三種固定方式治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折的生物力學(xué)分析

劉世軍，李治國，馬治國，馮志偉，索海軍，婁宏亮

·論 著·

三種固定方式治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折的生物力學(xué)分析

劉世軍，李治國，馬治國，馮志偉，索海軍，婁宏亮

目的 通過尸體標(biāo)本及有限元模型對前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定和后側(cè)T型鋼板固定治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折行生物力學(xué)分析，為臨床工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。方法 選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供的新鮮成人尸體脛骨標(biāo)本24個，用電動擺鋸制備脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折模型，將模型隨機(jī)等分為前側(cè)拉力螺釘固定組、外側(cè)L型鋼板固定組及后側(cè)T型鋼板固定組各8具。另選取1名健康男性志愿者，對其膝關(guān)節(jié)行螺旋CT后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics14.0等軟件后得到三維脛骨平臺實(shí)體，經(jīng)分割等操作后獲得脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折模型，而后結(jié)合三維解剖數(shù)據(jù)，通過Solidworks2013軟件制作相應(yīng)的拉力螺釘及鋼板，模擬前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定及后側(cè)T型鋼板固定三種脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折內(nèi)固定有限元模型。對各骨折內(nèi)固定實(shí)體標(biāo)本和有限元模型分別施加250、500、1000、1500N的軸向載荷，比較各組骨折塊移位及受力情況。結(jié)果 實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)結(jié)果表明，250N、500N和1000N載荷下前側(cè)拉力螺釘固定組、外側(cè)L型鋼板固定組及后側(cè)T型鋼板固定組內(nèi)固定實(shí)體標(biāo)本骨折塊移位值[250N：(0.14±0.02)mm vs. (0.13±0.02)mm vs. (0.14±0.13)mm；500N：(0.27±0.05)mm vs. (0.29±0.06)mm vs. (0.28±0.07)mm；1000N：(0.49±0.12)mm vs. (0.53±0.10)mm vs (0.50±0.09)mm]，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),1500N載荷下前側(cè)拉力螺釘固定組骨折塊位移值(0.57±0.14mm)小于外側(cè)L型鋼板固定組(0.72±0.10mm)和后側(cè)T型鋼板固定組(0.76±0.13mm)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組骨折塊位移值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。有限元分析結(jié)果表明，在各載荷下前側(cè)拉力螺釘固定模型的骨折塊位移值及內(nèi)固定最大應(yīng)力均小于外側(cè)L型鋼板固定模型和后側(cè)T型鋼板固定模型。兩種實(shí)驗(yàn)方法所得最大位移值分布區(qū)域均為近側(cè)脛腓關(guān)節(jié)交界區(qū)。結(jié)論 對于脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折，前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定和后側(cè)T型鋼板固定均可提供早期穩(wěn)定性，其中前側(cè)拉力螺釘固定在穩(wěn)定性方面最具優(yōu)勢，應(yīng)作為臨床首選方案。

脛骨平臺骨折； 內(nèi)固定； 有限元模型； 生物力學(xué)

近年來隨著高能量損傷事件的增多，脛骨平臺骨折的愈加復(fù)雜，目前的研究表明平臺骨折已超越了簡單的內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)，而是在全平面上出現(xiàn)骨折，且不同類型的脛骨平臺骨折治療方案也有所區(qū)別[1]。脛骨的外側(cè)平臺較高，且骨密度較內(nèi)側(cè)低，此處發(fā)生的骨折臨床最為多見。目前臨床上治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折主要采取切開復(fù)位內(nèi)固定，及時糾正下肢力線，由于脛骨平臺解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，建模較困難，因此以往的研究多停留在臨床階段，關(guān)于生物力學(xué)的研究鮮有報(bào)道。隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展，三維有限元模型逐漸運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是骨關(guān)節(jié)等組織的生物力學(xué)分析[2]。本研究通過尸體標(biāo)本和有限元模型對前側(cè)拉力螺釘、外側(cè)L型鋼板和后側(cè)T型鋼板三種內(nèi)固定的生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較?，F(xiàn)報(bào)告如下。

材料與方法

1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本及研究對象

本實(shí)驗(yàn)經(jīng)冀中能源峰峰集團(tuán)總醫(yī)院及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院相關(guān)倫理委員會同意，于2015年10月選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供的新鮮成人尸體12具，男性6具，女性6具，平均年齡(66.12±3.09)歲，平均體質(zhì)量(67.18±4.63)kg，平均身高(1.72±0.07)m。制備脛骨標(biāo)本24個。實(shí)驗(yàn)前拍攝標(biāo)本正側(cè)位X線片證實(shí)無外傷、腫瘤及嚴(yán)重退行性變等缺陷。

選取1名健康男性志愿者，年齡30歲，身高173cm，體重62kg。該志愿者對本次研究知情并簽署同意書，經(jīng)病史詢問、體格檢查以及膝關(guān)節(jié)影像學(xué)檢查后排除該部位骨關(guān)節(jié)疾病及手術(shù)史。

2 模型制備及三維有限元建立

將24個脛骨標(biāo)本剔除周圍肌肉、韌帶、血管和神經(jīng)等軟組織，同時去除腓骨，將其按照隨機(jī)數(shù)表法分為前側(cè)拉力螺釘固定組、外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組各8具。將標(biāo)本用電動擺鋸制備脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折模型后分別使用前側(cè)6.5mm拉力螺釘、4.5mm外側(cè)L型解剖鎖定鋼板和3.5mm后側(cè)T型鎖定鋼板制備骨折固定模型(圖1)。

圖1 脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折固定模型(由左至右依次為前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定和后側(cè)T型鋼板固定)

對男性志愿者膝關(guān)節(jié)行64排平掃螺旋CT(層厚2mm，層間距0.8mm，掃描電壓120kV，掃描電流165mA)，所得圖像刻錄光盤后以512×512像素的Dicom格式導(dǎo)入Mimics14.0軟件(購自美國Mimics公司)中，根據(jù)CT下不同組織灰度值的差異，經(jīng)閾值化分、增長和蒙版等步驟成功構(gòu)建正常脛骨平臺模型。將正常脛骨平臺模型以點(diǎn)云文件格式導(dǎo)入MIMICS有限元分析軟件中(購自比利時Materialise公司)，作松弛光滑等處理后以Igs格式導(dǎo)入Solidworks2013軟件(購自美國Solidwork公司)，獲得脛骨平臺實(shí)體模型。在Solidworks2013軟件中將脛骨平臺分割模擬脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折(圖2)，各骨折斷端以零件形式保存。結(jié)合骨實(shí)體模型的三維解剖數(shù)據(jù)以及筆者醫(yī)院實(shí)際手術(shù)中所選辛迪斯拉力螺釘和鋼板的產(chǎn)品信息，重建拉力螺釘、T型鋼板、L型鋼板及配套螺釘?shù)哪Ｐ停粤慵袷奖４?。通過“裝配體”功能將上述零件組合，模擬前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定及后側(cè)T型鋼板固定三種內(nèi)固定模型(圖3)。所有上述零件保存?zhèn)溆煤髮⒐钦酃潭Ｐ蛯?dǎo)入軟件Ansys13.0(購自美國Ansys公司)行有限元分析。此次脛骨平臺建模共39 648個節(jié)點(diǎn)，160 687個單元；前側(cè)拉力螺釘固定模型節(jié)點(diǎn)44 583個，單元199 310個；外側(cè)L型鋼板固定模型節(jié)點(diǎn)99 813個，單元466 170個；后側(cè)T型鋼板固定模型節(jié)點(diǎn)51 375個，單元322 551個。

圖2 脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折線模型

圖3 完整脛骨和不同固定方式的有限元模型。a.完整脛骨;b.外側(cè)L型鋼板固定;c.前側(cè)拉力螺釘固定;d.后側(cè)T型鋼板固定

3 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)

將三種骨折固定模型于平臺上方用牙托粉制成一個加載平臺，結(jié)合應(yīng)力加載儀器的球頭壓出一個吻合的半圓形凹槽，制作時維持模型標(biāo)準(zhǔn)直立位以防止向斜方偏移影響力的傳導(dǎo)。在骨折塊上方、下方、內(nèi)側(cè)、外側(cè)和中間選取5個人工位移標(biāo)識點(diǎn)，而后使用WAT-902H黑白高清晰度攝像機(jī)采集標(biāo)識好的5個點(diǎn)，連接電腦，通過指令對模型進(jìn)行軸向加載，加載速率為2mm/min，操作于室溫下進(jìn)行(圖4)。

圖4 加載平臺模型

4 三維有限元分析

4.1 材料屬性 脛骨平臺包括皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨(骨干和干骺端)，具體各部分及內(nèi)固定材料屬性參考以往的文獻(xiàn)[3]，見表1。

表1 脛骨平臺及內(nèi)固定有限元材料屬性

4.2 定義及邊界條件 本研究假設(shè)脛骨、鋼板及螺釘為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，忽略肌肉、韌帶等組織的影響。定義脛骨矢狀面與水平面相交線為X軸，冠狀面與水平面相交線為Y軸，矢狀面與冠狀面相交線為Z軸，通過三向平移和三向旋轉(zhuǎn)約束脛骨遠(yuǎn)端地面作為模型的基本邊界條件。

5 載荷設(shè)置及觀察指標(biāo)

60kg的成年人在雙足站立、單足站立、慢走、快走時脛骨平臺承受的力分別為250、500、1 000、1 500N[4]。以往的研究發(fā)現(xiàn)脛骨平臺骨折內(nèi)固定失效多為軸向應(yīng)力所致[5]，因此本研究主要分析軸向載荷250、500、1 000、1 500N時骨折塊的移位及受力情況。

6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié) 果

1 三組實(shí)體標(biāo)本生物力學(xué)比較

250、500、1 000N載荷下三組內(nèi)固定實(shí)體標(biāo)本骨折塊移位值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),1 500N載荷下前側(cè)拉力螺釘固定組骨折塊位移值小于外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組骨折塊位移值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表2。最大位移分布在近側(cè)脛腓關(guān)節(jié)交界區(qū)(圖5)。

表2 不同載荷下三組實(shí)體標(biāo)本骨折塊軸向位移比較

與前側(cè)拉力螺釘固定組相比：aP<0.05

圖5 位移標(biāo)識點(diǎn)分布(最大位移分布區(qū)為近側(cè)脛腓關(guān)節(jié)交界區(qū))

2 三維有限元分析結(jié)果

隨著軸向載荷增加，三個內(nèi)固定模型的Z軸上的最大位移均增加，在各載荷下前側(cè)拉力螺釘固定模型的骨折塊位移均小于其余兩組，見表3。1 500N載荷下三組骨折塊的位移分布在近側(cè)脛腓關(guān)節(jié)交界區(qū)(圖6)。

表3 不同軸向載荷下三種固定模型骨折塊于Z軸上的位移(mm)

圖6 1500N載荷下各有限元模型骨折塊位移云圖。a.前側(cè)拉力螺釘固定模型；b.外側(cè)L型鋼板固定模型；c.后側(cè)T型鋼板固定模型

討 論

脛骨平臺骨折多為高能量損傷導(dǎo)致，由于脛骨的外側(cè)平臺較內(nèi)側(cè)高且骨密度較低，因此臨床上脛骨平臺后外側(cè)骨折更加常見[6]。良好的復(fù)位有助于糾正下肢力線，而下肢力線是保證膝關(guān)節(jié)正常功能及穩(wěn)定性的必要因素，因此選取最佳的內(nèi)固定方案對患者的功能恢復(fù)十分關(guān)鍵[7]。以往對于脛骨平臺后外側(cè)骨折的研究多停留在臨床階段，對解剖結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)報(bào)道較少[8]。近些年，隨著運(yùn)算能力的大幅度提高，特別是大數(shù)據(jù)分析處理軟件的日趨成熟，有限元作為一種新型處理連續(xù)體力學(xué)的數(shù)值求解方法，因其具有可計(jì)算載荷后生物材料力學(xué)性質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是對骨、關(guān)節(jié)、韌帶等司負(fù)重功能組織器官的生物力學(xué)分析，主要體現(xiàn)在骨折內(nèi)固定后的應(yīng)力分布、再骨折危險度預(yù)測、人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)等多種方面[9-10]。前側(cè)拉力螺釘固定治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折效果顯著，但尚缺乏相關(guān)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)[11]。

骨折塊的軸向位移直接反映固定模型的穩(wěn)定性，從本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，250、500和1 000N載荷下三組內(nèi)固定實(shí)體標(biāo)本骨折塊移位值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),1 500N載荷下前側(cè)拉力螺釘固定組骨折塊位移值小于外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組(P<0.05)，外側(cè)L型鋼板固定組和后側(cè)T型鋼板固定組骨折塊位移值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。有限元分析結(jié)果表明，在各載荷下前側(cè)拉力螺釘固定模型的骨折塊位移值及內(nèi)固定最大應(yīng)力均小于外側(cè)L型鋼板固定模型和后側(cè)T型鋼板固定模型。兩種實(shí)驗(yàn)方法所得最大位移值分布區(qū)域均為近側(cè)脛腓關(guān)節(jié)交界區(qū)。綜合三種內(nèi)固定的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為前側(cè)拉力螺釘內(nèi)固定在治療脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折時具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：(1)穩(wěn)定性高，不僅可使患者早日行功能訓(xùn)練，且術(shù)后出現(xiàn)螺釘松動及骨折延遲愈合概率低；(2)手術(shù)簡單，避免過多剝離軟組織，減少了患者術(shù)后神經(jīng)、血管等損傷導(dǎo)致的并發(fā)癥；(3)內(nèi)固定材料簡單，減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)且取出方便。同時本研究也存在以下不足：(1)載荷的局限性：實(shí)際情況下，骨折固定后的受力是綜合肌肉、韌帶等軟組織的結(jié)果，本研究設(shè)定軸向載荷具有一定局限性；(2)骨折類型的局限性：臨床工作中脛骨平臺的骨折具有高度復(fù)雜性，上述結(jié)論是否適用有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，對于脛骨平臺后外側(cè)1/2骨折，前側(cè)拉力螺釘固定、外側(cè)L型鋼板固定和后側(cè)T型鋼板固定均可提供早期穩(wěn)定性，其中前側(cè)拉力螺釘固定在穩(wěn)定性方面最具優(yōu)勢，應(yīng)作為臨床首選方案。

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(本文編輯： 郭 衛(wèi))

Biomechanical analysis on three internal fixations for posterolateral 1/2 tibial plateau fracture

LIUShi-jun,LIZhi-guo,MAZhi-guo,FENGZhi-wei,SUOHai-jun,LOUHong-liang

(Jizhong Energy Fengfeng Group Hospital,Handan 056200,China)

Objective To analyze three internal fixations for posterolateral 1/2 tibial plateau fracture through biomechanical and finite element analysis methods. Methods Twenty-four fresh adult cadaver tibia specimens were selected and made into posterolateral 1/2 tibial plateau fracture models by electric saw. They were divided into anterior screw fixation group (8 cases),lateral L type plate fixation group (8 cases) and posterior T type plate fixation group (8 cases). A healthy male volunteer was selected,who was given CT on knee joint and the data was imported into Mimics 14.0 software to make tibial plateau and fracture model. Axial load was given on solid specimen and finite element model. The displacement and stress of fracture mass were compared among groups. Results There was no significant difference in displaced fragment of bone on 250N,500N and 1000N axial load among 3 internal fixations models[250N:(0.14±0.02)mm vs. (0.13±0.02)mm vs. (0.14±0.13)mm；500N:(0.27±0.05)mm vs. (0.29±0.06)mm vs. (0.28±0.07)mm；1000N:(0.49±0.12)mm vs. (0.53±0.10)mm vs. (0.50±0.09)mm；P>0.05]. The bone displaced distance of fragment of anterior screw fixation group (0.57±0.14)mm was lower than that of other groups[(0.72±0.10)mm,(0.76±0.13)mm] on 1500N axial load(P<0.05). In finite element,the bone displaced distance of fragments of anterior screw fixation were less than those of other two groups on all axial loads (P<0.05);the maximum displacement distribution regions were all located into proximal tibial joint junction. Conclusion For posterolateral 1/2 tibial plateau fracture,all three fixation methods can provide early stability,while the stability of anterior screw fixation is better than lateral L type plate fixation and posterior T type plate fixation.

tibial plateau fracture; internal fixation; finite element model; biomechanical analysis

1009-4237(2017)05-0338-05

R 683.42

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.05.005

056200 河北 邯鄲，冀中能源峰峰集團(tuán)總醫(yī)院創(chuàng)傷骨二科

2016-05-08；

2016-07-26)