四孔螺釘肋骨接骨板治療多發(fā)性肋骨骨折的力學(xué)分析

黎健明 王冬冬 王曉奇 王長濤 王盛章

0 引言

多發(fā)性肋骨骨折及連枷胸，是最常見的胸廓損傷情形之一，臨床治療手段主要為通過植入物進(jìn)行內(nèi)固定。目前主要的肋骨骨折內(nèi)固定器械包括4種。(1)可吸收螺釘[1-2]，在手術(shù)中將斷骨兩端錯(cuò)位后進(jìn)行植入，再利用可吸收線對骨折處捆扎固定。手術(shù)后期可吸收釘被完全吸收，無需二次手術(shù)取出。但人體肋骨髓腔大小存在差異，可吸收釘難以與髓腔匹配合適，容易出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致固定效果下降。(2)形狀記憶合金環(huán)抱器[1,3]，使用前先置于無菌的冰生理鹽水中浸泡，使其處于開啟狀態(tài)，置于骨折處固定后，用熱敷方法使其閉合[4]。環(huán)抱器操作簡單，組織相容性好，但在肋骨曲率較大時(shí)，環(huán)抱器植入后不能緊貼肋骨表面，當(dāng)骨折肋骨寬度小于環(huán)抱器時(shí)，出現(xiàn)抱不緊的情形[5]，斷骨可能發(fā)生移位。(3)純鈦?zhàn)π谓庸前錥6-8]，手術(shù)時(shí)切開上下緣肋間肌，通過爪形接骨板的抓持鉗固定在肋骨斷端處。爪形接骨板植入過程簡便，但八爪接骨板[9]在肋頸部骨折中如其骨折斷端距離根部小于2 cm時(shí)難以植入[5]，且對于斷端有碎片的骨折難以得到有效固定。盡管改進(jìn)的六爪接骨板能更好固定斷端有碎骨的骨折[4]，但對于曲率較大的骨折位置，仍有其適用性局限。(4)多孔螺釘重建鋼板[4，10-11]，Oyarzun等自1992年設(shè)計(jì)并開始使用，通過鋼板連接斷骨，用螺釘進(jìn)行固定，對斷骨有很好的固定效果，無松動(dòng)脫落。但Reber等后來研究指出，重建鋼板和螺釘?shù)倪^多使用可能會(huì)導(dǎo)致胸壁僵硬。此外現(xiàn)有的多孔螺釘重建鋼板存在跨度大、手術(shù)復(fù)雜、對肋骨損傷大的缺點(diǎn)。

本研究擬針對目前內(nèi)固定器械存在的固定效果不足、大曲率肋骨段不適用等局限性，自主開發(fā)制造了四孔螺釘肋骨接骨板，在肋骨曲率較大處仍能緊密貼合肋骨表面以保證固定效果。研究進(jìn)一步通過有限元模擬評價(jià)四孔螺釘肋骨接骨板的力學(xué)性能，并結(jié)合臨床實(shí)踐檢驗(yàn)其治療效果。

1 研究方法

首先建立人體肋骨模型和四孔螺釘肋骨接骨板的模型，組合后得到四孔螺釘接骨板固定后的肋骨骨折模型，通過有限元分析研究在外界碰撞下肋骨的應(yīng)力和位移分布情況，與正常肋骨作比較，評價(jià)四孔螺釘肋骨接骨板的力學(xué)性能。

1.1 肋骨和四孔螺釘肋骨接骨板模型的建立

利用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 19.0 (Materialise,比利時(shí))對CT掃描的人體胸廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建得到患者胸廓的三維模型。使用逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0 (Geomagic,美國)對胸廓模型進(jìn)一步處理，提取出相對容易受損傷的第6對的左側(cè)肋骨段進(jìn)行平整修復(fù)和前處理，擬合成光滑的NURBS曲面，見圖1(a)、(b)所示。

自主開發(fā)的四孔螺釘肋骨接骨板材料為純鈦，螺釘使用鈦合金材料，接骨板厚度為1 mm，具體尺寸如圖1(c)、(d)所示。參照實(shí)物，使用3D建模軟件Solidworks 2016(Dassault,法國)建立四孔螺釘肋骨接骨板的模型，并通過彎曲使其完全貼合肋骨表面外側(cè)，用于后續(xù)與肋骨的裝配分析。

圖1 肋骨與四孔螺釘肋骨接骨板模型Figure 1 Models of rib and four-hole screw rib plate

1.2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

首先在肋骨中部將模型分割成兩段得到骨折的模型，模擬肋骨完全折斷的情形。肋骨在生理結(jié)構(gòu)上分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨兩層結(jié)構(gòu)，且在近胸端附著有軟骨[12-13]，因此建模時(shí)肋骨劃分成不同區(qū)域，采用不同的材料屬性。四孔螺釘肋骨接骨板在骨折處與兩端肋骨貼合放置，螺釘穿過螺孔置于肋骨內(nèi)，故采用螺釘與肋骨內(nèi)部綁定約束，即螺釘與肋骨的接觸面不會(huì)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)。使用Hypermesh 17.0(Altair,美國)軟件對肋骨和四孔螺釘肋骨接骨板分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，皮質(zhì)骨的總厚度設(shè)定為1 mm[14]。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 肋骨(a)與接骨板(b)的網(wǎng)格模型Figure 2 Mesh models of rib(a) and rib plate(b)

1.3 材料屬性及邊界條件

四孔螺釘肋骨接骨板和肋骨的材料屬性源于文獻(xiàn)[15-16]，如表1所示。由于螺釘材料剛度大，在肋骨加載過程中螺釘變形極小，故在模型中把螺釘視為剛體。碰撞過程中，肋骨兩端設(shè)定為固支邊界條件[15,17-19]。人體胸廓遭受撞擊時(shí)，撞擊的位置對肋骨的損傷程度有著重要的影響，本研究考慮3種不同的載荷施加位置，如圖3所示，加載大小為0.3 MPa的均勻分布壓力[4,20-22]，模擬胸廓受到中等程度碰撞情形中肋骨所受壓力[4]。

2 研究結(jié)果

接骨板的有限元分析在Abaqus 17.0 (Dassault,法國)中完成，得到3種撞擊載荷下肋骨的應(yīng)力與位移分布。為了探討四孔螺釘肋骨接骨板的固定性能，研究組對骨折固定后的肋骨及正常肋骨的應(yīng)力、位移場分布進(jìn)行研究比較，并與先前在同一模型中采用六爪接骨板固定的研究結(jié)果[4]對比，結(jié)果如表2數(shù)據(jù)所示。在3種不同位置的撞擊載荷下，四孔螺釘肋骨接骨板固定后的肋骨的最大位移值最小，小于正常肋骨和六爪接骨板固定，且3種工況下骨折斷面間隙值均很小，表明肋骨在骨折斷面處在外力下仍能處于良好的閉合狀態(tài)，緊密貼合的骨折斷面有利于愈合和恢復(fù)。

表1 接骨板和肋骨的材料屬性Table 1 Material properties of rib plate and rib

均布壓力分別作用在肋骨不同位置，肋骨中部(A)、肋骨遠(yuǎn)胸骨端(B)、 肋骨近胸骨端(C)。圖3 三種情形下肋骨所受載荷Figure 3 Load on the rib in three cases

當(dāng)撞擊發(fā)生在肋骨中部，即靠近骨折發(fā)生位置時(shí)，肋骨的損傷風(fēng)險(xiǎn)最大，圖4(a)、(b)展示了當(dāng)撞擊發(fā)生在中部時(shí)肋骨的位移分布。位移最大值出現(xiàn)在肋骨中部加載處，使用四孔螺釘肋骨接骨板固定后最大位移為5.82 mm，骨折處斷面間隙值為0.06 mm，表明螺釘肋骨接骨板能有效地防止斷骨的錯(cuò)位和移動(dòng)，從而保護(hù)胸廓和肺部。螺釘孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4(c)所示，最大應(yīng)力值超出正常肋骨94.8%，此處高應(yīng)力由螺釘與肋骨的鎖定式接觸產(chǎn)生，以保證接骨板的固定效果。對于撞擊載荷發(fā)生在肋骨中部和近胸端時(shí)，均在螺釘孔處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，撞擊發(fā)生在遠(yuǎn)胸端時(shí)，應(yīng)力上升不明顯，說明應(yīng)力集中與加載的位置之間密切相關(guān)。

3 臨床回顧

3.1 臨床資料

全組30例患者，均由CT影像確診為多發(fā)性肋骨骨折，其中男性26 例，女性4 例，34～87 歲。均通過手術(shù)使用四孔螺釘肋骨接骨板進(jìn)行內(nèi)固定。

3.2 手術(shù)方法

氣管內(nèi)插管全身麻醉，多采用側(cè)臥位，根據(jù)肋骨骨折部位和數(shù)量，選擇1～3 個(gè)平行肋骨的切口，切口長4～6 cm，切開皮膚、皮下組織、肌層，顯露骨折斷端，去除斷端內(nèi)嵌入的軟組織，將斷端解剖復(fù)位，用抓持鉗將四孔螺釘肋骨接骨板微折成與肋骨相適應(yīng)的曲度后置入骨折處，斷端兩側(cè)各2個(gè)螺釘孔，選擇的螺釘長度與肋骨厚度匹配，螺釘鎖定深度剛好穿過內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)，4個(gè)螺釘鎖定后按壓無松動(dòng)，完成固定。

3.3 臨床結(jié)果

30 例患者平均使用四孔螺釘肋骨接骨板進(jìn)行內(nèi)固定數(shù)為(3.3±1.7) 根。術(shù)后一周對患者胸部做CT復(fù)查，均顯示肋骨骨折復(fù)位良好，如圖5所示，四孔螺釘肋骨接骨板無松動(dòng)、移位、脫落等跡象，固定效果良好，肋骨錯(cuò)位及連枷胸胸壁塌陷得到矯正，胸廓運(yùn)動(dòng)恢復(fù)正常。術(shù)后患者表示疼痛感明顯降低，呼吸順暢，術(shù)后無創(chuàng)口感染、肺部感染或肺不張等并發(fā)癥，平均術(shù)后住院為(10.8±2.4) d，患者恢復(fù)狀況良好。

4 討論

本文通過有限元模擬，充分還原了四孔螺釘肋骨接骨板與肋骨的術(shù)后接觸狀態(tài)，分析了3種不同撞擊位置下接骨板的固定效果，結(jié)果顯示固定后的肋骨最大位移值降低，骨折斷面處無明顯的分離，表明四孔螺釘肋骨接骨板具有很好的固定性能。四孔螺釘肋骨接骨板也存在一點(diǎn)不足，從模擬結(jié)果可以看出，在其中兩種工況下，螺釘孔處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，高應(yīng)力的長期存在可能會(huì)對螺釘鎖定處的肋骨皮質(zhì)層造成損傷，故建議年輕患者在骨折恢復(fù)后進(jìn)行二次手術(shù)取出接骨板。

表2 不同載荷、不同固定方式下肋骨的最大位移、最大應(yīng)力與斷面間隙Table 2 Maximum displacement,maximum stress and rib section gap of the rib with different kinds of load and fixation

圖4 碰撞發(fā)生在肋骨中部時(shí)肋骨的位移與應(yīng)力分布Figure 4 Displacement and stress distribution of the rib when the collision occurred in the middle part

圖5 部分肋骨骨折患者術(shù)前(上)、術(shù)后(下)胸廓CT掃描重建影像Figure 5 CT reconstruction images of chest before (upper) and after (lower) operation in certain patients with rib fractures

臨床上治療多發(fā)性肋骨骨折使用的爪形接骨板，需要切開上下緣肋間肌植入，并注意保護(hù)肋間神經(jīng)和血管。本文自主開發(fā)了四孔螺釘肋骨接骨板，無需切開上下緣肋間肌，避免了肋間神經(jīng)和血管的損傷。接骨板彎曲成與肋骨曲率相適應(yīng)后，直接置入在骨折處，通過螺釘固定，手術(shù)過程簡便，手術(shù)難度降低。對于肋骨曲率較大的情形，爪形接骨板適用性差，而螺釘肋骨接骨板可以隨肋骨曲率彎曲改變形態(tài)，具有很好的適用性，且對于連續(xù)多段骨折的情形也能通過連接斷骨起到很好的固定作用。

綜上分析，本文通過有限元模擬的方法檢驗(yàn)了自主開發(fā)的四孔螺釘肋骨接骨板對于多發(fā)性肋骨骨折的固定效果。與六爪接骨板相比，四孔螺釘肋骨接骨板有手術(shù)簡便、適用范圍廣、固定效果更好的優(yōu)勢。臨床實(shí)踐的回顧與總結(jié)進(jìn)一步證實(shí)了四孔螺釘肋骨接骨板的臨床使用效果，因此四孔螺釘肋骨接骨板對于治療多發(fā)性肋骨骨折有很好的臨床使用價(jià)值。