股骨遠端骨折髓內(nèi)釘與鎖定鋼板內(nèi)固定方式的有限元分析

鄒誠實 李開成 張兆國 陳建文

股骨遠端骨折髓內(nèi)釘與鎖定鋼板內(nèi)固定方式的有限元分析

鄒誠實 李開成 張兆國 陳建文

目的 模擬股骨遠端骨折髓內(nèi)釘與鎖定鋼板內(nèi)固定，比較2種常用內(nèi)固定的效果，并探索其對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響。方法 建立精確的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，在此基礎(chǔ)上建立股骨遠端A型骨折理想模型、髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)有限元模型（Ⅰ型模型）和鎖定鋼板內(nèi)固定手術(shù)有限元模型（Ⅱ型模型）。通過對多個關(guān)節(jié)屈曲度（0°、60°、90°、120°）的模型加載重力載荷來分析內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨及半月板的應(yīng)力變化和股骨遠端最大位移等。結(jié)果 Ⅰ、Ⅱ型模型的內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨和半月板各有1個最大應(yīng)力部位，最大應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在關(guān)節(jié)屈曲90°狀態(tài)下。股骨遠端位移峰值總體隨著關(guān)節(jié)屈曲角度的加大而增加。同樣屈曲角度下，脛骨平臺軟骨、半月板的最大應(yīng)力值均大于股骨髁軟骨，鎖定鋼板的最大應(yīng)力值大于髓內(nèi)釘，Ⅱ型模型的股骨遠端最大位移值大于Ⅰ型模型。結(jié)論 內(nèi)固定方式有限元分析可以模擬膝關(guān)節(jié)不同運動狀態(tài)下的受力情況，有效分析出不同模型中內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨和半月板在不同運動狀態(tài)下的生物力學(xué)特征。

有限元分析 骨折固定術(shù) 股骨 膝關(guān)節(jié)

股骨遠端骨折（distal femur fractures，DFFs）占股骨骨折的4%～6%，是最難治的骨折之一。由于股骨遠端的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性比較復(fù)雜，骨折多不穩(wěn)定且并發(fā)癥多[1]。隨著骨科生物力學(xué)的發(fā)展和內(nèi)固定技術(shù)的進步，骨折固定理念由直接解剖復(fù)位、堅強內(nèi)固定逐漸向間接解剖對線和彈性固定、達到相對穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)變[2]；DFFs的手術(shù)方法也有所改進，從代表堅強內(nèi)固定的95°髁部角鋼板技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的逆行髓內(nèi)釘、鎖定鋼板內(nèi)固定技術(shù)。然而，目前后2種技術(shù)治療DFFs的預(yù)后、并發(fā)癥方面的比較研究較少，哪種方法更適于DFFs治療尚無定論。本研究旨在利用計算機三維有限元分析技術(shù)，比較髓內(nèi)釘與鎖定鋼板內(nèi)固定的效果，現(xiàn)報道如下。

1 資料和方法

1.1 一般資料 圖像數(shù)據(jù)來源于1名健康男性志愿者，35周歲，身高1.72m，體重75kg；掃描前簽署知情同意書。

1.2 方法 使用GE Bright Speed Elite 16排螺旋CT儀掃描左側(cè)膝關(guān)節(jié)，掃描范圍自股骨中段至脛腓骨中段，層厚0.625mm，螺距0.938，按關(guān)節(jié)屈曲0°、60°、90°、120°共掃描4組。

1.2.1 正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立 將4組膝關(guān)節(jié)螺旋CT圖像數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入Mimics Research 17.0軟件（Materialise公司）進行股骨、脛腓骨、髕骨的自動化三維重建以及韌帶、半月板、關(guān)節(jié)軟骨的人工劃分，生成的三維模型各組件經(jīng)過Geomagic Studio 2013軟件（Geomagic公司）修潔處理、3-matic Research 9.0軟件（Materialise公司）面網(wǎng)格優(yōu)化后，導(dǎo)入Abaqus 2016軟件（HKS公司）進行體網(wǎng)格劃分、賦材料屬性、模型裝配、定義相互作用等前處理工作，建立4個不同屈曲度的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，見圖1a（插頁）。

1.2.2 鋼板、螺釘及髓內(nèi)釘?shù)葍?nèi)固定物三維有限元模型的構(gòu)建 本研究鋼板、螺釘及髓內(nèi)釘?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)采用正向設(shè)計方法，在Creo 2.0軟件（PTC公司）中導(dǎo)入股骨、脛骨和腓骨幾何，根據(jù)股骨的形狀、內(nèi)固定物實際尺寸繪制出鋼板、螺釘以及髓內(nèi)釘?shù)男螤?，再?dǎo)入Abaqus 2016軟件中進行體網(wǎng)格劃分、材料屬性賦值。

1.2.3 DFFs內(nèi)固定釘?shù)赖脑O(shè)計與模擬手術(shù)置釘 在Abaqus 2016軟件中打斷股骨遠端的三維模型，形成模擬骨折模型，按照DFFs內(nèi)固定手術(shù)逆行髓內(nèi)釘和鎖定鋼板放置位置要求，進行內(nèi)固定物與骨折模型的裝配，形成2種內(nèi)固定方式的釘?shù)涝O(shè)計與模擬手術(shù)置釘，見圖1b-c（插頁）。

1.2.4 有限元靜態(tài)力學(xué)分析 （1）材料設(shè)定：內(nèi)固定手術(shù)模型的骨質(zhì)及骨髓部分依據(jù)前期研究被設(shè)成10種材料[3]。關(guān)節(jié)軟骨定義為彈性材料，彈性模量為20MPa[4]，泊松比為0.46[5]。半月板定義為彈性材料，彈性模量為59MPa[6]，泊松比為0.49。所有韌帶均采用超彈性材料，材料應(yīng)變勢能表達采用Neo-Hooke模型參數(shù)，見表1。

表1 膝關(guān)節(jié)韌帶材料參數(shù)

1.2.5 邊界條件的設(shè)定 在Abaqus 2016軟件中設(shè)定內(nèi)固定手術(shù)模型的邊界條件，內(nèi)外側(cè)半月板通過前、后根部與脛骨平臺相連接，各條韌帶的兩端分別附著在股骨、脛骨或腓骨上。對半月板根部附著、關(guān)節(jié)軟骨與相應(yīng)骨組織的連接、各條韌帶的兩端附著，在Abaqus 2016軟件中通過綁定功能進行約束固定。股脛關(guān)節(jié)、髕股關(guān)節(jié)間由于存在滑液，可以設(shè)摩擦系數(shù)為0。

1.2.6 載荷加載 保持脛、腓骨在6個自由度上完全約束固定，股骨遠端以股骨上髁軸為旋轉(zhuǎn)軸在屈伸0°、60°、90°、120°固定，其他自由度不約束來模擬人體日常運動中膝關(guān)節(jié)不同位置時的受力情況。以體重75kg的成人，兩側(cè)膝關(guān)節(jié)承受約人體86%的體重為例，在股骨遠端施加垂直于脛骨平臺方向的載荷（F），F(xiàn)=75×0.86× 10×0.5≈320N。

1.3 評價指標 評價指標包括負荷加載后模型中內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨及半月板應(yīng)力云圖及應(yīng)力變化特點，股骨遠端的位移云圖及最大位移。

2 結(jié)果

2.1 基本情況 本研究成功建立了2種內(nèi)固定方式的模擬手術(shù)有限元模型，包括股骨遠端及內(nèi)固定物、脛腓骨上端、髕骨、ACL、PCL、MCL、LCL、PMFL、PT及內(nèi)外半月板，見圖1b-c（插頁）。髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)有限元模型（Ⅰ型模型）單元總數(shù)439 610個，節(jié)點總數(shù)155 880個；鎖定鋼板內(nèi)固定手術(shù)有限元模型（Ⅱ型模型）單元總數(shù)575 572個，節(jié)點總數(shù)264 957個。

2.2 內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨及半月板在不同關(guān)節(jié)屈曲度受力時的生物力學(xué)特征 由圖2a-d（插頁）可知，應(yīng)力分布與關(guān)節(jié)屈曲角度均存在一定關(guān)系，隨著膝關(guān)節(jié)從伸直到屈曲狀態(tài)而改變：內(nèi)固定物的應(yīng)力集中區(qū)從中心沿長軸向兩邊擴大再逐漸縮小，股骨髁軟骨的應(yīng)力集中區(qū)從前中部逐漸移到后部，脛骨平臺軟骨及半月板的應(yīng)力集中區(qū)從前部逐漸移到后部。2個模型的內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨和半月板各有1個最大應(yīng)力部位，均主要位于骨折線附近、股骨外側(cè)髁、脛骨平臺外側(cè)部及外側(cè)半月板。由圖3a-c（插頁）可知，應(yīng)力峰值與關(guān)節(jié)屈曲角度亦存在一定關(guān)系，隨著膝關(guān)節(jié)從伸直到屈曲狀態(tài)而改變：內(nèi)固定物的應(yīng)力均呈現(xiàn)先持續(xù)增加后減少的趨勢；Ⅰ型模型關(guān)節(jié)軟骨及半月板的應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢；Ⅱ型模型除股骨髁軟骨應(yīng)力變化趨勢與Ⅰ型模型相仿外，脛骨平臺軟骨及半月板的應(yīng)力呈現(xiàn)先持續(xù)增加后減小的趨勢；Ⅱ型模型3者應(yīng)力多大于Ⅰ型模型。2個模型的內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨和半月板的最大應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在關(guān)節(jié)屈曲90°狀態(tài)下。同樣屈曲角度下，鎖定鋼板的最大應(yīng)力值大于髓內(nèi)釘，脛骨平臺軟骨及半月板的最大應(yīng)力值均大于股骨髁軟骨，多數(shù)情況下半月板的最大應(yīng)力值處于3者最高位置。

由圖4a-b（插頁）可知，2種模型的股骨遠端位移峰值總體隨著關(guān)節(jié)屈曲角度的加大而增加；同樣屈曲角度下，Ⅱ型模型的股骨遠端最大位移值大于Ⅰ型模型。

3 討論

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)利用計算機對人體各部位的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建已得到廣泛應(yīng)用，特別在骨折診斷與治療中。三維重建技術(shù)對骨折治療具有指導(dǎo)意義，但無法直接利用三維圖像進行生物力學(xué)分析并探討其受力特點和損傷機制，而有限元分析法剛好彌補了這個缺點。有限元法是適應(yīng)電子計算機的使用而發(fā)展起來的一種新穎、有效的數(shù)值計算方法，是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，利用簡單又相互作用的元素，即單元就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。近年來有限元分析法被逐漸應(yīng)用到人體各組織的生物力學(xué)研究中，隨著計算機軟件技術(shù)的不斷成熟，有限元分析軟件已從過去對人體組織幾何結(jié)構(gòu)的簡單模擬和近似計算發(fā)展到對人體各部位復(fù)雜的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)作高度仿真模擬和精密分析，使臨床上一些復(fù)雜骨折的多種內(nèi)固定手術(shù)模擬和預(yù)知生物力學(xué)特征的改變成為可能，對指導(dǎo)術(shù)后康復(fù)具有參考價值。有限元分析的準確性主要受三維模型的幾何形態(tài)和質(zhì)量的影響，本研究采用16排螺旋CT采集膝關(guān)節(jié)層厚＜1mm的連續(xù)斷層圖像，通過三維重建技術(shù)和正逆向工程技術(shù)建立的2種模擬手術(shù)有限元模型，形態(tài)逼真，空間分布準確，網(wǎng)格劃分合理，在精度上超越了其他學(xué)者建立的有限元模型[7-9]。本研究不僅建立了包含半月板、關(guān)節(jié)軟骨以及所有主要韌帶的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，而且進一步建立的手術(shù)模型模擬了股骨遠端骨折內(nèi)固定術(shù)后較為完整的膝關(guān)節(jié)屈曲運動和受力狀態(tài)，并得出了以往研究所缺乏的術(shù)后膝關(guān)節(jié)復(fù)雜的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。

本研究詳細分析出了模擬手術(shù)后膝關(guān)節(jié)不同屈曲狀態(tài)下的股骨遠端相對位移以及內(nèi)固定、關(guān)節(jié)軟骨及半月板的應(yīng)力大小和分布變化規(guī)律，能更簡便、直觀、細致地探討內(nèi)固定的固定效果以及膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性改變和損傷機制。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著關(guān)節(jié)從伸直到屈曲狀態(tài)的改變，2種模型關(guān)節(jié)軟骨、半月板的應(yīng)力集中區(qū)移動規(guī)律及應(yīng)力峰值大小次序與正常膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征相仿；2種內(nèi)固定的最大應(yīng)力集中區(qū)均在骨折線附近，因而此處是內(nèi)固定斷裂的好發(fā)區(qū)，與以往報道一致[10-12]。同樣屈曲角度下，采用髓內(nèi)釘內(nèi)固定的股骨遠端最大位移值、髓內(nèi)釘最大應(yīng)力值均小于鎖定鋼板，說明髓內(nèi)釘具有較強的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)性能，較鎖定鋼板更具有生物學(xué)固定優(yōu)勢，可有效防止骨折復(fù)位后短縮和骨折端移位，與相關(guān)研究結(jié)果相符[13-14]。2種模型的關(guān)節(jié)軟骨、半月板均有一個最大應(yīng)力部位，半月板最大應(yīng)力部位主要出現(xiàn)在外側(cè)，與劉祺等[15]發(fā)現(xiàn)外側(cè)半月板損傷多于內(nèi)側(cè)半月板相符；但股骨髁軟骨最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在外側(cè)，與其股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨損傷多發(fā)不甚相符，考慮原因是股骨遠端骨折造成股骨髁與脛骨平臺、髕骨與股骨關(guān)節(jié)面之間相應(yīng)關(guān)系破壞，從而改變了膝關(guān)節(jié)的正常解剖軸與機械軸，破壞了膝關(guān)節(jié)的正常負荷傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致股骨內(nèi)外髁的重力負荷比重發(fā)生改變[16]。此外，關(guān)節(jié)屈曲過程中Ⅱ型模型關(guān)節(jié)軟骨、半月板的應(yīng)力多數(shù)大于Ⅰ型模型，在屈曲60°～120°階段股骨髁尤其以外側(cè)髁軟骨的應(yīng)力上升、下降最快，可能原因是鎖定鋼板是外側(cè)固定，股骨遠端外側(cè)相對內(nèi)側(cè)堅強，導(dǎo)致重力負荷易傳遞到股骨外側(cè)髁，從而使得此處接觸壓力較內(nèi)側(cè)偏大。2種模型的內(nèi)固定物、關(guān)節(jié)軟骨和半月板的最大應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在關(guān)節(jié)屈曲90°狀態(tài)下，股骨遠端位移峰值總體上隨著關(guān)節(jié)屈曲角度的加大而增加，可見骨折未愈合前膝關(guān)節(jié)運動幅度過大如下蹲、深蹲等會增加內(nèi)固定失效的可能性[17]。

本研究結(jié)果證實所構(gòu)建的模擬股骨遠端骨折內(nèi)固定手術(shù)有限元模型具有較高的可信度，得出的結(jié)論可以為評估內(nèi)固定效果提供理論基礎(chǔ)。但本文尚存在一定缺陷，一是僅模擬了股骨遠端一種類型的骨折以及2種內(nèi)固定方法；二是實驗中加載的力是基于靜態(tài)的，而現(xiàn)實中膝關(guān)節(jié)及內(nèi)固定受到的力往往是動態(tài)的；三是本實驗未考慮關(guān)節(jié)囊、肌肉等結(jié)構(gòu)對膝關(guān)節(jié)和內(nèi)固定物的生物力學(xué)影響，結(jié)果與實際情況可能存在一定差異。建議盡量完善模型的多種結(jié)構(gòu)，增加模擬骨折的種類和內(nèi)固定方法，進一步探討骨折手術(shù)方案、內(nèi)固定物選取、術(shù)后的康復(fù)方案等醫(yī)療措施，以提供更為詳實的理論數(shù)據(jù)。

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Finite element analysis of intramedullary nail fixation and internal fixation of lockng plate for distal femoral fracture

ZOU Chengshi, LI Kaicheng,ZHANG Zhaoguo,et al.Department of Radiology,Cixi Hospital of Traditional Chinese Medicine,Cixi 315300, China

Objective To compare the commonly used internal fixations for distal femoral fractures by finite element analysis. Methods The accurate 3-D finite element model of knee joint was established.On this basis,the ideal model of type A distal femoral fracture and the finite element model of intramedullary nail and locking plate were established and assembled to mimic two internal fixations.The variation of stresses on internal fixator,articular cartilage and meniscus and maximum displacement of distal femur were analyzed by applying load on multiple ranges of flexion (0,60,90,120 degree)of the joint in the model,and the mechanical characteristics and pros and cons of two internal fixations for type A distal femoral fractures were compared. Results There was one site with maximum stress value on internal fixator,articular cartilage and meniscus for each model.All maximum stress peaks occurred at the 90 degree of flexion of the joint.At the same range of flexion, cartilage of tibial plateau and meniscus had greater maximum stress value than cartilage of femoral condyle.The locking plate had greater maximum stress value than the intramedullary nail.The maximum displacement of distal femur was bigger in internal fixation with locking plate than in fixation with intramedullary nail. Conclusion The finite element model mimicking internal fixation can mimic the stresses applied on knee joint at different ranges of motion,which can effectively analyze and compare biomechanical characteristics of internal fixator,articular cartilage and meniscus at different ranges of motions in different models.

Finite element analysis Fracture fixation Femur Knee joint

2016-06-26）

（本文編輯：陳丹）

慈溪市科技計劃項目（CN2014030）

315300 慈溪市中醫(yī)醫(yī)院放射科（鄒誠實、陳建文），骨科（張兆國）；上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院放射科（李開成）

李開成，E-mail：likaicheng128@163.com