肱骨髁間骨折不同雙鋼板固定方式的有限元分析

王亞斌,張云慶,張文,孫惠清,姜雪峰,楊惠光

(1.東南大學醫學院附屬江陰醫院骨科,江蘇江陰 214400;2.蘇州大學骨科研究所,江蘇蘇州 215006)

肱骨髁間骨折是肘部外傷中最為復雜的關節內骨折,多為粉碎性,并發癥發生率高,治療極具挑戰性[1]。對此骨折盡可能接近解剖復位,并給予穩定有效的固定,以早期進行功能鍛煉,是獲得良好效果的前提。肱骨髁間骨折采用雙鋼板固定技術已形成共識,但目前雙鋼板固定技術有垂直固定和平行固定,即在內、外側柱上各置入一枚堅強的鋼板,兩枚鋼板之間的方向為90°或180°。對于兩種固定方式何者最優仍具爭議。前瞻性隨機對照研究顯示兩者臨床療效無明顯差別[2],但一些研究顯示理論上平行鋼板固定技術比垂直鋼板固定技術有更好的力學性能[3,4];亦有研究比較平行鋼板和垂直鋼板的固定強度,結果發現兩者在各個方向的固定強度沒有差別[5]。現有的研究未考慮不同的骨折形態,其結果也就缺乏臨床指導價值。本研究擬通過有限元分析平行鋼板固定技術和垂直鋼板固定技術對不同類型的肱骨髁間骨折的生物力學影響,為臨床選擇提供依據。

1 資料與方法

1.1 肱骨髁間骨折的三維有限元模型的建立 按照王亞斌等[6]的方法,選取 1名 35歲漢族健康男性,X線排除肘關節疾患后采用 64排螺旋 CT對肘關節進行連續斷層掃描,掃描層厚 1mm。將CT掃描所得的圖像數據以 DICOM3.0格式導入Mimics10.01軟件,將二維數據重建為體數據。利用閾值分割和區域增長的方法分開骨組織和軟組織,提取出骨骼圖像。將已生成的三維模型通過Mimics中 FEA模塊的網格優化器進行網格優化,利用優化的面網格生成體網格。點擊materials按鈕后,對體網格賦材質。根據以往文獻[7]對肱骨遠端的皮質骨、松質骨、鈦合金分別定義材料屬性:a)皮質骨:彈性模量 13400M Pa,泊松比 0.3。b)松質骨:彈性模量2000 M Pa,泊松比 0.26。 c)鈦合金:彈性模量 110000 M Pa泊松比 0.3。將該模型最后以 ANSYS的格式輸出并導入ANSYS 10.0中生成三維有限元模型。在 Mimics中利用Simulation模塊中的 cut工具在模型切割出骨折線(設置骨折線的厚度為 2mm),再利用 split工具將切割骨折線分離,從而創建骨折模型(Mehen-Matta分型:高 T型、低 T型、H型、Y型、內側λ型和外側λ型)。在proE中分別建立鋼板和螺釘,螺釘直徑 3.5 mm,并將其以*.stl格式保存,導入到Mimics軟件中,模擬臨床手術方法對鋼板和螺釘進行組裝,再與骨折模型進行布爾操作和remesh處理。將處理后的骨折模型和鋼板螺釘組裝模型導入ansys中,利用耦合約束方程,將鋼板螺釘與骨折模型進行耦合處理 ,模擬固定術后,見圖1。

圖1 六種骨折模型分別模擬進行平行鋼板固定和垂直鋼板固定術后

1.2 設定邊界條件和載荷 對耦合后的有限元模型設定邊界條件為肱骨近端固定。根據肱骨遠端的解剖結構特點,參照 Schuster等[8]的方法將施加于肱骨遠端的軸向壓力的60%分配在肱骨滑車處(相當于肱尺關節),40%分配在肱骨小頭處(相當于肱橈關節)。在肱骨遠端關節面上施加 300 N軸向壓力,觀察施加載荷后下模型的位移及應力情況。

1.3 分析并得出結果,查看分析后的位移和應力

2 結 果

2.1 骨折部位的最大位移 各模型加載后骨折部位的最大位移見表1及圖2。各模型加載后的最大位移均位于肱骨外側髁。在軸向載荷300N的工況下,垂直鋼板固定均較平行鋼板固定的位移大,但在低 T型和 H型骨折模型中,這種趨勢更為明顯,垂直鋼板固定較平行鋼板固定的位移大44.47%和34.08%。

2.2 內固定上的最大von Mises應力 各模型加載后內固定上的最大 von Mises應力見表2及圖3。 Von Mises應力在接近肱骨髁上骨折斷端的螺釘釘孔周圍最高,其次在螺釘的骨折斷面水平。在除Y型肱骨髁間骨折外的其余五種骨折模型中,平行鋼板固定均較垂直鋼板固定最大應力值更小,應力分布相對均勻。

3 討 論

對肱骨髁間骨折雙鋼板固定的平行技術和垂直技術,先后有多個研究對其進行比較,但最終沒有得出一致意見[3,9,10,11]。Stoffel等[3]認為這是由于采用骨骼標本時骨質可能存在差別,選用的鋼板也很不一致,因此很難得出準確結論。但既往的研究均未考慮骨折的類型。肱骨遠端的特殊解剖結構導致肱骨髁間骨折的復雜。不同的損傷機理及暴力大小產生不同的骨折類型。在本研究中,我們采用有限元分析對肱骨髁間骨折不同的骨折類型分別進行了平行鋼板固定和垂直鋼板固定時生物力學特性的測試。本研究選用Mehen-Matta分型,根據骨折線行徑位置將骨折分為高 T型、低 T型、H型、Y型、內側λ型和外側λ型。此分型能較好的描述骨折的形態,評價骨折線位置及骨折粉碎程度,在指導治療方面很有幫助,臨床上較為常用。本研究結果顯示,相同的固定方式對于不同的骨折類型其穩定性是不同的,內固定的應力分布亦不同。

表1 軸向載荷 300N時各型骨折模型行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時的最大位移(mm)

表2 軸向載荷 300N時各型骨折行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時的最大von Mises應力(×107Pa)

圖2 軸向載荷 300N時各型骨折模型行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時的最大位移(mm)

圖3 軸向載荷300 N時各型骨折模型行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時內固定上的von Mises應力分布

我們在采用 Mehen-Matta分型的肱骨髁間骨折的有限元模型上分別使用了平行鋼板固定系統和垂直鋼板固定系統。有限元分析的數值表明,所有骨折內固定模型的最大位移均是小位移,結果與臨床實際情況符合。同時也說明對于各型肱骨髁間骨折使用雙鋼板平行固定或雙鋼板垂直固定均能達到有效固定的目的。在單純軸向載荷 300N的工況下,平行鋼板固定均較垂直鋼板固定的位移小。但在低 T型和 H型骨折模型中,軸向載荷 300 N時垂直鋼板固定較平行鋼板固定的位移大 44.47%和 34.08%。這意味在低 T型、H型肱骨髁間骨折,采用平行鋼板固定比垂直鋼板固定有更好的穩定性。 Zalavras等[11]采用尸體骨肱骨髁間骨折模型,對比垂直鋼板和平行鋼板(均應用非鎖定螺釘 )的固定強度,結果平行鋼板固定強度明顯優于垂直鋼板,測試過程中垂直鋼板的后外側鋼板均出現螺釘松動,而在平行鋼板則均未出現。本研究中各模型加載后的最大位移均位于肱骨外側髁,這與蔡浩等[12]的研究結果相同。

良好的內固定應該使植入物的應力盡可能均勻分布,平均應力水平與應力集中區的最大應力值應盡可能的小。本研究顯示,在除 Y型肱骨髁間骨折外的其余五種骨折模型中,平行鋼板固定均較垂直鋼板固定最大應力值更小,應力分布相對均勻。也就是說單從植入物應力分布的視角看,除Y型骨折外其余五種骨折類型使用平行鋼板固定更合理。

本研究仍存在如下的局限性。雖然我們利用 CT斷層掃描獲得直接的影像數據進行有限元建模,該模型對肱骨遠端結構進行了準確模擬,使模擬結果與真實情況進一步逼近,但由于無法完全模擬骨骼生理狀態下的復雜受力環境及骨骼材料的各向異性,且去除了肌肉、韌帶等附著軟組織,故與真實情況仍存在一定誤差。我們沒有在研究時考慮老年患者的骨質疏松性骨折。對于骨質疏松性骨折 ,Papini等[13]建議在進行有限元建模時通過降低材料屬性的彈性模量來實現。我們沒有做到這一點,因為我們研究的重點是固定方法,而不是骨質量。最后,我們盡管是采用鎖定鋼板,但為簡化計算,未考慮螺釘拔出效應。

綜上所述,對于低 T型、H型肱骨髁間骨折,采用平行鋼板固定比垂直鋼板固定有更好的穩定性。而對于高 T型、Y型、內側λ型和外側λ型肱骨髁間骨折,兩種固定系統均是可行的。盡管平行鋼板固定時植入物上的von Mises應力集中相對較低,但基于解剖學上的特點,在外側柱的骨嵴上放置平行鋼板常常比較困難,技術要求較高,故對于高 T型、Y型、內側λ型和外側λ型肱骨髁間骨折可靈活選用平行鋼板或垂直鋼板。緣于有限元分析的局限性,仍需要進一步的研究和長期的臨床隨訪來證實該結果。本研究為今后使用有限元方法針對不同骨折的個性選用不同的內固定系統進行了嘗試。

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