帶鎖髓內釘與鎖定加壓接骨板固定脛骨近端骨折的有限元分析

周星衡，王永清，*，董黎敏，葉金鐸，張慶杰，吳澤海

(1.天津理工大學機械工程學院，天津 300384；2.天津市第四中心醫(yī)院骨科，天津 300140)

臨床研究

帶鎖髓內釘與鎖定加壓接骨板固定脛骨近端骨折的有限元分析

周星衡1，王永清1，2*，董黎敏1，葉金鐸1，張慶杰2，吳澤海1

(1.天津理工大學機械工程學院，天津 300384；2.天津市第四中心醫(yī)院骨科，天津 300140)

目的評估帶鎖髓內釘(interlocking intramedullary nail，IIN)與鎖定加壓接骨板(locking compression plate，LCP)固定脛骨近端骨折的生物力學穩(wěn)定性，為臨床治療方案的選擇提供指導。方法按脛骨近端不同位置模擬骨折將其分成A、B、C三組，使用兩種不同內固定物分別對骨折模型進行固定并用有限元法分析脛骨骨折模型及內固定物在500N軸向壓縮載荷下的位移和等效應力及分布情況。結果3組模型中使用IIN固定的脛骨骨折模型及脛骨的最大軸向位移均比使用LCP的??；IIN及其固定的脛骨最大等效應力值均比LCP及固定的脛骨的小。且IIN應力分布較均勻，LCP應力集中在骨板與鎖定連接處。結論IIN抗壓縮能力強且固定堅強可靠，應力分布較均勻，抗疲勞性好，其固定脛骨近端骨折穩(wěn)定性優(yōu)于LCP。

帶鎖髓內釘；鎖定加壓接骨板；脛骨近端；有限元分析

1 資料與方法

1.1 模型建立 選取1名健康成年男性志愿者，經X線片排除脛骨損傷、腫瘤、畸形等病變。螺旋CT掃描檢查右側脛骨，掃描層厚0.75 mm，管電壓120 kV，管電流100 mA，得到二維的連續(xù)橫斷面以及矢截面CT圖像431層，數據以DICOM格式保存。將CT掃描數據導入到Mimics軟件中，確定圖像的二維空間方位。不同組織部分具有相應的灰度值，CT斷層圖像中骨骼的閾值在226～2 311之間，通過閾值設定功能可將脛骨與其周圍的軟組織部分區(qū)分出來。運用Mimics軟件的區(qū)域增長功能分割骨組織并填充其中的空洞，通過三維計算功能構建出脛骨結構的三維雛形，并將其保存為STL格式文件。將已保存的數據再導入逆向軟件Geomagic Studio構建幾何模型的空間拓撲關系。通過對模型曲面局部特征的修補，并將模型簡化處理，對模型的數據進行分割以構造柵格網，并完成曲面擬合。將合成的非均勻有理B樣條曲線，生成NURBS曲面，并構建曲面片，最終獲得脛骨的三維實體模型。

根據脛骨IIN和LCP及鎖釘的設計參數，運用Pro/E分別建立其三維實體模型，并分別與脛骨模型裝配，得到兩種不同內固定物固定的骨折模型。將裝配好的模型導入ANSYS 12.0，并分別將該模型在脛骨平臺下4 cm、6 cm、8 cm三處進行切割，切割厚度為1 mm，以模擬脛骨近端不同位置的骨折。將切割好的模型按切割位置分成A、B、C三組，見圖1。

1.2 模型屬性定義 假設研究中脛骨、髓內釘、接骨板及鎖釘等的材料屬性均為連續(xù)的、均質的、各向同性的線彈性材料。依據Miyoshi等[5]的實驗研究，分別對模型各個部分賦予材料屬性參數(見表1)。根據模型固定的實際情況，將髓內釘、接骨板及鎖釘與皮質骨之間的接觸關系定義為綁定連接，其他接觸關系均定義為無摩擦的硬接觸。研究遵循精細與經濟兼顧的原則，采用智能網格劃分的方式對3組實體模型進行網格劃分，并對模型接觸處進行局部細化，所有單元類型均為二次四面體單元solid45。

表1 模型的材料參數和單元類型

1.3 邊界條件及加載 首先按照正常站立狀態(tài)下人體脛骨的解剖形態(tài)調整脛骨模型的位置，然后選取脛骨三維有限元模型遠端面上的全部節(jié)點，將所選節(jié)點的六個自由度全部約束為零，作為脛骨模型的約束邊界條件。人在正常活動時，人體脛骨平臺承受的力約占人體重量的85.6%[6]。按正常人體重60 kg計算，則脛骨平臺承受的作用力F=60 kg×9.8 N×85.6%，為503.33 N。模型中載荷取整計算，即為500 N。分別對3組不同模型施加500 N的軸向壓縮載荷，模擬人正?；顒訒r脛骨平臺的受力情況。研究中忽略韌帶、肌肉以及其他軟組織對脛骨受力的影響。研究主要分析在軸向壓縮載荷作用下骨折固定模型及內固定物的軸向位移和等效應力及分布情況。

2 結 果

2.1 模型的軸向位移 三組模型中使用IIN固定模型及脛骨的最大軸向位移均比使用LCP固定的模型及脛骨的軸向位移要小，而使用同種內固定物的模型及脛骨的最大軸向位移基本一致。具體參數見圖2～3。

圖2 三組骨折固定模型的最大軸向位移 圖3 三組固定模型中脛骨的最大軸向位移

圖4 兩種不同固定模型中脛骨的最大等效應力值 圖5 兩種不同內固定物的最大等效應力值

2.2 模型的等效應力及分布 3組模型中脛骨的應力基本一致，具體見圖4，其應力集中出現在脛骨下段1/3處。3組模型中內固定物的最大等效應力值均是IIN的比LCP的小，具體見圖5。IIN的應力集中在骨折縫隙處的髓內釘上，LCP的應力集中在骨板與鎖釘連接處，見圖6。

3 討 論

3.1 有限元法研究的有效性 力學性能的優(yōu)劣往往決定了醫(yī)療器械的臨床應用價值的大小[7]，因此對內固定物的力學性能進行研究分析是非常有必要的。查閱文獻可知，以往有大量體外實驗對內固定的生物力學性能進行分析，由于其研究缺乏生物學變化，且實驗取材困難費用高，其應用受到限制。而有限元法是一個較為理想的方法，采用數值模擬體內的真實環(huán)境，同時避免了體外實驗因個體差異而造成的影響，且在持續(xù)研究中可重復使用。它能夠真實、準確、客觀地反映出各種不同受力情況下的應力分布規(guī)律，已在骨科研究中得到廣泛應用。本研究建立了脛骨骨折固定的有限元模型并模擬脛骨受力進行加載。該模型與實體解剖形態(tài)相似度很高，且有限元分析結果與馮衛(wèi)[8]和Florian等[1]體外研究結果是一致的，驗證了本研究的有效性和可靠性。

3.2 分析結果討論 一個好的內固定物應該能使骨折固定可靠并有效地恢復肢體正常的功能，防止其他并發(fā)癥的發(fā)生。從研究結果顯示，兩種內固定均能很好的完成骨折的固定，然而從其位移程度來看效果也是不一樣的。骨折模型的最大軸向位移均是使用IIN的比使用LCP的小，而同種方式固定模型的最大軸向位移相差很小。其中A、B、C3組模型中，而使用LCP模型的最大軸向位移分別是2.826 mm，2.883 mm和2.932 mm；使用IIN固定的最大軸向位移分別是2.150 mm，2.214 mm和2.241 mm，與前者相比分別降低了31.44%，30.22%和30.83%。本研究結果與馮衛(wèi)等[8]體外實驗結果是一致的。結果說明IIN固定骨折具有好的抗壓縮能力，固定堅強可靠，相對而言更不容易使脛骨發(fā)生短縮等并發(fā)癥。

a A組中兩種不同內固定物的等效應力云圖

b B組中兩種不同內固定物的等效應力云圖

c C組中兩種不同內固定物的等效應力云圖

不同的內固定物其受力方式也是不相同的。IIN為中央型內夾板式固定，髓內釘承受較大的剪切力，故其應力主要集中在髓內釘上；而LCP為偏心固定，其剪切力主要由固定骨板與骨的鎖釘來承擔，因而鎖釘上應力集中，這與本研究的結果十分吻合。應力分布是衡量該器械性能優(yōu)劣的一個重要標準，理想內固定物的應力應是均勻的分布在該器械上，而不是過度集中在某一具體部位[9]。從本研究結果來看，IIN裝置的應力分布較均勻，而LCP裝置應力集中在鎖釘上。3組模型中內固定物的最大等效應力均是IIN的小。其中A、B、C3組LCP的最大等效應力值分別為26.6 Mpa，30.5 Mpa，49.3 Mpa；而IIN的最大等效應力值分別為22.8 Mpa，26.8 Mpa，26.6 Mpa，與前者相比分別降低了14.18%，13.81%，85.34%。臨床上內固定物發(fā)生斷裂大多是應力集中引起的疲勞破壞，由結果可知LCP固定更容易發(fā)生鎖釘斷裂。3組模型中脛骨的應力分布基本相似且均能夠滿足其屈服強度，其中A組脛骨的最大等應力值為使用IIN的比使用LCP的大，B、C兩組中均是使用IIN的小。本研究結果與Florian等[1]體外力學實驗結果基本相似，驗證了本次研究的有效性，體現了對骨折固定IIN具有更好的穩(wěn)定性，不易發(fā)生固定失效。

3.3 不足之處及后續(xù)待完善的內容 本研究建立了IIN和LCP固定的脛骨近端不同位置骨折模型并模擬其受力，分析了這兩種內固定物固定時的位移和應力分布情況并對其固定效果有了初步評估。由于研究中對模型簡化處理，只考慮軸向壓縮載荷，尚未分析其他載荷時的情況。而骨折固定后的實際受力情況會受到肌肉及韌帶等軟組織的影響，往往是多種載荷的疊加[10]。且研究假設骨折斷端處不傳導力以消除不同橫斷面?zhèn)鲗ё儺愝d荷的影響，這可能與實際情況不符。盡管存在上述不足，但由有限元分析的結果與其他體外實驗結果對比可知，分析結果依然有效。在臨床實踐中，骨的解剖形態(tài)與骨折類型具有高度的復雜性，下一階段研究中將逐步完善分析中的不足，根據脛骨近端骨折分型建立較復雜的骨折模型，并對其進行有限元分析。

[1]Florian Hgel，Stefanie Hoffmann，Stefanie Panzer，etal.Biomechanical comparison of intramedullar versus extramedullar stabilization of intra-articular tibial plateau fractures [J].Arch Orthop Trauma Surg，2013，133：59-64.

[2]姜銳，羅從風，曾炳芳.脛骨近端骨折手術治療[J].國際骨科學雜志，2006，27(4)：211-213.

[3]Burdin G.Arthroscopic management of tibial plateau fractures：surgical technique [J].Orthop Traumatol Surg Res，2013，99：208-218.

[4]曾炳芳，羅從風.重視脛骨近端骨折的治療[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2004，6(3)：241-243.

[5]Miyoshi S，Takahshi T，Ohtani M，etal.Analysis of the shape of the tibial tray in total knee arthroplasty using a three dimension finite element model [J].Clin Biomech，2002，17(7)：521-525.

[6]Ko CC，Chu CS，Chung KH，etal.Effects of post on dentin stress distribution in purples teeth[J].Prosthet DENT，1992，68：42133.

[7]歐陽鈞.骨科生物力學技術的發(fā)展及應用[J].解剖學雜志，2011，34(6)：733-735.

[8]馮衛(wèi)，劉建國，裴福興.帶鎖髓內釘在脛骨近端骨折的生物力學研究及臨床應用[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2005，24(6)：728-732.

[9]劉立峰，蔡錦方，梁進.跟骨骨折內固定方法的有限元模擬比較[J].中國矯形外科雜志，2003，11(8)：557-558.

[10]王一民，黃愛軍，黃醒中，等.跟骨Bhler角改變對跟骨應力影響的有限元分析[J].實用骨科雜志，2013，19(5)：422-424.

FiniteElementAnalysisofProximalTibialFracturesFixationwithInterlockingIntramedullaryNailandLockingCompressionPlate

ZHOU Xing-heng1，WANG Yong-qing1，2，DONG Li-min1，etal

(1.Mechamical Eugineer Department，Tianjing University of Science and Technology，Tianjing 300384，China；2.Department of Orthopaedics 4th Hospital of Tianjing，Tianjing 300140，China)

ObjectiveTo evaluate the biomechanical stability of proximal tibial fractures fixation using Interlocking Intramedullary Nail(IIN)and Locking Compression Plate(LCP)，and to provide guidance for the choices of clinical treatment schemes.MethodsSimulate fracture types were divided into three groups respectively A，B and C according to the different locations of the proximal tibia.Fracture models were fixed respectively using two different internal fixators.Displacement，equivalent stress and stress distribution were analyzed under axial compression load of 500N of tibial fracture models and internal fixators.ResultsThe maximum axial displacement of tibial fracture models fixed by IIN and tibia was smaller than that of tibial fracture models fixed by LCP.The stress distribution on IIN was relative uniform，and stress concentrates in the connection between bone plate and locking screws of LCP.ConclusionIIN′s anti-compression capability is strong，fixation is stable and reliable，stress distribution is relative uniform，and fatigue resistance is high.The stability of proximal tibial fractures fixation with IIN is superior to LCP.

interlocking intramedullary nail；locking compression plate；proximal tibia；finite element analysis

1008-5572(2014)11-0995-04

R683.42

：A

天津市衛(wèi)生局科研項目(09ky08)；*本文通訊作者：王永清

2014-06-27

周星衡(1988- )，男，研究生在讀，天津理工大學機械工程學院，300384。

脛骨近端骨折是常見的下肢骨折，占所有脛骨骨折的5%～11%[1]。隨著近年來現代建筑行業(yè)與汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及國民運動量的增加，脛骨近端骨折發(fā)生率呈明顯上升的趨勢。脛骨近端的解剖結構比較復雜，骨松質占較大比例，且其周圍較少的軟組織未能提供足夠的保護，非常容易受傷，為骨折的好發(fā)處。脛骨近端骨折多為高能量創(chuàng)傷所致，易造成關節(jié)面嵌插、骨折端粉碎，常合并軟組織、鄰近韌帶或半月板損傷、腘動脈或動脈分叉損傷、筋膜室綜合征等[2]，嚴重威脅膝關節(jié)的結構完整和正常功能，對患者的生活質量造成影響，因而脛骨近端骨折的正確治療尤為重要。脛骨近端作為下肢關節(jié)的重要組成部分，其特殊的解剖結構形態(tài)，骨折損傷的多元性，其骨折的治療要求比較高、難度系數大，且存在較高的并發(fā)癥發(fā)生率[3]。因此，其治療較為困難且治療效果也不是很理想，故該種類型骨折治療方案的選擇也至關重要。

為了讓脛骨骨折較好地復位并固定，恢復其正常的肢體功能，通常通過手術治療來完成[4]。目前臨床上固定脛骨近端骨折的方法很多，如外固定架復位、髓內釘固定術、接骨板固定及內外組合固定技術等。由于脛骨近端解剖特征的復雜性和損傷的多元性，沒有哪種方法能適應于所有類型骨折的治療。故該種類型骨折最理想治療的方案仍有待進一步分析研究。本研究建立脛骨三維實體模型，模擬脛骨近端不同位置的骨折，并分別使用帶鎖髓內釘(interlocking intramedullary，IIN)與鎖定加壓接骨板(locking compression plate，LCP)對其固定。通過對其固定后的模型進行有限元分析，評估兩種內固定物的生物力學穩(wěn)定性，為脛骨近端骨折臨床治療方案的選擇提供指導。