微型外固定支架與掌骨板固定治療Rolando骨折的三維有限元分析

楊萃，陸蕓，楊永超

(天津市泰達醫(yī)院，天津300457)

微型外固定支架與掌骨板固定治療Rolando骨折的三維有限元分析

楊萃，陸蕓，楊永超

(天津市泰達醫(yī)院，天津300457)

目的 比較微型外固定支架與微型掌骨板固定對Rolando骨折穩(wěn)定性的影響。方法 選擇一名健康成年志愿者，對其右手及尺、橈骨遠端進行三維CT掃描，并將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10.0軟件中，對第一、二掌骨及大多角骨進行三維建模；所有數(shù)據(jù)以點云格式輸入到Geomagic studio10軟件中進行編輯，得到精細三維模型，以IGES格式保存。將其導(dǎo)入ANSYS12.0軟件中，利用該軟件的建模功能建造微型外固定支架及微型掌骨板模型，并進行Rolando骨折模擬。在遵循臨床治療的原則下分別用微型外固定支架與微型掌骨板對Rolando骨折進行固定，賦予各單位屬性后建立三維有限元模型。在第一掌骨頭沿縱軸施加載荷為100 N的節(jié)點壓力，記錄兩種固定方式下掌尺側(cè)骨折塊、背外側(cè)骨折塊的相對位移和總位移。結(jié)果 微型外固定支架固定掌尺側(cè)骨折塊相對位移為-0.242～-2.392 mm，總位移為0.638～5.986 mm；背外側(cè)骨折塊分別為-0.489～-2.935 mm、0.157～4.898 mm。微型掌骨板固定掌尺側(cè)骨折塊相對位移為0.152～-0.415 mm，總位移為0.187～0.648 mm；背外側(cè)骨折塊分別為0.186～0.314、0.158～0.554 mm。結(jié)論 微型掌骨板對Rolando骨折的固定效果優(yōu)于微型外固定支架。

Rolando骨折；有限元分析；外固定支架；掌骨板；微型

Rolando骨折指累及第一掌腕關(guān)節(jié)基底部的粉碎性骨折，由作用于第一掌骨頭部并沿掌骨長軸方向傳導(dǎo)的縱向暴力所致，多于拇指屈曲內(nèi)收位時發(fā)生[1]，形成骨折線呈T型及Y型的掌尺側(cè)及背外側(cè)骨折塊[2]，在第一掌骨骨折中的發(fā)生率為9%～21%[3]。Rolando骨折復(fù)位比較容易，但固定困難，容易移位。臨床上Rolando骨折的固定方法較多，比較常用的是微型外固定支架及微型掌骨板固定。兩種固定方法各有優(yōu)點，但療效尚未形成統(tǒng)一定論。2015年5月，本研究在骨折模型上進行三維有限元分析，通過對比掌尺側(cè)骨折塊及背外側(cè)骨折塊的相對位移與最大位移判定各骨折塊的受力情況，從生物力學(xué)角度評價兩種方式的固定效果。

1 材料與方法

1.1 材料 西門子64排螺旋CT (德國西門子公司)， Mimics10.0軟件(美國Materialise公司)，Geomagic studio10軟件(美國Geomagic公司)，ANSYS12.0軟件(美國ANSYS公司)，微型掌骨板、微型外固定支架(美國史塞克公司)，Mitutoyo數(shù)顯電子游標卡尺(日本三豐公司)。

1.2 Rolando骨折三維模型建立 選取一名2015年4月于我院體檢的健康男性志愿者，年齡26歲，身高179 cm，體質(zhì)量75 kg，經(jīng)各項身體檢查無骨骼發(fā)育異常及其他疾病。志愿者右手平放，手腕與手掌齊平，五指自然分開、拇指稍外展與第一掌骨齊平。采用64排螺旋CT對志愿者右手及尺、橈骨遠端進行CT平掃，得到0.625 mm層厚、1 020×1 020矩陣的斷層圖像198張。將掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式保存于磁盤中，并導(dǎo)入Mimics10.0軟件。利用軟件Thresholding功能，選取骨組織并將其與軟組織分離，通過Region growing命令，將大多角骨及第一、二掌骨分離，并形成新的蒙罩。使用蒙罩編輯命令將每一斷層的骨髓腔進行填充，應(yīng)用Caculate 3D命令形成大多角骨及第一、二掌骨的粗糙三維模型。見插頁Ⅱ圖3A。以點云格式保存，通過Geomagic studio10軟件的導(dǎo)入接口將其導(dǎo)入，依次進行點階段、封裝階段、多邊形階段、曲面片階段構(gòu)建隔柵、擬合成體的操作后，形成精細的三維模型，以IGES格式存盤保存。見插頁Ⅱ圖3B～F。

1.3 有限元模型建立 將上述精細三維模型以IGES格式導(dǎo)入ANSYS12.0軟件中，利用軟件的面分割功能，建立Rolando骨折模型。通過軟件的CAD建模功能，嚴格按照實體微型外固定支架及微型掌骨板的測量數(shù)據(jù)，分別建立微型外固定支架及微型掌骨板的三維有限元模型。見插頁Ⅱ圖3G、H。根據(jù)相關(guān)文獻[4]得到掌骨與微型外固定支架、微型掌骨板的單元類型、泊松比及彈性模量，并對各有限元模型進行賦值，見表1。按照臨床上微型外固定支架及微型掌骨板治療Rolando骨折的方法，依次放置于Rolando骨折有限元模型[5]。放置時應(yīng)注意調(diào)整模型角度，并隨時建立工作坐標系，使微型外固定支架、微型掌骨板與掌骨進行精細貼合。微型外固定支架與第一掌骨、大多角骨及掌尺側(cè)、背外側(cè)骨折面建立4個接觸對，微型掌骨板鋼釘與第一掌骨接觸面建立7個接觸對，兩骨折端建立2個接觸對。不考慮螺釘?shù)幕摷肮钦蹓K斷裂，設(shè)定兩種固定方式與骨組織的接觸對關(guān)系為完全綁定，各骨折面接觸摩擦系數(shù)為0.2[6]。因骨組織及微型外固定支架、微型掌骨板均為不規(guī)則物體，故使用smartmesh功能進行網(wǎng)格劃分，得到各有限元模型的單元數(shù)及節(jié)點數(shù)，見表1。

表1 Rolando骨折微型外固定支架及微型掌骨板固定 有限元模型的材料屬性和單元劃分

1.4 位移觀察 因大多角骨與其他腕骨為微動關(guān)節(jié)[7]，故將大多角骨關(guān)節(jié)面移動度約束為0。將第一掌骨縱軸設(shè)置為X軸，指端方向為正方向，第一掌骨尺側(cè)方向為Y軸正方向，掌側(cè)方向為Z軸正方向，建立空間直角坐標系。于第一掌骨頭沿縱軸(即X軸負方向)施加載荷為100 N的節(jié)點壓力，記錄兩種固定方式下掌尺側(cè)骨折塊、背外側(cè)骨折塊的相對位移和總位移。相對位移為骨折塊在X軸上相對于第一掌骨移動距離之差，以X軸正方向為正值，X軸負方向為負值；總位移為骨折塊中心的移動距離。

2 結(jié)果

微型外固定支架固定掌尺側(cè)骨折塊及背外側(cè)骨折塊的相對位移和總位移范圍均大于微型掌骨板固定，見表2。

表2 兩種固定方式下掌尺側(cè)骨折塊、背外側(cè)骨折塊的 相對位移和總位移

3 討論

Rolando骨折是手部的常見外傷，1910年由意大利醫(yī)生Rolando首次報道[8]。第一掌腕關(guān)節(jié)是由第一掌骨、大多角骨及附近韌帶組成的雙凹形馬鞍狀關(guān)節(jié)，當掌骨受到軸向的突然暴力時，韌帶(尤其是尺深部韌帶)的強大反方向牽引力造成第一掌骨基底粉碎性骨折伴基底關(guān)節(jié)脫位或半脫位。骨折后因骨折塊失去鞍狀關(guān)節(jié)面的骨性保護作用，且有拇長展肌及大魚際肌的牽拉作用，骨折塊向掌尺側(cè)、背外側(cè)移位，導(dǎo)致其很不穩(wěn)定。因此，Rolando骨折復(fù)位較為容易，但固定困難。奕央華等[9]采用閉合復(fù)位克氏針內(nèi)固定治療Rolando骨折效果較好，但手術(shù)方法復(fù)雜，對術(shù)者的專業(yè)技能要求較高，且C型臂X線機下很難反映粉碎性骨折的實際狀況。應(yīng)有榮等[10]使用“8”字扣壓石膏條加石膏托固定的方法治療Rolando骨折，避免了手術(shù)對患者的二次創(chuàng)傷，療程短，費用低，但長時間的石膏托外固定容易引起關(guān)節(jié)僵硬、活動障礙，且容易松動，導(dǎo)致復(fù)位的骨折塊再次移位。戴建輝等[11]使用可吸收螺釘內(nèi)固定治療，不需二次手術(shù)取出內(nèi)固定物，且療效較穩(wěn)定；但可吸收螺釘價格昂貴，堅固性不如普通金屬螺釘，斷裂風(fēng)險較大，且遠期影響不明確，臨床仍未推廣。

微型外固定支架與微型掌骨板是目前臨床治療Rolando骨折的常用固定方法。李忠哲等[12]采用微型外固定支架治療10例Rolando骨折，對新鮮骨折采取直接外固定支架固定，對位不佳或是陳舊骨折則采取切開復(fù)位克氏針固定后再行外固定支架固定，術(shù)后總優(yōu)良率為94.6%。微型外固定支架固定操作簡單、手術(shù)創(chuàng)傷小、復(fù)位良好、固定牢靠、骨折愈合快；但針道感染及骨折再移位問題較突出[13]，對陳舊性骨折的療效較差，若對位不佳，必須行切開復(fù)位克氏針內(nèi)固定，增加了治療的復(fù)雜及困難程度，且對患者造成二次創(chuàng)傷，骨折愈合時間延長，預(yù)后相對不理想。微型鋼板治療具有固定牢固、可直視下達到關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位的特點，且微型掌骨板體型較小，對骨折端的血運影響較小，患者可進行早期功能鍛煉，對術(shù)后手部功能影響不大[14，15]；但會增大韌帶及周圍軟組織損傷，且因微型掌骨板厚度較薄，斷裂風(fēng)險增加，一旦斷裂需二次手術(shù)取出；對細小的骨折塊須配合縫線捆綁固定。目前臨床對上述兩種治療方法褒貶不一，一直未有定論。

三維有限元利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，由Brekelmans于1972年首先應(yīng)用于骨科力學(xué)領(lǐng)域的研究中，在國內(nèi)外得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本研究利用有限元軟件建立Rolando骨折模型及微型外固定支架、微型掌骨板的有限元模型，不僅操作簡單，可重復(fù)性強，且可模擬真實骨折情況同時進行兩種術(shù)式，避免了因個體差異對療效產(chǎn)生的影響。本研究結(jié)果顯示，微型掌骨板固定后掌尺側(cè)骨折塊及背外側(cè)骨折塊相對位移和總位移的最大值與最小值均小于微型外固定支架；微型外固定支架固定后掌尺側(cè)與背外側(cè)骨折塊位移均為負值，說明骨折塊的移動方向為第一掌骨近端方向，且移動距離要大于第一掌骨的移動距離。分析原因，可能是微型外固定支架相對于微型掌骨板固定的牢固程度較為薄弱，在掌骨受到軸向作用力時，因力的傳導(dǎo)作用，使骨折塊向近端移動。第一掌骨受到大多角骨的阻擋作用，移動距離較小，因此相對位移的大小可反映骨折塊固定的牢固程度。一般來說，骨折塊移位在2 mm以內(nèi)時對手部活動影響較小，本研究微型掌骨板固定的總位移均小于2 mm，固定效果優(yōu)于外固定支架，證明微型掌骨板固定更為牢固。

綜上，微型掌骨板對Rolando骨折的固定效果優(yōu)于微型外固定支架，是治療Rolando骨折的理想方法。

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Three dimensional finite element analysis of treatment of Rolando fracture with mini external fixation and metacarpal bone plate

YANGCui,LUYun,YANGYongchao

(TianjinTedaHospital,Tianjin300457,China)

Objective Using three-dimensional (3D) finite element method to compare the effects of mini external fixation and mini metacarpal bone on the stability of Rolando fracture. Methods We chose a healthy adult volunteer and scanned CT of his right hand and distal radius. Then, we inputted the data into Mimics10.0, and built the 3D model of the first and the second metacarpal and trapezium. After that, we inputted all the data into Geomagic studio10 for editing, and then transferred the models into ANSYS12.0. The models of mini external fixation and mini metacarpal bone were established by using ANSYS12.0 and underwent Rolando fracture simulation. 3D finite element models were established after using mini external fixation and mini metacarpal bone to fix. At the first metacarpal head, along the longitudinal axis, we applied 100 N nodes pressure, then recorded the pieces of palm and foot side fractures under these two kinds of fixation way, and the relative displacement and total displacement of dorsolateral fractures. Results With the miniature external fixation, the palm side fracture′s relative displacement was -0.242 to -2.392 mm, and the total displacement was 0.638-5.986 mm. The dorsolateral displacement is -0.489 to -2.935 mm and 0.157-4.898 mm, respectively. With the mini metacarpal bone plate, the palm side fracture′s relative displacement was 0.152 to -0.415 mm, and the total displacement was 0.187-0.648 mm. The dorsolateral displacement was 0.186-0.314 mm and 0.158-0.554 mm, respectively. Conclusion The fixation effect of mini metacarpal bone plate is significantly better than that of the mini external fixation.

Rolando fracture; finite element analysis; external fixation; metacarpal bone plate miniature

天津市科技計劃項目(12ZCZDSY02800)；濱海新區(qū)衛(wèi)生局醫(yī)藥衛(wèi)生科技項目(2011BHKL003)。

楊萃(1982-)，女，博士研究生，研究方向為骨科基礎(chǔ)。E-mail： yangcui_tcm@126.com

陸蕓(1962-)，女，主任醫(yī)師、碩士生導(dǎo)師，研究方向為手顯微外科疾病。E-mail： luyunteda@126.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.004

R683.41

A

1002-266X(2016)32-0012-03

2016-01-08)