股骨遠端骨折髓內釘與鎖定鋼板內固定方式的有限元分析

鄒誠實 李開成 張兆國 陳建文

股骨遠端骨折髓內釘與鎖定鋼板內固定方式的有限元分析

鄒誠實 李開成 張兆國 陳建文

目的 模擬股骨遠端骨折髓內釘與鎖定鋼板內固定，比較2種常用內固定的效果，并探索其對膝關節生物力學的影響。方法 建立精確的膝關節三維有限元模型，在此基礎上建立股骨遠端A型骨折理想模型、髓內釘內固定手術有限元模型（Ⅰ型模型）和鎖定鋼板內固定手術有限元模型（Ⅱ型模型）。通過對多個關節屈曲度（0°、60°、90°、120°）的模型加載重力載荷來分析內固定物、關節軟骨及半月板的應力變化和股骨遠端最大位移等。結果 Ⅰ、Ⅱ型模型的內固定物、關節軟骨和半月板各有1個最大應力部位，最大應力峰值均出現在關節屈曲90°狀態下。股骨遠端位移峰值總體隨著關節屈曲角度的加大而增加。同樣屈曲角度下，脛骨平臺軟骨、半月板的最大應力值均大于股骨髁軟骨，鎖定鋼板的最大應力值大于髓內釘，Ⅱ型模型的股骨遠端最大位移值大于Ⅰ型模型。結論 內固定方式有限元分析可以模擬膝關節不同運動狀態下的受力情況，有效分析出不同模型中內固定物、關節軟骨和半月板在不同運動狀態下的生物力學特征。

有限元分析 骨折固定術 股骨 膝關節

股骨遠端骨折（distal femur fractures，DFFs）占股骨骨折的4%～6%，是最難治的骨折之一。由于股骨遠端的解剖結構和生物力學特性比較復雜，骨折多不穩定且并發癥多[1]。隨著骨科生物力學的發展和內固定技術的進步，骨折固定理念由直接解剖復位、堅強內固定逐漸向間接解剖對線和彈性固定、達到相對穩定的方向轉變[2]；DFFs的手術方法也有所改進，從代表堅強內固定的95°髁部角鋼板技術發展到現階段的逆行髓內釘、鎖定鋼板內固定技術。然而，目前后2種技術治療DFFs的預后、并發癥方面的比較研究較少，哪種方法更適于DFFs治療尚無定論。本研究旨在利用計算機三維有限元分析技術，比較髓內釘與鎖定鋼板內固定的效果，現報道如下。

1 資料和方法

1.1 一般資料 圖像數據來源于1名健康男性志愿者，35周歲，身高1.72m，體重75kg；掃描前簽署知情同意書。

1.2 方法 使用GE Bright Speed Elite 16排螺旋CT儀掃描左側膝關節，掃描范圍自股骨中段至脛腓骨中段，層厚0.625mm，螺距0.938，按關節屈曲0°、60°、90°、120°共掃描4組。

1.2.1 正常膝關節三維有限元模型的建立 將4組膝關節螺旋CT圖像數據依次導入Mimics Research 17.0軟件（Materialise公司）進行股骨、脛腓骨、髕骨的自動化三維重建以及韌帶、半月板、關節軟骨的人工劃分，生成的三維模型各組件經過Geomagic Studio 2013軟件（Geomagic公司）修潔處理、3-matic Research 9.0軟件（Materialise公司）面網格優化后，導入Abaqus 2016軟件（HKS公司）進行體網格劃分、賦材料屬性、模型裝配、定義相互作用等前處理工作，建立4個不同屈曲度的膝關節三維有限元模型，見圖1a（插頁）。

1.2.2 鋼板、螺釘及髓內釘等內固定物三維有限元模型的構建 本研究鋼板、螺釘及髓內釘的幾何結構采用正向設計方法，在Creo 2.0軟件（PTC公司）中導入股骨、脛骨和腓骨幾何，根據股骨的形狀、內固定物實際尺寸繪制出鋼板、螺釘以及髓內釘的形狀，再導入Abaqus 2016軟件中進行體網格劃分、材料屬性賦值。

1.2.3 DFFs內固定釘道的設計與模擬手術置釘 在Abaqus 2016軟件中打斷股骨遠端的三維模型，形成模擬骨折模型，按照DFFs內固定手術逆行髓內釘和鎖定鋼板放置位置要求，進行內固定物與骨折模型的裝配，形成2種內固定方式的釘道設計與模擬手術置釘，見圖1b-c（插頁）。

1.2.4 有限元靜態力學分析 （1）材料設定：內固定手術模型的骨質及骨髓部分依據前期研究被設成10種材料[3]。關節軟骨定義為彈性材料，彈性模量為20MPa[4]，泊松比為0.46[5]。半月板定義為彈性材料，彈性模量為59MPa[6]，泊松比為0.49。所有韌帶均采用超彈性材料，材料應變勢能表達采用Neo-Hooke模型參數，見表1。

表1 膝關節韌帶材料參數

1.2.5 邊界條件的設定 在Abaqus 2016軟件中設定內固定手術模型的邊界條件，內外側半月板通過前、后根部與脛骨平臺相連接，各條韌帶的兩端分別附著在股骨、脛骨或腓骨上。對半月板根部附著、關節軟骨與相應骨組織的連接、各條韌帶的兩端附著，在Abaqus 2016軟件中通過綁定功能進行約束固定。股脛關節、髕股關節間由于存在滑液，可以設摩擦系數為0。

1.2.6 載荷加載 保持脛、腓骨在6個自由度上完全約束固定，股骨遠端以股骨上髁軸為旋轉軸在屈伸0°、60°、90°、120°固定，其他自由度不約束來模擬人體日常運動中膝關節不同位置時的受力情況。以體重75kg的成人，兩側膝關節承受約人體86%的體重為例，在股骨遠端施加垂直于脛骨平臺方向的載荷（F），F=75×0.86× 10×0.5≈320N。

1.3 評價指標 評價指標包括負荷加載后模型中內固定物、關節軟骨及半月板應力云圖及應力變化特點，股骨遠端的位移云圖及最大位移。

2 結果

2.1 基本情況 本研究成功建立了2種內固定方式的模擬手術有限元模型，包括股骨遠端及內固定物、脛腓骨上端、髕骨、ACL、PCL、MCL、LCL、PMFL、PT及內外半月板，見圖1b-c（插頁）。髓內釘內固定手術有限元模型（Ⅰ型模型）單元總數439 610個，節點總數155 880個；鎖定鋼板內固定手術有限元模型（Ⅱ型模型）單元總數575 572個，節點總數264 957個。

2.2 內固定物、關節軟骨及半月板在不同關節屈曲度受力時的生物力學特征 由圖2a-d（插頁）可知，應力分布與關節屈曲角度均存在一定關系，隨著膝關節從伸直到屈曲狀態而改變：內固定物的應力集中區從中心沿長軸向兩邊擴大再逐漸縮小，股骨髁軟骨的應力集中區從前中部逐漸移到后部，脛骨平臺軟骨及半月板的應力集中區從前部逐漸移到后部。2個模型的內固定物、關節軟骨和半月板各有1個最大應力部位，均主要位于骨折線附近、股骨外側髁、脛骨平臺外側部及外側半月板。由圖3a-c（插頁）可知，應力峰值與關節屈曲角度亦存在一定關系，隨著膝關節從伸直到屈曲狀態而改變：內固定物的應力均呈現先持續增加后減少的趨勢；Ⅰ型模型關節軟骨及半月板的應力呈現先減小后增加再減小的趨勢；Ⅱ型模型除股骨髁軟骨應力變化趨勢與Ⅰ型模型相仿外，脛骨平臺軟骨及半月板的應力呈現先持續增加后減小的趨勢；Ⅱ型模型3者應力多大于Ⅰ型模型。2個模型的內固定物、關節軟骨和半月板的最大應力峰值均出現在關節屈曲90°狀態下。同樣屈曲角度下，鎖定鋼板的最大應力值大于髓內釘，脛骨平臺軟骨及半月板的最大應力值均大于股骨髁軟骨，多數情況下半月板的最大應力值處于3者最高位置。

由圖4a-b（插頁）可知，2種模型的股骨遠端位移峰值總體隨著關節屈曲角度的加大而增加；同樣屈曲角度下，Ⅱ型模型的股骨遠端最大位移值大于Ⅰ型模型。

3 討論

現代醫學利用計算機對人體各部位的圖像數據進行三維重建已得到廣泛應用，特別在骨折診斷與治療中。三維重建技術對骨折治療具有指導意義，但無法直接利用三維圖像進行生物力學分析并探討其受力特點和損傷機制，而有限元分析法剛好彌補了這個缺點。有限元法是適應電子計算機的使用而發展起來的一種新穎、有效的數值計算方法，是利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬，利用簡單又相互作用的元素，即單元就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。近年來有限元分析法被逐漸應用到人體各組織的生物力學研究中，隨著計算機軟件技術的不斷成熟，有限元分析軟件已從過去對人體組織幾何結構的簡單模擬和近似計算發展到對人體各部位復雜的非均質結構作高度仿真模擬和精密分析，使臨床上一些復雜骨折的多種內固定手術模擬和預知生物力學特征的改變成為可能，對指導術后康復具有參考價值。有限元分析的準確性主要受三維模型的幾何形態和質量的影響，本研究采用16排螺旋CT采集膝關節層厚＜1mm的連續斷層圖像，通過三維重建技術和正逆向工程技術建立的2種模擬手術有限元模型，形態逼真，空間分布準確，網格劃分合理，在精度上超越了其他學者建立的有限元模型[7-9]。本研究不僅建立了包含半月板、關節軟骨以及所有主要韌帶的膝關節三維有限元模型，而且進一步建立的手術模型模擬了股骨遠端骨折內固定術后較為完整的膝關節屈曲運動和受力狀態，并得出了以往研究所缺乏的術后膝關節復雜的生物力學數據。

本研究詳細分析出了模擬手術后膝關節不同屈曲狀態下的股骨遠端相對位移以及內固定、關節軟骨及半月板的應力大小和分布變化規律，能更簡便、直觀、細致地探討內固定的固定效果以及膝關節的生物力學特性改變和損傷機制。本研究發現，隨著關節從伸直到屈曲狀態的改變，2種模型關節軟骨、半月板的應力集中區移動規律及應力峰值大小次序與正常膝關節生物力學特征相仿；2種內固定的最大應力集中區均在骨折線附近，因而此處是內固定斷裂的好發區，與以往報道一致[10-12]。同樣屈曲角度下，采用髓內釘內固定的股骨遠端最大位移值、髓內釘最大應力值均小于鎖定鋼板，說明髓內釘具有較強的抗彎曲、抗扭轉性能，較鎖定鋼板更具有生物學固定優勢，可有效防止骨折復位后短縮和骨折端移位，與相關研究結果相符[13-14]。2種模型的關節軟骨、半月板均有一個最大應力部位，半月板最大應力部位主要出現在外側，與劉祺等[15]發現外側半月板損傷多于內側半月板相符；但股骨髁軟骨最大應力部位出現在外側，與其股骨內側髁軟骨損傷多發不甚相符，考慮原因是股骨遠端骨折造成股骨髁與脛骨平臺、髕骨與股骨關節面之間相應關系破壞，從而改變了膝關節的正常解剖軸與機械軸，破壞了膝關節的正常負荷傳導，最終導致股骨內外髁的重力負荷比重發生改變[16]。此外，關節屈曲過程中Ⅱ型模型關節軟骨、半月板的應力多數大于Ⅰ型模型，在屈曲60°～120°階段股骨髁尤其以外側髁軟骨的應力上升、下降最快，可能原因是鎖定鋼板是外側固定，股骨遠端外側相對內側堅強，導致重力負荷易傳遞到股骨外側髁，從而使得此處接觸壓力較內側偏大。2種模型的內固定物、關節軟骨和半月板的最大應力峰值均出現在關節屈曲90°狀態下，股骨遠端位移峰值總體上隨著關節屈曲角度的加大而增加，可見骨折未愈合前膝關節運動幅度過大如下蹲、深蹲等會增加內固定失效的可能性[17]。

本研究結果證實所構建的模擬股骨遠端骨折內固定手術有限元模型具有較高的可信度，得出的結論可以為評估內固定效果提供理論基礎。但本文尚存在一定缺陷，一是僅模擬了股骨遠端一種類型的骨折以及2種內固定方法；二是實驗中加載的力是基于靜態的，而現實中膝關節及內固定受到的力往往是動態的；三是本實驗未考慮關節囊、肌肉等結構對膝關節和內固定物的生物力學影響，結果與實際情況可能存在一定差異。建議盡量完善模型的多種結構，增加模擬骨折的種類和內固定方法，進一步探討骨折手術方案、內固定物選取、術后的康復方案等醫療措施，以提供更為詳實的理論數據。

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Finite element analysis of intramedullary nail fixation and internal fixation of lockng plate for distal femoral fracture

ZOU Chengshi, LI Kaicheng,ZHANG Zhaoguo,et al.Department of Radiology,Cixi Hospital of Traditional Chinese Medicine,Cixi 315300, China

Objective To compare the commonly used internal fixations for distal femoral fractures by finite element analysis. Methods The accurate 3-D finite element model of knee joint was established.On this basis,the ideal model of type A distal femoral fracture and the finite element model of intramedullary nail and locking plate were established and assembled to mimic two internal fixations.The variation of stresses on internal fixator,articular cartilage and meniscus and maximum displacement of distal femur were analyzed by applying load on multiple ranges of flexion (0,60,90,120 degree)of the joint in the model,and the mechanical characteristics and pros and cons of two internal fixations for type A distal femoral fractures were compared. Results There was one site with maximum stress value on internal fixator,articular cartilage and meniscus for each model.All maximum stress peaks occurred at the 90 degree of flexion of the joint.At the same range of flexion, cartilage of tibial plateau and meniscus had greater maximum stress value than cartilage of femoral condyle.The locking plate had greater maximum stress value than the intramedullary nail.The maximum displacement of distal femur was bigger in internal fixation with locking plate than in fixation with intramedullary nail. Conclusion The finite element model mimicking internal fixation can mimic the stresses applied on knee joint at different ranges of motion,which can effectively analyze and compare biomechanical characteristics of internal fixator,articular cartilage and meniscus at different ranges of motions in different models.

Finite element analysis Fracture fixation Femur Knee joint

2016-06-26）

（本文編輯：陳丹）

慈溪市科技計劃項目（CN2014030）

315300 慈溪市中醫醫院放射科（鄒誠實、陳建文），骨科（張兆國）；上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院放射科（李開成）

李開成，E-mail：likaicheng128@163.com