外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的有限元分析

焦玉爽　陳偉　杜紅杰　張宗召　楊宗酉

【摘要】 目的探討外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的生物力學可行性，為臨床應用提供理論指導。方法采集1名志愿者下肢CT圖像資料，分別進行正常脛腓骨、鎖定鋼板內固定及外置鎖定鋼板固定的虛擬三維模型重建。利用Abaqus軟件，設定邊界條件、施加150 N縱向靜態載荷以模擬60 kg成人半負重站立時單側下肢3種模型的受力分布及位移大小。結果正常脛腓骨模型半負重時最大應力值為7.7 MPa，位于脛腓骨遠端;鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺釘與鋼板接觸處。外置鎖定鋼板固定模型的整體位移大于鎖定鋼板內固定模型及正常脛腓骨模型，三者的最大位移分別為1.9 mm、0.5 mm和1.3 mm，整體剛度分別為78.9 N/mm、300.0 N/mm和115.4 N/mm。結論雖然外置鎖定鋼板使鋼板承受了更大的應力，產生較大的位移，但其強度在安全范圍之內，且剛度更接近于正常脛腓骨。因此，外置鎖定鋼板固定在生物力學方面具有一定可行性。

【關鍵詞】 脛骨;骨折;鎖定鋼板;有限元分析

脛骨骨折為臨床常見骨折類型，其發生率較高，約占全身骨折的3.3% - 6.8%[1]。脛骨干的前內側面及嵴均位于皮下淺層，較少肌肉包裹，易觸及，且此處骨骼質地較硬，彈性較小，導致此處的骨折容易造成皮膚等軟組織的破壞而成為開放性骨折。對于開放性脛骨近端骨折，臨床中多行一期外固定架固定，待皮膚軟組織條件允許后，再行二期內固定治療。然而，由于脛骨近端骨折塊較小，外固定架需跨關節固定，常常導致膝關節功能障礙。另外，外固定架釘道較粗，易發生感染。脛骨平臺鎖定鋼板具有強度大，角度穩定性的特點。目前已有學者將鎖定鋼板固定于皮膚之外治療脛骨遠端骨折[2]。然而，目前尚無外置鎖定鋼板治療脛骨近端骨折的基礎研究，因此，本課題組通過有限元模型模擬外置鎖定鋼板，并與常規鎖定鋼板及正常脛骨模型比較，旨在探討外置鎖定鋼板的生物力學可行性，為臨床應用提供理論指導。

材料與方法

一、資料采集

本課題組于2017年12月招募本院正常志愿者1名，經其理解并簽署知情同意書后，對其行下肢CT檢查，掃描層厚為2 mm，共獲取CT圖像892層。原始掃描數據以Dicom格式導入Mimics10.0軟件（Materialise Company， Leuven， Belgium），選取左側脛腓骨進行三維重建。導人NX 9.0軟件（ Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.USA），制作脛骨近端骨缺損模型以模擬近端粉碎性骨折。選擇脛骨外側鎖定鋼板（圖1），根據鋼板螺釘內固定物形態參數，利用NX 9.0軟件分別對正常脛骨鎖定鋼板內固定模型及外置鎖定鋼板固定模型進行虛擬三維模型重建。其中將外置鎖定鋼板固定模型鋼板設定為距離骨面3 cm。脛骨平臺T形鎖定鋼板長150 mm、寬14.0 mm、厚4.5 mm、孔距12.5 mm、螺釘直徑5.0 mm。將帶螺紋的螺釘簡化為等直徑的光滑圓柱，根據脛骨形態、骨折特點及生物力學原則分別選取合適的螺釘進行固定（圖2A-C）。

二、有限元分析

將重建模型導人Geomagic Studi0 12（ Geoma-gic，Research Triangle Park NC，USA）中進行網格劃分優化，再以X_t格式導人有限元分析軟件Abaqus 6.11（ Dassault Systemes Simulia， Providence，RI，USA）。本研究假設所涉及材料為連續均質各向同性的線性彈性材料。松質骨楊氏模量和泊松比分別為400 MPa和0.2，皮質骨分別為18 000 MPa和0.3，內固定物為110 000 MPa和0.3[3]。采用二次四面體單元分別對2種固定方式的實體模型進行有限元網格劃分，并對模型接觸處進行局部細化。將脛腓骨遠端底面進行三向平移和旋轉約束。將螺釘與鎖定鋼板設置為剛性連接來模仿內固定系統的鎖定狀態。本課題組選用150 N縱向靜態載荷模擬60 kg成人半負重站立時單側脛骨平臺受力，其中內側平臺和外側平臺分別承受60%和40%應力[4]。根據軸向應力的加載分析脛骨、內固定物的剛度、受力分布及位移大小。

結果

一、正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的應力比較

正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型在半負重時，其應力分布如圖2D -F所示。正常脛腓骨模型應力分布較為均勻，在脛腓骨遠端略有增加。鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型均出現明顯的應力集中，位于鋼板第3-5孔及鋼板與螺釘相連處。同時，螺釘周圍骨質應力也明顯增加。鎖定鋼板內固定模型在骨折的遠端及近端出現應力遮擋區，而在外置鎖定鋼板固定模型中未觀察到明顯的應力遮擋。對于腓骨來說，外置鎖定鋼板固定模型腓骨整體應力高于正常脛腓骨模型和鎖定鋼板內固定模型。正常脛腓骨模型半負重時最大應力值為7.7 MPa，位于脛腓骨遠端;鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺釘與鋼板接觸處。

二、正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型載荷后的位移比較

如圖2G -I所示，施加150 N人體半負重載荷后，鎖定鋼板內固定模型整體位移明顯小于正常脛腓骨模型和外置鎖定鋼板固定模型，三者的最大位移分別為0.5 mm、1.3 mm和1.9 mm。對于脛骨近端骨折塊，正常脛腓骨模型內外側平臺位移量均等，而鎖定鋼板內固定和外置鎖定鋼板固定模型整體以內側平臺位移為主，內側平臺位移明顯大于外側。對于骨折遠端骨折塊，3種模型的位移規律相似，內外位移平衡。經計算得出正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體剛度分別為115.4 N/mm、300.0N/mm和78.9 N/mm。

討 論

鎖定鋼板具有強度高、角度穩定等優點，避免了鋼板對骨膜的擠壓，用于骨折不愈合、骨髓炎、骨骼肌肉減少癥的治療[5-6]。但是目前該技術仍具有爭議性，且關于該技術的生物力學研究并不完善。計算機有限元分析技術能夠準確模擬復雜的人體力學環境、直觀顯示并定量計算應力分布、位移情況，在醫學領域已獲得了廣泛認同[7]。

骨折內固定的抗旋轉性與螺釘半徑密切相關，隨著螺釘半徑增加而相應增加。其中，直徑5 mm螺釘的整體抗旋轉能力能達到3.5 mm螺釘的4倍，因此本實驗模擬的5 mm螺釘可大大增加外置鎖定鋼板固定模型的旋轉穩定性。本研究中正常脛腓骨模型半負重時最大應力值為7.7 MPa，鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的整體最大應力值分別為214.1 MPa和351.8 MPa。雖然鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的應力較正常脛腓骨大，但兩者整體最大應力值均遠遠小于鈦合金屈服強度[8]。脛骨近端骨折外置鎖定鋼板固定在強度安全范圍之內，可提供足夠的穩定性[9]。

由于鎖定內固定系統的強固定會產生較大的應力遮擋，不利于粉碎性脛骨骨折的愈合。因此對于粉碎性脛骨骨折，應給予相對穩定的固定，以增加骨折斷端的應力刺激，促進骨折愈合。本研究顯示，施加人體半負重載荷后，正常脛腓骨模型呈現出內外側均勻的軸向位移。而鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型呈現出內側較大的不均勻位移。這是由于對骨折進行鋼板螺釘固定后外側獲得比內側更高的支撐。鎖定鋼板整體剛度主要受工作長度、螺釘直徑及數量、鋼板距骨面的距離和鋼板長度等因素影響[10]。施加負荷后，正常脛腓骨模型、鎖定鋼板內固定模型和外置鎖定鋼板固定模型的最大位移分別為1.3 mm、0.5 mm和1.9 mm。由此可見，隨著螺釘工作長度的增加，其整體穩定性會降低，更接近于正常脛腓骨模型，可以獲得有利于骨折愈合的力學環境，具有一定的生物力學優勢。

本研究存在一定的局限性。本實驗為有限元分析，該方法雖然已得到廣泛認同，但與人體真實力學及生物學環境仍具有一定差異。該研究結果尚需行臨床研究進一步證實。

綜上所述，雖然外置鎖定鋼板固定模型使鋼板承受了更大的應力，產生較大的位移，但其強度在安全范圍之內，且剛度更接近于正常脛腓骨模型。因此，外置鎖定鋼板固定在生物力學方面具有一定可行性。

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