克氏針的不同固定術(shù)式治療月骨脫位的有限元分析

葉旭標(biāo)，謝廣中，梅林軍，劉雄，羅錦玲，單淑媛

（1.東莞市第八人民醫(yī)院，廣東 東莞 523325；2.東莞市厚街醫(yī)院，廣東 東莞 523900）

月骨脫位主要治療方法為通過(guò)閉合復(fù)位或切開(kāi)復(fù)位后行克氏針固定，修復(fù)關(guān)節(jié)囊和韌帶。術(shù)后石膏將腕關(guān)節(jié)固定于中立位，術(shù)后2周拆線，術(shù)后6～8周拔除克氏針，開(kāi)始功能鍛煉。雖然術(shù)后石膏將腕關(guān)節(jié)固定于屈曲位或中立位，6～8周拔針后開(kāi)始功能鍛煉[1]，然而部分患者醫(yī)從性差，常自行拆除石膏。術(shù)后消腫石膏經(jīng)常有松脫，不能及時(shí)更換石膏，從而使石膏固定不牢固。臨床需要一種使月骨復(fù)位后既固定穩(wěn)定且克氏針受力較少不容易斷裂的手術(shù)方案。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)月骨復(fù)位后固定方法主要以舟月關(guān)節(jié)和橈月關(guān)節(jié)固定、頭月關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定、月三角關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定三種方法為主。針對(duì)以上三種固定方法，本文選取一名健康自愿者進(jìn)行腕關(guān)節(jié)掃描獲取空間結(jié)構(gòu)信息，利用三維有限元軟組織建立3組交叉克氏針固定三維有限模型。模擬術(shù)后受力情況，分析月骨位移及克氏針受力大小。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇1名27歲青年男性志愿者（經(jīng)醫(yī)院倫理道德委員會(huì)審批通過(guò)），腕關(guān)節(jié)活動(dòng)正常，無(wú)腕關(guān)節(jié)疾病。采用128排，層厚0.67 cm螺旋CT對(duì)志愿者腕關(guān)節(jié)進(jìn)行薄層掃描，范圍包括尺橈骨遠(yuǎn)端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨，與其相關(guān)韌帶。使用DVD刻錄光盤收集其Dicom格式數(shù)據(jù)。將CT數(shù)據(jù)以Dicom格式保存并導(dǎo)入Mimicis14.1軟件（Materialise公司，比利時(shí)），進(jìn)行灰度閾值調(diào)整，通過(guò)圖像分割、區(qū)域增長(zhǎng)等操作建立模型，數(shù)據(jù)再以stl格式導(dǎo)入工程軟件Geomagic Studio2012（Geomagic公司，美國(guó)）進(jìn)行光滑除糙、縮減三角面片、圖形縮放等處理，分別建立含有尺橈骨遠(yuǎn)端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三維幾何模型（圖1-2-B），最終保存為IGES格式[2]。

1.2 建立三組交叉克氏針固定模型

運(yùn)用軟件Geomagic Studio在含有尺橈骨遠(yuǎn)端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三維幾何模型上添加1.2 mm圓柱體模擬克氏針，形成橈骨月關(guān)節(jié)固定針、舟月關(guān)節(jié)固定針、頭月關(guān)節(jié)固定針、三角月關(guān)節(jié)固定針。各固定針模型以IGES格式保存。根據(jù)三組固定術(shù)式選取其中固定針，最后得出A，B，C三組交叉克氏針固定模型（A組：舟月關(guān)節(jié)和橈月關(guān)節(jié)固定；B組：頭月關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定；C組：月三角關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定）。各固定針均要求固定4層皮質(zhì)，且各關(guān)節(jié)間隙克氏針外露最小，不累及鄰近關(guān)節(jié)。

1.3 三維有限元模型的建立

把Mimics軟件建立腕部三維模型及相應(yīng)1.2 mm克氏針模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 14.0中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化，并對(duì)網(wǎng)格化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，獲得不包括軟骨與其附屬韌帶等的各腕部骨骼有限元模型，并根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，設(shè)計(jì)軟骨層厚為1.2 mm，在此模型中根據(jù)軟骨層厚進(jìn)行手繪各軟骨面。在除月骨以外腕骨及橈骨各相連關(guān)節(jié)添加約束，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，添加除與月骨相連以外的韌帶強(qiáng)度力量，從而模擬得到月骨脫位周圍韌帶斷裂、復(fù)位后模型。最終得到完整的月骨脫位術(shù)后腕部三維有限元模型。包括近端尺橈骨、腕骨、掌骨、各軟骨面、克氏針。

骨、軟骨與克氏針材料屬性：一般來(lái)說(shuō)，生物組織屬于各向異性的非線性體。本實(shí)驗(yàn)假設(shè)腕部骨骼和關(guān)節(jié)軟骨均為各向同性均勻的線彈性材料，又因皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的彈性模量均遠(yuǎn)大于軟骨的彈性模量，所以將骨骼單元的楊氏彈性模量統(tǒng)一設(shè)置為10 000 MPa，泊松比0.3。在不同的文獻(xiàn)中，軟骨的楊氏彈性模量從1 Mpa到10 Mpa不等，泊松比從0.45到0.49不等，本實(shí)驗(yàn)選取楊氏彈性模量5 Mpa，泊松比0.47[5]。賦予1.2 mm克氏針單位材料屬性：楊氏彈性模量E=110 000 Mpa，泊松比0.3[6]。

1.4 載荷設(shè)計(jì)與邊界條件

將三組模型中的橈骨和尺骨近端在X，Y，Z三個(gè)方向施加完全約束，參照文獻(xiàn)于第2掌骨頭、第3掌骨頭沿手和前臂軸向分別施加50 N～250 N的壓力載荷[7]，并進(jìn)行運(yùn)算。

2 結(jié)果

三組模型在第2掌骨頭、第3掌骨頭分別沿手和前臂軸向施加100N的壓力載荷下月骨位移應(yīng)變分布云圖見(jiàn)圖1。

100 N壓力載荷下三組模型克氏針上最大應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖2。

50 N～250 N壓力載荷下月骨位移及克氏針最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)圖3，4。

3 討論

圖1 三組月骨位移分布云圖

圖2 三組克氏針最大受力分布

圖3 月骨最大位移統(tǒng)計(jì)表

圖4 克氏針最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

月骨脫位是指月骨相對(duì)于周圍的腕骨和橈骨遠(yuǎn)端的掌側(cè)和背側(cè)移位，后者極少見(jiàn)。按照Mayfield的觀點(diǎn)，月骨掌側(cè)脫位為腕關(guān)節(jié)背伸型損傷發(fā)展的最終階段。在背伸及旋轉(zhuǎn)暴力的作用下，月骨周圍的韌帶相繼撕裂和斷裂，周圍腕骨背側(cè)脫位并與橈骨遠(yuǎn)端一起擠壓月骨，最終使其脫離背側(cè)橈腕韌帶的約束而發(fā)生掌側(cè)脫位[7]。

月骨脫位主要治療方法多采用掌側(cè)弧形切開(kāi)，切開(kāi)皮膚和皮下組織，于掌長(zhǎng)肌腱和橈側(cè)腕屈肌腱切開(kāi)深筋膜，切開(kāi)腕橫韌帶，找到并保護(hù)正中神經(jīng)，將神經(jīng)和屈肌腱分別向兩側(cè)拉開(kāi)，可顯露脫位的月骨和關(guān)節(jié)囊。切開(kāi)關(guān)節(jié)囊，保護(hù)月骨的掌側(cè)韌帶，清理關(guān)節(jié)間隙內(nèi)的血腫或肉芽組織，牽引并背伸腕關(guān)節(jié)，復(fù)位月骨。相應(yīng)克氏針固定，修復(fù)掌側(cè)損傷韌帶。術(shù)后用長(zhǎng)臂石膏將腕關(guān)節(jié)固定于屈曲位或中立位，2周拆線，6～8周拔針后開(kāi)始功能鍛煉[1]。月骨與橈骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)小關(guān)節(jié)面相關(guān)節(jié)，遠(yuǎn)側(cè)面有一深凹，分為外出大部和內(nèi)側(cè)小部，大部與頭狀骨相關(guān)節(jié)，小部與鉤骨相關(guān)節(jié)。內(nèi)側(cè)面與三角骨相關(guān)節(jié)，外側(cè)與舟骨相關(guān)節(jié)。月骨與周圍5塊骨頭相關(guān)節(jié)，按照交叉固定有良好穩(wěn)定性原則，總共有9種不同固定方法。臨床上卻缺少一個(gè)統(tǒng)一固定方法，而根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)月骨復(fù)位后固定方法主要以舟月關(guān)節(jié)和橈月關(guān)節(jié)固定；頭月關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定；月三角關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定三種方法為主。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與臨床意義

在本實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)用三維有限元分析對(duì)比月骨脫位的3種克氏針固定方案生物力學(xué)穩(wěn)定及克氏針應(yīng)力情況。在模型建立方面，正常腕關(guān)節(jié)的骨與軟骨三維有限元模型中，在除月骨以外腕骨及橈骨各相連關(guān)節(jié)添加約束來(lái)模擬月骨脫位復(fù)位后模型。

在三組模型中，隨著壓力載荷的增加，月骨的最大位移隨之增大，克氏針最大應(yīng)力也隨之增大，該情況符合力量守恒，同時(shí)也證明了該實(shí)驗(yàn)的合理性。三組實(shí)驗(yàn)中，A組月骨的最大位移最少，B組其次，C組位移最多（圖3）。從數(shù)值來(lái)說(shuō)，A組固定術(shù)式最穩(wěn)定，C組固定最不穩(wěn)定。但在不同壓力載荷下，三組最大位移差均約為0.01 mm。在腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)中，以舟月分離最常見(jiàn)?，F(xiàn)在文獻(xiàn)和臨床上，舟月間距（即舟月關(guān)節(jié)面中央部位的骨間距離）大于3.0 mm有診斷舟月分離的意義。三組最大位移差的0.01 mm相對(duì)于診斷舟月分離的3.0 mm，可以說(shuō)三組固定術(shù)式的最大位移差異沒(méi)有明顯意義，其穩(wěn)定性無(wú)明顯差異，其穩(wěn)定性相當(dāng)。而在我們?cè)O(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)固定克式針中，發(fā)現(xiàn)克氏針固定4層骨皮質(zhì)最牢固，且克氏針經(jīng)過(guò)的骨皮質(zhì)越多越牢固。但該研究不在本次研究范圍內(nèi)。

在克氏針受力方面（圖4），B組克氏針最大應(yīng)力在三組模型中最大，其次為A組，且兩組克氏針最大應(yīng)力相差不大。C組克氏針最大應(yīng)力較其余兩組明顯要小。由于腕關(guān)節(jié)屈曲范圍約66°，其中橈腕關(guān)節(jié)承擔(dān)40%，腕中關(guān)節(jié)承擔(dān)60%。背伸范圍55°，橈腕關(guān)節(jié)承擔(dān)66.5%，腕中關(guān)節(jié)承擔(dān)33.5%。橈偏活動(dòng)范圍15°，橈腕關(guān)節(jié)承擔(dān)7°，腕中關(guān)節(jié)承擔(dān)8°。尺偏范圍35°，橈腕關(guān)節(jié)承擔(dān)20°，腕中關(guān)節(jié)承擔(dān)15°[8]。橈月關(guān)節(jié)、頭月關(guān)節(jié)為縱行關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)的屈伸主要靠橈月關(guān)節(jié)、頭月關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，克氏針固定方向與腕關(guān)節(jié)活動(dòng)方向相垂直，克氏針受力較橫向關(guān)節(jié)較大。而C組固定關(guān)節(jié)為橫向關(guān)節(jié)，主要負(fù)責(zé)橈偏及尺偏，其活動(dòng)范圍明顯小于屈伸活動(dòng)，克氏針受力較小。查看各金屬屈服強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度：是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。），其中鈦合金的屈服強(qiáng)度為350～400 Mpa。B組固定克氏針最先達(dá)到屈服強(qiáng)度，從而發(fā)生屈服現(xiàn)象即容易斷裂。當(dāng)載荷負(fù)荷達(dá)到200 N時(shí)，A，B兩組均達(dá)到屈服強(qiáng)度，C組固定最大應(yīng)力仍在屈服強(qiáng)度以下。

在臨床工作中，我們發(fā)現(xiàn)在1例月骨脫位病例中出現(xiàn)克氏針斷裂，該患使用的固定術(shù)式正是B組頭月和舟月關(guān)節(jié)克氏針固定，術(shù)后石膏固定于屈曲位?；颊呷狈﹄S診，術(shù)后2周拆線出院，后再未回院復(fù)查。于術(shù)后6周回院復(fù)查X線片，見(jiàn)頭月固定針斷裂（圖5，6）。該患者只能再次手術(shù)切開(kāi)取出克氏針。

圖5 頭月和舟月關(guān)節(jié)克氏針固定術(shù)后

圖6 術(shù)后6周克氏針斷裂

B組頭月關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定方法中，雖然有較好的穩(wěn)定性，但其克氏針應(yīng)力最大，克氏針斷針風(fēng)險(xiǎn)最大，所以臨床上最好避免行該方法固定。而實(shí)踐中反而常見(jiàn)該固定術(shù)式，主要因?yàn)榇斯潭ǚ绞侥茉谡苽?cè)弧形直視下完成。A組舟月關(guān)節(jié)和橈月關(guān)節(jié)固定，雖然有最好的穩(wěn)定性，但其克氏針應(yīng)力與B組相近，且遠(yuǎn)大于C組克氏針應(yīng)力。A，B組克氏針斷針風(fēng)險(xiǎn)均很大。C組方法固定中，月骨位移與前兩組相差不大，三種固定方法穩(wěn)定性相當(dāng)，C組固定雖然沒(méi)有A組固定穩(wěn)定，但其關(guān)節(jié)間隙中克氏針應(yīng)力較其他兩種要小，術(shù)后不容易出現(xiàn)克氏針斷裂或松動(dòng)，所以臨床上建議使用月三角關(guān)節(jié)和舟月關(guān)節(jié)固定治療月骨脫位。

3.2 結(jié)果誤差及實(shí)驗(yàn)的不足

本文在臨床療效分析中研究病例相對(duì)較少。只研究術(shù)后早期石膏固定下腕關(guān)節(jié)軸向負(fù)荷下結(jié)果，但腕關(guān)節(jié)還受到掌側(cè)及背側(cè)活動(dòng)及扭曲力的作用，故還需進(jìn)一步的研究探討。