尺骨鷹嘴鉤板固定尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折的有限元分析

何縣委,吳榮博,姚喜州,張新潮

(復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院骨科，上海 201508)

尺骨鷹嘴骨折是骨科常見的損傷，常見類型包括橫形及斜形骨折，多由間接暴力引起。尺骨鷹嘴骨折多數(shù)是波及到半月切跡的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折。因此，解剖復(fù)位、堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定是防止關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、預(yù)防骨性關(guān)節(jié)炎及其他并發(fā)癥的主要措施[1]。目前常見固定有鋼板螺釘、克氏針、張力帶等，但存在克氏針容易松動(dòng)、固定不牢靠，鋼絲易發(fā)生斷裂致固定失敗，鋼板螺釘可塑性欠佳、手術(shù)損傷較大等問題[2]。為解決上述內(nèi)固定方法的缺陷，本課題組吳榮博醫(yī)師特發(fā)明了專利——尺骨鷹嘴鉤板，目前已經(jīng)獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利(專利號(hào)：201120341917.X)。

本研究擬通過建立尺骨鷹嘴鉤板固定尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折的有限元模型并進(jìn)行生物力學(xué)分析，觀察尺骨鷹嘴鉤板應(yīng)用于尺骨鷹嘴骨折的可行性。

材料與方法

1有限元模型的建立

選取健康志愿者1名(該志愿者已簽署知情同意書并經(jīng)過相關(guān)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn))，男性，32歲，體重75kg，經(jīng)CT掃描檢查排除右肘部損傷或疾病。右肘關(guān)節(jié)行螺旋CT平掃(64排螺旋CT，GE公司，美國)，選擇骨組織窗掃描，掃描層厚0．625mm，掃描長度為自尺骨鷹嘴至尺骨遠(yuǎn)端15cm處，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，共335張圖片。將三維DICOM格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics17．0軟件(Materialise公司，比利時(shí))，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，?duì)圖像進(jìn)行分割，輸出STL格式文件，導(dǎo)入Geomagic Studio 2013軟件(Geomagic公司，美國)進(jìn)行特征識(shí)別和曲面診斷，模擬建立尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折模型及鋼板、鋼釘模型并保存，文件格式為SLDPRT。將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS17.0有限元分析軟件中，建立Static Structural分析類型，在分析材料庫中分別建立尺骨、鋼板鋼釘材料屬性參數(shù)，進(jìn)入Mechanical工作界面，在Geometry中對(duì)模型賦予相關(guān)的材料。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格類型設(shè)置為四面體網(wǎng)格，單元總數(shù)為50 486，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為89 970。設(shè)置邊界條件和載荷，尺骨模型一端設(shè)為固定，在尺骨另一端表面分別施加軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22 N·m。

2邊界條件和加載

假設(shè)骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.2。將尺骨鷹嘴三維有限元模型下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為0作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。尺骨鷹嘴鉤板設(shè)定與尺骨鷹嘴接觸為加壓摩擦接觸，采用目前常用的簡化模型，不考慮韌帶影響。計(jì)算該狀態(tài)下尺骨鷹嘴與鉤板的應(yīng)力分布、位移。假定人體質(zhì)量70kg為此狀態(tài)下的軸向應(yīng)力。

3評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過以下指標(biāo)評(píng)定：尺骨鷹嘴骨折塊和鉤板的應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值； 尺骨鷹嘴和鉤板的最大應(yīng)力點(diǎn)、最大位移區(qū)域。

結(jié) 果

1骨折塊與鉤板的應(yīng)力分布及峰值

鉤板固定后，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m時(shí)，橫形骨折最大應(yīng)力均集中于骨折線-尺骨鷹嘴基底部(圖1)，應(yīng)力大小分別為1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(圖2)； 斜形骨折軸向載荷、彎曲載荷及旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)的最大應(yīng)力均集中于骨折線近端(圖3)，應(yīng)力大小分別為1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(圖4)。鋼板螺釘最大應(yīng)力分別為2.468MPa、17.832MPa、176.990MPa，位于骨折線處。骨折端未見明顯位移。

2骨折塊與鉤板的位移分布

橫形骨折及斜形骨折骨折塊發(fā)生位移較大的部位均為鉤板遠(yuǎn)端尺骨干部及尺骨粗隆部。骨折線處橫形骨折位移分別為7.8e-5mm、1.6e-2mm、8.3e-2mm(圖2)； 斜形骨折分別為7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm(圖4)。鉤板螺釘最大位移位于鉤板最遠(yuǎn)端，橫形骨折分別為4.5e-3mm、6.7e-2mm、4.1e-1mm； 斜形骨折分別為4.3e-2mm、9.2e-2mm、4.7e-1mm。

討 論

尺骨鷹嘴在尺骨近端后方，位于皮下突起，與前方的尺骨冠突構(gòu)成半月切跡，此切跡恰與肱骨滑車構(gòu)成肱尺關(guān)節(jié)。肱尺關(guān)節(jié)主要以伸屈活動(dòng)為主，輔以滑移和內(nèi)旋。尺骨鷹嘴骨折是肘部較常見的骨折，是多數(shù)波及到半月切跡的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折[3]。

手術(shù)內(nèi)固定目標(biāo)：(1)獲得對(duì)位較好的關(guān)節(jié)面，減少晚期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[4]； (2)早期功能鍛煉，維持肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定[5]； (3)使肱三頭肌保持必要的收縮力量，避免肌肉萎縮。目前常見固定方法有鋼板螺釘、克氏針張力帶等。但上述內(nèi)固定方法有一定的缺陷，如固定不牢靠、克氏針容易松動(dòng)、鋼絲發(fā)生斷裂致固定失敗、損傷較大[6-7]； 術(shù)中要將部分肱三頭肌腱止點(diǎn)切斷以容納螺絲釘孔，對(duì)肱三頭肌造成損傷[8-9]； 術(shù)中若鋼板與尺骨鷹嘴不服帖而需要折彎時(shí)，尺骨鷹嘴接骨板不能夠再折彎等[10]。

為減少上述內(nèi)固定方法的弊端，筆者設(shè)計(jì)了尺骨鷹嘴鉤板。它是用具有一定長度、厚度和寬度的鏤孔金屬板代替現(xiàn)有的內(nèi)固定方法。鏤孔金屬板由金屬鉤、等腰三角形結(jié)構(gòu)與條形結(jié)構(gòu)拼接而成。金屬鉤與等腰三角形結(jié)構(gòu)連接，并且它們向上彎屈一定的弧度和彎度，條形結(jié)構(gòu)與三角形結(jié)構(gòu)連接。

本研究通過建立尺骨鷹嘴骨折模型、尺骨鷹嘴鉤板模型及應(yīng)用于骨折端的三維有限元模型，研究鋼板應(yīng)用于骨折端的受力情況及位移變化。結(jié)果證實(shí)：尺骨鷹嘴鉤板應(yīng)用于尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折能夠提供良好且有效的固定。圖1顯示：針對(duì)橫形骨折，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，鋼板所受壓力主要集中在尺骨鷹嘴基底部，所承受壓力遠(yuǎn)低于鋼板螺釘可承受壓力。圖2顯示:橫形骨折在軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m及旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，骨折端及鉤板位移非常小。圖3顯示：針對(duì)斜形骨折，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，應(yīng)力主要分布于骨折線近端，整體受力比較均勻，鋼板螺釘所承受壓力遠(yuǎn)低于可承受壓力。圖4顯示：斜形骨折在軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m及旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，骨折端位移分別為7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm。尺骨鷹嘴鉤板內(nèi)固定治療尺骨鷹嘴骨折，其主要優(yōu)點(diǎn)：(1)鉤板與尺骨鷹嘴形態(tài)適合，不需要太多塑形，可以縮短手術(shù)時(shí)間及減少術(shù)中出血量； 另外，因該鉤板術(shù)中不需要過多剝離骨膜，減少對(duì)骨膜的破壞，從而對(duì)骨折端的血運(yùn)進(jìn)行有效保護(hù)，降低骨折不愈合發(fā)生率[11]。(2)該鉤板和普通鋼板一樣，起到了內(nèi)支架的作用，其鎖定螺釘從各個(gè)角度對(duì)骨折斷端進(jìn)行固定，且螺釘與鋼板鎖定，即便粉碎性骨折且需要植骨或伴有骨質(zhì)疏松的患者，也不用擔(dān)心螺釘松動(dòng)或退出[12]。由于起到支撐作用，減少了造成骨折端壓縮、移位的風(fēng)險(xiǎn)，避免了骨折畸形愈合的發(fā)生[13]。(3)鉤板克服了張力帶克氏針末端對(duì)肘后皮膚的刺激，也有利于肘關(guān)節(jié)早期功能鍛煉。

總之,尺骨鷹嘴鉤板內(nèi)固定可用于治療橫、斜形尺骨鷹嘴骨折,且固定牢靠,是一種安全可靠、值得臨床推廣應(yīng)用的內(nèi)固定方法。