中心形成明显的软骨下骨板,骨骺的血管只有穿过骨板才能到达骺板的生发层。如果骨折损伤软骨下骨板,将引起飯板局部缺血性损害。

如果骨骺的某段血管因创伤而受到损害,无论是暂时还是永久性损害,由此段血管所供血的细胞区,则不能进行适当的细胞分裂増殖。与此相比较而言,未受影响的骺板将继续横向和纵向生长,使发生缺血损伤部分的骺板落后于正常的骺板。临近损害的细胞生长速率比远离部位的细胞更易受到机械性的影响,不同的生长速率导致成角畸形或纵向生长障碍,也可同时出现两种畸形。

干骺端的血供中断对骺板生发层软骨细胞増殖没有影响,也不影响骺板肥大细胞层软骨的成熟。然而,软骨向骨组织转变却受到阻碍,引起受累的部位増宽,更多的软骨细胞堆积而不能被干骺端的血管侵入和骨组织替代。一旦干骺端恢复了中断的血供,増宽、钙化的骺板区域将迅速骨化,使骺板恢复正常的宽度。在骺板和干骺端骨折可观察到这种机制。干骺端的血供因骨折分离、压缩而暂时中断,需要3-4周才能恢复。干骺端骨折引起的血供障碍,将使缺血区的成骨活动暂时中断,将产生明显的硬化反应。而临近有正常血供的部分则出现废用性骨质疏松。与骨骶侧的血供损害相比较,干骶端的血运损害对骺板的横向和纵向生长几乎没有影响。Tmesta曾对骺板缺血的损害进行了广泛的研究,发现骨骺血供中断可引起暂时或永久的生长停止,

骺板的中央区域比周围部分对缺血更为敏感,可能周围部分随着纵向生长,会获得不同程度的恢复。缺血性损害将导致受累部分骺板出现生长缓慢,骺板轮廓也有明显改变。某些改变可能是静脉淤滞而不是动脉损伤所致。

骨突也是儿童的特殊结构,骨突是骨骼的突起,为肌腱和肌肉提供附丽点。在儿童的骨突与骨骼之间,有组织学上相似骺板的结构。由于骨突的形状和大小,与肌腱牵拉的力量大小有关,因此,将这些骨突又称为牵拉性骨突。

胫骨结节的组织学成分与其他骨突不完全相同,主要由纤维软骨而不是柱状排列的软骨所构成,是对张应力反应所产生的结构。然而,初期骨性次级骨化中心出现于结节的远端骨组织之间,易受张应力作用而断裂,产生部分骨化中心撕脱性骨折。在撕脱部分与深面未移位部分的愈合过程,可产生有症状的反应性过度生长,称为Osgood-Schlatter病。与此相似,在骨化中心接近闭合的晚期,过大的张应力可引起整个结节撕脱。

儿童早期的骨突由软骨构成,位于骨骼的侧方或一端。在一定的年龄,在骨突中央出现次级骨化中心,与长骨次级骨化中心有些相似。骨突骨化中心与邻近骨骺相融合,例如胫骨结节骨突与胫骨近端骨骺相融合;或者仍然保持独立的骨化中心,例如股骨大粗隆骨突。最后,骨突骨化中心与邻近骨骼之间的骺板闭合,使骨突与所在骨骼相融合。骨突与骨骼之间的骺板是最薄弱的部位,附丽在骨突的肌腱产生很大的牵拉外力,通常可产生骨突的撕脱性骨折,而不发生肌腱断裂。

(第二节)创伤反应

从胚胎早期到青春期,骨骼肌肉系统的生长、发育均处于不断变化的复杂过程之中。相互联系的纤维组织、腱性组织、软骨和骨组织,在宏观和微观的形态模式由基因控制(基因型),也受到机械和生理需要的调节(表型)。这些反应的相互作用影响着上述组织细胞外基质的质量和数量。

为了理解不同部位骨骼对损伤的易感性和修复反应,必须了解出生后赋予与年龄有关的软骨-骨骼特征性发育的因素。掌握有关出生后软骨-骨骼发育的知识,是探讨诊断、治疗儿童损伤以及并发症的较好途径。某些儿童特殊的并发症如生长机制的损伤,在正常生长和成熟的过程中将愈来愈重。

与相对静止、发育成熟的成年人骨骼比较,儿童骨骼尚未发育成熟。儿童骨骼的结构将不断变化,生理、生物力学功能的差异,容易遭致不同形式的损伤。即使某一骨骼的损伤类型,也随着年龄増加,因解剖进行性改变而变化。这些解剖学的改变从宏观和微观的水平,影响着骨骺、骺板、干骺端和骨干。为理解儿童骨骼肌肉系统的损伤,应该认识发育中的骨骼多种软骨-骨骼的解剖和生理,尤其要认识因为生长而随着时间发生变化的这些因素,即从新生儿极富弹性的骨骼到青春期和成年人非常坚硬的骨骼。

发育中的骨骼容易罹患使骨骼丧失发育成正常形态的遗传性和获得性疾病,特别是骨骼发育不良可明显的阻碍软骨-骨区域的生长能力。这些软骨-骨区域的生长异常易使骨骼遭受损伤,如原发性疾病成骨不全、石骨症;因治疗引起继发性废用性骨质疏松,如脑脊膜膨出、脑性瘫痪患者石膏固定后的骨质疏松。慢性神经肌肉性疾病可能产生解剖学异常,需要与急性损伤,特别是患者不愿做活动关节时相鉴别。

儿童骨骼损伤占儿童所有损伤的10%-15%。治疗生长期儿童和青春期的骨骼损伤,必须熟知可能的损伤机制,近期和长期损伤部位的生物学反应,以及适合患者年龄的治疗方法;还需牢记儿童修复和塑型能力在不断变化。

创伤反应是正常机体所固有的防御机能。一般将创伤反应分为局部反应和全身反应,后者是机体维持内环境稳定的病理生理过程,通常与创伤严重程度、损伤部位有密切的关系。如果损伤轻微,主要表现局部结构破坏,以及由此引起的修复反应,而全身反应很小,甚至不发生明显的全身反应。与其相反,严重创伤通常引起强烈的全身反应,严重者甚至发生不可逆的全身反应,即使采取积极的治疗,有时也不能挽救生命。

全身反应主要包括神经内分泌应激反应、代谢和血循环系统的变化。神经内分泌的应激反应,特别是中枢神经应激反应,是创伤刺激中枢神经系统所做出的反射性生理反应,使一些器官功能得到加强,另一些器官功能受到抑制,从而实现维持内环境的稳定,保护主要器官生理功能。一般以交感神经功能亢进为主要特征,表现皮肤苍白、心动过速、区域性血管收缩。创伤反应是一种广泛而复杂的病理生理,一般可分成3个时期。

I期垂体、肾上腺功能亢奋期,持续3M天,主要作用是动员体内一切储备,分解代谢增强,防止液体丢失,维持有效的血容量,旨在稳定内环境,从而保证垂体、肾上腺功能正常期,从创伤后5-7天开始,持续数周或数月,蛋白质合成代谢增加,机体转为正氮平衡状态。

创口出现明显愈合的征象。

内分泌反应包括下丘脑释放促肾上腺素、促甲状腺素和促生长激素释放因子増加,促使脑垂体前叶释放促肾上腺素、后叶释放抗利尿激素,肾上腺皮质分泌类固醇激素、髓质分泌肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺及儿茶酚胺等物质,甲状腺分泌甲状腺素。由于肾上腺素、去甲肾上腺素増加,抑制了胰腺胰岛素分泌,导致血中胰岛素的减少。

神经内分泌反应、血容量减少和细胞缺氧,引起一系列的代谢改变,导致细胞分解代谢加速,蛋白质、脂肪分解増加。创伤后脂肪代谢分解増强,为机体提供所需热量的80%。正常状态下,脂肪分解只为人体提供相当体重5%-25%的能量。胰岛素分泌减少引起血糖増高,血糖増高由又促使肾上腺分泌儿茶酚胺,引起肝糖原、肌糖原分解,糖异生作用加强,使乳酸、氨基酸、甘油合成葡萄糖,而创伤导致细胞的葡萄糖利用率降低,从而使血糖升高。血糖増高的意义,主要为重要器官和损伤组织提供营养和能量。

循环反应包括选择性血管收缩,主要是肝肾、皮肤血管收缩,减少尿量,増加血容量;心率加速増加心排血量;细胞间液转移至血循环系统,也増加了有效的循环血量。循环反应的结果,増加或保证了心脑的血液供应。这种全身血液重新分配,可产生不良影响,主要表现水分排出减少,钙吸收少,血钠(稀释性)降低和血钾升高。

严重创伤还可引起免疫系统改变,导致中性粒细胞功能下降,补体系统抑制,以及特异性免疫功能下降,从而产生T细胞功能抑制,B细胞合成抗体减少。

创伤引起的局部反应,是外力作用的直接结果,主要表现解剖结构的连续性中断,骨骼及周围组织的破坏。其损伤类型、严重程度和预后,还受到许多因素影响。

生长因素是儿童骨骼损伤的一个主要因素。儿童发育未成熟骨骼的骨折与成人的骨折有所不同,儿童似乎在不明显的外伤后可能发生骨折,儿童骨折不仅更为常见,而且还可能损害不同的生长机制,例如累及骺板骨折约占儿童骨折的15%,可能导致骺板或骨化中心急性或慢性生长紊乱。骺板骨折类型因软骨-骨成熟的程度不同而不尽相同,诸如Salter-HarisI型损伤常见于幼儿,而n、m和IV损伤则多见于次级骨化中心増大、骺板呈波浪形发育的年长儿童。儿童很少发生关节脱位、韧带断裂,而是更可能发生临近的骺板损伤。骨小梁和骨皮质结构的不断变化影响干骺端、骨干骨折的类型,次级骨化中心的大小不同对骺板、骨骺损伤的发生率也有影响。

儿童骨膜较厚,容易从骨干、干骺端上剥离,比成年人有更大的骨生成潜能。骨膜在骨干部位附着较为松弛,但在骺板周围有复杂的网织状胶原牢固附着。因此,在骨折的机械复位和治疗生长机制损伤中起着作用。厚韧而富有生物活性的骨膜对骨折移位、骨折复位及骨膜下骨痂形成均有一定的影响,也可在闭合复位时有效的起着内约束作用。

由于骨膜与其下方的骨骼相连续,儿童骨折通常产生一定范围的骨膜损伤,但是儿童的骨膜更容易从骨骼上剥离,很少发生骨膜的完全性环状断裂。通常,在骨折凹侧(压力侧)的骨膜仍然完整,它起着铰链或骨膜袖的作用,可减少骨折的移位,并有助于骨折复位。因为完整侧骨膜允许某些组织通过骨折端仍保持连续,不仅骨膜下新骨形成迅速,也能在较短的时间连接骨折间隙,从而获得长期的稳定。骨膜可能受到严重损伤而不伴有骨折,这种撕脱性骨膜损伤将导致异位骨形成。比较而言,开放性骨折中骨膜的严重损伤,可损害骨折的愈合反应。完全失去一段骨骼而骨膜袖相对完整,随后可能形成完整的这段骨骼。骨膜是多数肌肉的起点,平行于骨干、干骺端分布的肌肉多附丽于骨膜,这是一种允许骨骼和肌肉协调生长的机制。某些肌肉不直接附着在相邻股骨嵴,而直接止于股骨远端内侧干骺端,但可能伴有骨皮质、骨小梁明显的不规则,在X线片上容易误诊为骨髓炎、肿瘤或创伤反应。

儿童骨骼的塑型潜力,虽然对局部反应没有直接的影响,却对骨折的预后产生明显的影响。儿童骨干、干骺端的塑型能力可使原来畸形愈合的骨折段恢复完全正常的解剖力线,因此,对儿童骨折不必像成年人一样要求绝对解剖复位。尽管遗留某些成角畸形可自行塑型,但在可能的条件下,准确的解剖复位仍是治疗儿童骨折的目标。骨、软骨的塑型通常是对身体的重力,肌肉的作用力、关节运动力以及内部控制机制如骨膜等的反应。儿童越小,自行完全矫正的潜力越大;骨折越接近骺板,骨折成角与关节运动方向一致,恢复解剖力线的可能性越大。这在累及铰链关节的骨折(膝踝肘腕)尤为明显,如果成角畸形位于正常的运动平面,则将迅速获得塑型而矫正,而在其他方向的成角畸形如肱骨髁上骨折的肘内翻,几乎不能自行矫正。与后者相似,旋转畸形也不能自行矫正。

骨折可刺激骨的纵向生长,这是干骺端、骺板和骨骺血供増加的结果。破坏骨膜完整的实验,因解除了骨膜对生长的生理性限制,也出现同样的结果。因此,对一定年龄儿童的骨折,可以接受刺刀样重叠移位。特别是儿童股骨干骨折,甚至将重叠移位视为理想的状态,因为出现过度生长的概率很高,将导致两下肢不等长。也可发生离心性过度生长,最为明显的例子是胫骨近端干骺端不完全骨折,可发生胫骨外翻。

骨折部位、性质和发生率均受患者的年龄影响。新生儿期可发生较广泛的骨折,包括骨干骨折、I型骨骺损伤和干骺端骨折,后者常因次级骨化中心尚未出现,被误诊为关节脱位。生后的第一年,很少发生骨折。如果在这一时期出现多发和严重的骨折则意味有代谢性疾病或骨骼发育不良,如成骨不全、低磷血症。多数儿童受虐也多发生1-2岁。尽管受虐儿童只有一处骨折,但有多处损伤者应考虑为受虐综合征。从儿童开始学走路起,锁骨和桡骨骨折是最为常见的骨折。胫骨短斜形骨折常见于2i岁儿童,这是一种应力性骨折,是一种在X线片上不容易显示的损伤。尽管骨折类型可从远端干骺端转移到骺板,桡骨骨折的高发生率可一直持续到青春期。儿童骨折需要随访至骨骼发育成熟,才能得出有意义的远期创伤反应。一种伤后6-12个月终止随访的倾向,将导致以后出现明显的生长性畸形,以及家长的抱怨。儿童停止生长的年龄存在个体差异。当考虑创伤对生长期儿童的最终反应时,确定的因素是骨龄而不是实际年龄。

随着骨骼进入最后的成熟阶段,韧带损伤、关节脱位也更为常见。尽管发育中的韧带比成人更为松弛,儿童的韧带、关节囊对应力的抵抗能力要比骨骼、软骨强。如果较大的韧带直接止于骨骺,发生骺板损伤是常见的模式,而发生韧带断裂、关节脱位者少见。但是,即使已经出现了骨折,也可能发生临近部位的韧带断裂。儿童关节脱位、半脱位多累及肘关节、髋关节,其他关节则非常罕见。