三种固定方式治疗胫骨平台后外侧1/2骨折的生物力学分析

刘世军，李治国，马治国，冯志伟，索海军，娄宏亮

·论 著·

三种固定方式治疗胫骨平台后外侧1/2骨折的生物力学分析

刘世军，李治国，马治国，冯志伟，索海军，娄宏亮

目的 通过尸体标本及有限元模型对前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定和后侧T型钢板固定治疗胫骨平台后外侧1/2骨折行生物力学分析，为临床工作提供基础数据。方法 选取上海交通大学医学院解剖教研室提供的新鲜成人尸体胫骨标本24个，用电动摆锯制备胫骨平台后外侧1/2骨折模型，将模型随机等分为前侧拉力螺钉固定组、外侧L型钢板固定组及后侧T型钢板固定组各8具。另选取1名健康男性志愿者，对其膝关节行螺旋CT后将数据导入Mimics14.0等软件后得到三维胫骨平台实体，经分割等操作后获得胫骨平台后外侧1/2骨折模型，而后结合三维解剖数据，通过Solidworks2013软件制作相应的拉力螺钉及钢板，模拟前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定及后侧T型钢板固定三种胫骨平台后外侧1/2骨折内固定有限元模型。对各骨折内固定实体标本和有限元模型分别施加250、500、1000、1500N的轴向载荷，比较各组骨折块移位及受力情况。结果 实验生物力学结果表明，250N、500N和1000N载荷下前侧拉力螺钉固定组、外侧L型钢板固定组及后侧T型钢板固定组内固定实体标本骨折块移位值[250N：(0.14±0.02)mm vs. (0.13±0.02)mm vs. (0.14±0.13)mm；500N：(0.27±0.05)mm vs. (0.29±0.06)mm vs. (0.28±0.07)mm；1000N：(0.49±0.12)mm vs. (0.53±0.10)mm vs (0.50±0.09)mm]，差异均无统计学意义(P>0.05),1500N载荷下前侧拉力螺钉固定组骨折块位移值(0.57±0.14mm)小于外侧L型钢板固定组(0.72±0.10mm)和后侧T型钢板固定组(0.76±0.13mm)，差异均有统计学意义(P<0.05)，外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组骨折块位移值差异无统计学意义(P>0.05)。有限元分析结果表明，在各载荷下前侧拉力螺钉固定模型的骨折块位移值及内固定最大应力均小于外侧L型钢板固定模型和后侧T型钢板固定模型。两种实验方法所得最大位移值分布区域均为近侧胫腓关节交界区。结论 对于胫骨平台后外侧1/2骨折，前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定和后侧T型钢板固定均可提供早期稳定性，其中前侧拉力螺钉固定在稳定性方面最具优势，应作为临床首选方案。

胫骨平台骨折； 内固定； 有限元模型； 生物力学

近年来随着高能量损伤事件的增多，胫骨平台骨折的愈加复杂，目前的研究表明平台骨折已超越了简单的内外侧结构，而是在全平面上出现骨折，且不同类型的胫骨平台骨折治疗方案也有所区别[1]。胫骨的外侧平台较高，且骨密度较内侧低，此处发生的骨折临床最为多见。目前临床上治疗胫骨平台后外侧1/2骨折主要采取切开复位内固定，及时纠正下肢力线，由于胫骨平台解剖结构较为复杂，建模较困难，因此以往的研究多停留在临床阶段，关于生物力学的研究鲜有报道。随着物理学的不断发展，三维有限元模型逐渐运用于医学领域，特别是骨关节等组织的生物力学分析[2]。本研究通过尸体标本和有限元模型对前侧拉力螺钉、外侧L型钢板和后侧T型钢板三种内固定的生物力学性质进行比较。现报告如下。

材料与方法

1 实验标本及研究对象

本实验经冀中能源峰峰集团总医院及上海交通大学医学院相关伦理委员会同意，于2015年10月选取上海交通大学医学院解剖教研室提供的新鲜成人尸体12具，男性6具，女性6具，平均年龄(66.12±3.09)岁，平均体质量(67.18±4.63)kg，平均身高(1.72±0.07)m。制备胫骨标本24个。实验前拍摄标本正侧位X线片证实无外伤、肿瘤及严重退行性变等缺陷。

选取1名健康男性志愿者，年龄30岁，身高173cm，体重62kg。该志愿者对本次研究知情并签署同意书，经病史询问、体格检查以及膝关节影像学检查后排除该部位骨关节疾病及手术史。

2 模型制备及三维有限元建立

将24个胫骨标本剔除周围肌肉、韧带、血管和神经等软组织，同时去除腓骨，将其按照随机数表法分为前侧拉力螺钉固定组、外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组各8具。将标本用电动摆锯制备胫骨平台后外侧1/2骨折模型后分别使用前侧6.5mm拉力螺钉、4.5mm外侧L型解剖锁定钢板和3.5mm后侧T型锁定钢板制备骨折固定模型(图1)。

图1 胫骨平台后外侧1/2骨折固定模型(由左至右依次为前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定和后侧T型钢板固定)

对男性志愿者膝关节行64排平扫螺旋CT(层厚2mm，层间距0.8mm，扫描电压120kV，扫描电流165mA)，所得图像刻录光盘后以512×512像素的Dicom格式导入Mimics14.0软件(购自美国Mimics公司)中，根据CT下不同组织灰度值的差异，经阈值化分、增长和蒙版等步骤成功构建正常胫骨平台模型。将正常胫骨平台模型以点云文件格式导入MIMICS有限元分析软件中(购自比利时Materialise公司)，作松弛光滑等处理后以Igs格式导入Solidworks2013软件(购自美国Solidwork公司)，获得胫骨平台实体模型。在Solidworks2013软件中将胫骨平台分割模拟胫骨平台后外侧1/2骨折(图2)，各骨折断端以零件形式保存。结合骨实体模型的三维解剖数据以及笔者医院实际手术中所选辛迪斯拉力螺钉和钢板的产品信息，重建拉力螺钉、T型钢板、L型钢板及配套螺钉的模型，均以零件格式保存。通过“装配体”功能将上述零件组合，模拟前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定及后侧T型钢板固定三种内固定模型(图3)。所有上述零件保存备用后将骨折固定模型导入软件Ansys13.0(购自美国Ansys公司)行有限元分析。此次胫骨平台建模共39 648个节点，160 687个单元；前侧拉力螺钉固定模型节点44 583个，单元199 310个；外侧L型钢板固定模型节点99 813个，单元466 170个；后侧T型钢板固定模型节点51 375个，单元322 551个。

图2 胫骨平台后外侧1/2骨折线模型

图3 完整胫骨和不同固定方式的有限元模型。a.完整胫骨;b.外侧L型钢板固定;c.前侧拉力螺钉固定;d.后侧T型钢板固定

3 生物力学实验

将三种骨折固定模型于平台上方用牙托粉制成一个加载平台，结合应力加载仪器的球头压出一个吻合的半圆形凹槽，制作时维持模型标准直立位以防止向斜方偏移影响力的传导。在骨折块上方、下方、内侧、外侧和中间选取5个人工位移标识点，而后使用WAT-902H黑白高清晰度摄像机采集标识好的5个点，连接电脑，通过指令对模型进行轴向加载，加载速率为2mm/min，操作于室温下进行(图4)。

图4 加载平台模型

4 三维有限元分析

4.1 材料属性 胫骨平台包括皮质骨和松质骨(骨干和干骺端)，具体各部分及内固定材料属性参考以往的文献[3]，见表1。

表1 胫骨平台及内固定有限元材料属性

4.2 定义及边界条件 本研究假设胫骨、钢板及螺钉为连续、均质、各向同性的线弹性材料，忽略肌肉、韧带等组织的影响。定义胫骨矢状面与水平面相交线为X轴，冠状面与水平面相交线为Y轴，矢状面与冠状面相交线为Z轴，通过三向平移和三向旋转约束胫骨远端地面作为模型的基本边界条件。

5 载荷设置及观察指标

60kg的成年人在双足站立、单足站立、慢走、快走时胫骨平台承受的力分别为250、500、1 000、1 500N[4]。以往的研究发现胫骨平台骨折内固定失效多为轴向应力所致[5]，因此本研究主要分析轴向载荷250、500、1 000、1 500N时骨折块的移位及受力情况。

6 统计学方法

结 果

1 三组实体标本生物力学比较

250、500、1 000N载荷下三组内固定实体标本骨折块移位值差异无统计学意义(P>0.05),1 500N载荷下前侧拉力螺钉固定组骨折块位移值小于外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组，差异均有统计学意义(P<0.05)，外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组骨折块位移值差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。最大位移分布在近侧胫腓关节交界区(图5)。

表2 不同载荷下三组实体标本骨折块轴向位移比较

与前侧拉力螺钉固定组相比：aP<0.05

图5 位移标识点分布(最大位移分布区为近侧胫腓关节交界区)

2 三维有限元分析结果

随着轴向载荷增加，三个内固定模型的Z轴上的最大位移均增加，在各载荷下前侧拉力螺钉固定模型的骨折块位移均小于其余两组，见表3。1 500N载荷下三组骨折块的位移分布在近侧胫腓关节交界区(图6)。

表3 不同轴向载荷下三种固定模型骨折块于Z轴上的位移(mm)

图6 1500N载荷下各有限元模型骨折块位移云图。a.前侧拉力螺钉固定模型；b.外侧L型钢板固定模型；c.后侧T型钢板固定模型

讨 论

胫骨平台骨折多为高能量损伤导致，由于胫骨的外侧平台较内侧高且骨密度较低，因此临床上胫骨平台后外侧骨折更加常见[6]。良好的复位有助于纠正下肢力线，而下肢力线是保证膝关节正常功能及稳定性的必要因素，因此选取最佳的内固定方案对患者的功能恢复十分关键[7]。以往对于胫骨平台后外侧骨折的研究多停留在临床阶段，对解剖结构的生物力学报道较少[8]。近些年，随着运算能力的大幅度提高，特别是大数据分析处理软件的日趋成熟，有限元作为一种新型处理连续体力学的数值求解方法，因其具有可计算载荷后生物材料力学性质的独特优势，被广泛应用于医学领域，尤其是对骨、关节、韧带等司负重功能组织器官的生物力学分析，主要体现在骨折内固定后的应力分布、再骨折危险度预测、人工关节的设计等多种方面[9-10]。前侧拉力螺钉固定治疗胫骨平台后外侧1/2骨折效果显著，但尚缺乏相关的生物力学数据[11]。

骨折块的轴向位移直接反映固定模型的稳定性，从本次实验的结果来看，250、500和1 000N载荷下三组内固定实体标本骨折块移位值差异无统计学意义(P>0.05),1 500N载荷下前侧拉力螺钉固定组骨折块位移值小于外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组(P<0.05)，外侧L型钢板固定组和后侧T型钢板固定组骨折块位移值差异无统计学意义(P>0.05)。有限元分析结果表明，在各载荷下前侧拉力螺钉固定模型的骨折块位移值及内固定最大应力均小于外侧L型钢板固定模型和后侧T型钢板固定模型。两种实验方法所得最大位移值分布区域均为近侧胫腓关节交界区。综合三种内固定的生物力学数据，笔者认为前侧拉力螺钉内固定在治疗胫骨平台后外侧1/2骨折时具有以下三点优势：(1)稳定性高，不仅可使患者早日行功能训练，且术后出现螺钉松动及骨折延迟愈合概率低；(2)手术简单，避免过多剥离软组织，减少了患者术后神经、血管等损伤导致的并发症；(3)内固定材料简单，减轻了患者的经济负担且取出方便。同时本研究也存在以下不足：(1)载荷的局限性：实际情况下，骨折固定后的受力是综合肌肉、韧带等软组织的结果，本研究设定轴向载荷具有一定局限性；(2)骨折类型的局限性：临床工作中胫骨平台的骨折具有高度复杂性，上述结论是否适用有待进一步研究。

综上所述，对于胫骨平台后外侧1/2骨折，前侧拉力螺钉固定、外侧L型钢板固定和后侧T型钢板固定均可提供早期稳定性，其中前侧拉力螺钉固定在稳定性方面最具优势，应作为临床首选方案。

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(本文编辑： 郭 卫)

Biomechanical analysis on three internal fixations for posterolateral 1/2 tibial plateau fracture

LIUShi-jun,LIZhi-guo,MAZhi-guo,FENGZhi-wei,SUOHai-jun,LOUHong-liang

(Jizhong Energy Fengfeng Group Hospital,Handan 056200,China)

Objective To analyze three internal fixations for posterolateral 1/2 tibial plateau fracture through biomechanical and finite element analysis methods. Methods Twenty-four fresh adult cadaver tibia specimens were selected and made into posterolateral 1/2 tibial plateau fracture models by electric saw. They were divided into anterior screw fixation group (8 cases),lateral L type plate fixation group (8 cases) and posterior T type plate fixation group (8 cases). A healthy male volunteer was selected,who was given CT on knee joint and the data was imported into Mimics 14.0 software to make tibial plateau and fracture model. Axial load was given on solid specimen and finite element model. The displacement and stress of fracture mass were compared among groups. Results There was no significant difference in displaced fragment of bone on 250N,500N and 1000N axial load among 3 internal fixations models[250N:(0.14±0.02)mm vs. (0.13±0.02)mm vs. (0.14±0.13)mm；500N:(0.27±0.05)mm vs. (0.29±0.06)mm vs. (0.28±0.07)mm；1000N:(0.49±0.12)mm vs. (0.53±0.10)mm vs. (0.50±0.09)mm；P>0.05]. The bone displaced distance of fragment of anterior screw fixation group (0.57±0.14)mm was lower than that of other groups[(0.72±0.10)mm,(0.76±0.13)mm] on 1500N axial load(P<0.05). In finite element,the bone displaced distance of fragments of anterior screw fixation were less than those of other two groups on all axial loads (P<0.05);the maximum displacement distribution regions were all located into proximal tibial joint junction. Conclusion For posterolateral 1/2 tibial plateau fracture,all three fixation methods can provide early stability,while the stability of anterior screw fixation is better than lateral L type plate fixation and posterior T type plate fixation.

tibial plateau fracture; internal fixation; finite element model; biomechanical analysis

1009-4237(2017)05-0338-05

R 683.42

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.05.005

056200 河北 邯郸，冀中能源峰峰集团总医院创伤骨二科

2016-05-08；

2016-07-26)