髓內(nèi)釘和鋼板3 種固定組合治療成人前臂雙骨干骨折生物力學(xué)三維有限元分析

楊振，張恩水，曾昱源，由一航 ，張濤

1 濰坊醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院，山東濰坊 261053；2 濟(jì)南市中心醫(yī)院關(guān)節(jié)外科

前臂骨折是多由暴力損傷引起的常見(jiàn)骨折類(lèi)型，可見(jiàn)于兒童及成人。成人前臂雙骨干骨折是前臂骨折的類(lèi)型之一，在臨床診療中經(jīng)常遇到［1］。前臂雙骨干骨折保守治療局限性較多，可能影響前臂旋轉(zhuǎn)功能，手術(shù)治療已成共識(shí)［2-3］。目前常用的手術(shù)方式主要包括鋼板內(nèi)固定和髓內(nèi)釘內(nèi)固定。鋼板內(nèi)固定是治療前臂雙骨干骨折最傳統(tǒng)和最常用的技術(shù)，能夠良好地恢復(fù)尺橈骨的解剖關(guān)系。髓內(nèi)釘內(nèi)固定近年來(lái)也成為治療前臂雙骨干骨折的重要技術(shù)，較少的軟組織損傷是其優(yōu)勢(shì)。也有學(xué)者對(duì)鋼板與髓內(nèi)釘混合固定的臨床療效做了研究，認(rèn)為混合固定具有較低的并發(fā)癥發(fā)生率和較好的功能恢復(fù)效果，然而在最佳固定組合的選擇上仍有爭(zhēng)議。有限元仿真近些年已廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，已有大量研究對(duì)單純尺骨或橈骨骨折的不同固定方式進(jìn)行有限元力學(xué)分析，但對(duì)前臂雙骨干骨折有限元分析數(shù)據(jù)仍然缺乏。2022年1—7月，我們應(yīng)用有限元仿真技術(shù)，建立A3.2 型前臂雙骨干骨折模型（尺橈骨、軟骨、韌帶、骨間膜完整模型），施加不同力學(xué)載荷，探究鋼板與髓內(nèi)釘?shù)?種固定組合（雙骨鋼板、雙骨髓內(nèi)釘、橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘）治療前臂雙骨干骨折的有限元生物力學(xué)特性，為臨床骨科醫(yī)師合理選擇前臂雙骨干骨折固定方式提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 前臂雙骨干骨折有限元模型的建立 選擇一名志愿者（男，29 歲，171 cm，64 kg），既往無(wú)上肢病史及創(chuàng)傷史。采用Philips 64 排螺旋CT 機(jī)對(duì)志愿者右前臂腕關(guān)節(jié)至肘關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描，將DICOM 格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 20.0 軟件（比利時(shí)Materialise 公司），創(chuàng)建3D 實(shí)體，將STL 文件導(dǎo)入3-matic 12.0 軟件（比利時(shí)Materialise 公司），建立橈尺松質(zhì)骨模型、橈尺掌側(cè)韌帶、橈尺背側(cè)韌帶、橈骨環(huán)狀韌帶、右前臂骨間膜模型及尺橈骨軟骨模型，根據(jù)骨折的AO/OTA分型建立A3.2 型骨折（即前臂雙骨簡(jiǎn)單骨折、橈骨骨折平面位于中1/3 部分），設(shè)置骨折間隙1.5 mm以體現(xiàn)骨折后局部骨質(zhì)不連續(xù)。

1.2 內(nèi)固定有限元模型的建立及裝配 根據(jù)Acumed公司（美國(guó)）提供的內(nèi)固定模型，結(jié)合前臂骨折模型數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)固定裝置，根據(jù)尺、橈骨表面弧度預(yù)彎鋼板，根據(jù)髓腔走行調(diào)節(jié)髓內(nèi)釘形態(tài)結(jié)構(gòu)，使用3-matic 軟件進(jìn)行1∶1 比例繪制，繪制過(guò)程中簡(jiǎn)化鋼板邊緣、髓內(nèi)釘帽及螺釘螺紋，構(gòu)建橈骨鋼板（6-Hole，80 mm）、尺骨鋼板（6-Hole，80 mm）、橈骨髓內(nèi)釘（3.0 mm×190 mm）、尺 骨 髓 內(nèi) 釘（3.0 mm×230 mm）及配套螺釘。在3-matic軟件中按手術(shù)方式將3種固定組合與骨折模型進(jìn)行裝配，建立3組模型的完全節(jié)點(diǎn)共享非流行裝配體，生成四面體網(wǎng)格并導(dǎo)出CDB 網(wǎng)格文件。Model-1 雙骨鋼板固定模型，由前臂近端至遠(yuǎn)端為1-6 螺釘；Model-2 雙骨髓內(nèi)釘固定模型；Model-3 橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定模型。Model-1：420 989 個(gè)節(jié)點(diǎn)，226 660 個(gè)單元；Model-2：363 888個(gè)節(jié)點(diǎn)，197 778個(gè)單元；Model-3：392 889個(gè)節(jié)點(diǎn)，212 204個(gè)單元。

1.3 材料屬性賦值 打開(kāi)ANSYS 2022 R1軟件（美國(guó)ANSYS 公司），在材料庫(kù)中設(shè)置各材料彈性模量、泊松比。骨組織、韌帶、鋼板、髓內(nèi)釘?shù)鹊牟牧蠈傩跃鶠楦黜?xiàng)異性、非線(xiàn)性、非均質(zhì)，為利于計(jì)算，施加靜力載荷，將各材料均設(shè)為各向同性、均值連續(xù)性及線(xiàn)彈性模型［4］。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［5-9］設(shè)置材料屬性。皮質(zhì)骨：彈性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；皮質(zhì)骨：彈性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；皮質(zhì)骨：彈性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；松質(zhì)骨：彈性模量800 Mpa，泊松比0.3 v；韌帶：彈性模量500 Mpa，泊松比0.48 v；骨間膜：彈性模量930 Mpa，泊松比0.45 v；軟 骨 ：彈 性 模 量 5 Mpa，泊 松 比 0.46 v；Acumed 鋼板：彈性模量 130 Gpa，泊松比 0.28 v；螺釘：彈性模量 130 Gpa，泊松比0.28 v；Acumed 前臂髓內(nèi)釘系統(tǒng)：彈性模量110 Gpa，泊松比0.33 v。

1.4 邊界條件設(shè)置及載荷加載 將4 組模型的CDB 網(wǎng)格文件依次導(dǎo)入ANSYS 2022 R1 軟件，對(duì)骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、軟骨、韌帶、骨間膜、鋼板、螺釘及髓內(nèi)釘分別賦予相應(yīng)屬性。以腕關(guān)節(jié)尺橈骨垂直方向?yàn)閆 軸設(shè)置垂直坐標(biāo)，以尺、橈骨小頭中點(diǎn)連線(xiàn)為Z 軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)［10］。設(shè)置接觸的容差值為0.1 mm，內(nèi)固定與尺橈骨之間設(shè)置為“綁定接觸”。肘關(guān)節(jié)尺橈骨近端表面邊界條件設(shè)為“固定支撐”，以防止選定的幾何或網(wǎng)格實(shí)體發(fā)生移動(dòng)或形變。在腕關(guān)節(jié)面處，沿垂直坐標(biāo)Z 軸方向施加100 N 載荷，模擬術(shù)后坐位前臂撐床動(dòng)作；在腕關(guān)節(jié)面處，以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)Z 軸為軸心，施加大小為1 000 Nmm 扭轉(zhuǎn)力 矩［3，8］，模 擬 術(shù) 后 仰 臥 位 前 臂 旋 轉(zhuǎn) 動(dòng) 作 。 詳見(jiàn)圖1。

圖1 邊界條件及載荷

1.5 觀(guān)察指標(biāo)及觀(guān)察方法 前臂尺橈骨、骨間膜、內(nèi)固定物在骨折線(xiàn)處及與骨質(zhì)連接處的Von-Mises應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值，前臂遠(yuǎn)端尺橈骨的位移分布及位移峰值；選取骨折端上下平均分布的10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，觀(guān)察前臂骨折端尺橈骨平均應(yīng)力。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS23.0 統(tǒng)計(jì)軟件。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，比較用t檢驗(yàn)或方差分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 各模型垂直載荷及旋轉(zhuǎn)載荷下前臂尺橈骨、骨間膜、內(nèi)固定物在骨折線(xiàn)處及與骨質(zhì)連接處的應(yīng)力峰值和前臂遠(yuǎn)端尺橈骨的位移峰值 結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，與Model-1 相比，垂直載荷加載下Model-2、3 前臂尺橈骨應(yīng)力峰值分別減少50.6%、51.0%；扭轉(zhuǎn)載荷加載下Model-2前臂尺橈骨應(yīng)力峰值減少61.6%，Model-3 增加12.4%。說(shuō)明相較于鋼板固定，髓內(nèi)釘固定可減少前臂尺橈骨應(yīng)力。不同載荷下，3 組模型的骨間膜均起到了前臂載荷的傳遞及重新分配，且Von-Mises應(yīng)力均集中在骨間膜遠(yuǎn)端起始處及骨折處骨間膜附近。不同載荷下，內(nèi)固定組合Von-Mises 應(yīng)力均集中在骨折線(xiàn)及骨折線(xiàn)遠(yuǎn)端2枚螺釘與松質(zhì)骨交界處。與Model-1相比，Model-2、3 內(nèi)固定組合應(yīng)力峰值，垂直載荷加載下分別減少20.6%、15.4%，扭轉(zhuǎn)載荷加載下分別減少73.2%、20.8%。結(jié)果顯示，Model-2、3 內(nèi)固定組合應(yīng)力小于Model-1，且Model-2內(nèi)固定組合應(yīng)力最小，說(shuō)明髓內(nèi)釘應(yīng)力最小。不同載荷下，不同模型位移分布均集中在橈骨遠(yuǎn)端。與Model-1 相比，垂直載荷加載下Model-2、3 遠(yuǎn)端最大位移分別減少8.2%、5.3%；扭轉(zhuǎn)載荷加載下Model-2 遠(yuǎn)端最大位移增加60.1%，Model-3 減少7.2%。結(jié)果顯示，垂直載荷下Model-2、3 位移小于 Model-1，旋轉(zhuǎn)載荷下，Model-3位移小于Model-1、2，說(shuō)明橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定組合模型穩(wěn)定最佳。

表1 各模型垂直載荷及旋轉(zhuǎn)載荷下前臂尺橈骨、骨間膜、內(nèi)固定物在骨折線(xiàn)處及與骨質(zhì)連接處的應(yīng)力峰值和前臂遠(yuǎn)端尺橈骨的位移峰值

2.2 各模型垂直載荷及旋轉(zhuǎn)載荷下前臂骨折端尺橈骨應(yīng)力 結(jié)果見(jiàn)表2。在垂直載荷加載下Model-2、Model-3 尺橈骨平均應(yīng)力均較小，分別為（64.00±28.24）Mpa 及（77.96 ± 21.91）Mpa，差異有顯著性意義（P＜0.05）；旋轉(zhuǎn)載荷條件下，Model-2 平均應(yīng)力最小，為（104.63 ± 22.56）Mpa，差異均有顯著性意義（P＜0.05）。結(jié)果顯示Model-2 尺橈骨平均應(yīng)力最小，說(shuō)明髓內(nèi)釘能起到較好的支撐作用。

表2 各模型垂直載荷及旋轉(zhuǎn)載荷下前臂骨折端尺橈骨應(yīng)力（Mpa，）

表2 各模型垂直載荷及旋轉(zhuǎn)載荷下前臂骨折端尺橈骨應(yīng)力（Mpa，）

模型Model-1 Model-2 Model-3前臂骨折端尺橈骨平均應(yīng)力垂直載荷171.47±45.68 64.00±28.24 77.96±21.91旋轉(zhuǎn)載荷284.01±50.84 104.63±22.56 313.00±62.42

3 討論

上肢的功能取決于前臂的旋轉(zhuǎn)，前臂的旋轉(zhuǎn)取決于橈尺關(guān)節(jié)復(fù)合體，其中橈尺掌側(cè)韌帶、橈尺背側(cè)韌帶、環(huán)狀韌帶、骨間膜、尺橈骨軟骨及肌肉均起到重要作用。前臂雙骨干完全骨折后由于骨間膜和肌肉的牽拉而發(fā)生成角和旋轉(zhuǎn)移位，若骨折治療不當(dāng)會(huì)影響前臂甚至整個(gè)上肢的功能。MATTHEWS等［11］對(duì)尺橈骨畸形角度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)尺橈骨在任何方向上產(chǎn)生10°及以上的畸形愈合都會(huì)導(dǎo)致前臂旋轉(zhuǎn)功能受限。因此，不應(yīng)使用一般長(zhǎng)骨骨干骨折的理念對(duì)待前臂雙骨干骨折，而應(yīng)將其視為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折來(lái)處理，以最大程度恢復(fù)前臂旋轉(zhuǎn)功能［12］。保守治療容易造成患者前臂旋轉(zhuǎn)功能喪失，手術(shù)是目前主要治療方式，而且無(wú)論使用何種內(nèi)固定方式，都必須重建上肢的軸向和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，恢復(fù)上肢的運(yùn)動(dòng)功能范圍［13］。

目前臨床可選擇的手術(shù)方式有：雙鋼板內(nèi)固定、雙髓內(nèi)釘內(nèi)固定及鋼板髓內(nèi)釘混合內(nèi)固定。鋼板內(nèi)固定具有復(fù)位充分、固定牢固、骨折愈合率高、功能恢復(fù)良好等特點(diǎn)，然而相關(guān)并發(fā)癥也較多，如廣泛軟組織損傷、骨膜損傷、尺橈骨融合、神經(jīng)血管損傷、骨膜剝離引起的骨不連和感染等。鋼板固定存在“應(yīng)力遮擋”及“偏心固定”，骨皮質(zhì)容易變得薄弱，同時(shí)由于軟組織損傷廣泛，進(jìn)一步減弱了骨皮質(zhì)強(qiáng)度，以致取出后容易再次發(fā)生骨折，發(fā)生率可高達(dá)12.9%［14］。YAO 等［14］對(duì) 122 例采用鋼板治療前臂骨折的患者進(jìn)行研究，建議骨折愈合后不取出內(nèi)固定，至少不應(yīng)該在術(shù)后 18 個(gè)月內(nèi)取出。SADEK 等［15］認(rèn)為，鋼板取出后仍需用夾板制動(dòng)6 周，且在6 個(gè)月內(nèi)避免受到較大外力。學(xué)者對(duì)前臂雙骨折鋼板固定患者的患側(cè)骨與健側(cè)骨的強(qiáng)度比進(jìn)行了隨訪(fǎng)，定期進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描，應(yīng)用有限元分析尺橈骨斷裂載荷，結(jié)果顯示術(shù)后1 年橈骨和尺骨的強(qiáng)度比分別為40.9%和29.3%，術(shù)后2～3 a 橈骨和尺骨的強(qiáng)度比分別增加到62.2%和37.3%，然而第3 年后強(qiáng)度比開(kāi)始下降，術(shù)后5 年橈骨和尺骨的強(qiáng)度比分別降到38.8%和18.9%，說(shuō)明長(zhǎng)期使用鎖定鋼板固定前臂骨干骨折會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性骨萎縮［16］。髓內(nèi)釘固定符合人體正常生理力學(xué)特征，可規(guī)避鋼板內(nèi)固定的部分并發(fā)癥，具有損傷小、恢復(fù)快、無(wú)皮膚瘢痕、無(wú)骨膜剝離、再骨折率低等優(yōu)點(diǎn)。一項(xiàng)78例前臂雙骨折髓內(nèi)釘固定研究顯示，只有1 例（1.2%）患者發(fā)生了尺橈骨中1/3 骨性融合，證明了髓內(nèi)釘固定具有較高的愈合率和較低的關(guān)節(jié)粘連發(fā)生率［17］。然而髓內(nèi)釘也有諸多不足，如骨不連發(fā)生率高和常需輔助固定等。何紅英等［18］認(rèn)為，采用髓內(nèi)釘治療前臂雙骨折療需用石膏或支具將腕肘關(guān)節(jié)固定于功能位4周左右，向患者交代以取得配合，避免過(guò)早去除制動(dòng)后局部不穩(wěn)定導(dǎo)致骨不連。YORUKOGLU 等［19］發(fā)現(xiàn)，拇長(zhǎng)伸肌腱損傷是應(yīng)用橈骨髓內(nèi)釘?shù)某Ｒ?jiàn)并發(fā)癥，這可能與手術(shù)技術(shù)相關(guān)。術(shù)中應(yīng)注意避開(kāi)肌腱，髓內(nèi)釘置入后將其埋入骨面，以防遠(yuǎn)期肌腱在突出的釘頭上反復(fù)磨損而斷裂。除了采用雙鋼板或雙髓內(nèi)釘治療成人前臂雙骨折，目前也有學(xué)者提出采用鋼板與髓內(nèi)釘相結(jié)合的混合固定方式。Kim 等［20］對(duì)47例前臂雙骨折患者進(jìn)行12個(gè)月的隨訪(fǎng)，結(jié)果顯示雙骨鋼板固定在功能恢復(fù)及平均愈合時(shí)間等方面優(yōu)于混合固定，但混合固定也有滿(mǎn)意的臨床療效。ZHANG 等［21］對(duì)鋼板與髓內(nèi)釘混合固定的生物力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分別采用雙骨鋼板固定、雙骨髓內(nèi)釘固定、鋼板與髓內(nèi)釘混合固定，行軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷加載，結(jié)果顯示髓內(nèi)釘固定尺骨和鋼板固定橈骨較其他三種方法并發(fā)癥更少，功能預(yù)后更好，考慮與尺骨和橈骨的特殊解剖特征，尺骨比橈骨直，易于插入髓內(nèi)釘，橈骨的鋼板固定也有利于橈骨弓的恢復(fù)。BEHNKE 等［13］發(fā)現(xiàn)，使用雙鋼板固定和混合固定在骨折愈合時(shí)間、Grace評(píng)分、Eversmann評(píng)分及并發(fā)癥方面無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但混合固定并發(fā)癥發(fā)生率較低。

目前尚無(wú)學(xué)者從有限元生物力學(xué)角度分析前臂雙骨干骨折不同內(nèi)固定方式的力學(xué)特點(diǎn)，并且常忽視骨間膜及韌帶的作用，本次研究建立前臂有限元模型，骨間膜及韌帶將尺橈骨鏈接為一整體，分析前臂骨折整體生物力學(xué)特征。骨間膜的中段及遠(yuǎn)段在前臂旋轉(zhuǎn)過(guò)程中自身長(zhǎng)度無(wú)顯著變化［22］，證明了有限元建模的可行性。在前臂縱向穩(wěn)定方面，骨間膜在動(dòng)態(tài)情況下作用不明顯，在靜態(tài)情況下穩(wěn)定性極佳［23］，這與本次研究的有限元靜力分析不沖突。本文應(yīng)用有限元軟件，建立3 種前臂雙骨干骨折的內(nèi)固定組合模型，對(duì)比分析3 種內(nèi)固定組合的有限元生物力學(xué)特性。骨間膜、韌帶應(yīng)力反映前臂載荷的傳遞及重新分配。內(nèi)固定應(yīng)力的大小及集中程度反映內(nèi)固定的傳導(dǎo)性及發(fā)生形變、斷裂的可能性。內(nèi)固定組合模型位移分布及位移峰值反應(yīng)模型固定的穩(wěn)定程度，且與內(nèi)固定失敗風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。骨折斷端尺橈骨平均應(yīng)力大小反應(yīng)內(nèi)固定的支撐作用。在100 N垂直載荷條件下，雙骨鋼板固定組合模型內(nèi)固定承受載荷最大，雙骨髓內(nèi)釘固定組合模型和橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定組合模型內(nèi)固定承受載荷最小，其中橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定組合模型內(nèi)固定承受載荷更均勻、更分散，這表明與其他固定組合相比，橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定組合不易發(fā)生形變、斷裂，且傳導(dǎo)性更好。雙骨髓內(nèi)釘固定模型橈骨遠(yuǎn)端位移最小，穩(wěn)定性最優(yōu)，鋼板髓內(nèi)釘混合固定模型穩(wěn)定性可，雙骨鋼板固定模型橈骨遠(yuǎn)端位移最大，表明雙骨鋼板偏心固定失敗風(fēng)險(xiǎn)較高。雙骨鋼板固定組合模型骨折端尺橈骨平均應(yīng)力最大，表面其支撐作用差。在1 000 Nmm 扭轉(zhuǎn)力矩條件下，雙骨鋼板固定組合模型內(nèi)固定承受載荷最大，應(yīng)力主要集中在尺橈骨骨折工況處鎖定鋼板附近，雙骨髓內(nèi)釘固定組合模型承受載荷最小，鋼板、髓內(nèi)釘混合固定組合模型內(nèi)固定承受載荷更均勻、更分散，這表明雙骨鋼板固定組合易發(fā)生形變、斷裂，鋼板、髓內(nèi)釘混合固定組合傳導(dǎo)性更好。橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定模型與雙骨鋼板固定模型位移均較小，說(shuō)明橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定能提供很好的穩(wěn)定性。雙骨髓內(nèi)釘固定組合支撐作用最佳。結(jié)果顯示，雙骨鋼板固定組合易形變、斷裂，支撐作用不佳；雙骨髓內(nèi)釘固定組合抗旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差；混合固定組合受力較均勻、支撐作用可、穩(wěn)定性佳，這與前人研究結(jié)果相符［21］

總之，相較于雙骨鋼板固定組合、雙骨髓內(nèi)釘固定組合，橈骨鋼板尺骨髓內(nèi)釘固定組合對(duì)于A(yíng)3.2型前臂雙骨干骨折可提供更好生物力學(xué)穩(wěn)定性，可為骨折提供更好的愈合環(huán)境。此次研究存在一定的局限性。第一，本研究雖然已將前臂骨間膜及韌帶對(duì)受力傳導(dǎo)的影響考慮其中，但前臂周?chē)浗M織、肌肉及腕關(guān)節(jié)等因素被簡(jiǎn)化；第二，本研究無(wú)法確定鋼板與骨及髓內(nèi)釘與骨的確切相互作用，將其接觸關(guān)系設(shè)為綁定，忽略了相互之間的微動(dòng)機(jī)制，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾；第三，實(shí)驗(yàn)用建模方法將骨折間隙設(shè)為1.5 mm，而真實(shí)骨折常為凹凸不平的接觸面，模型與實(shí)際有一定差距。