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?jiān)茟c,張文,孫惠清,姜雪峰,楊惠光

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬江陰醫(yī)院骨科,江蘇江陰 214400;2.蘇州大學(xué)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(fù)雜的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折,多為粉碎性,并發(fā)癥發(fā)生率高,治療極具挑戰(zhàn)性[1]。對(duì)此骨折盡可能接近解剖復(fù)位,并給予穩(wěn)定有效的固定,以早期進(jìn)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(shù)已形成共識(shí),但目前雙鋼板固定技術(shù)有垂直固定和平行固定,即在內(nèi)、外側(cè)柱上各置入一枚堅(jiān)強(qiáng)的鋼板,兩枚鋼板之間的方向?yàn)?0°或180°。對(duì)于兩種固定方式何者最優(yōu)仍具爭(zhēng)議。前瞻性隨機(jī)對(duì)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(shù)比垂直鋼板固定技術(shù)有更好的力學(xué)性能[3,4];亦有研究比較平行鋼板和垂直鋼板的固定強(qiáng)度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者在各個(gè)方向的固定強(qiáng)度沒有差別[5]。現(xiàn)有的研究未考慮不同的骨折形態(tài),其結(jié)果也就缺乏臨床指導(dǎo)價(jià)值。本研究擬通過有限元分析平行鋼板固定技術(shù)和垂直鋼板固定技術(shù)對(duì)不同類型的肱骨髁間骨折的生物力學(xué)影響,為臨床選擇提供依據(jù)。

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(guān)節(jié)疾患后采用 64排螺旋 CT對(duì)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描,掃描層厚 1mm。將CT掃描所得的圖像數(shù)據(jù)以 DICOM3.0格式導(dǎo)入Mimics10.01軟件,將二維數(shù)據(jù)重建為體數(shù)據(jù)。利用閾值分割和區(qū)域增長(zhǎng)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(wǎng)格優(yōu)化器進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化,利用優(yōu)化的面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。點(diǎn)擊materials按鈕后,對(duì)體網(wǎng)格賦材質(zhì)。根據(jù)以往文獻(xiàn)[7]對(duì)肱骨遠(yuǎn)端的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、鈦合金分別定義材料屬性:a)皮質(zhì)骨:彈性模量 13400M Pa,泊松比 0.3。b)松質(zhì)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(dǎo)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(shè)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(chuàng)建骨折模型(Mehen-Matta分型:高 T型、低 T型、H型、Y型、內(nèi)側(cè)λ型和外側(cè)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(dǎo)入到Mimics軟件中,模擬臨床手術(shù)方法對(duì)鋼板和螺釘進(jìn)行組裝,再與骨折模型進(jìn)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(dǎo)入ansys中,利用耦合約束方程,將鋼板螺釘與骨折模型進(jìn)行耦合處理 ,模擬固定術(shù)后,見圖1。

圖1 六種骨折模型分別模擬進(jìn)行平行鋼板固定和垂直鋼板固定術(shù)后

1.2 設(shè)定邊界條件和載荷 對(duì)耦合后的有限元模型設(shè)定邊界條件為肱骨近端固定。根據(jù)肱骨遠(yuǎn)端的解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn),參照 Schuster等[8]的方法將施加于肱骨遠(yuǎn)端的軸向壓力的60%分配在肱骨滑車處(相當(dāng)于肱尺關(guān)節(jié)),40%分配在肱骨小頭處(相當(dāng)于肱橈關(guān)節(jié))。在肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)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(yīng)力情況。

1.3 分析并得出結(jié)果,查看分析后的位移和應(yīng)力

2 結(jié) 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(cè)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(shì)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(nèi)固定上的最大von Mises應(yīng)力 各模型加載后內(nèi)固定上的最大 von Mises應(yīng)力見表2及圖3。 Von Mises應(yīng)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?shù)墓钦蹟嗝嫠健Ｔ诔齓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(yīng)力值更小,應(yīng)力分布相對(duì)均勻。

3 討 論

對(duì)肱骨髁間骨折雙鋼板固定的平行技術(shù)和垂直技術(shù),先后有多個(gè)研究對(duì)其進(jìn)行比較,但最終沒有得出一致意見[3,9,10,11]。Stoffel等[3]認(rèn)為這是由于采用骨骼標(biāo)本時(shí)骨質(zhì)可能存在差別,選用的鋼板也很不一致,因此很難得出準(zhǔn)確結(jié)論。但既往的研究均未考慮骨折的類型。肱骨遠(yuǎn)端的特殊解剖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致肱骨髁間骨折的復(fù)雜。不同的損傷機(jī)理及暴力大小產(chǎn)生不同的骨折類型。在本研究中,我們采用有限元分析對(duì)肱骨髁間骨折不同的骨折類型分別進(jìn)行了平行鋼板固定和垂直鋼板固定時(shí)生物力學(xué)特性的測(cè)試。本研究選用Mehen-Matta分型,根據(jù)骨折線行徑位置將骨折分為高 T型、低 T型、H型、Y型、內(nèi)側(cè)λ型和外側(cè)λ型。此分型能較好的描述骨折的形態(tài),評(píng)價(jià)骨折線位置及骨折粉碎程度,在指導(dǎo)治療方面很有幫助,臨床上較為常用。本研究結(jié)果顯示,相同的固定方式對(duì)于不同的骨折類型其穩(wěn)定性是不同的,內(nèi)固定的應(yīng)力分布亦不同。

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

表2 軸向載荷 300N時(shí)各型骨折行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時(shí)的最大von Mises應(yīng)力(×107Pa)

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

圖3 軸向載荷300 N時(shí)各型骨折模型行平行鋼板固定和垂直鋼板固定時(shí)內(nèi)固定上的von Mises應(yīng)力分布

我們?cè)诓捎?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(tǒng)和垂直鋼板固定系統(tǒng)。有限元分析的數(shù)值表明,所有骨折內(nèi)固定模型的最大位移均是小位移,結(jié)果與臨床實(shí)際情況符合。同時(shí)也說明對(duì)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(dá)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(shí)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(wěn)定性。 Zalavras等[11]采用尸體骨肱骨髁間骨折模型,對(duì)比垂直鋼板和平行鋼板(均應(yīng)用非鎖定螺釘 )的固定強(qiáng)度,結(jié)果平行鋼板固定強(qiáng)度明顯優(yōu)于垂直鋼板,測(cè)試過程中垂直鋼板的后外側(cè)鋼板均出現(xiàn)螺釘松動(dòng),而在平行鋼板則均未出現(xiàn)。本研究中各模型加載后的最大位移均位于肱骨外側(cè)髁,這與蔡浩等[12]的研究結(jié)果相同。

良好的內(nèi)固定應(yīng)該使植入物的應(yīng)力盡可能均勻分布,平均應(yīng)力水平與應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力值應(yīng)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(yīng)力值更小,應(yīng)力分布相對(duì)均勻。也就是說單從植入物應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行有限元建模,該模型對(duì)肱骨遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬,使模擬結(jié)果與真實(shí)情況進(jìn)一步逼近,但由于無法完全模擬骨骼生理狀態(tài)下的復(fù)雜受力環(huán)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(shí)情況仍存在一定誤差。我們沒有在研究時(shí)考慮老年患者的骨質(zhì)疏松性骨折。對(duì)于骨質(zhì)疏松性骨折 ,Papini等[13]建議在進(jìn)行有限元建模時(shí)通過降低材料屬性的彈性模量來實(shí)現(xiàn)。我們沒有做到這一點(diǎn),因?yàn)槲覀冄芯康闹攸c(diǎn)是固定方法,而不是骨質(zhì)量。最后,我們盡管是采用鎖定鋼板,但為簡(jiǎn)化計(jì)算,未考慮螺釘拔出效應(yīng)。

綜上所述,對(duì)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(wěn)定性。而對(duì)于高 T型、Y型、內(nèi)側(cè)λ型和外側(cè)λ型肱骨髁間骨折,兩種固定系統(tǒng)均是可行的。盡管平行鋼板固定時(shí)植入物上的von Mises應(yīng)力集中相對(duì)較低,但基于解剖學(xué)上的特點(diǎn),在外側(cè)柱的骨嵴上放置平行鋼板常常比較困難,技術(shù)要求較高,故對(duì)于高 T型、Y型、內(nèi)側(cè)λ型和外側(cè)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(jìn)一步的研究和長(zhǎng)期的臨床隨訪來證實(shí)該結(jié)果。本研究為今后使用有限元方法針對(duì)不同骨折的個(gè)性選用不同的內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行了嘗試。

[1] Nauth A,McKee M D,RistevskiB,et al.Distal humeral fractures in adults[J].J Bone Joint Surg(Am),2011,93(7):686-700.

[2] Shin SJ,Sohn HS,Do N H.A clinical comparison of two different double plating methods for intraarticular distal humerus fractures[J].J Shoulder Elbow Surg,2010,19(1):2-9.

[3] Stoffel K,Cunneen S,Morgan R,et al.Comparative stability of perpendicular versus parallel doublelocking plating systems in osteoporotic comminuted distal humerus fractures[J].J Orthop Res,2008,26(6):778-784.

[4] Arnander MW,ReevesA,MacLeod IA,et al.A biomechanical comparison of plate configuration in distal humerus fractures[J].JOrthop Trauma,2008,22(5):332-336.

[5] Schwartz A,Oka R,Odell T,et al.Biomechanical comparison of two different periarticular plating systems for stabilization of complex distal humerus fractures[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2006,21(9):950-955.

[6] 王亞斌,周小建,任亞軍,等.肱骨遠(yuǎn)端三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析[J].中國(guó)組織工程與臨床康復(fù)雜志,2011,15(22):4002-4005.

[7] 何仿 ,李蘇皖,林昊 ,等.間接暴力所致肱骨骨折機(jī)制的三維有限元模擬[J].中國(guó)矯形外科雜志,2008,16(8):613-616.

[8] Schuster I,Korner J,Arzdorf M,et al.Mechanical comparison in cadaver specimens of three different 90-degree double-plate osteosyntheses for simulated C2-type distal humerus fractures with varying bone densities[J].J Orthop Trauma,2008,22(2):113-120.

[9] Penzkofer R,Hungerer S,Wipf F,et al.Anatomical plate configuration affects mechanical performance in distal humerus fractures[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2010,25(10):972-978.

[10] Windolf M,Maza ER,Gueorguiev B,et al.Treatment of distal humeral fractures using conventional implants.Biomechanical evaluation of a new implant configuration[J].BMC Musculoskelet Disord,2010,11(4):172.

[11] Zalavras CG,Vercillo M T, Jun BJ,et al.Biomechanical evaluation of parallel versus orthogonal plate fixation of intra-articular distal humerus fractures[J].J Shoulder Elbow Surg,2011,20(1):12-20.

[12] 蔡浩,倪曉暉,董萼良,等.雙鋼板治療肱骨髁間骨折3種內(nèi)固定方式的載荷-應(yīng)變與位移 [J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2011,15(26):4931-4935.

[13] Papini M,Zdero R,Schemitsch EH,et al.The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading:comparison of finite element analysis,human cadaveric femurs,and synthetic femurs[J].J Biomech Eng,2007,129(1):12-19.