三翼肋骨接骨板治疗多发性肋骨骨折及连枷胸的临床应用与力学分析

【作 者】黎健明，王冬冬，王晓奇，王长涛，王盛章

1 复旦大学 航空航天系&生物力学研究所，上海市，200433

2 复旦大学附属浦东医院 胸外科，上海市，201399

0 引言

肋骨骨折是最常见的胸廓损伤情形之一。目前，临床上对于显著错位的多发肋骨骨折和连枷胸多采用内固定治疗。主要的内固定器械包括：①形状记忆合金环抱器[1-2]，使用前需先置于无菌的冰生理盐水中浸泡3～5 min，固定位置后用热敷方法使其闭合，优点是操作简单、组织相容性好，但在植入后肋骨曲率较大时，不能紧贴肋骨，在骨折肋骨宽度小于环抱器时，出现抱不紧的情形[3]；② 可吸收螺钉[2-4]，在手术中需要将断骨错位进行植入，再利用可吸收线对骨折两端捆扎固定。优点是固定后被吸收，无需手术取出。但受人的髓腔大小变化差异，可吸收钉与髓腔大小匹配较难，容易出现松动；③多孔螺丝钉重建钢板[5-6]，从Oyarzun等自1992年设计并开始使用，在肋骨固定中表现出很好的固定效果，无松动脱落。但Reber后来研究指出，重建钢板和皮质骨螺丝钉的过多使用会导致胸壁僵硬，且当发生粉碎性骨折时，该钢板不适用；④纯钛爪形接骨板[7-9]，手术时需要切开上下缘肋间肌，通过抓持钳固定在骨折处。爪形接骨板具有手术简便的优势，目前多为八爪接骨板，八爪接骨板[10]在肋颈部骨折断端距离根部小于2 cm时难以植入[3]，且固定点在断端两侧，距断端有一定的距离，对于断端有碎片的骨折得不到有效固定。新型的三翼肋骨接骨板在八爪的基础上做出改进。三翼肋骨接骨板爪子数减少，且在断端处增加固定点，具有植入时操作简便、稳固碎骨片等优势。但由于爪子数量减少，其固定性能受到质疑，缺少理论依据。本研究通过有限元方法对三翼肋骨接骨板固定肋骨进行力学分析，并结合临床上使用三翼肋骨接骨板治疗肋骨骨折取得的满意疗效进行临床验证，为三翼肋骨接骨板的固定性能和临床价值提供理论支撑。

1 三翼肋骨接骨板的力学分析

为了评估三翼肋骨接骨板植入后的效果，建立了人体的肋骨模型和骨折模型，在骨折处植入接骨板进行固定，分析固定后断骨的位移与应力，与正常的肋骨作比较。

1.1 肋骨和三翼肋骨接骨板模型的建立

根据人体胸廓的CT数据，使用医学影像软件Mimics 19.0（Materialise,比利时）对胸廓进行三维重建，获得胸廓模型的stl文件。使用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0（Geomagic,美国）处理，从中提取出相对容易受损伤的第六对的左侧肋骨段进行平整修复和前处理，拟合成光滑的Nurbs曲面，所得模型如图1(a)所示。所用固定器械为临床使用的三翼肋骨接骨板（图1(b)），纯钛金属制成，共六个爪，两端及中间各一对爪，板长35 mm，宽19 mm，爪长6 mm。使用Solidworks 2014（Dassault,法国）建立三翼肋骨接骨板模型，通过布尔运算根据肋骨表面的宽度设定接骨板宽度，使其紧密契合肋骨表面。

在肋骨中部将模型分成两段得到骨折的模型，模拟完全断开的骨折情形。根据肋骨生理结构，分成皮质骨、松质骨两层结构，还有近胸端附着的软骨[11-12]。使用Hypermesh 14.0（Altair,美国）软件对肋骨和三翼肋骨接骨板分别进行网格划分，根据文献统计[13]，把皮质骨的总厚度设定为1 mm。外层皮质骨使用楔形单元，单元数量为89610，内层松质骨使用四面体网格，单元数量为135423。软骨使用楔形单元，单元数量为11880。接骨板划分为六面体单元，单元数量为5955。网格划分结果通过了网格的收敛性检验，结果如图1(c)所示。

图1 肋骨与三翼接骨板模型Fig.1 Models of rib and three-wings rib plate

1.2 有限元分析

利用Abaqus17.0（Dassault,法国）对手术结果进行模拟和分析。三翼肋骨接骨板材料为纯钛，根据已有资料文献[14-15]得到接骨板和肋骨的材料属性，具体数据如表1所示。在肋骨骨折的临床治疗中，医生通过医用抓持钳把接骨板夹紧，使得接骨板与两端断骨间紧密接触，因此在接骨板与肋骨之间会存在较大的预紧力，采用过盈接触对接骨板的夹紧行为进行模拟。通过设置接骨板爪子的初始过盈为0.02 mm，计算出在过盈结束时，接骨板爪子与肋骨的接触面间存在20 MPa的预应力，模拟出肋骨与接骨板爪子之间的预紧力约为200 N。考虑病人康复阶段可能受到的外力碰撞，肋骨承受外界压力[16-18]。在撞击过程中，由于作用的时间较短，那么肋骨两端可视为固定[14,19-21]，因此设置肋骨两端固支的边界条件。设置三种不同外加载着的撞击情形（图2），大小均为0.3 MPa的均布压力，分别作用在不同的撞击位置，考查三翼肋骨接骨板在多种冲击下的固定性能。

表1 肋骨和接骨板的材料属性Tab.1 Material properties of rib and rib plate

图2 三种情形下肋骨受外加载荷示意图Fig.2 Sche maticdiagramofthe rib underexternalload in three cases

在三种不同载荷情形中，使用三翼肋骨接骨板固定后，肋骨的最大位移均小于正常肋骨，证明接骨板固定后的肋骨能承受更大的压力，三翼肋骨接骨板固定效果良好。在碰撞发生在肋骨近胸骨端和远胸骨端时，固定后肋骨最大应力小于正常肋骨，当碰撞发生在肋骨中部靠近骨折处

1.3 结果

图3 碰撞发生在肋骨中部时肋骨的位移分布Fig.3 Displacement distribution of the rib when the collision occurred in the middle part

表2 不同载荷下正常肋骨与固定后肋骨的响应Tab.2 Responses of normal rib and fixed rib under different loads

通过有限元分析得到三种碰撞情形下肋骨的位移和应力响应，其中图3展示了发生在肋骨中部碰撞下肋骨的位移分布。在肋骨中部受到碰撞时，使用三翼肋骨接骨板固定后的肋骨与正常肋骨的位移分布相似，位移最大值均出现在肋骨中部受力位置，固定后的肋骨最大位移值小于正常肋骨，表明三翼肋骨接骨板固定效果良好。所有碰撞情形下正常肋骨与三翼肋骨接骨板固定后的肋骨的响应数据如表2所示。时，固定后应力超出正常肋骨21.3%，由接骨板边缘与肋骨挤压产生，在肋骨应力承受范围内，不会对肋骨造成损伤。骨折断面处在外力作用下会产生分离，在三种碰撞工况下，断面之间产生的间隙最大值均小于0.1 mm，说明在外力作用下肋骨的骨折断面处保持良好的贴合状态，更有利于骨折康复。综合位移、应力和断面间隙值三个指标，在三种不同碰撞情形下，三翼肋骨接骨板均表现出良好的固定性能，因此认为三翼肋骨接骨板在治疗肋骨骨折中有优越的固定效果。

2 临床回顾

2.1 临床资料

全组 53例患者，均通过胸部CT扫描加肋骨三维重建获得诊断。其中男42例、女11例，年龄13～85岁。车祸伤22例，摔倒伤27例（骑车摔倒4例），高处坠落伤2例，其它伤2例。多发性肋骨骨折47例，连枷胸6例。右侧肋骨骨折31例，左侧肋骨骨折20例，双侧肋骨骨折2例。合并血胸37例，血气胸5例，锁骨骨折4例，肩胛骨骨折1例，骨盆骨折1例，股骨骨折1例。

2.2 手术方法

气管内插管全身麻醉，多采用侧卧位，根据肋骨骨折部位和数量，选择1～3个平行肋骨的切口，每个切口可以固定4～7根肋骨。切口长5～8 cm，切开皮肤、皮下组织、肌层，显露骨折断端，切开肋骨骨折断端两侧上、下缘肋间肌，长度与接骨板等长为宜。保护肋间神经和血管，游离去除断端内嵌入的软组织，将断端解剖复位，保留断端骨折碎片并给予复位，用抓持钳将三翼肋骨接骨板微折成与肋骨相适应的曲度后置入，中间两爪位于断端处，用抓持钳先将接骨板两端的爪扣紧，再扣紧中间两个爪，按压接骨板确定抱紧肋骨无松动，完成固定。同法，对其他肋骨行骨折内固定。对合并胸腔积血者，胸腔镜下清除积血，置胸腔闭式引流管，逐层缝合。

2.3 临床结果

在2017年10月至2019年10月间，使用纯钛三翼肋骨接骨板治疗骨折病人共53例，其中男42例，女11例，平均使用三翼肋骨接骨板进行内固定数为（4.6±1.8）根。术后一周复查CT影像重建见图4，均显示肋骨骨折复位良好，接骨板无滑移、脱落迹象，固定效果良好。错位的肋骨及连枷胸胸壁塌陷得到矫正，对于粉碎性骨折，碎骨也能固定良好。患者疼痛感得到明显缓解，呼吸恢复顺畅，术后无切口感染、肺部感染或肺不张等并发症，平均术后住院（7.1±2.2）d，患者恢复状况良好。

图4 部分肋骨骨折患者术前(上)、术后(下)胸廓CT扫描重建影像Fig.4 CT reconstruction images of chest before (upper) and after (lower)operation in some patients with rib fracture

3 讨论

临床上使用爪形接骨板治疗多发性肋骨骨折，通过切开上下缘肋间肌植入，使用抓持钳固定，手术操作容易。本研究通过使用有限元的方法，创新性地使用过盈接触模拟出三翼肋骨接骨板与肋骨之间的预紧力，充分考虑了三翼肋骨接骨板的分离、脱落和失效等问题，反映出临床上使用的真实情形。结果显示为，在不同的撞击载荷下，三翼肋骨接骨板固定后的肋骨的最大位移小于正常肋骨，同时说明固定后的骨折肋骨能承受的压力更高于正常肋骨，骨折断面分离很小。通过力学分析证明三翼肋骨接骨板具有较好的固定性能。

传统的八爪接骨板由于板长（45～55 mm）、爪多，在肋骨曲率较大或肋骨颈骨折断端靠近根部时难以植入，且面对粉碎性骨折时断端碎片得不到有效固定。新型的三翼肋骨接骨板，在肋骨颈骨折断端靠近根部时适用性很好。发生粉碎性骨折时，三翼肋骨接骨板的中间爪子可以对断端处碎骨片进行包裹固定，有利于促进骨折处的愈合。

综上，通过有限元分析验证了三翼肋骨接骨板具有良好的固定性能，且从临床实践上证实了三翼肋骨接骨板在临床上使用的优越性和简便性，因此三翼肋骨接骨板有较高的临床使用价值。