四種不同內(nèi)固定方式治療骨性錘狀指的有限元分析

王偉 劉宗磊 王輝 楊煥友 王斌

錘狀指是由于伸指肌腱 I 區(qū)損傷導(dǎo)致遠(yuǎn)指間關(guān)節(jié) ( the distal interphalangeal joint，DIP ) 伸直受限，其中單純伸指肌腱斷裂為腱性錘狀指，伴有末節(jié)指骨基底骨折塊為骨性錘狀指。新鮮腱性錘狀指行保守治療即可，而骨性錘狀指由于骨折塊造成 DIP 縱向不穩(wěn)定，出現(xiàn)關(guān)節(jié)半脫位或者脫位，大部分患者需進(jìn)行手術(shù)治療[1]。為維持骨折塊的穩(wěn)定，通常需進(jìn)行經(jīng) DIP 固定如閉合克氏針固定 DIP 同時阻擋伸肌腱方法等，但長時間的關(guān)節(jié)制動會導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍的攣縮。目前常用的非 DIP 固定的方法有雙克氏針、紐扣鋼絲、8 字鋼絲、遠(yuǎn)節(jié)微型帶線錨定等四種固定方式，各有優(yōu)缺點[2]。本研究通過有限元分析的方法，對上述四種固定方法的固定強(qiáng)度進(jìn)行了分析，為臨床選擇合適的手術(shù)方案提供依據(jù)。

資料與方法

一、骨性錘狀指有限元模型建立

1. 手指三維模型建立：選取 1 名成年志愿者，身高 167 cm，體重 69 kg。志愿者無類風(fēng)濕、手部外傷及畸形等病史。采用 128 排螺旋 CT 對志愿者右手部行薄層掃描，層厚 0.625 mm。將 CT 圖像以DICOM 格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)軟件 Mimics 17.0 中，根據(jù)骨及手部軟組織的灰度值，分離出中末節(jié)指骨及手指末節(jié)的軟組織，然后以 txt 格式的點云文件在 Geomagic studio2012 中進(jìn)行點云封裝、輪廓線繪制、曲面片構(gòu)建、柵格化，并最終擬合出各解剖結(jié)構(gòu)的 NURBS曲面模型。在 CERO 4.0 中將重建的手指三維模型，按照 Wehbe 和 Schneider 骨性錘狀指的分型標(biāo)準(zhǔn)，通過對末節(jié)指骨基底的切割制作出 II 型錘狀指的三維模型。

2. 四種內(nèi)固定裝置的構(gòu)建：由于 8 字鋼絲模型曲線構(gòu)型復(fù)雜，很難在 CERO 4.0 中建立，本研究通過逆向建模的方法進(jìn)行構(gòu)建。在 Mimics 17.0 中應(yīng)用其 Simulationg 菜單下的 Manipulate Nerve 功能畫出鋼絲的模型，然后以 STL 文件在 Geomagic studio2012建立鋼絲的 iges 文件，再導(dǎo)入 CERO 4.0 中與錘狀指模型進(jìn)行裝配。其它 1.0 mm 克氏針模型、紐扣模型、1.3 mm 帶線錨釘模型分別在 CERO 4.0 中進(jìn)行設(shè)計。然后分別裝配并進(jìn)行布爾運算，形成四種內(nèi)固定的三維模型，分別為雙克氏針模型、紐扣鋼絲模型、8 字鋼絲模型、微型錨釘模型 ( 圖 1 )。

3. 三維有限元模型的組建：將上述裝配后的模型文件分別以 iges 格式導(dǎo)入前處理軟件 hypermesh行網(wǎng)格劃分，本研究均采用一階四面體單元，單元類型為 C3D4 單元。本研究中各材料的力學(xué)參數(shù)按照線彈性材料設(shè)置，其中金屬部分包括克氏針、鋼絲、錨釘?shù)膹椥阅Ａ繛?206 000 MPa，泊松比為0.30；伸指肌腱的彈性模量為 276.48 MPa，泊松比設(shè)置為 0.40；指骨的彈性模量為 170 000 MPa，泊松比為 0.30[3～4]。將建立的模型以 inp 格式導(dǎo)入有限元分析軟件 Abaqus 6.14 中，設(shè)定各部件之間的連接關(guān)系，其中伸指肌腱與骨折塊之間、關(guān)節(jié)軟骨與皮質(zhì)骨之間為共節(jié)點連接，骨折塊與末節(jié)指骨之間設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為 0.6。雙克氏針組將克氏針遠(yuǎn)端與指骨末節(jié)進(jìn)行綁定接觸，克氏針近端與骨折塊之間設(shè)定為滑動接觸，摩擦系數(shù)為 0.3。紐扣鋼絲組紐扣與皮膚之間為綁定接觸，鋼絲按照 MPC 綁定進(jìn)行模擬，鋼絲與骨折塊之間為面面綁定接觸。8 字鋼絲組鋼絲與骨質(zhì)之間為綁定接觸。微型錨釘組錨釘與骨質(zhì)之間為共節(jié)點綁定，縫合線以 MPC 綁定模擬。

4. 邊界條件設(shè)定與加載：以手指的橫斷面左右方向為 X 軸、掌背前后方向為 Y 軸、手指縱軸為 Z 軸。設(shè)定將肌腱近端及中節(jié)指骨作為邊界約束6 個自由度，約束伸指肌腱的旋轉(zhuǎn)自由度。股骨遠(yuǎn)端為邊界，全自由度約束以固定模型。載荷添加：在末節(jié)指骨掌側(cè)基底中心，設(shè)置幾何參考點 R 并以MPC 中 LINK 模式末節(jié)指骨。通過在 R 點添加旋轉(zhuǎn)變量，模擬 DIP 不同屈曲角度。

二、觀察指標(biāo)及統(tǒng)計學(xué)分析

在末節(jié)指骨骨折塊的腱骨結(jié)合處隨機(jī)采集 30 個節(jié)點作為觀察對象，分析各節(jié)點在不同屈曲角度時與末節(jié)指骨之間產(chǎn)生的相對位移量、各種內(nèi)固定裝置與骨折塊之間產(chǎn)生的最大 von Mises 應(yīng)力。采用ANOVA 方差分析及t檢驗法進(jìn)行各組間數(shù)據(jù)進(jìn)行組間和組內(nèi)比較，檢驗水準(zhǔn)為 0.05。

結(jié) 果

一、各種內(nèi)固定裝置最大應(yīng)力分布特點及骨折塊的平均 von Mises 應(yīng)力比較

在雙克氏針組中，最大應(yīng)力主要集中在克氏針近端與骨折塊接觸的部位，但兩者的應(yīng)力并沒有隨著 DIP 屈曲角度的增加而明顯增加，骨塊的 Mises應(yīng)力組內(nèi)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義 (P＞0.05 )。在紐扣鋼絲組中，最大應(yīng)力集中在兩個位置，其一為鋼絲與骨折塊之間的接觸面，其二為紐扣與指端皮膚的接觸面，但前者的應(yīng)力要明顯高于后者。Mises 應(yīng)力明顯優(yōu)于雙克氏針組 (P＜0.01 )，但隨著 DIP 屈曲角度的增加，骨塊的 Mises 應(yīng)力組內(nèi)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義 (P＞0.05 )。在 8 字鋼絲組和微型錨釘組中，鋼絲與骨折塊之間的 Mises 應(yīng)力明顯高于前兩組(P＜0.05 )，并且隨著 DIP 屈曲角度的增加，骨塊的Mises 應(yīng)力明顯增加，組內(nèi)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05 )，但在 8 字鋼絲組和微型錨釘組之間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義 (P＞0.05 ) ( 表 1 )。各模型在 DIP屈曲 15°、30°、45° 時 Mises 應(yīng)力分布 ( 圖 2 )。

圖 1 四種內(nèi)固定方式的有限元模型 a：雙克氏針模型；b：紐扣鋼絲模型；c：8 字鋼絲模型；d：微型錨釘模型圖 2 a：雙克氏針模型的 Mises 應(yīng)力分布；b：紐扣鋼絲模型的 Mises 應(yīng)力分布；c：8 字鋼絲模型的 Mises 應(yīng)力分布；d：微型錨釘模型的 Mises 應(yīng)力分布Fig.1 Finite element models of four internal fixation methods a: Dual needle model; b:Button wire model; c: Eight steel wire model; d: Anchor screw modelFig.2 a: Mises stress distribution in the dual needle model; b: Mises stress distribution in the button wire model; c: Mises stress distribution in the eight steel wire model; d: Mises stress distribution in the anchor screw model

表 1 各模型中在 DIP 不同屈曲角度時，骨折塊的 Mises 應(yīng)力比較 ( 單位：MPa )Tab.1 Comparison of Mises stress of the fracture block at different flexion angles of DIP ( unit: MPa )

二、各內(nèi)固定方式對骨折塊穩(wěn)定程度的影響

在雙克氏針組模型中，骨塊在 DIP 屈曲 15° 時產(chǎn)生的最大相對位移量，明顯大于其它三個模型(P＜0.01 )，并且這種不穩(wěn)定會伴隨著屈曲角度的增大而明顯增加，在屈曲 45° 時，最大相對位移量為( 0.61±0.17 ) mm，與其它三種內(nèi)固定模型中相對位移量比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.01 )。8 字鋼絲組和微型錨釘組的相對位移量比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＞0.05 )，但都小于紐扣鋼絲組，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.01 ) ( 表 2 )。

表 2 各模型中末節(jié)骨塊在不同 DIP 屈曲角度下的最大相對位移量比較 ( 單位：mm )Tab.2 Comparison of the maximum relative displacement of the distal segment at different DIP flexion angles ( unit: mm )

討 論

骨性錘狀指是臨床常見的手指末節(jié)損傷，通常須手術(shù)復(fù)位固定。根據(jù)是否固定 DIP 關(guān)節(jié)可以將手術(shù)方案分為經(jīng) DIP 固定和不經(jīng) DIP 固定兩種類型，前者包括背伸阻擋克氏針法、Ishiguro 法等[5]，后者包括雙克氏針、紐扣鋼絲、8 字鋼絲、遠(yuǎn)節(jié)微型帶線錨釘?shù)取＝?jīng) DIP 固定的方案雖然可以通過固定DIP，提供足夠的強(qiáng)度對抗屈伸指肌腱的收縮，但同時長時間的關(guān)節(jié)固定不僅會導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍的韌帶攣縮，而且由于克氏針對關(guān)節(jié)軟骨的破壞，即使去除克氏針亦有部分患者會出現(xiàn)伸直或屈曲受限。不經(jīng)DIP 固定的手術(shù)方案是比較理想的固定方式。

該方法能夠允許關(guān)節(jié)輕微活動的同時為骨折提供穩(wěn)定。但上述四種固定方式在固定強(qiáng)度方面是否存在差異尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識[6]，為此筆者通過有限元分析的方法進(jìn)行了研究。

有限元分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)分析技術(shù)，其基本原理是將完整的研究對象分解成多個稱為“有限元”的小的相互關(guān)聯(lián)單元，通過計算每一個單元在復(fù)雜載荷作用下的應(yīng)力、位移、溫度等物理變量的值，得到研究對象整體內(nèi)部的載荷分布[7]。近些年來有限元分析逐步應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如心臟瓣膜的研發(fā)、人工關(guān)節(jié)優(yōu)化、骨折內(nèi)固定的強(qiáng)度、韌帶損傷的修復(fù)等各個方面。在手外科方面如：Günter 應(yīng)用有限分析的方法對指間關(guān)節(jié)假體進(jìn)行力學(xué)分析，從而優(yōu)化假體的植入方式[8]。Matsuura 通過有限元分析了腕管綜合征的發(fā)生機(jī)理[9]。本研究為內(nèi)固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，在有限元中該類分析常用的參數(shù)為 von Mises 應(yīng)力和相對位移。von Mises 應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的等效應(yīng)力，其含義是在一定變形條件下，當(dāng)研究對象單位體積形狀改變達(dá)到一定常數(shù)時，研究對象在外力作用下出現(xiàn)屈服。von Mises 應(yīng)力的表達(dá)為應(yīng)力等值線，這樣可以快速判斷研究對象最集中的區(qū)域。

本研究顯示雙克氏針組，在 DIP 屈曲 15°、30°、45° 時，骨折塊間的相對位移依次為 ( 0.36±0.15 ) mm、( 0.57±0.11 ) mm、( 0.61±0.17 ) mm。而相應(yīng)的 Mises 應(yīng)力分別為 ( 6.21±1.83 ) MPa、( 7.69±1.47 ) MPa、( 8.25±1.61 ) MPa。上述的相對位移量及 Mises 應(yīng)力與紐扣鋼絲組、8 字鋼絲組、帶線錨釘組有明顯的統(tǒng)計學(xué)差異 ( P＜0.05 )。筆者認(rèn)為相對位移量的增大，是因為克氏針與骨折塊之間的接觸關(guān)系為滑動摩擦導(dǎo)致，該接觸方式在 DIP 靜止?fàn)顟B(tài)可以為骨折塊提供一定的穩(wěn)定強(qiáng)度，但不能對抗 DIP屈曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力。同時從具體操作分析，在完成骨折復(fù)位后，醫(yī)師很難通過一次操作即可準(zhǔn)確的完成 2 枚克氏針的植入，反復(fù)的嘗試會導(dǎo)致骨塊碎裂。本研究是在骨塊完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行力學(xué)分析，如果骨塊碎裂會更進(jìn)一步影響固定的強(qiáng)度。

紐扣鋼絲固定是臨床上經(jīng)典的固定方法[10]。本研究顯示紐扣鋼絲組，在 DIP 屈曲 15°、30°、45° 時，骨折塊間的相對位移依次為 ( 0.29±0.03 ) mm、( 0.35±0.09 ) mm、( 0.49±0.15 ) mm，模型的相對位移量明顯小于雙克氏針組 ( P＜0.05 )。相應(yīng)的 Mises 應(yīng)力分別為 ( 11.57±3.61 ) MPa、( 12.62±4.18 ) MPa、( 13.81±5.19 ) MPa，顯著大于雙克氏針組 ( P＜0.05 )。上述結(jié)論提示與雙克氏針模型比較紐扣鋼絲模型能夠在保證骨折穩(wěn)定的同時承受更強(qiáng)的應(yīng)力。該模型的應(yīng)力主要集中在手指末節(jié)皮膚與紐扣接觸部位，由于皮膚及脂肪組織的彈性模量較小，在承受屈曲應(yīng)力時，會形成明顯的緩沖作用。因此，該固定方法的關(guān)鍵是在初期提供適當(dāng)?shù)耐夤潭ǎ詼p小皮膚及脂肪組織的緩沖作用。而 8 字鋼絲組中，由于遠(yuǎn)端承載拉力的是末節(jié)指骨，其相對位移量要明顯小于紐扣鋼絲組 ( P＜0.05 )。

微型帶線錨釘是近些年臨床廣泛應(yīng)用的固定方式，無論是腱性錘狀指還是骨性錘狀指，治療療效確切，便于術(shù)后護(hù)理，早期恢復(fù)效果好。本研究顯示與 8 字鋼絲模型相比，微型錨釘組的相對位移量與 8 字鋼絲組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＞0.05 )，但骨折塊的 Mises 應(yīng)力明顯大于 8 字鋼絲組 (P＜0.05 )。上述結(jié)果提示微型錨釘能夠在骨折端提供穩(wěn)定的界面應(yīng)力，與 8 字鋼絲復(fù)雜的操作相比更具臨床優(yōu)勢，如對于骨折塊較小的錘狀指，可用錨釘尾部的縫線將伸肌腱和撕脫骨折塊一并縫合于止點處；對于骨折塊較大的錘狀指，可直接用錨釘固定骨折塊，從而起到代替螺釘?shù)墓潭ㄗ饔谩?/p>

本研究通過有限元分析的方法對錘狀指常用的四種方案的固定強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果提示由強(qiáng)到弱依次為微型錨釘、8 字鋼絲、紐扣鋼絲、雙克氏針。但本研究仍存在一些不足之處。首先，為精確控制 DIP 角度，本研究的加載是以末節(jié)指骨屈曲角度來代替屈指肌腱的拉應(yīng)力。其次，本研究的骨折模型是以 II 骨折為代表進(jìn)行建模，而對于其它骨折塊是否會出現(xiàn)同樣的研究結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。第三，受有限元本身條件的限制，研究中是以線彈性模型材料系數(shù)進(jìn)行分析，而人體的肌腱、骨骼、手指末節(jié)的軟組織的材料為黏彈性體。