肱骨髁间骨折不同双钢板固定方式的有限元分析

王亚斌,张云庆,张文,孙惠清,姜雪峰,杨惠光

(1.东南大学医学院附属江阴医院骨科,江苏江阴 214400;2.苏州大学骨科研究所,江苏苏州 215006)

肱骨髁间骨折是肘部外伤中最为复杂的关节内骨折,多为粉碎性,并发症发生率高,治疗极具挑战性[1]。对此骨折尽可能接近解剖复位,并给予稳定有效的固定,以早期进行功能锻炼,是获得良好效果的前提。肱骨髁间骨折采用双钢板固定技术已形成共识,但目前双钢板固定技术有垂直固定和平行固定,即在内、外侧柱上各置入一枚坚强的钢板,两枚钢板之间的方向为90°或180°。对于两种固定方式何者最优仍具争议。前瞻性随机对照研究显示两者临床疗效无明显差别[2],但一些研究显示理论上平行钢板固定技术比垂直钢板固定技术有更好的力学性能[3,4];亦有研究比较平行钢板和垂直钢板的固定强度,结果发现两者在各个方向的固定强度没有差别[5]。现有的研究未考虑不同的骨折形态,其结果也就缺乏临床指导价值。本研究拟通过有限元分析平行钢板固定技术和垂直钢板固定技术对不同类型的肱骨髁间骨折的生物力学影响,为临床选择提供依据。

1 资料与方法

1.1 肱骨髁间骨折的三维有限元模型的建立 按照王亚斌等[6]的方法,选取 1名 35岁汉族健康男性,X线排除肘关节疾患后采用 64排螺旋 CT对肘关节进行连续断层扫描,扫描层厚 1mm。将CT扫描所得的图像数据以 DICOM3.0格式导入Mimics10.01软件,将二维数据重建为体数据。利用阈值分割和区域增长的方法分开骨组织和软组织,提取出骨骼图像。将已生成的三维模型通过Mimics中 FEA模块的网格优化器进行网格优化,利用优化的面网格生成体网格。点击materials按钮后,对体网格赋材质。根据以往文献[7]对肱骨远端的皮质骨、松质骨、钛合金分别定义材料属性:a)皮质骨:弹性模量 13400M Pa,泊松比 0.3。b)松质骨:弹性模量2000 M Pa,泊松比 0.26。 c)钛合金:弹性模量 110000 M Pa泊松比 0.3。将该模型最后以 ANSYS的格式输出并导入ANSYS 10.0中生成三维有限元模型。在 Mimics中利用Simulation模块中的 cut工具在模型切割出骨折线(设置骨折线的厚度为 2mm),再利用 split工具将切割骨折线分离,从而创建骨折模型(Mehen-Matta分型:高 T型、低 T型、H型、Y型、内侧λ型和外侧λ型)。在proE中分别建立钢板和螺钉,螺钉直径 3.5 mm,并将其以*.stl格式保存,导入到Mimics软件中,模拟临床手术方法对钢板和螺钉进行组装,再与骨折模型进行布尔操作和remesh处理。将处理后的骨折模型和钢板螺钉组装模型导入ansys中,利用耦合约束方程,将钢板螺钉与骨折模型进行耦合处理 ,模拟固定术后,见图1。

图1 六种骨折模型分别模拟进行平行钢板固定和垂直钢板固定术后

1.2 设定边界条件和载荷 对耦合后的有限元模型设定边界条件为肱骨近端固定。根据肱骨远端的解剖结构特点,参照 Schuster等[8]的方法将施加于肱骨远端的轴向压力的60%分配在肱骨滑车处(相当于肱尺关节),40%分配在肱骨小头处(相当于肱桡关节)。在肱骨远端关节面上施加 300 N轴向压力,观察施加载荷后下模型的位移及应力情况。

1.3 分析并得出结果,查看分析后的位移和应力

2 结 果

2.1 骨折部位的最大位移 各模型加载后骨折部位的最大位移见表1及图2。各模型加载后的最大位移均位于肱骨外侧髁。在轴向载荷300N的工况下,垂直钢板固定均较平行钢板固定的位移大,但在低 T型和 H型骨折模型中,这种趋势更为明显,垂直钢板固定较平行钢板固定的位移大44.47%和34.08%。

2.2 内固定上的最大von Mises应力 各模型加载后内固定上的最大 von Mises应力见表2及图3。 Von Mises应力在接近肱骨髁上骨折断端的螺钉钉孔周围最高,其次在螺钉的骨折断面水平。在除Y型肱骨髁间骨折外的其余五种骨折模型中,平行钢板固定均较垂直钢板固定最大应力值更小,应力分布相对均匀。

3 讨 论

对肱骨髁间骨折双钢板固定的平行技术和垂直技术,先后有多个研究对其进行比较,但最终没有得出一致意见[3,9,10,11]。Stoffel等[3]认为这是由于采用骨骼标本时骨质可能存在差别,选用的钢板也很不一致,因此很难得出准确结论。但既往的研究均未考虑骨折的类型。肱骨远端的特殊解剖结构导致肱骨髁间骨折的复杂。不同的损伤机理及暴力大小产生不同的骨折类型。在本研究中,我们采用有限元分析对肱骨髁间骨折不同的骨折类型分别进行了平行钢板固定和垂直钢板固定时生物力学特性的测试。本研究选用Mehen-Matta分型,根据骨折线行径位置将骨折分为高 T型、低 T型、H型、Y型、内侧λ型和外侧λ型。此分型能较好的描述骨折的形态,评价骨折线位置及骨折粉碎程度,在指导治疗方面很有帮助,临床上较为常用。本研究结果显示,相同的固定方式对于不同的骨折类型其稳定性是不同的,内固定的应力分布亦不同。

表1 轴向载荷 300N时各型骨折模型行平行钢板固定和垂直钢板固定时的最大位移(mm)

表2 轴向载荷 300N时各型骨折行平行钢板固定和垂直钢板固定时的最大von Mises应力(×107Pa)

图2 轴向载荷 300N时各型骨折模型行平行钢板固定和垂直钢板固定时的最大位移(mm)

图3 轴向载荷300 N时各型骨折模型行平行钢板固定和垂直钢板固定时内固定上的von Mises应力分布

我们在采用 Mehen-Matta分型的肱骨髁间骨折的有限元模型上分别使用了平行钢板固定系统和垂直钢板固定系统。有限元分析的数值表明,所有骨折内固定模型的最大位移均是小位移,结果与临床实际情况符合。同时也说明对于各型肱骨髁间骨折使用双钢板平行固定或双钢板垂直固定均能达到有效固定的目的。在单纯轴向载荷 300N的工况下,平行钢板固定均较垂直钢板固定的位移小。但在低 T型和 H型骨折模型中,轴向载荷 300 N时垂直钢板固定较平行钢板固定的位移大 44.47%和 34.08%。这意味在低 T型、H型肱骨髁间骨折,采用平行钢板固定比垂直钢板固定有更好的稳定性。 Zalavras等[11]采用尸体骨肱骨髁间骨折模型,对比垂直钢板和平行钢板(均应用非锁定螺钉 )的固定强度,结果平行钢板固定强度明显优于垂直钢板,测试过程中垂直钢板的后外侧钢板均出现螺钉松动,而在平行钢板则均未出现。本研究中各模型加载后的最大位移均位于肱骨外侧髁,这与蔡浩等[12]的研究结果相同。

良好的内固定应该使植入物的应力尽可能均匀分布,平均应力水平与应力集中区的最大应力值应尽可能的小。本研究显示,在除 Y型肱骨髁间骨折外的其余五种骨折模型中,平行钢板固定均较垂直钢板固定最大应力值更小,应力分布相对均匀。也就是说单从植入物应力分布的视角看,除Y型骨折外其余五种骨折类型使用平行钢板固定更合理。

本研究仍存在如下的局限性。虽然我们利用 CT断层扫描获得直接的影像数据进行有限元建模,该模型对肱骨远端结构进行了准确模拟,使模拟结果与真实情况进一步逼近,但由于无法完全模拟骨骼生理状态下的复杂受力环境及骨骼材料的各向异性,且去除了肌肉、韧带等附着软组织,故与真实情况仍存在一定误差。我们没有在研究时考虑老年患者的骨质疏松性骨折。对于骨质疏松性骨折 ,Papini等[13]建议在进行有限元建模时通过降低材料属性的弹性模量来实现。我们没有做到这一点,因为我们研究的重点是固定方法,而不是骨质量。最后,我们尽管是采用锁定钢板,但为简化计算,未考虑螺钉拔出效应。

综上所述,对于低 T型、H型肱骨髁间骨折,采用平行钢板固定比垂直钢板固定有更好的稳定性。而对于高 T型、Y型、内侧λ型和外侧λ型肱骨髁间骨折,两种固定系统均是可行的。尽管平行钢板固定时植入物上的von Mises应力集中相对较低,但基于解剖学上的特点,在外侧柱的骨嵴上放置平行钢板常常比较困难,技术要求较高,故对于高 T型、Y型、内侧λ型和外侧λ型肱骨髁间骨折可灵活选用平行钢板或垂直钢板。缘于有限元分析的局限性,仍需要进一步的研究和长期的临床随访来证实该结果。本研究为今后使用有限元方法针对不同骨折的个性选用不同的内固定系统进行了尝试。

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