肱骨遠端骨折內(nèi)植物有限元分析及臨床應(yīng)用

郝 廷，馮 衛(wèi)*，薛 飛

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，1.創(chuàng)一科；2.創(chuàng)三科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

?論 著?

肱骨遠端骨折內(nèi)植物有限元分析及臨床應(yīng)用

郝 廷1，馮 衛(wèi)2*，薛 飛2

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，1.創(chuàng)一科；2.創(chuàng)三科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

目的通過對肱骨遠端骨折2種內(nèi)固定方式內(nèi)植物的有限元分析，比較不同內(nèi)固定術(shù)式內(nèi)植物應(yīng)力分布特點，為指導(dǎo)臨床、內(nèi)植物改進提供理論依據(jù)。方法 建立肱骨遠端骨折內(nèi)固定三維有限元模型，研究不同內(nèi)固定方式下內(nèi)植物的應(yīng)力分布。結(jié)果 通過手術(shù)模擬、有限元分析得知置于肱骨后側(cè)的鋼板應(yīng)力明顯大于側(cè)方鋼板所受應(yīng)力，更容易發(fā)生應(yīng)力集中、斷板、斷釘。結(jié)論 肱骨遠端骨折2種內(nèi)固定方式，根據(jù)內(nèi)固定器材有限元分析結(jié)果能夠為器械廠商內(nèi)植物材料的設(shè)計、改進提供有價值的參考，一定程度上也能指導(dǎo)臨床安全、有效的功能鍛煉，防止折端移位，鋼板斷裂的發(fā)生。

肱骨遠端；內(nèi)固定；有限元

隨著數(shù)字技術(shù)在骨科的應(yīng)用，對四肢骨折內(nèi)固定術(shù)后折端應(yīng)力分布特點等進行有限元模擬分析的文獻報道較多，但對內(nèi)植物材料應(yīng)力變化的相關(guān)文獻報道幾乎沒有，本研究采用有限元分析法對肱骨遠端骨折2種內(nèi)固定方式進行模擬測試，為臨床內(nèi)固定手術(shù)治療肱骨遠端骨折內(nèi)固定方式的選擇、科學(xué)有效的放置鋼板等提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 有限元模型的建立

病歷選自內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科非肘關(guān)節(jié)疾患成人CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)1例，男34歲，體重65 Kg。雙側(cè)肘關(guān)節(jié)作螺旋CT平掃（64排螺旋CT，GE公司，美國），掃描條件：電壓120 KV，電流250 mAs，層厚0.625 mm，層距0.625 mm，掃描時間0.4 s，512X512矩陣成像，成像視野15×15 cm，像素大小0.625×0.625，掃描長度為肱骨大結(jié)節(jié)下緣至肱骨髁，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，采用右側(cè)肱骨遠端數(shù)據(jù)作為樣本。將二維DICOM格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics16.0軟件，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，選擇擬重建部分建立肱骨遠端三維模型。

PRO-E軟件是用于建立肱骨遠端雙板式，Y型解剖鋼板固定系統(tǒng)，并將其導(dǎo)入模擬重建良好的肱骨遠端骨折模型，基于鋼板的原則是固定在一個軟件系統(tǒng)注冊，所有的螺絲孔安裝自攻鎖緊螺釘，安裝表面網(wǎng)狀柵極和身體的登記制度，并以STL格式文件導(dǎo)出并保存。在Ansys軟件的軟件11.0中，建立了有限元模型。

1.2 邊界條件及加載

模擬患者摔倒，手掌著地伸直位時的固定系統(tǒng)應(yīng)力分布情況。固定肱骨近端表面，于肱骨髁遠端表面施加垂直加載500N載荷分析鋼板各釘孔和螺釘尾部應(yīng)力分布。

計算設(shè)計：

采用定性和定量兩種方法表示，前者用應(yīng)力分布云圖表示。后者計算方法如下：計算鋼板和螺釘不同節(jié)段（鋼板以每個節(jié)段單位面積中平均取n個點應(yīng)力；螺釘釘帽圓周平均取n個點應(yīng)力，n＞5）的平均VonMises應(yīng)力。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 17.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行分析，計數(shù)資料以“±s”表示，采用t檢驗；以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 肱骨遠端骨折第一種固定方式：雙鋼板固定的有限元分析

圖1-1

圖1-2

圖1-1，1-2 肱骨遠端內(nèi)側(cè)鋼板應(yīng)力分布（不同觀察角度及區(qū)域劃分）

圖2 肱骨遠端后側(cè)鋼板應(yīng)力分布

2.2 肱骨遠端骨折第二種固定方式：Y型鋼板的有限元分析：

圖3 Y型鋼板應(yīng)力分布

由應(yīng)力分布云圖可見（圖2），鋼板整體呈現(xiàn)中間節(jié)段應(yīng)力大，兩端應(yīng)力逐漸減小，故折端處鋼板所受應(yīng)力較大，容易發(fā)生斷裂。由應(yīng)力分布云圖可見（圖1-1，圖2，）在相同負荷條件下，后側(cè)鋼板應(yīng)力值大于內(nèi)側(cè)鋼板應(yīng)力值，這可能與后側(cè)鋼板置于肱骨遠端的應(yīng)力側(cè)有關(guān)。由應(yīng)力分布云圖可見（圖1-2），螺釘與鋼板接觸處的應(yīng)力分布明顯大于螺釘桿中段及尾部，應(yīng)力相對集中、容易發(fā)生斷裂，這是術(shù)后螺釘帽與釘桿交界處斷裂的原因。

相同載荷條件下，由應(yīng)力分布云圖可見（圖1-1，圖3）Y型鋼板置于肱骨遠端后側(cè)，所受應(yīng)力明顯大于內(nèi)側(cè)鋼板應(yīng)力值，再次證實肱骨遠端后側(cè)為應(yīng)力側(cè)，所受應(yīng)力較大，Y型鋼板分叉處（Y3釘孔周圍）應(yīng)力較集中，屬于鋼板受力集中區(qū)；Y4Y5，Y7Y8節(jié)段應(yīng)力相對較大。

3 討 論

3.1 肱骨遠端內(nèi)植物的有限元分析對內(nèi)固定器材設(shè)計、改進的意義

由應(yīng)力分布云圖可見（圖2，圖3），鋼板整體呈現(xiàn)中間節(jié)段應(yīng)力大，兩端應(yīng)力逐漸減小的趨勢，手術(shù)放置鋼板時鋼板中段恰好置于折端處，鋼板所受應(yīng)力較大，容易發(fā)生斷裂。根據(jù)骨折固定BO理念，我們應(yīng)該推崇一種既可以彈性固定，又不容易發(fā)生斷裂的內(nèi)固定材料，設(shè)計一款“扁擔(dān)”樣式的鋼板--中間厚、兩端薄。由應(yīng)力分布云圖可見，螺釘與鋼板接觸處的應(yīng)力分布相對集中、容易發(fā)生斷裂，這與臨床工作中內(nèi)固定術(shù)后螺釘發(fā)生斷裂的部位相符合。我們可以設(shè)計一種“錐”形螺釘，在釘帽、釘桿交界處加粗，這樣既可以一定程度上避免發(fā)生斷釘，同時也能增加螺釘在骨質(zhì)中的把持力，更適合應(yīng)用于骨質(zhì)疏松患者。

3.2 肱骨髁間、髁上骨折的手術(shù)治療及存在的爭議與不足

肱骨髁間嚴重粉碎性、復(fù)雜性骨折多由于高處墜落、交通事故等高能量損傷所致，屬于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，骨折致關(guān)節(jié)面粉碎、毀損較為嚴重，關(guān)節(jié)周圍軟組織、韌帶、關(guān)節(jié)囊常常伴有不同程度的的撕裂。由于肘關(guān)節(jié)內(nèi)、外髁是伸、屈肌群的附著點，周圍肌肉覆蓋較少，因此骨折損傷后常會出現(xiàn)肱骨內(nèi)外髁骨折塊較明顯的移位，非手術(shù)保守治療難以達到滿意的效果[1]。解剖研究，遠端肱骨相似三角形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外柱的另一邊，參與三角，三角形任何損傷，骨折都會影響遠端肱骨力學(xué)的穩(wěn)定性。近年來國內(nèi)外專家、學(xué)者提出了雙柱的理論：冠狀，呈三角形的位置遠端肱骨、尺骨冠狀窩鷹嘴窩和占大多數(shù)的中央，內(nèi)外側(cè)髁遠端擴展構(gòu)成強大的雙柱，把遠端肱骨骨折復(fù)位和固定肱骨小頭不僅恢復(fù)——阻止關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面，還需要恢復(fù)的連續(xù)性和完整性內(nèi)外列[2]

臨床手術(shù)治療常用到不同功能的各種類型接骨板如：Y形重建型接骨板、單側(cè)固定接骨板和雙側(cè)接骨板以及解剖型鎖定接骨板?！癥”形鋼板以及近幾年采用肱骨遠端雙側(cè)鋼板垂直或平行放置治療肱骨髁間、髁上復(fù)雜性、粉碎性骨折，均能取得較為滿意的療效[3]。采用“Y”形鋼板和雙鋼板固定，解剖上更加符合肱骨遠端雙柱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)要求，較單鋼板螺釘固定更具較好穩(wěn)定性，有利于骨折端的愈合。“Y”形鋼板具有以下優(yōu)缺點：（1）具有強大的抗扭轉(zhuǎn)性能；（2）鋼板一體化的對稱性兩翼設(shè)計可以均勻分擔(dān)、傳導(dǎo)肱骨內(nèi)外髁的應(yīng)力，一定程度上避免髁間骨碎塊再移位；（3）軸向壓縮位移上不如雙接骨板穩(wěn)定，對骨折線要求高，適合骨折塊較少的骨折；Y型鋼板具有一定分叉角度，可能與部分解剖關(guān)系不吻合，不能有效加壓，固定不牢靠，術(shù)后不能早期功能鍛煉。雙鋼板優(yōu)缺點為：（1）內(nèi)外側(cè)雙鋼板無論垂直放置還是平行放置均符合肱骨遠端的雙柱解剖結(jié)構(gòu)，可以較為理想的對肱骨遠端的立體三角結(jié)構(gòu)進行重建；（2）采取多角度、交叉式的螺釘固定方式對骨塊進行加壓，類似于建筑學(xué)上的拱門結(jié)構(gòu)，能更好的穩(wěn)定骨碎塊；（3）通過堅強、有效內(nèi)固定肱骨髁間粉碎性骨折，有利于患者進行早期的關(guān)節(jié)功能鍛煉。（4）雙鋼板治療手術(shù)費用較高、患者經(jīng)濟負擔(dān)重等缺點。Mc-kee和其他報告證實，對肱骨骨折的雙板固定治療比y板更強和更可靠。對于肱骨雙板的固定，現(xiàn)有的爭議是鋼板的固定位置和方向，在肱骨孔上應(yīng)該放置平行或垂直的位置。大量文獻報告證實雙板固定，無論是垂直的還是平行的放置，都能達到令人滿意的效果。也有一些關(guān)于生物力學(xué)的研究表明，平行板比垂直板更穩(wěn)定。另一個爭議是是否使用了鎖板。鎖板的設(shè)計更適合于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折和骨性骨折，這是一種支架支撐，也具有抗拔的優(yōu)點。生物力學(xué)研究證實，鎖定鋼板在骨質(zhì)疏松和遠端肱骨上的骨折有良好的穩(wěn)定性。雖然鎖板的固定效果是缺乏足夠的多中心、大樣本的證據(jù)，但許多專家學(xué)者仍然相信，在遠端肱骨骨性骨折患者中使用的鎖板是有效的。當(dāng)前證據(jù)，常見的肱骨遠端骨折推薦雙骨板是固定的，對于骨質(zhì)疏松性粉碎性骨折，骨板建議平行或鎖定鋼板內(nèi)固定術(shù)，手肘鉸鏈?zhǔn)酵夤潭芙Y(jié)合有限切口和復(fù)雜肘關(guān)節(jié)骨折內(nèi)固定治療，損傷，可以改善肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和內(nèi)固定，術(shù)后早期活動，功能康復(fù)，肘部為臨床治療提供一種新的治療嚴重創(chuàng)傷。

[1]蒲川成,覃勇志,夏先學(xué),等.內(nèi)、外側(cè)肱骨遠端解剖鋼板手術(shù)治療肱骨髁上及髁間粉碎性骨折[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進展,2013,13(21):4111-4113,4158.

[2]蔡 浩,王友華,許步偉,陳建祥,高 峰.基于雙柱理論的平行鋼板固定技術(shù)在肱骨遠端C型骨折治療中的應(yīng)用[J],中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2013, 28(7):673-674.

[3]鐘恩春.三種內(nèi)固定方法治療肱骨髁間粉碎性骨折的療效比較[J].中國醫(yī)學(xué)創(chuàng)新,2014,11(17):59-61.

The finite element analysis of internal implant in distal humerus fractures and clinical application

HAO Ting1, FENG Wei2＊, XUE Fei2
(The Second Affiliated Hospital, Inner Mongolia Medical University 1.hit a record 2.yuan,Inner Mongolia branch;Hohhot 010030,Chian)

ObjectiveThe finite element mechanics analysis of internal fixation were measured through two kinds of internal fixation methods in the surgical treatment of distal humerus fractures, find the difference between them and we can provides the data for design、improvement of internal fixation materials. Methods Establish three-dimensional finite element model of internal fixation of the distal humerus fractures, analyze the stress distribution of the implant under different internal fixation modes. Results By finite element analysis : plate stress on humerus back is significantly greater than the lateral steel plate ,It is likely to happen, such as stress concentration,screw breakage. Conclusion According to the results of finite element analysis of two kinds of internal fixation for distal humerus fractures, we could provide valuable reference for equipment manufacturers in the design or improvement of the plant material,we also can provide safe and effective functional exercise for the patient to prevent fracture displacement, steel plate fracture.

Distal humerus; Internal fixation; Finite element

R683.4

A

ISSN.2095-8242.2017.058.11287.03

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項目編號（KJT13MS1107）

馮 衛(wèi)，主任醫(yī)師，E-mail：603261696@qq.com

本文編輯：趙小龍