外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的有限元分析

焦玉爽　陳偉　杜紅杰　張宗召　楊宗酉

【摘要】 目的探討外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的生物力學(xué)可行性，為臨床應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。方法采集1名志愿者下肢CT圖像資料，分別進行正常脛腓骨、鎖定鋼板內(nèi)固定及外置鎖定鋼板固定的虛擬三維模型重建。利用Abaqus軟件，設(shè)定邊界條件、施加150 N縱向靜態(tài)載荷以模擬60 kg成人半負重站立時單側(cè)下肢3種模型的受力分布及位移大小。結(jié)果正常脛腓骨模型半負重時最大應(yīng)力值為7.7 MPa，位于脛腓骨遠端;鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應(yīng)力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺釘與鋼板接觸處。外置鎖定鋼板固定模型的整體位移大于鎖定鋼板內(nèi)固定模型及正常脛腓骨模型，三者的最大位移分別為1.9 mm、0.5 mm和1.3 mm，整體剛度分別為78.9 N/mm、300.0 N/mm和115.4 N/mm。結(jié)論雖然外置鎖定鋼板使鋼板承受了更大的應(yīng)力，產(chǎn)生較大的位移，但其強度在安全范圍之內(nèi)，且剛度更接近于正常脛腓骨。因此，外置鎖定鋼板固定在生物力學(xué)方面具有一定可行性。

【關(guān)鍵詞】 脛骨;骨折;鎖定鋼板;有限元分析

脛骨骨折為臨床常見骨折類型，其發(fā)生率較高，約占全身骨折的3.3% - 6.8%[1]。脛骨干的前內(nèi)側(cè)面及嵴均位于皮下淺層，較少肌肉包裹，易觸及，且此處骨骼質(zhì)地較硬，彈性較小，導(dǎo)致此處的骨折容易造成皮膚等軟組織的破壞而成為開放性骨折。對于開放性脛骨近端骨折，臨床中多行一期外固定架固定，待皮膚軟組織條件允許后，再行二期內(nèi)固定治療。然而，由于脛骨近端骨折塊較小，外固定架需跨關(guān)節(jié)固定，常常導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)功能障礙。另外，外固定架釘?shù)垒^粗，易發(fā)生感染。脛骨平臺鎖定鋼板具有強度大，角度穩(wěn)定性的特點。目前已有學(xué)者將鎖定鋼板固定于皮膚之外治療脛骨遠端骨折[2]。然而，目前尚無外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的基礎(chǔ)研究，因此，本課題組通過有限元模型模擬外置鎖定鋼板，并與常規(guī)鎖定鋼板及正常脛骨模型比較，旨在探討外置鎖定鋼板的生物力學(xué)可行性，為臨床應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

材料與方法

一、資料采集

本課題組于2017年12月招募本院正常志愿者1名，經(jīng)其理解并簽署知情同意書后，對其行下肢CT檢查，掃描層厚為2 mm，共獲取CT圖像892層。原始掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入Mimics10.0軟件（Materialise Company， Leuven， Belgium），選取左側(cè)脛腓骨進行三維重建。導(dǎo)人NX 9.0軟件（ Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.USA），制作脛骨近端骨缺損模型以模擬近端粉碎性骨折。選擇脛骨外側(cè)鎖定鋼板（圖1），根據(jù)鋼板螺釘內(nèi)固定物形態(tài)參數(shù)，利用NX 9.0軟件分別對正常脛骨鎖定鋼板內(nèi)固定模型及外置鎖定鋼板固定模型進行虛擬三維模型重建。其中將外置鎖定鋼板固定模型鋼板設(shè)定為距離骨面3 cm。脛骨平臺T形鎖定鋼板長150 mm、寬14.0 mm、厚4.5 mm、孔距12.5 mm、螺釘直徑5.0 mm。將帶螺紋的螺釘簡化為等直徑的光滑圓柱，根據(jù)脛骨形態(tài)、骨折特點及生物力學(xué)原則分別選取合適的螺釘進行固定（圖2A-C）。

二、有限元分析

將重建模型導(dǎo)人Geomagic Studi0 12（ Geoma-gic，Research Triangle Park NC，USA）中進行網(wǎng)格劃分優(yōu)化，再以X_t格式導(dǎo)人有限元分析軟件Abaqus 6.11（ Dassault Systemes Simulia， Providence，RI，USA）。本研究假設(shè)所涉及材料為連續(xù)均質(zhì)各向同性的線性彈性材料。松質(zhì)骨楊氏模量和泊松比分別為400 MPa和0.2，皮質(zhì)骨分別為18 000 MPa和0.3，內(nèi)固定物為110 000 MPa和0.3[3]。采用二次四面體單元分別對2種固定方式的實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分，并對模型接觸處進行局部細化。將脛腓骨遠端底面進行三向平移和旋轉(zhuǎn)約束。將螺釘與鎖定鋼板設(shè)置為剛性連接來模仿內(nèi)固定系統(tǒng)的鎖定狀態(tài)。本課題組選用150 N縱向靜態(tài)載荷模擬60 kg成人半負重站立時單側(cè)脛骨平臺受力，其中內(nèi)側(cè)平臺和外側(cè)平臺分別承受60%和40%應(yīng)力[4]。根據(jù)軸向應(yīng)力的加載分析脛骨、內(nèi)固定物的剛度、受力分布及位移大小。

結(jié)果

一、正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的應(yīng)力比較

正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型在半負重時，其應(yīng)力分布如圖2D -F所示。正常脛腓骨模型應(yīng)力分布較為均勻，在脛腓骨遠端略有增加。鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，位于鋼板第3-5孔及鋼板與螺釘相連處。同時，螺釘周圍骨質(zhì)應(yīng)力也明顯增加。鎖定鋼板內(nèi)固定模型在骨折的遠端及近端出現(xiàn)應(yīng)力遮擋區(qū)，而在外置鎖定鋼板固定模型中未觀察到明顯的應(yīng)力遮擋。對于腓骨來說，外置鎖定鋼板固定模型腓骨整體應(yīng)力高于正常脛腓骨模型和鎖定鋼板內(nèi)固定模型。正常脛腓骨模型半負重時最大應(yīng)力值為7.7 MPa，位于脛腓骨遠端;鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應(yīng)力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺釘與鋼板接觸處。

二、正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型載荷后的位移比較

如圖2G -I所示，施加150 N人體半負重載荷后，鎖定鋼板內(nèi)固定模型整體位移明顯小于正常脛腓骨模型和外置鎖定鋼板固定模型，三者的最大位移分別為0.5 mm、1.3 mm和1.9 mm。對于脛骨近端骨折塊，正常脛腓骨模型內(nèi)外側(cè)平臺位移量均等，而鎖定鋼板內(nèi)固定和外置鎖定鋼板固定模型整體以內(nèi)側(cè)平臺位移為主，內(nèi)側(cè)平臺位移明顯大于外側(cè)。對于骨折遠端骨折塊，3種模型的位移規(guī)律相似，內(nèi)外位移平衡。經(jīng)計算得出正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體剛度分別為115.4 N/mm、300.0N/mm和78.9 N/mm。

討 論

鎖定鋼板具有強度高、角度穩(wěn)定等優(yōu)點，避免了鋼板對骨膜的擠壓，用于骨折不愈合、骨髓炎、骨骼肌肉減少癥的治療[5-6]。但是目前該技術(shù)仍具有爭議性，且關(guān)于該技術(shù)的生物力學(xué)研究并不完善。計算機有限元分析技術(shù)能夠準確模擬復(fù)雜的人體力學(xué)環(huán)境、直觀顯示并定量計算應(yīng)力分布、位移情況，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已獲得了廣泛認同[7]。

骨折內(nèi)固定的抗旋轉(zhuǎn)性與螺釘半徑密切相關(guān)，隨著螺釘半徑增加而相應(yīng)增加。其中，直徑5 mm螺釘?shù)恼w抗旋轉(zhuǎn)能力能達到3.5 mm螺釘?shù)?倍，因此本實驗?zāi)M的5 mm螺釘可大大增加外置鎖定鋼板固定模型的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。本研究中正常脛腓骨模型半負重時最大應(yīng)力值為7.7 MPa，鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應(yīng)力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa。雖然鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的應(yīng)力較正常脛腓骨大，但兩者整體最大應(yīng)力值均遠遠小于鈦合金屈服強度[8]。脛骨近端骨折外置鎖定鋼板固定在強度安全范圍之內(nèi)，可提供足夠的穩(wěn)定性[9]。

由于鎖定內(nèi)固定系統(tǒng)的強固定會產(chǎn)生較大的應(yīng)力遮擋，不利于粉碎性脛骨骨折的愈合。因此對于粉碎性脛骨骨折，應(yīng)給予相對穩(wěn)定的固定，以增加骨折斷端的應(yīng)力刺激，促進骨折愈合。本研究顯示，施加人體半負重載荷后，正常脛腓骨模型呈現(xiàn)出內(nèi)外側(cè)均勻的軸向位移。而鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型呈現(xiàn)出內(nèi)側(cè)較大的不均勻位移。這是由于對骨折進行鋼板螺釘固定后外側(cè)獲得比內(nèi)側(cè)更高的支撐。鎖定鋼板整體剛度主要受工作長度、螺釘直徑及數(shù)量、鋼板距骨面的距離和鋼板長度等因素影響[10]。施加負荷后，正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內(nèi)固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的最大位移分別為1.3 mm、0.5 mm和1.9 mm。由此可見，隨著螺釘工作長度的增加，其整體穩(wěn)定性會降低，更接近于正常脛腓骨模型，可以獲得有利于骨折愈合的力學(xué)環(huán)境，具有一定的生物力學(xué)優(yōu)勢。

本研究存在一定的局限性。本實驗為有限元分析，該方法雖然已得到廣泛認同，但與人體真實力學(xué)及生物學(xué)環(huán)境仍具有一定差異。該研究結(jié)果尚需行臨床研究進一步證實。

綜上所述，雖然外置鎖定鋼板固定模型使鋼板承受了更大的應(yīng)力，產(chǎn)生較大的位移，但其強度在安全范圍之內(nèi)，且剛度更接近于正常脛腓骨模型。因此，外置鎖定鋼板固定在生物力學(xué)方面具有一定可行性。

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