不同進針角度張力帶對髕骨C1型骨折治療的有限元分析

王明波，呂慧成，張沛，郭軍，賈海生

(內蒙古醫科大學第二附屬醫院骨科，內蒙古 呼和浩特 010030)

髕骨骨折是四肢骨折中相對常見的骨折之一，在全身骨折中占比1%～2%[1-2]。髕骨骨折治療中最為常見的是應用張力帶內固定，張力帶內固定髕骨骨折有固定牢固、可以早期功能鍛煉等優點。目前常用的髕骨骨折內固定有AO張力帶、“8”字形張力帶、Cable-Pin張力帶、記憶合金聚髕器、環形外固定器、經皮髕骨接骨內固定系統等。大部分研究主要為不同手術方法對髕骨骨折療效的分析[3-6]，髕骨張力帶的別針進針角度對骨折預后方面研究較少。我們利用現代多種軟件對髕骨C1型骨折“8”字形張力帶內固定效果(別針平行進針及成角度進針)進行模擬重建，成功建立三維有限元模型，并對這兩種角度的內固定進行位移、應力、接觸等方面的分析，現報告如下。

1 對象與方法

1.1 對象及相關材料 成年男性健康志愿者1例，25歲，身高176 cm，體量70 kg，無髕骨發育異常，無髕骨骨折病史，無膝部手術史，經X線檢查排除髕骨疾病。志愿者對本次研究過程及可能發生不良結果知情同意，且得到醫院倫理道德委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 CT文件的處理 成年男性志愿者平臥，使用16層螺旋CT掃描機對該志愿者自小腿中段至大腿中段進行薄層掃描，間距1.25 mm，共獲得512層斷層掃描圖像。利用CT掃描的膝關節圖像以Dicom格式輸入三維重建軟件Mimics中，調整適合的灰度，得到清晰的髕骨骨骼輪廓，對其進行Mask蒙皮處理后以STL格式文件導出。

1.2.2 三維實體重建 將STL文件讀入Geomagic軟件進行重建。對三維模型進行分割、光滑、打磨、去噪等相關的圖像處理，進入多邊形處理階段，然后對模型進行曲面片分布操作，最后封裝曲面實體化，生成三維圖形IGES文件格式。

1.2.3 工況建模 利用Solidworks進行三維實體建模，取髕骨橫軸分成四等分，縱軸三等分，取外、內1/4，前1/3處作為平行別針固定軸；取外、內1/4，前1/3處及外、內1/4，前1/2處作為交叉別針固定軸。利用掃描功能生成2根別針，直徑2.0 mm，根據“8”字形張力帶中鈦纜的捆扎方式分別繪出鈦纜曲線，利用掃描混合生成“8”字形張力帶捆扎鈦纜，鈦纜直徑1.8mm，完成針和張力帶的建模與裝配，再導入workbench進行布爾運算以及骨折面的切割。

1.2.4 網格劃分 將組配完善的髕骨實體模型導入Ansys Workbench進行布爾運算，設置材料參數、接觸方式等，然后進行網格劃分，單元為Solid 187實體單元，交叉進針單元數309 028，節點數453 868，平行進針單元數307 759，節點數442 782。

1.2.5 楊氏模量及泊松比 各部件材料的楊氏模量及泊松比參數列表如下(見表1)。

表1 各組成部分的楊氏模量及泊松比

1.2.6 接觸設置 各部件之間根據實際情況進行接觸設置如下：金屬之間設置摩擦系數0.1，骨折面之間摩擦系數0.3，金屬與髕骨之間設置摩擦系數0.3。

1.2.7 施加荷載與約束固定 髕骨上方和下方韌帶附著的區域，在髕骨骨折塊上關節面施加正向壓力600 N，模擬屈膝90°時髕骨受力的情況。

2 結 果

兩種張力帶鈦纜在相同邊界條件和荷載下，交叉進針較平行進針髕骨最大位移多0.015 4 mm、張力帶最大位移多0.615 7 mm、別針最大位移多0.070 37 mm。張力帶和針的Von Mises等效應力。交叉進針較平行進針張力帶承受最大應力多50.694 MPa，別針承受最大應力增加38.44 MPa。平行進針較交叉進針骨折面接觸最大壓力高2.100 6 MPa，骨折面最大滑動距離少0.028 271 mm(見圖1～4)。

本研究結果顯示，a)不同角度別針的位移：髕骨骨折塊在應力后，張力帶別針平行置入位移比張力帶別針成角度置入要小；b)骨折面壓力：髕骨骨折面應力均以下位移為主，張力帶有明顯的對抗股四頭肌的向上拉應力作用，張力帶平行的時候骨折面壓力峰值大于成角度入針的情況；c)骨折面的相對滑動距離：張力帶別針平行置入時滑動距離小于成角度置入；d)髕骨張力帶別針平行進針優于成角度進針。

a 交叉進針 b 平行進針 a 交叉進針 b 平行進針

a 交叉進針 b 平行進針

a 交叉進針 b 平行進針

3 討 論

有限元分析是一種結構分析的數值計算方法，是將所研究目標物的外形、材料組成等特性用實用數學的方式表現出來，有限元分析方法目前已經廣泛用于生物醫學、生物材料學等領域。有限元分析方法能夠將目前體外力學實驗的相關問題簡單化，可以將所研究目標的幾何形狀、材料性能、邊界條件和載荷等特性用數學形式進行概括，并建立有限元模型[7]。有限元模型目前是研究內固定器械應力分布的常用工具，尤其是在研究臨床手術技術因素對器械應力應變分布影響的方面具有其獨特的優勢[8]。

與傳統的體外力學研究相比，它有以下優勢：a)可模擬目標研究物的結構與材料的特性；b)既可以反映研究物區域性的信息，又可以反映全域性的信息，如張力別針治療髕骨骨折能反應骨折塊、內部不同角度克氏針的位移、骨折面間壓力等的變化；c)既可以進行研究物的數學模擬分析，又可以進行定性研究；d)分析研究可重復性較高；e)能夠克服傳統方法對研究物各種條件設定的限制，得到體外實體生物力學實驗法無法得到的研究結果[9-13]。由于以上優勢，利用有限元方法對骨科臨床科研方面應用范圍較廣，但大多集中在生物材料學研究，有關髕骨C1型骨折內固定別針方向對骨折愈合影響方面的研究較少[14-17]，主要因為有限元方法對構建有兩個難點：一是鈦纜張力帶是貼附在髕骨前表面；二是鈦纜張力帶與別針接觸的四端，不僅要與髕骨前表面貼服，而且還要與別針相貼服，進行局部設置分析時困難，從而對髕骨骨折張力帶固定方面的研究產生較大影響[18-19]。

我們根據Solidworks軟件的強大建模功能，對髕骨C1型骨折及張力帶別針內固定手術進行模擬，并將之導入ANSYS，建立髕骨C1型骨折張力帶內固定三維有限元模型，并模擬屈膝90°進行應力分析。利用Ansys Workbench軟件的輔助功能分析不同進針角度別針張力帶在相同應力加載后的位移變化，得出對于髕骨C1型骨折，平行進針張力帶要優于成角度進針張力帶內固定的結論。同時揭示了張力帶中別針的位移要大于鈦纜位移的特點，突出了內固定中別針所起到的彈性固定作用。本研究首先對自愿者膝關節的薄層螺旋CT掃描圖片，經Mimics 20.0軟件的提取，Geomagic 2012軟件的去噪、封裝、光滑化，重建的髕骨幾何體可以反映出正常男性髕骨的結構及各方面細節。在構建別針時，別針的位置根據臨床實踐及經驗，取外、內1/4，前1/3處作為別針的放置軸，與臨床治療實際情況較符。

在髕骨建立有限元模型時，為了后期進行計算時盡量和實際情況相符，我們將單元進行較為詳細的劃分，尤其是對鈦纜張力帶的處理，選用了Solid187單元，Solid187實體單元是帶中間節點的四面體單元，尤其是對形狀不規則的物體時可以保證精確計算。Solid 187具有協調的位移函數并且能模擬邊界曲線，其塑性、蠕變等能力也較前者強大。構建的平行進針鈦纜張力帶總節點數：442 782，總單元數：307 759；成角度進針鈦纜張力帶總節點數：453 868，總單元數：309 028。考慮到髕骨、鈦纜、別針形態不規則，別針與骨折塊、別針與鈦纜張力帶、鈦纜張力帶與髕骨前表面、鈦纜自身等接觸較為復雜，利用Ansys Workbench的布爾運算功能，分別建立了髕骨C1型骨折斷端的骨皮質和骨松質、別針和鈦纜的模型。

髕骨在下肢活動中能夠將股四頭肌的力量傳遞至髕韌帶，并在膝關節伸直運動時起到杠桿支點的作用[20]。因此從生物力學方面考慮，髕骨的作用較為重要。髕骨骨折目前的治療方法首選手術內固定[21-22]。有研究顯示，張力帶在對抗股四頭肌的拉應力及膝關節屈曲應力時，能將作用于骨折端應力轉化成骨折端間壓力，從而使內固定不容易失效，并對斷端骨折愈合起到積極作用[23-25]。克氏針鈦纜張力帶內固定是治療髕骨骨折最常見的治療方式，在克氏針對抗壓力的同時鈦纜還具有內聚加壓作用[26-27]。

本研究通過建立髕骨C1型骨折鈦纜張力帶內固定有限元模型，能夠了解髕骨C1型骨折內固定術后骨折面、別針、鈦纜的變形及位移情況。結果顯示，髕骨骨折塊在屈膝90°上，關節面與股骨內外髁接觸區域施加正向壓力600 N，髕骨骨折塊在應力后向下移位的絕對值從骨折中心到周圍位移均逐漸減少，因此張力帶骨折端及中心壓作用與前期學者報道一致[28-29]。張力帶別針平行置入位移比張力帶別針成角度置入要小，可以保證髕骨骨折復位能夠良好地對位，張力帶有明顯的對抗股四頭肌的向上拉應力作用[30]。張力帶平行的時候骨折面壓力峰值大于成角度入針的情況，且張力帶別針平行置入時滑動距離小于成角度置入；與其比較，平行進針張力帶穩定性更佳，使用該種內固定治療髕骨C1型骨折后具有牢固的固定及斷端加壓作用，可以有效促進骨折愈合及術后早期功能鍛煉。

本模型所研究的髕骨C1型骨折的骨折接觸面、內植物、內植物與髕骨接觸等的構建較復雜，進行相關接觸面、內植物位移等方面有限元分析費時較長。但在髕骨的三維構建、骨折類型、內固定方式等有限元設置時盡量與臨床實際相一致，可保證我們建立模型的可靠性，并針對髕骨體積較小、外形相對不規則的特點，精細劃分單元，可以使后期通過有限元分析此模型的結果相對準確。因此，我們建立的髕骨C1型骨折及不同進針角度模型可應用于髕骨骨折內固定術后的比較分析，為下一步的臨床治療及研發相關手術器械提供相關基礎和借鑒。