克氏針的不同固定術式治療月骨脫位的有限元分析

葉旭標，謝廣中，梅林軍，劉雄，羅錦玲，單淑媛

（1.東莞市第八人民醫院，廣東 東莞 523325；2.東莞市厚街醫院，廣東 東莞 523900）

月骨脫位主要治療方法為通過閉合復位或切開復位后行克氏針固定，修復關節囊和韌帶。術后石膏將腕關節固定于中立位，術后2周拆線，術后6～8周拔除克氏針，開始功能鍛煉。雖然術后石膏將腕關節固定于屈曲位或中立位，6～8周拔針后開始功能鍛煉[1]，然而部分患者醫從性差，常自行拆除石膏。術后消腫石膏經常有松脫，不能及時更換石膏，從而使石膏固定不牢固。臨床需要一種使月骨復位后既固定穩定且克氏針受力較少不容易斷裂的手術方案。根據現有的文獻報道，對月骨復位后固定方法主要以舟月關節和橈月關節固定、頭月關節和舟月關節固定、月三角關節和舟月關節固定三種方法為主。針對以上三種固定方法，本文選取一名健康自愿者進行腕關節掃描獲取空間結構信息，利用三維有限元軟組織建立3組交叉克氏針固定三維有限模型。模擬術后受力情況，分析月骨位移及克氏針受力大小。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇1名27歲青年男性志愿者（經醫院倫理道德委員會審批通過），腕關節活動正常，無腕關節疾病。采用128排，層厚0.67 cm螺旋CT對志愿者腕關節進行薄層掃描，范圍包括尺橈骨遠端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨，與其相關韌帶。使用DVD刻錄光盤收集其Dicom格式數據。將CT數據以Dicom格式保存并導入Mimicis14.1軟件（Materialise公司，比利時），進行灰度閾值調整，通過圖像分割、區域增長等操作建立模型，數據再以stl格式導入工程軟件Geomagic Studio2012（Geomagic公司，美國）進行光滑除糙、縮減三角面片、圖形縮放等處理，分別建立含有尺橈骨遠端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三維幾何模型（圖1-2-B），最終保存為IGES格式[2]。

1.2 建立三組交叉克氏針固定模型

運用軟件Geomagic Studio在含有尺橈骨遠端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三維幾何模型上添加1.2 mm圓柱體模擬克氏針，形成橈骨月關節固定針、舟月關節固定針、頭月關節固定針、三角月關節固定針。各固定針模型以IGES格式保存。根據三組固定術式選取其中固定針，最后得出A，B，C三組交叉克氏針固定模型（A組：舟月關節和橈月關節固定；B組：頭月關節和舟月關節固定；C組：月三角關節和舟月關節固定）。各固定針均要求固定4層皮質，且各關節間隙克氏針外露最小，不累及鄰近關節。

1.3 三維有限元模型的建立

把Mimics軟件建立腕部三維模型及相應1.2 mm克氏針模型導入有限元分析軟件ANSYS 14.0中，對模型進行網格化，并對網格化后的模型進行網格優化，獲得不包括軟骨與其附屬韌帶等的各腕部骨骼有限元模型，并根據參考文獻[3]，設計軟骨層厚為1.2 mm，在此模型中根據軟骨層厚進行手繪各軟骨面。在除月骨以外腕骨及橈骨各相連關節添加約束，根據參考文獻[4]，添加除與月骨相連以外的韌帶強度力量，從而模擬得到月骨脫位周圍韌帶斷裂、復位后模型。最終得到完整的月骨脫位術后腕部三維有限元模型。包括近端尺橈骨、腕骨、掌骨、各軟骨面、克氏針。

骨、軟骨與克氏針材料屬性：一般來說，生物組織屬于各向異性的非線性體。本實驗假設腕部骨骼和關節軟骨均為各向同性均勻的線彈性材料，又因皮質骨與松質骨的彈性模量均遠大于軟骨的彈性模量，所以將骨骼單元的楊氏彈性模量統一設置為10 000 MPa，泊松比0.3。在不同的文獻中，軟骨的楊氏彈性模量從1 Mpa到10 Mpa不等，泊松比從0.45到0.49不等，本實驗選取楊氏彈性模量5 Mpa，泊松比0.47[5]。賦予1.2 mm克氏針單位材料屬性：楊氏彈性模量E=110 000 Mpa，泊松比0.3[6]。

1.4 載荷設計與邊界條件

將三組模型中的橈骨和尺骨近端在X，Y，Z三個方向施加完全約束，參照文獻于第2掌骨頭、第3掌骨頭沿手和前臂軸向分別施加50 N～250 N的壓力載荷[7]，并進行運算。

2 結果

三組模型在第2掌骨頭、第3掌骨頭分別沿手和前臂軸向施加100N的壓力載荷下月骨位移應變分布云圖見圖1。

100 N壓力載荷下三組模型克氏針上最大應力分布圖見圖2。

50 N～250 N壓力載荷下月骨位移及克氏針最大應力統計表見圖3，4。

3 討論

圖1 三組月骨位移分布云圖

圖2 三組克氏針最大受力分布

圖3 月骨最大位移統計表

圖4 克氏針最大應力統計表

月骨脫位是指月骨相對于周圍的腕骨和橈骨遠端的掌側和背側移位，后者極少見。按照Mayfield的觀點，月骨掌側脫位為腕關節背伸型損傷發展的最終階段。在背伸及旋轉暴力的作用下，月骨周圍的韌帶相繼撕裂和斷裂，周圍腕骨背側脫位并與橈骨遠端一起擠壓月骨，最終使其脫離背側橈腕韌帶的約束而發生掌側脫位[7]。

月骨脫位主要治療方法多采用掌側弧形切開，切開皮膚和皮下組織，于掌長肌腱和橈側腕屈肌腱切開深筋膜，切開腕橫韌帶，找到并保護正中神經，將神經和屈肌腱分別向兩側拉開，可顯露脫位的月骨和關節囊。切開關節囊，保護月骨的掌側韌帶，清理關節間隙內的血腫或肉芽組織，牽引并背伸腕關節，復位月骨。相應克氏針固定，修復掌側損傷韌帶。術后用長臂石膏將腕關節固定于屈曲位或中立位，2周拆線，6～8周拔針后開始功能鍛煉[1]。月骨與橈骨遠端內側小關節面相關節，遠側面有一深凹，分為外出大部和內側小部，大部與頭狀骨相關節，小部與鉤骨相關節。內側面與三角骨相關節，外側與舟骨相關節。月骨與周圍5塊骨頭相關節，按照交叉固定有良好穩定性原則，總共有9種不同固定方法。臨床上卻缺少一個統一固定方法，而根據現有的文獻報道，對月骨復位后固定方法主要以舟月關節和橈月關節固定；頭月關節和舟月關節固定；月三角關節和舟月關節固定三種方法為主。

3.1 實驗結果分析與臨床意義

在本實驗研究中，應用三維有限元分析對比月骨脫位的3種克氏針固定方案生物力學穩定及克氏針應力情況。在模型建立方面，正常腕關節的骨與軟骨三維有限元模型中，在除月骨以外腕骨及橈骨各相連關節添加約束來模擬月骨脫位復位后模型。

在三組模型中，隨著壓力載荷的增加，月骨的最大位移隨之增大，克氏針最大應力也隨之增大，該情況符合力量守恒，同時也證明了該實驗的合理性。三組實驗中，A組月骨的最大位移最少，B組其次，C組位移最多（圖3）。從數值來說，A組固定術式最穩定，C組固定最不穩定。但在不同壓力載荷下，三組最大位移差均約為0.01 mm。在腕關節不穩中，以舟月分離最常見。現在文獻和臨床上，舟月間距（即舟月關節面中央部位的骨間距離）大于3.0 mm有診斷舟月分離的意義。三組最大位移差的0.01 mm相對于診斷舟月分離的3.0 mm，可以說三組固定術式的最大位移差異沒有明顯意義，其穩定性無明顯差異，其穩定性相當。而在我們設計各關節固定克式針中，發現克氏針固定4層骨皮質最牢固，且克氏針經過的骨皮質越多越牢固。但該研究不在本次研究范圍內。

在克氏針受力方面（圖4），B組克氏針最大應力在三組模型中最大，其次為A組，且兩組克氏針最大應力相差不大。C組克氏針最大應力較其余兩組明顯要小。由于腕關節屈曲范圍約66°，其中橈腕關節承擔40%，腕中關節承擔60%。背伸范圍55°，橈腕關節承擔66.5%，腕中關節承擔33.5%。橈偏活動范圍15°，橈腕關節承擔7°，腕中關節承擔8°。尺偏范圍35°，橈腕關節承擔20°，腕中關節承擔15°[8]。橈月關節、頭月關節為縱行關節，腕關節的屈伸主要靠橈月關節、頭月關節實現，克氏針固定方向與腕關節活動方向相垂直，克氏針受力較橫向關節較大。而C組固定關節為橫向關節，主要負責橈偏及尺偏，其活動范圍明顯小于屈伸活動，克氏針受力較小。查看各金屬屈服強度（屈服強度：是金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應力。），其中鈦合金的屈服強度為350～400 Mpa。B組固定克氏針最先達到屈服強度，從而發生屈服現象即容易斷裂。當載荷負荷達到200 N時，A，B兩組均達到屈服強度，C組固定最大應力仍在屈服強度以下。

在臨床工作中，我們發現在1例月骨脫位病例中出現克氏針斷裂，該患使用的固定術式正是B組頭月和舟月關節克氏針固定，術后石膏固定于屈曲位。患者缺乏隨診，術后2周拆線出院，后再未回院復查。于術后6周回院復查X線片，見頭月固定針斷裂（圖5，6）。該患者只能再次手術切開取出克氏針。

圖5 頭月和舟月關節克氏針固定術后

圖6 術后6周克氏針斷裂

B組頭月關節和舟月關節固定方法中，雖然有較好的穩定性，但其克氏針應力最大，克氏針斷針風險最大，所以臨床上最好避免行該方法固定。而實踐中反而常見該固定術式，主要因為此固定方式能在掌側弧形直視下完成。A組舟月關節和橈月關節固定，雖然有最好的穩定性，但其克氏針應力與B組相近，且遠大于C組克氏針應力。A，B組克氏針斷針風險均很大。C組方法固定中，月骨位移與前兩組相差不大，三種固定方法穩定性相當，C組固定雖然沒有A組固定穩定，但其關節間隙中克氏針應力較其他兩種要小，術后不容易出現克氏針斷裂或松動，所以臨床上建議使用月三角關節和舟月關節固定治療月骨脫位。

3.2 結果誤差及實驗的不足

本文在臨床療效分析中研究病例相對較少。只研究術后早期石膏固定下腕關節軸向負荷下結果，但腕關節還受到掌側及背側活動及扭曲力的作用，故還需進一步的研究探討。