微型外固定支架与掌骨板固定治疗Rolando骨折的三维有限元分析
2016-05-11杨萃陆芸杨永超
杨萃,陆芸,杨永超
(天津市泰达医院,天津300457)
微型外固定支架与掌骨板固定治疗Rolando骨折的三维有限元分析
杨萃,陆芸,杨永超
(天津市泰达医院,天津300457)
目的 比较微型外固定支架与微型掌骨板固定对Rolando骨折稳定性的影响。方法 选择一名健康成年志愿者,对其右手及尺、桡骨远端进行三维CT扫描,并将扫描数据导入Mimics10.0软件中,对第一、二掌骨及大多角骨进行三维建模;所有数据以点云格式输入到Geomagic studio10软件中进行编辑,得到精细三维模型,以IGES格式保存。将其导入ANSYS12.0软件中,利用该软件的建模功能建造微型外固定支架及微型掌骨板模型,并进行Rolando骨折模拟。在遵循临床治疗的原则下分别用微型外固定支架与微型掌骨板对Rolando骨折进行固定,赋予各单位属性后建立三维有限元模型。在第一掌骨头沿纵轴施加载荷为100 N的节点压力,记录两种固定方式下掌尺侧骨折块、背外侧骨折块的相对位移和总位移。结果 微型外固定支架固定掌尺侧骨折块相对位移为-0.242~-2.392 mm,总位移为0.638~5.986 mm;背外侧骨折块分别为-0.489~-2.935 mm、0.157~4.898 mm。微型掌骨板固定掌尺侧骨折块相对位移为0.152~-0.415 mm,总位移为0.187~0.648 mm;背外侧骨折块分别为0.186~0.314、0.158~0.554 mm。结论 微型掌骨板对Rolando骨折的固定效果优于微型外固定支架。
Rolando骨折;有限元分析;外固定支架;掌骨板;微型
Rolando骨折指累及第一掌腕关节基底部的粉碎性骨折,由作用于第一掌骨头部并沿掌骨长轴方向传导的纵向暴力所致,多于拇指屈曲内收位时发生[1],形成骨折线呈T型及Y型的掌尺侧及背外侧骨折块[2],在第一掌骨骨折中的发生率为9%~21%[3]。Rolando骨折复位比较容易,但固定困难,容易移位。临床上Rolando骨折的固定方法较多,比较常用的是微型外固定支架及微型掌骨板固定。两种固定方法各有优点,但疗效尚未形成统一定论。2015年5月,本研究在骨折模型上进行三维有限元分析,通过对比掌尺侧骨折块及背外侧骨折块的相对位移与最大位移判定各骨折块的受力情况,从生物力学角度评价两种方式的固定效果。
1 材料与方法
1.1 材料 西门子64排螺旋CT (德国西门子公司), Mimics10.0软件(美国Materialise公司),Geomagic studio10软件(美国Geomagic公司),ANSYS12.0软件(美国ANSYS公司),微型掌骨板、微型外固定支架(美国史塞克公司),Mitutoyo数显电子游标卡尺(日本三丰公司)。
1.2 Rolando骨折三维模型建立 选取一名2015年4月于我院体检的健康男性志愿者,年龄26岁,身高179 cm,体质量75 kg,经各项身体检查无骨骼发育异常及其他疾病。志愿者右手平放,手腕与手掌齐平,五指自然分开、拇指稍外展与第一掌骨齐平。采用64排螺旋CT对志愿者右手及尺、桡骨远端进行CT平扫,得到0.625 mm层厚、1 020×1 020矩阵的断层图像198张。将扫描数据以Dicom格式保存于磁盘中,并导入Mimics10.0软件。利用软件Thresholding功能,选取骨组织并将其与软组织分离,通过Region growing命令,将大多角骨及第一、二掌骨分离,并形成新的蒙罩。使用蒙罩编辑命令将每一断层的骨髓腔进行填充,应用Caculate 3D命令形成大多角骨及第一、二掌骨的粗糙三维模型。见插页Ⅱ图3A。以点云格式保存,通过Geomagic studio10软件的导入接口将其导入,依次进行点阶段、封装阶段、多边形阶段、曲面片阶段构建隔栅、拟合成体的操作后,形成精细的三维模型,以IGES格式存盘保存。见插页Ⅱ图3B~F。
1.3 有限元模型建立 将上述精细三维模型以IGES格式导入ANSYS12.0软件中,利用软件的面分割功能,建立Rolando骨折模型。通过软件的CAD建模功能,严格按照实体微型外固定支架及微型掌骨板的测量数据,分别建立微型外固定支架及微型掌骨板的三维有限元模型。见插页Ⅱ图3G、H。根据相关文献[4]得到掌骨与微型外固定支架、微型掌骨板的单元类型、泊松比及弹性模量,并对各有限元模型进行赋值,见表1。按照临床上微型外固定支架及微型掌骨板治疗Rolando骨折的方法,依次放置于Rolando骨折有限元模型[5]。放置时应注意调整模型角度,并随时建立工作坐标系,使微型外固定支架、微型掌骨板与掌骨进行精细贴合。微型外固定支架与第一掌骨、大多角骨及掌尺侧、背外侧骨折面建立4个接触对,微型掌骨板钢钉与第一掌骨接触面建立7个接触对,两骨折端建立2个接触对。不考虑螺钉的滑脱及骨折块断裂,设定两种固定方式与骨组织的接触对关系为完全绑定,各骨折面接触摩擦系数为0.2[6]。因骨组织及微型外固定支架、微型掌骨板均为不规则物体,故使用smartmesh功能进行网格划分,得到各有限元模型的单元数及节点数,见表1。
表1 Rolando骨折微型外固定支架及微型掌骨板固定 有限元模型的材料属性和单元划分
1.4 位移观察 因大多角骨与其他腕骨为微动关节[7],故将大多角骨关节面移动度约束为0。将第一掌骨纵轴设置为X轴,指端方向为正方向,第一掌骨尺侧方向为Y轴正方向,掌侧方向为Z轴正方向,建立空间直角坐标系。于第一掌骨头沿纵轴(即X轴负方向)施加载荷为100 N的节点压力,记录两种固定方式下掌尺侧骨折块、背外侧骨折块的相对位移和总位移。相对位移为骨折块在X轴上相对于第一掌骨移动距离之差,以X轴正方向为正值,X轴负方向为负值;总位移为骨折块中心的移动距离。
2 结果
微型外固定支架固定掌尺侧骨折块及背外侧骨折块的相对位移和总位移范围均大于微型掌骨板固定,见表2。
表2 两种固定方式下掌尺侧骨折块、背外侧骨折块的 相对位移和总位移
3 讨论
Rolando骨折是手部的常见外伤,1910年由意大利医生Rolando首次报道[8]。第一掌腕关节是由第一掌骨、大多角骨及附近韧带组成的双凹形马鞍状关节,当掌骨受到轴向的突然暴力时,韧带(尤其是尺深部韧带)的强大反方向牵引力造成第一掌骨基底粉碎性骨折伴基底关节脱位或半脱位。骨折后因骨折块失去鞍状关节面的骨性保护作用,且有拇长展肌及大鱼际肌的牵拉作用,骨折块向掌尺侧、背外侧移位,导致其很不稳定。因此,Rolando骨折复位较为容易,但固定困难。奕央华等[9]采用闭合复位克氏针内固定治疗Rolando骨折效果较好,但手术方法复杂,对术者的专业技能要求较高,且C型臂X线机下很难反映粉碎性骨折的实际状况。应有荣等[10]使用“8”字扣压石膏条加石膏托固定的方法治疗Rolando骨折,避免了手术对患者的二次创伤,疗程短,费用低,但长时间的石膏托外固定容易引起关节僵硬、活动障碍,且容易松动,导致复位的骨折块再次移位。戴建辉等[11]使用可吸收螺钉内固定治疗,不需二次手术取出内固定物,且疗效较稳定;但可吸收螺钉价格昂贵,坚固性不如普通金属螺钉,断裂风险较大,且远期影响不明确,临床仍未推广。
微型外固定支架与微型掌骨板是目前临床治疗Rolando骨折的常用固定方法。李忠哲等[12]采用微型外固定支架治疗10例Rolando骨折,对新鲜骨折采取直接外固定支架固定,对位不佳或是陈旧骨折则采取切开复位克氏针固定后再行外固定支架固定,术后总优良率为94.6%。微型外固定支架固定操作简单、手术创伤小、复位良好、固定牢靠、骨折愈合快;但针道感染及骨折再移位问题较突出[13],对陈旧性骨折的疗效较差,若对位不佳,必须行切开复位克氏针内固定,增加了治疗的复杂及困难程度,且对患者造成二次创伤,骨折愈合时间延长,预后相对不理想。微型钢板治疗具有固定牢固、可直视下达到关节面解剖复位的特点,且微型掌骨板体型较小,对骨折端的血运影响较小,患者可进行早期功能锻炼,对术后手部功能影响不大[14,15];但会增大韧带及周围软组织损伤,且因微型掌骨板厚度较薄,断裂风险增加,一旦断裂需二次手术取出;对细小的骨折块须配合缝线捆绑固定。目前临床对上述两种治疗方法褒贬不一,一直未有定论。
三维有限元利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟,由Brekelmans于1972年首先应用于骨科力学领域的研究中,在国内外得到了越来越广泛的应用。本研究利用有限元软件建立Rolando骨折模型及微型外固定支架、微型掌骨板的有限元模型,不仅操作简单,可重复性强,且可模拟真实骨折情况同时进行两种术式,避免了因个体差异对疗效产生的影响。本研究结果显示,微型掌骨板固定后掌尺侧骨折块及背外侧骨折块相对位移和总位移的最大值与最小值均小于微型外固定支架;微型外固定支架固定后掌尺侧与背外侧骨折块位移均为负值,说明骨折块的移动方向为第一掌骨近端方向,且移动距离要大于第一掌骨的移动距离。分析原因,可能是微型外固定支架相对于微型掌骨板固定的牢固程度较为薄弱,在掌骨受到轴向作用力时,因力的传导作用,使骨折块向近端移动。第一掌骨受到大多角骨的阻挡作用,移动距离较小,因此相对位移的大小可反映骨折块固定的牢固程度。一般来说,骨折块移位在2 mm以内时对手部活动影响较小,本研究微型掌骨板固定的总位移均小于2 mm,固定效果优于外固定支架,证明微型掌骨板固定更为牢固。
综上,微型掌骨板对Rolando骨折的固定效果优于微型外固定支架,是治疗Rolando骨折的理想方法。
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Three dimensional finite element analysis of treatment of Rolando fracture with mini external fixation and metacarpal bone plate
YANGCui,LUYun,YANGYongchao
(TianjinTedaHospital,Tianjin300457,China)
Objective Using three-dimensional (3D) finite element method to compare the effects of mini external fixation and mini metacarpal bone on the stability of Rolando fracture. Methods We chose a healthy adult volunteer and scanned CT of his right hand and distal radius. Then, we inputted the data into Mimics10.0, and built the 3D model of the first and the second metacarpal and trapezium. After that, we inputted all the data into Geomagic studio10 for editing, and then transferred the models into ANSYS12.0. The models of mini external fixation and mini metacarpal bone were established by using ANSYS12.0 and underwent Rolando fracture simulation. 3D finite element models were established after using mini external fixation and mini metacarpal bone to fix. At the first metacarpal head, along the longitudinal axis, we applied 100 N nodes pressure, then recorded the pieces of palm and foot side fractures under these two kinds of fixation way, and the relative displacement and total displacement of dorsolateral fractures. Results With the miniature external fixation, the palm side fracture′s relative displacement was -0.242 to -2.392 mm, and the total displacement was 0.638-5.986 mm. The dorsolateral displacement is -0.489 to -2.935 mm and 0.157-4.898 mm, respectively. With the mini metacarpal bone plate, the palm side fracture′s relative displacement was 0.152 to -0.415 mm, and the total displacement was 0.187-0.648 mm. The dorsolateral displacement was 0.186-0.314 mm and 0.158-0.554 mm, respectively. Conclusion The fixation effect of mini metacarpal bone plate is significantly better than that of the mini external fixation.
Rolando fracture; finite element analysis; external fixation; metacarpal bone plate miniature
天津市科技计划项目(12ZCZDSY02800);滨海新区卫生局医药卫生科技项目(2011BHKL003)。
杨萃(1982-),女,博士研究生,研究方向为骨科基础。E-mail: yangcui_tcm@126.com
陆芸(1962-),女,主任医师、硕士生导师,研究方向为手显微外科疾病。E-mail: luyunteda@126.com
10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.004
R683.41
A
1002-266X(2016)32-0012-03
2016-01-08)