小夾板治療橈骨遠(yuǎn)端C型骨折有限元研究

黃彬鋮

[摘要]目的 探討小夾板治療橈骨遠(yuǎn)端C型骨折有限元研究。方法 選取2018年6月11日我院收治的1例26歲健康男性橈骨遠(yuǎn)端C型骨折患者作為研究對象，并根據(jù)該患者右前臂CT掃描數(shù)據(jù)，建立正常橈骨遠(yuǎn)端三維模型。依據(jù)AO分型，人為劃分骨折線，建立3種C型骨折前臂高階四面體網(wǎng)格模型。并對3種骨折模型進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出相應(yīng)云圖。結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其骨折類型中C1.1、C2.1及C3.1型的骨折塊數(shù)較少，其骨折縫處為最大應(yīng)力的集中處，也對維持骨折的穩(wěn)定性帶來一定優(yōu)勢。結(jié)論 通過對小夾板治療橈骨遠(yuǎn)端C型骨折進(jìn)行相關(guān)有限元研究，初步確定了其適用范圍，可為臨床工作提供一些參考。

[關(guān)鍵詞]小夾板;橈骨遠(yuǎn)端;C型骨折;有限元研究

[中圖分類號] R274.11? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-4721（2019）11（a）-0004-04

Finite element study of small splint in the treatment of type C distal radius fracture

HUANG Bin-cheng

Department of Orthopedics， Panyu Hospital of Chinese Medicine in Guangzhou City， Guangdong Province， Guangzhou? ?511400， China

[Abstract] Objective To investigate the finite element study of small splint in the treatment of type C distal radius fracture. Methods A 26-year-old healthy male patient with type C distal radius fracture admitted to our hospital on June 11， 2018 was selected as the study object. According to the CT scan data of the patient′s right forearm， a three-dimensional model of the normal distal radius was established. According to AO classification， fracture lines were artificially divided， and three kinds of type C fracture upper forearm high-order tetrahedral mesh models were established. Three fracture models were analyzed by finite element method， and corresponding cloud images were calculated. Results The experimental results showed that the fracture types of C1.1， C2.1 and C3.1 were fewer in the number of fracture blocks， and the fracture joints were the concentration of maximum stress， which also brought some advantages to maintain the stability of the fracture. Conclusion The application of small splint in the treatment of type C fractures of the distal part of the flexure bone has been preliminarily determined through the relevant finite element study， which can provide some references for clinical work.

[Key words] Small splint; Distal radius; Type C fracture; Finite element study

C型橈骨遠(yuǎn)端骨折的患者在同時(shí)患有其他多種疾病的情況下，由于進(jìn)行手術(shù)時(shí)有很多不確定的風(fēng)險(xiǎn)因素，因此不得不進(jìn)行保守治療，因此臨床上常常使用小夾板外固定的方法進(jìn)行治療。很多醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，C型橈骨遠(yuǎn)端骨折使用夾板固定這種治療方法欠缺考慮，因?yàn)橹委熜Ч芤话恪ｊP(guān)于老年人橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的治療方法包括兩種，一種是切開復(fù)位內(nèi)固定法，另一種是手法整復(fù)夾板外固定法，但是針對患者的關(guān)節(jié)面塌陷超過3 mm的情況，治療時(shí)長期的保守治療要比進(jìn)行手術(shù)治療效果明顯，而且還可以減少并發(fā)癥的發(fā)生[1]。伴隨著社會的不斷發(fā)展，有限元技術(shù)也得到了快速進(jìn)步，并且常應(yīng)用于骨科手術(shù)方面，因此對小夾板在臨床上的使用，采用有限元技術(shù)對其進(jìn)行研究已經(jīng)很有可能[2]。本研究對小夾板固定的方式進(jìn)行C型橈骨遠(yuǎn)端骨折的治療的詳細(xì)情況進(jìn)行描述，以期為以后的臨床研究提供依據(jù)。

1資料與方法

1.1一般資料

選取2018年6月11日我院收治的1例26歲健康男性橈骨遠(yuǎn)端C型骨折患者作為研究對象，并且將實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜扛嬖V該患者，同時(shí)要簽一份知情通知書。本研究已經(jīng)通過醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核批準(zhǔn)。

1.2方法

首先將受試者的右臂前臂進(jìn)行夾板外固定，之后進(jìn)行CT掃描（層距和層厚均為1 mm），之后得到掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果，并將數(shù)據(jù)保存為DICOM格式，然后上傳到電腦上進(jìn)行保存，作為之后建模需要的數(shù)據(jù)庫。使用Mimics 15.0軟件將CT得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)，同時(shí)建立正常的橈骨遠(yuǎn)端的三維模型，然后按照以下五步進(jìn)行操作，其中包括對圖像進(jìn)行前處理、選擇合適的閾值、區(qū)域的增長、對得到的圖像進(jìn)行分割以及對模型表面進(jìn)行平順處理，同時(shí)意味著得到了初級的三角面片模型，然后將其用STL格式進(jìn)行保存。由于這個(gè)模型存在表面過于粗糙和畸形以及扭曲等一些不好的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以首先要使用Mimics 15.0權(quán)健將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后使用軟件Imageware 13.0對三角面片初級模型進(jìn)行后續(xù)處理，包括對模型進(jìn)行降噪處理、使模型表面得到光順模型進(jìn)行精細(xì)的劃分，以及使用精確面等方法進(jìn)行曲面化等步驟，最終得到實(shí)際的三維實(shí)體模型。然后以.stp的格式將Imageware 13.0軟件中導(dǎo)出的三維模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便之后在數(shù)據(jù)庫中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)有利于分析和建立有限元的模型[3-5]。

模型組裝：在正常模型基礎(chǔ)上人為劃分骨折線。對正常模型偏移一定厚度（0.5 mm），獲得皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨，參考AO分型，對尺橈骨進(jìn)行分塊切割，獲得AO分型骨折模型。從Imageware 13.0導(dǎo)出三維模型數(shù)據(jù)，格式為.stp，導(dǎo)入Pro/E 5.0中進(jìn)行模型組裝，對需要進(jìn)行處理的部分或者特征進(jìn)行操作，共得到9個(gè)C型骨折模型，具體見圖1。

1.3觀察指標(biāo)

使用ANSYS 15.0軟件對完整的橈骨遠(yuǎn)端的三維模型進(jìn)行處理，然后使用Workbench軟件的一項(xiàng)功能，如自動網(wǎng)格劃分，將模型按照要求劃分。ANSYS Workbench軟件可以自動地將其網(wǎng)格劃分的功能進(jìn)行調(diào)整，然后得到具有更好特性和形狀的元素，而且針對精度高的部分，軟件可以將其網(wǎng)格密度進(jìn)行調(diào)整，確保得到質(zhì)量較高的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分可以使用Solid 186的單元類型的方法，而尺橈骨干的模型總共有185 168個(gè)節(jié)點(diǎn)以及147 401個(gè)單元。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

通過Ansys Workbench軟件進(jìn)行三維FE分析，提取橈骨遠(yuǎn)端各骨折亞型的尺橈骨遠(yuǎn)端骨與軟組織的應(yīng)力云圖，骨折固定后的軟組織應(yīng)力最大值、骨折縫處應(yīng)力數(shù)值。

2結(jié)果

2.1軟組織及骨折端在載荷條件下的最大壓應(yīng)力情況

通過分析AO骨折程度分型情況，并利用ANSYS軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算得出每種骨折分型基礎(chǔ)下軟組織和骨折端受壓的分布情況，具體見表1。

2.2適用范圍

局部軟組織和骨折斷端應(yīng)激的云圖具體見圖2。受到人最大可以負(fù)荷的生理軸向100 N時(shí)，此時(shí)人體各組織承受的最大力是4.0195 MPa，而且這種強(qiáng)度的力度是人體可以承受的，因此并不會有筋膜間室以及皮膚壓瘡等并發(fā)癥的產(chǎn)生。因?yàn)橥蟛康能浗M織比較少，所以這部分的力度明顯大于其他部位，主要的力量集中在繞腕關(guān)節(jié)，并且以骨折斷端為中心，夾板固定部位的應(yīng)力越往四周力度越小。C1.1、C2.1和C3.1型的骨折，由于骨折塊比較少，所以骨折縫處的應(yīng)力是最大的，能夠?qū)⒐钦鄣姆€(wěn)定性保持的比較好的原因也可能是因?yàn)閼?yīng)力在此部位比較集中[6-9]。因此可以判定，應(yīng)力在骨折端處越集中，使用夾板進(jìn)行固定的越穩(wěn)定，那么對骨折端進(jìn)行固定時(shí)效果就越好;相反，就代表固定的效果比較差。

3討論

以患者受傷肢體的生理功能為出發(fā)點(diǎn)，對夾板采用扎帶加壓的方式進(jìn)行約束，之后對骨折端的移位和畸形進(jìn)行矯正，從而將骨折端進(jìn)行固定，這就是小夾板外固定的方法[10-11]。傳統(tǒng)的小夾板是中醫(yī)在進(jìn)行骨折治療時(shí)的一大特點(diǎn)，常常應(yīng)用于對四肢骨折閉合復(fù)位外的固定?！吨夂缶茸浞健分杏涗浿覈谝淮问褂脢A板固定對骨折進(jìn)行治療的真實(shí)事件，因此小夾板是祖國的文化瑰寶。臨床實(shí)踐證明在對橈骨遠(yuǎn)端骨折進(jìn)行治療時(shí)，小夾板外固定的方法效果顯著，而且許多研究結(jié)果表明，在治療橈骨遠(yuǎn)端骨折時(shí)使用手法復(fù)位小夾板外固定的方式均得到良好的效果，受到眾多國內(nèi)骨科方面認(rèn)可，很多患者也很大程度地接受這項(xiàng)治療方法，而且這種治療方法還受到國際骨科方面的認(rèn)同[12-13]。針對C型橈骨遠(yuǎn)端骨折，很多情況下，單純采用夾板或者石膏這種保守的治療方法，固定的有效性和復(fù)位的準(zhǔn)確度都得不到有效的處理，因此還需要配合手術(shù)一同進(jìn)行治療。

小夾板固定骨折有很多優(yōu)點(diǎn)，最重要的優(yōu)點(diǎn)是，骨折處的有效固定可以和肢體早期鍛煉結(jié)合在一起，稱之為“動靜結(jié)合”。在骨折處傷口愈合期間，骨折斷端處輕微的活動現(xiàn)象是可以的，骨端間適當(dāng)?shù)臄D壓和摩擦對傷口的愈合有一定的效果[14];但是骨折端如果活動空間太大，超過了適當(dāng)?shù)幕顒臃秶?，則會對傷口愈合有一定的阻擾。骨折處愈合的動力主要有兩點(diǎn)，一是骨折端的應(yīng)力，二是骨折端的輕微活動。輕微的活動能夠使骨痂加快長成，促進(jìn)骨折傷口恢復(fù)，但是不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，會造成骨折傷口恢復(fù)的速度變緩。通常解釋為，骨折端處產(chǎn)生的壓應(yīng)力促進(jìn)傷口愈合;而剪應(yīng)力會造成傷口愈合緩慢。所以，在采用小夾板外固定的方法進(jìn)行治療時(shí)，要有很好的手法進(jìn)行復(fù)位，這樣可以將剪切應(yīng)力盡可能的減小，也可以降低對傷口愈合造成的影響[15-16]。另外，扎帶的松緊也至關(guān)重要;如果扎帶過于松，患者進(jìn)行鍛煉時(shí)，會出現(xiàn)固定失效和夾板脫落的情況，如果太緊，患者鍛煉過程中導(dǎo)致筋膜間室綜合癥以及壓瘡等現(xiàn)象的發(fā)生。研究報(bào)道[17]，在受到100 N左右的軸向力的情況下，人體并不會受到傷害，因?yàn)槿梭w可以承受的最大的應(yīng)力是4.0195 MPa。如果患者存在高程度的骨折粉碎以及有很多的骨折塊等現(xiàn)象，其在剛恢復(fù)時(shí)進(jìn)行鍛煉的過程中，移位或者骨折端處受到的關(guān)于應(yīng)力的刺激小等現(xiàn)象會常常發(fā)生，這樣會減慢傷口愈合速度，因此保持骨折端的穩(wěn)定需要增加載荷。本實(shí)驗(yàn)為靜力實(shí)驗(yàn)，對骨折端輕微活動時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此骨折處愈合的情況不能完全詳細(xì)的展現(xiàn);另外，由于骨組織和軟組織可以承受的安全的載荷還不能確定，以上這些問題都需要進(jìn)一步的研究。有限元的分析技術(shù)有個(gè)缺點(diǎn)，由于是在理想狀態(tài)下建立的三維模型，并未考慮存在其他的影響因素[18]。本實(shí)驗(yàn)使用的所有模型材料的定義是相同的，彈性材料、各向同性、和均質(zhì)，與事實(shí)不相符。而且，生物組織有很多特點(diǎn)，其中包括多樣性和復(fù)雜性，以及在建立模型方面的技術(shù)受到很多方面的制約，所以現(xiàn)在不能將有限元模型準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來。而且精確模型的建立需要考慮的因素眾多，其中包括加載條件及解剖形狀等方面，因此本研究建立的有限元模型以及對模型的分析和解釋均不能代表上述治療骨折方法的有效性[19]。

本研究結(jié)果顯示，骨折類型中C1.1、C2.1及C3.1型的骨折塊數(shù)較少，其骨折縫處為最大應(yīng)力的集中處，也對維持骨折的穩(wěn)定性帶來一定優(yōu)勢。提示患者骨折處若采用夾板固定且集中的話，可達(dá)到預(yù)期治療效果，與相關(guān)研究結(jié)果較為一致[20]。

綜上所述，對橈骨遠(yuǎn)端C型骨折進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，可以為臨床提供一定參考，尤其為基礎(chǔ)疾病較多、不能耐受手術(shù)的高齡患者的保守治療提供部分參考依據(jù)。但是本研究是在健康成人模型的基礎(chǔ)上開展，人為劃分了骨折線，而臨床骨折的具體形式多樣，僅選取代表性的骨折形式，與實(shí)際不符，故需進(jìn)一步進(jìn)行臨床驗(yàn)證。

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（收稿日期：2019-02-15? 本文編輯：任秀蘭）