克氏针的不同固定术式治疗月骨脱位的有限元分析

2018-10-10叶旭标谢广中梅林军刘雄罗锦玲单淑媛

实用手外科杂志 2018年3期

叶旭标，谢广中，梅林军，刘雄，罗锦玲，单淑媛

（1.东莞市第八人民医院，广东东莞 523325；2.东莞市厚街医院，广东东莞 523900）

月骨脱位主要治疗方法为通过闭合复位或切开复位后行克氏针固定，修复关节囊和韧带。术后石膏将腕关节固定于中立位，术后2周拆线，术后6～8周拔除克氏针，开始功能锻炼。虽然术后石膏将腕关节固定于屈曲位或中立位，6～8周拔针后开始功能锻炼[1]，然而部分患者医从性差，常自行拆除石膏。术后消肿石膏经常有松脱，不能及时更换石膏，从而使石膏固定不牢固。临床需要一种使月骨复位后既固定稳定且克氏针受力较少不容易断裂的手术方案。根据现有的文献报道，对月骨复位后固定方法主要以舟月关节和桡月关节固定、头月关节和舟月关节固定、月三角关节和舟月关节固定三种方法为主。针对以上三种固定方法，本文选取一名健康自愿者进行腕关节扫描获取空间结构信息，利用三维有限元软组织建立3组交叉克氏针固定三维有限模型。模拟术后受力情况，分析月骨位移及克氏针受力大小。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择1名27岁青年男性志愿者（经医院伦理道德委员会审批通过），腕关节活动正常，无腕关节疾病。采用128排，层厚0.67 cm螺旋CT对志愿者腕关节进行薄层扫描，范围包括尺桡骨远端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨，与其相关韧带。使用DVD刻录光盘收集其Dicom格式数据。将CT数据以Dicom格式保存并导入Mimicis14.1软件（Materialise公司，比利时），进行灰度阈值调整，通过图像分割、区域增长等操作建立模型，数据再以stl格式导入工程软件Geomagic Studio2012（Geomagic公司，美国）进行光滑除糙、缩减三角面片、图形缩放等处理，分别建立含有尺桡骨远端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三维几何模型（图1-2-B），最终保存为IGES格式[2]。

1.2 建立三组交叉克氏针固定模型

运用软件Geomagic Studio在含有尺桡骨远端3.0 cm、腕骨、第1-5掌骨的三维几何模型上添加1.2 mm圆柱体模拟克氏针，形成桡骨月关节固定针、舟月关节固定针、头月关节固定针、三角月关节固定针。各固定针模型以IGES格式保存。根据三组固定术式选取其中固定针，最后得出A，B，C三组交叉克氏针固定模型（A组：舟月关节和桡月关节固定；B组：头月关节和舟月关节固定；C组：月三角关节和舟月关节固定）。各固定针均要求固定4层皮质，且各关节间隙克氏针外露最小，不累及邻近关节。

1.3 三维有限元模型的建立

把Mimics软件建立腕部三维模型及相应1.2 mm克氏针模型导入有限元分析软件ANSYS 14.0中，对模型进行网格化，并对网格化后的模型进行网格优化，获得不包括软骨与其附属韧带等的各腕部骨骼有限元模型，并根据参考文献[3]，设计软骨层厚为1.2 mm，在此模型中根据软骨层厚进行手绘各软骨面。在除月骨以外腕骨及桡骨各相连关节添加约束，根据参考文献[4]，添加除与月骨相连以外的韧带强度力量，从而模拟得到月骨脱位周围韧带断裂、复位后模型。最终得到完整的月骨脱位术后腕部三维有限元模型。包括近端尺桡骨、腕骨、掌骨、各软骨面、克氏针。

骨、软骨与克氏针材料属性：一般来说，生物组织属于各向异性的非线性体。本实验假设腕部骨骼和关节软骨均为各向同性均匀的线弹性材料，又因皮质骨与松质骨的弹性模量均远大于软骨的弹性模量，所以将骨骼单元的杨氏弹性模量统一设置为10 000 MPa，泊松比0.3。在不同的文献中，软骨的杨氏弹性模量从1 Mpa到10 Mpa不等，泊松比从0.45到0.49不等，本实验选取杨氏弹性模量5 Mpa，泊松比0.47[5]。赋予1.2 mm克氏针单位材料属性：杨氏弹性模量E=110 000 Mpa，泊松比0.3[6]。

1.4 载荷设计与边界条件

将三组模型中的桡骨和尺骨近端在X，Y，Z三个方向施加完全约束，参照文献于第2掌骨头、第3掌骨头沿手和前臂轴向分别施加50 N～250 N的压力载荷[7]，并进行运算。

2 结果

三组模型在第2掌骨头、第3掌骨头分别沿手和前臂轴向施加100N的压力载荷下月骨位移应变分布云图见图1。

100 N压力载荷下三组模型克氏针上最大应力分布图见图2。

50 N～250 N压力载荷下月骨位移及克氏针最大应力统计表见图3，4。

3 讨论

图1 三组月骨位移分布云图

图2 三组克氏针最大受力分布

图3 月骨最大位移统计表

图4 克氏针最大应力统计表

月骨脱位是指月骨相对于周围的腕骨和桡骨远端的掌侧和背侧移位，后者极少见。按照Mayfield的观点，月骨掌侧脱位为腕关节背伸型损伤发展的最终阶段。在背伸及旋转暴力的作用下，月骨周围的韧带相继撕裂和断裂，周围腕骨背侧脱位并与桡骨远端一起挤压月骨，最终使其脱离背侧桡腕韧带的约束而发生掌侧脱位[7]。

月骨脱位主要治疗方法多采用掌侧弧形切开，切开皮肤和皮下组织，于掌长肌腱和桡侧腕屈肌腱切开深筋膜，切开腕横韧带，找到并保护正中神经，将神经和屈肌腱分别向两侧拉开，可显露脱位的月骨和关节囊。切开关节囊，保护月骨的掌侧韧带，清理关节间隙内的血肿或肉芽组织，牵引并背伸腕关节，复位月骨。相应克氏针固定，修复掌侧损伤韧带。术后用长臂石膏将腕关节固定于屈曲位或中立位，2周拆线，6～8周拔针后开始功能锻炼[1]。月骨与桡骨远端内侧小关节面相关节，远侧面有一深凹，分为外出大部和内侧小部，大部与头状骨相关节，小部与钩骨相关节。内侧面与三角骨相关节，外侧与舟骨相关节。月骨与周围5块骨头相关节，按照交叉固定有良好稳定性原则，总共有9种不同固定方法。临床上却缺少一个统一固定方法，而根据现有的文献报道，对月骨复位后固定方法主要以舟月关节和桡月关节固定；头月关节和舟月关节固定；月三角关节和舟月关节固定三种方法为主。

3.1 实验结果分析与临床意义

在本实验研究中，应用三维有限元分析对比月骨脱位的3种克氏针固定方案生物力学稳定及克氏针应力情况。在模型建立方面，正常腕关节的骨与软骨三维有限元模型中，在除月骨以外腕骨及桡骨各相连关节添加约束来模拟月骨脱位复位后模型。

在三组模型中，随着压力载荷的增加，月骨的最大位移随之增大，克氏针最大应力也随之增大，该情况符合力量守恒，同时也证明了该实验的合理性。三组实验中，A组月骨的最大位移最少，B组其次，C组位移最多（图3）。从数值来说，A组固定术式最稳定，C组固定最不稳定。但在不同压力载荷下，三组最大位移差均约为0.01 mm。在腕关节不稳中，以舟月分离最常见。现在文献和临床上，舟月间距（即舟月关节面中央部位的骨间距离）大于3.0 mm有诊断舟月分离的意义。三组最大位移差的0.01 mm相对于诊断舟月分离的3.0 mm，可以说三组固定术式的最大位移差异没有明显意义，其稳定性无明显差异，其稳定性相当。而在我们设计各关节固定克式针中，发现克氏针固定4层骨皮质最牢固，且克氏针经过的骨皮质越多越牢固。但该研究不在本次研究范围内。

在克氏针受力方面（图4），B组克氏针最大应力在三组模型中最大，其次为A组，且两组克氏针最大应力相差不大。C组克氏针最大应力较其余两组明显要小。由于腕关节屈曲范围约66°，其中桡腕关节承担40%，腕中关节承担60%。背伸范围55°，桡腕关节承担66.5%，腕中关节承担33.5%。桡偏活动范围15°，桡腕关节承担7°，腕中关节承担8°。尺偏范围35°，桡腕关节承担20°，腕中关节承担15°[8]。桡月关节、头月关节为纵行关节，腕关节的屈伸主要靠桡月关节、头月关节实现，克氏针固定方向与腕关节活动方向相垂直，克氏针受力较横向关节较大。而C组固定关节为横向关节，主要负责桡偏及尺偏，其活动范围明显小于屈伸活动，克氏针受力较小。查看各金属屈服强度（屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。），其中钛合金的屈服强度为350～400 Mpa。B组固定克氏针最先达到屈服强度，从而发生屈服现象即容易断裂。当载荷负荷达到200 N时，A，B两组均达到屈服强度，C组固定最大应力仍在屈服强度以下。

在临床工作中，我们发现在1例月骨脱位病例中出现克氏针断裂，该患使用的固定术式正是B组头月和舟月关节克氏针固定，术后石膏固定于屈曲位。患者缺乏随诊，术后2周拆线出院，后再未回院复查。于术后6周回院复查X线片，见头月固定针断裂（图5，6）。该患者只能再次手术切开取出克氏针。

图5 头月和舟月关节克氏针固定术后

图6 术后6周克氏针断裂

B组头月关节和舟月关节固定方法中，虽然有较好的稳定性，但其克氏针应力最大，克氏针断针风险最大，所以临床上最好避免行该方法固定。而实践中反而常见该固定术式，主要因为此固定方式能在掌侧弧形直视下完成。A组舟月关节和桡月关节固定，虽然有最好的稳定性，但其克氏针应力与B组相近，且远大于C组克氏针应力。A，B组克氏针断针风险均很大。C组方法固定中，月骨位移与前两组相差不大，三种固定方法稳定性相当，C组固定虽然没有A组固定稳定，但其关节间隙中克氏针应力较其他两种要小，术后不容易出现克氏针断裂或松动，所以临床上建议使用月三角关节和舟月关节固定治疗月骨脱位。