外置鎖定鋼板固定脛骨中段不同角度斜形骨折的有限元分析

方詩濤，米雷，王梟冶，張冠軍，張玲，楊韻琪，王蕓

1.湖南中醫(yī)藥大學臨床醫(yī)學院 湖南省腦科醫(yī)院骨科醫(yī)學中心，湖南長沙 410007；2.湖南大學機械與運載工程學院，湖南長沙 410082；3.中南大學湘雅三醫(yī)院護理部，湖南長沙 410013

脛骨中段骨折約占全身骨折的14%，是四肢骨折的常見類型[1]，其發(fā)生常由重力撞擊、高空墜落等直接暴力或間接暴力所致[2]。心理因素和健康狀態(tài)對患者術(shù)后的骨折愈合起到重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，與正常人群比較，患有精神疾病的患者更易出現(xiàn)骨質(zhì)疏松[3-4]，因而此類患者發(fā)生骨折的概率明顯增加[5]，且常為開放性骨折，需行外固定支架治療。臨床研究表明，此類患者在骨折外固定術(shù)后，醫(yī)囑遵從性差，術(shù)后早期多動，抗拒治療，甚至自行拆除外固定裝置，不利于骨折的愈合[6]，術(shù)后骨折愈合長期隨訪結(jié)果與正常人群相比更差[7]。外置鎖定鋼板是一種治療脛骨開放性骨折的方式[8]，具有低切跡、皮膚刺激性小及感染發(fā)生率低的特點，對患有精神疾病合并開放性骨折的患者，與傳統(tǒng)的外固定支架固定方法相比具有更高的安全性[8]。有限元分析法是通過相關(guān)軟件模擬無限接近于正常人體結(jié)構(gòu)的模型，且對其施加不同的載荷、邊界條件等得到所需研究對象并對其進行相應(yīng)的應(yīng)力、位移等因素分析，為臨床治療提供理論依據(jù)。本研究建立脛骨中段骨折（AO/OTA 42A2 型）不同骨折線方向（上斜、下斜）15°、25°、35°、45°的外置鎖定鋼板固定模型，通過力學分析軟件MSC.Nastran2019 軟件（NASACompany，America）得出脛骨、接骨板、螺釘?shù)膽?yīng)力分布及變化情況，旨在探討外置鎖定鋼板對固定脛骨中段斜形骨折的有效性及可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取1 名25 歲男性健康志愿者，身高173cm，體重69.5kg，自愿參加，且無創(chuàng)傷及手術(shù)病史，詳細告知患者實驗過程及目的，數(shù)據(jù)采集獲得患者理解同意，并簽署知情同意書。拍攝脛骨正側(cè)位、雙斜位、動力位X 線片，排除脛骨畸形、骨折、腫瘤、感染等疾病。本研究獲湖南省腦科醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準（倫理審批號：2016-51）。

1.2 材料

外置鎖定鋼板為8 孔鎖定鋼板（LCLP08 有限接觸型，大博醫(yī)療器械公司），鋼板長136mm、寬14mm、厚4.5mm；螺釘直徑3.0mm、長度54mm。

1.3 研究方法

CT 掃描志愿者左側(cè)脛骨圖像，將獲取的脛骨圖像保存為DICOM 文件格式。將該數(shù)據(jù)導入Mimics 21.0 軟件（Materialise Company，Belgium）進行數(shù)據(jù)提取，重建出正常完整脛骨STL 模型。然后在Geomagic Studio2014 軟件（Raindrop Company，America）中修補、降噪及曲面化，并逆向處理出正常脛骨中段在上斜15°、25°、35°、45°及下斜15°、25°、35°、45°時的骨折形態(tài)并行外置鎖定鋼板固定方式進行固定裝配處理，完成脛骨上、下斜形不同角度骨折后的外置鎖定鋼板固定的幾何實體STP 模型。將STP 文件導入Hypermesh14.0 軟件（Altair Company，America）中進行網(wǎng)格劃分，導出.BDF 格式文件，最后在 MSC.Nastran2019 軟件（NASA Company，America）中進行有限元網(wǎng)格屬性設(shè)置、材料參數(shù)定義、設(shè)置邊界條件和施加載荷，進而分析模型在不同條件下的應(yīng)力分布情況。

1.3.1 圖像獲取 應(yīng)用64 排螺旋CT 機（參數(shù)：電壓120kV，電流100mA，層厚0.625mm），志愿者采取仰臥位，自足部至膝關(guān)節(jié)上10cm 掃描雙下肢，共獲取598 層CT 圖像，將獲得的圖像以DICOM 文件格式保存。

1.3.2 建立正常脛骨三維模型 將DICOM 格式的CT 數(shù)據(jù)導入Mimics 21.0 軟件（Materialisecompany，belgium）中，首先確定二維方位，然后利用閾值分割功能確定出骨骼的區(qū)域，并區(qū)分開軟組織，利用區(qū)域限定功能，選定脛骨的范圍（冠狀、矢狀、橫切面），在每個視圖層面下刪除脛骨多余的部分、填充缺損的部分，然后進行區(qū)域增長功能，生成初步的脛骨三維模型，對其進行進一步多余、缺損的刪除和填充，將生成的正常脛骨模型導出保存為STL 文件。

1.3.3 建立外置鎖定鋼板固定的斜形骨折有限元模型 將Mimics 軟件中生成的初步脛骨三維模型以STL 文件格式導入Geomagic Studio2014 軟件中，獲得脛骨的輪廓點云圖，對其進一步打磨、刪除釘狀物、去噪、松弛，得到滿意的脛骨外形，利用Geomagic Studio 軟件中的網(wǎng)格醫(yī)生功能對處理后的模型進行檢測，確保模型沒有多余、缺損、不規(guī)則的部分，然后對模型進行精確曲面的優(yōu)化，通過探測輪廓線，編輯輪廓線，構(gòu)造曲面片，修理曲面片，構(gòu)造格柵，最后擬合曲面得到優(yōu)化后的脛骨模型。將優(yōu)化后的脛骨模型保存為STEP 文件格式。將STEP 文件格式的脛骨模型導入SolidWorks 2017 軟件中，以XY 平面為標準，以骨折線自前上向后下和骨折線自前下向后上定義為上斜和下斜。傾斜角度以水平面（XZ平面）為基準，進而逆向處理出正常脛骨中段在上斜15°、25°、35°、45°及下斜15°、25°、35°、45°時的骨折形態(tài)。按照鋼板長×寬×厚（136mm×14mm×4.5mm）、螺釘直徑3.0mm、長度54mm 的數(shù)據(jù)生成8 孔鎖定鋼板（LCLP08 有限接觸型），并按照AO 內(nèi)固定原則在接骨板上下各裝配三枚螺釘（骨折線遠近端螺釘各穿過6 層骨皮質(zhì)）的固定方式進行外置鎖定鋼板固定裝配，完成脛骨上、下斜形不同角度骨折后的外置鎖定鋼板固定的幾何實體STP 模型。

1.3.4 網(wǎng)格劃分及材料賦值 將生成的STP 模型以STP文件格式導入Hypermesh14.0軟件中進行網(wǎng)格劃分后以.BDF 格式導入MSC.Patran2019 軟件，進行網(wǎng)格屬性設(shè)置及材料參數(shù)的賦值。為簡化計算，實驗中的所有骨組織及接骨板均為均質(zhì)、各向同性的彈性材料[9]，脛骨皮質(zhì)、松質(zhì)骨及固定鋼板的彈性模量和泊松比參照相關(guān)文獻[9-10]。脛骨外固定各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 脛骨外固定各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

1.3.5 邊界條件的設(shè)立 將設(shè)置好材料屬性的固定模型在MSC.Patran2019 軟件中設(shè)置固定脛骨上端，自上而下加載695N 的力以脛骨平臺為中心，軸向加壓，受力方向自脛骨干垂直于地面。模擬人在正常站立時的靜態(tài)受力情況。

1.3.6 計算有限元應(yīng)力 設(shè)立好邊界條件后，將上述負荷加載方式輸入到MSC.Patran2019 軟件中，軟件自動生成外置鎖定鋼板在固定不同角度斜形骨折時的應(yīng)力分析圖，進而分析得到在靜態(tài)正常站立的情況下，外置鎖定鋼板固定不同角度斜形骨折時各部分的Von Mises 應(yīng)力分布情況。

1.3.7 主要觀察指標 在設(shè)立好邊界條件后，將上述負荷加載方式輸入到MSC.Patran2019 軟件中，軟件自動生成外置鎖定鋼板在固定不同角度斜形骨折時的應(yīng)力分析圖，分析得到在靜態(tài)正常站立的情況下，外置鎖定鋼板固定不同角度（15°、25°、35°、45°）斜形骨折時各部分的Von Mises 應(yīng)力分布情況及應(yīng)力的最大值及其分布區(qū)域。

2 結(jié)果

2.1 上、下斜骨折不同角度脛骨的應(yīng)力變化

在上、下斜不同角度下，隨傾斜角度增大，脛骨最大應(yīng)力值均增大，見圖1。最大應(yīng)力值分別出現(xiàn)在骨折上斜45°及下斜45°時，分別為156.3MPa 和165.8MPa。在不同傾斜角度下，脛骨應(yīng)力最大值位置主要出現(xiàn)在骨折處、頂端皮質(zhì)骨外殼區(qū)及底端皮質(zhì)骨位置，見圖2。

圖1 隨上、下斜角度增加，脛骨的最大應(yīng)力變化折線圖

圖2 上、下斜不同角度下脛骨應(yīng)力及最大應(yīng)力值的分布情況

2.2 上、下斜骨折不同角度接骨板的應(yīng)力變化

隨著上、下斜骨折角度的增大，接骨板的最大應(yīng)力值也隨之增大，見圖3，并在骨折上斜45°及下斜45°時出現(xiàn)最大應(yīng)力值，分別為 728.1MPa 和797.0MPa。接骨板應(yīng)力在不同角度時的最大值均集中在第4、第5 個板孔附近，見圖4。

圖3 隨上、下斜角度增加，接骨板的最大應(yīng)力變化折線圖

圖4 上、下斜不同角度下接骨板應(yīng)力及最大應(yīng)力值分布

2.3 上、下斜骨折不同角度螺釘?shù)膽?yīng)力變化

在上、下斜骨折不同角度下，螺釘應(yīng)力最大值同樣隨角度增大而增大，見圖5。均在上斜45°、下斜45°時出現(xiàn)最大應(yīng)力值，最大值分別為597.6MPa 和639.0MPa，且在上斜、下斜不同角度時，螺釘應(yīng)力最大值均集中分布在第3、第6 個螺釘尾部，見圖6。

圖5 隨上、下斜角度增加，螺釘?shù)膽?yīng)力最大值變化折線圖

圖6 上、下斜不同角度下螺釘應(yīng)力及最大應(yīng)力值分布

3 討論

脛骨作為下肢主要的承重骨骼之一，中下段骨折發(fā)生率高[11]。脛骨由于其解剖結(jié)構(gòu)的特殊，整個脛骨完全位于皮下，所以一旦發(fā)生骨折，尖銳的骨折端極易刺破皮膚成為開放性骨折，術(shù)后發(fā)生感染、骨折延遲愈合、畸形愈合甚至不愈合等并發(fā)癥幾率較高[12]。開放性脛骨骨折的手術(shù)治療主要以外固定支架為主[13]，對患有精神疾病的人群，由于其醫(yī)囑依從性差，常自行拆除外固定裝置，因此鎖定鋼板外置因切跡低、有著良好的穩(wěn)定性且對皮膚及軟組織的損傷小[14]、需要專用工具才能拆除的特點，對患者的日常生活影響較小，將鋼板置于骨折張力較大的外側(cè)端，在保證穩(wěn)定固定的同時也為骨折的愈合提供良好的條件，是一種可考慮用于此類患者的固定方式，但外置鎖定鋼板是否適用于所有類型脛骨中段開放性骨折的相關(guān)研究報道較少。

本文通過有限元分析的方法對外置鎖定鋼板固定脛骨中段上斜、下斜骨折不同角度時的應(yīng)力情況進行分析，結(jié)果顯示，在外置鎖定鋼板固定脛骨中段上斜及下斜15°、25°、35°、45°骨折的情況下，脛骨的應(yīng)力分布主要集中在骨折端附近及脛骨頂端和底端的皮質(zhì)骨位置，表明骨折端上下均有應(yīng)力的集中分布，對骨折端有著較好的自上而下和自下而上的加壓效果，有利于骨折愈合，為骨折端的愈合創(chuàng)造了良好的條件。而在脛骨頂端及底端的皮質(zhì)骨的應(yīng)力集中，考慮是在模擬正常人的受力情況時，由于脛骨的解剖結(jié)構(gòu)特點，上連接膝關(guān)節(jié)，下連接踝關(guān)節(jié)而導致的應(yīng)力分布集中。

無論上斜、下斜兩種方向的斜形骨折，應(yīng)力最大值均接骨板>螺釘>脛骨。在接骨板位置固定的情況下，接骨板、螺釘最大應(yīng)力值均下斜骨折>上斜骨折。在不同角度的上斜、下斜骨折時，接骨板的應(yīng)力集中分布在第4、5 個板孔的位置，與脛骨骨折端的位置是相對應(yīng)的，同時螺釘?shù)膽?yīng)力也集中在第3 和第6 顆螺釘尾部的位置，脛骨、接骨板、螺釘?shù)膽?yīng)力均圍繞骨折線及其周圍的區(qū)域分布，且最大應(yīng)力值均隨上斜、下斜角度的增加而增加。當斜形角度增加時，骨折的穩(wěn)定性越來越低，證明本實驗建立的模型是可行的。

對接骨板的最大應(yīng)力值而言，在上斜骨折四個角度（15°、25°、35°、45°）及下斜骨折三個角度（15°、25°、35°）時，其最大應(yīng)力值均小于鈦合金的屈服強度795.0MPa[15]。然而在下斜骨折角度達到45°時，接骨板上出現(xiàn)797.0MPa 的最大應(yīng)力值，超過鈦合金的屈服強度，將導致接骨板的不穩(wěn)定，甚至破損、斷裂。在上斜45°時，接骨板上728.1MPa 的最大應(yīng)力值也十分接近鈦合金的屈服強度值，這樣外固定裝置的穩(wěn)定性便得不到保證，骨折的愈合無法保障。

螺釘?shù)膽?yīng)力集中在螺釘尾部的位置，這也是螺釘與接骨板相連接的位置，脛骨受到的壓力向外部固定裝置傳導時，螺釘作為接骨板與脛骨相連的中間樞紐，應(yīng)力便會分布在螺釘與接骨板相接的位置[16]，即螺釘尾部。對上斜、下斜45°以下的小角度脛骨中段斜形骨折，外置鎖定鋼板各部分均能保證有效穩(wěn)定的固定，且接骨板、螺釘所承受最大應(yīng)力值均在安全強度范圍之內(nèi)，給骨折帶來良好的愈合條件。且其強度高、穩(wěn)定性好、對皮膚損害低及拆除需要專業(yè)工具，能有效提高精神障礙患者在骨折術(shù)后的耐受性和防止患者自行拆除外固定裝置。在骨折斜形角度≥45°時，接骨板不能保證有效固定，或許可通過改變接骨板的材質(zhì)，采用更大強度的接骨板材料，進而達到穩(wěn)定固定。

綜上所述，在使用外置鎖定鋼板固定脛骨中段斜形骨折時，適用于上斜或下斜45°以下的小角度斜形骨折，在斜形角度大于或等于45°時，接骨板的受力略大于或接近于鈦合金的屈服力。因此，對脛骨中段斜形骨折，外置鎖定鋼板在固定小角度（45°以下）的斜形骨折具有一定可行性，但在超過或等于45°角的斜形骨折時，接骨板應(yīng)力過大，接骨板的穩(wěn)定性得不到保障。