基于有限元分析的胫骨中段骨折接骨板固定方式研究

【作 者】姚天平，石彬，周凯华

1 上海市医疗器械检验研究院，上海市，201318

2 上理检测技术（上海）有限公司，上海市，201707

3 复旦大学附属中山医院青浦分院，上海市，201700

0 引言

胫腓骨骨折是全身最为常见的骨折之一，约占全身长骨骨折的13.7%[1]。虽然髓内钉仍是胫骨骨干骨折治疗的金标准，但对于那些骨骺未闭合、髓腔太细的粉碎性骨折采用微创钢板内固定技术（minimally invasive plate osteoynthsis，MIPO）进行桥接固定也是不错的选择，可促进骨折端的愈合[2]。一项Meta分析研究显示，髓内钉和钢板在延迟愈合或骨不连方面没有统计学差异[3]。然而在临床工作中仍可以见到不少胫骨骨折术后延迟愈合或骨不连，甚至是内固定断裂等术后并发症，其比例可高达13%[4]。

究其原因，除了受伤或手术引起的血供问题，最大的原因还是生物力学的问题。KAFUER[5]曾提出髋部骨折中，影响骨折生物力学的五大因素：骨的质量、骨折的形态学、骨折的复位质量、植入物的选择和植入物放置的位置。骨痂的形成是由骨折块之间的毫米级的运动所诱导的[6]，以0.2～1.0 mm的微动距离为宜，超过2 mm则对骨折愈合会产生负面效应[7]。目前临床上常用的金属接骨板弹性模量远大于人骨皮质的弹性模量（骨皮质弹性模量为18 GPa，而钛合金接骨板为106～155 GPa），这也是影响骨折块间微动的主要因素之一[8]。临床上已有医生使用复合材料CF-PEEK代替金属材料接骨板，在上肢非负重部位骨折固定中，取得了不错的临床效果，但在下肢负重长管状骨骨折内固定应用方面，该材料的研究仍较少。同时胫骨没有明确固定的张力侧，国际内固定研究学会（Arbeitsgemeinschaftfür Osteosynthesefragen，AO）并未明确提出固定胫骨骨折时放置位置，相关研究很少[9]。

本研究采用三维有限元分析法对胫骨中段粉碎性骨折进行仿真生物力学的分析，以分析和预测手术结果。本研究旨在解决以下问题：①不同材料接骨板对胫骨中段粉碎性骨折固定的生物力学差异；②接骨板放置位置对胫骨中段粉碎性骨折固定的生物力学差异；③接骨板有效工作长度对胫骨中段粉碎性骨折固定的生物力学差异。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验对象选取健康男性志愿者一名（年龄25岁，身高175 cm，体重75 kg），已签署实验知情同意书。

主要实验设备为全身通用型CT检查设备（Lightspeed 64层螺旋CT，美国GE公司）。

主要实验软件为：①三维重建软件Mimics 11.0；②三维模型处理软件Geomagie；③三维模型设计及组装软件Solidworks 2012；④Hypermesh软件；⑤有限元分析软件ANSYS 12.0。

1.2 方法

1.2.1 胫骨CT原始数据收集

健康成年男性志愿者一名，通过Lightspeed64层螺旋CT进行胫骨全长扫描。

1.2.2 胫骨全长三维模型初步重建

获取志愿者胫骨DICOM格式数据，采用三维重建软件Mimics 11.00进行模型重建。

1.2.3 胫骨三维模型平滑处理

将重建好的胫骨模型以STL 格式导入Geomagic软件，进行修复光顺、填补孔洞等操作，逆向处理，以iges或stp格式导出。

1.2.4 胫骨中段粉碎性骨折有限元模型的建立

将逆向的模型输入Hypermesh中划分三维四面体网格。按文献方法去除1 cm骨块[10]，模拟长管状骨中段粉碎性骨折。

1.2.5 胫骨中段粉碎性骨折三维模型建立

利用Solidwords导入胫骨中段粉碎性骨折模型。设计8孔和10孔固定方式，不同工作长度的接骨板位于胫骨的内侧和外侧，于相应胫骨骨质处挖出螺钉直径的空洞，置入相应锁钉及接骨板。锁钉固定双层皮质，锁钉钉尾稍微高出对侧皮质骨一点，共建立12组模型，详见表1，其中4组见图1。

表1 胫骨中段骨折有限元计算模型分类Tab.1 Classification of finite element calculation models for middle tibial fractures

图1 胫骨骨折几何装配模型Fig.1 Geometric assembly model of tibial fracture

1.2.6 胫骨中段粉碎性骨折有限元力学分析

将12组模型导入ANSYS有限元分析软件中，接骨板的材料依次选择为不锈钢、钛合金和CF50，螺钉的材质由于CF-PEEK材料不透X线，临床上固定时仍采用钛合金金属螺钉。不同材料接骨板和骨的材料特性，如表2所示。

表2 胫骨中段骨折中不同接骨板和骨的材料特性Tab.2 Material properties of different plates and bones for middle tibial fractures

1.2.7 分析及接触设置

创建一个“Static General”分析步骤，对胫骨模型进行分析，松质骨附着生长在皮质骨上，两者“绑定”约束；锁定钉和接骨板螺孔、锁定钉自攻螺纹都“绑定”约束。其余接触关系，如接骨板外表面与皮质骨外表面等由通用接触实现。

1.2.8 加载方式与边界条件

对上述建立好的有限元模型，以胫骨近端为加载点，施加轴向压缩载荷，载荷方向沿胫骨干长轴方向，约束胫骨远端。因75 kg成年人行走时，膝关节承受人体约85.6%的质量，所以施加载荷大小为200 N（部分负重行走）和700 N（完全负重行走）（见图2）。

图2 有限元模型中载荷及边界条件Fig.2 Loading and boundary conditions in FEM model

1.2.9 有限元分析

在ANSYS 软件中，对胫骨接骨板内固定系统进行轴向压缩200 N和700 N加载，并进行计算，得出接骨板应力分布和骨折端移位情况，同时计算骨折端应变来评估骨折端微动。相关研究报道显示，骨折端应力在7%～33%范围是比较理想的，能促进骨痂形成[11]。通过将DL1和DL2分别定义为胫骨内侧位移和胫骨外侧位移，骨折端的应变εIF为的平均值见式(1)。L代表断裂间隙的宽度。应力遮挡率η见式(2)[12]。σ1是固定时骨应力，σ2是未固定时骨应力（见图3）。图3中A点为接骨板对侧骨折端，B点为接骨板下方的骨折端，C点为胫骨中轴线。

图3 胫骨骨折端不同位置测量点的图示均为近端骨折最远端Fig.3 The measurement points at different positions of the tibial fracture end are the most distal part of the proximal fracture

2 结果

2.1 接骨板应力

在200 N和700 N两种行走模式对应的轴向压缩载荷条件下，接骨板有限元应力计算结果（见图4）均未超过各接骨板自身材质参数最大可承受的应力。

图4 200 N和700 N轴向压缩载荷下接骨板最大应力结果Fig.4 The maximum stress results of the plate under 200 N and 700 N axial compression load

各接骨板受到应力最大值均位于骨折端，其中具有代表性的有限元计算结果，200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下的应力分布如图5所示。200 N部分负重行走模式下，CF50材质内侧10孔接骨板为12组模型中应力最大，数值为125 MPa。700 N完全负重行走模式下，不锈钢材质内侧10孔接骨板为12组模型中应力最大，数值为411.6 MPa。

图5 200 N和700 N轴向压缩载荷下接骨板应力Fig.5 The stress diagram of the plate under 200 N and 700 N axial compression load

2.2 骨折端位移

在200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下的应力分布如图6所示。200 N部分负重行走模式下，CF50材质外侧10孔接骨板为12组模型中位移最大，数值为0.8 mm。700 N完全负重行走模式下，CF50材质外侧10孔接骨板为12组模型中位移最大，数值为1.66 mm。最大位移结果呈现明显规律性，CF50接骨板的骨折端微动最大，而不锈钢接骨板的骨折端微动最小。外侧置板的骨折端微动大于内侧置板的骨折端微动，并且接骨板工作长度越大，骨折端的微动越大。

图6 200 N和700 N轴向压缩载荷下接骨板最大位移结果Fig.6 The maximum displacement results of the plate under 200 N and 700 N axial compression load

2.3 骨折端应力

在200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下骨折端最大应力结果，如图7所示。200 N部分负重行走模式下，CF50材质外侧10孔骨折端为12组模型中应力最大，数值为9.1 MPa。700 N完全负重行走模式下，CF50材质外侧10孔骨折端为12组模型中应力最大，数值为19.2 MPa。其中，CF50材质接骨板的骨折端的应力最大，不锈钢材质接骨板的骨折端应力最小。除700 N完全负重行走模式下CF50材质8孔接骨板和钛合金材质10孔接骨板内侧置板4组模型的骨折端应力大于外侧置板。其余8组模型，外侧置板的骨折端应力大于内侧置板，并且骨折端的应力随着接骨板的工作长度的增加而增加。

图7 200 N和700 N轴向压缩载荷下骨折端最大应力结果Fig.7 The maximum stress results of the fracture end under 200 N and 700 N axial compression load

2.4 接骨板下方骨皮质应力遮挡率

在200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下的最大位移结果如图8所示，其中，CF50材质接骨板的板下皮质应力遮挡率最小，不锈钢材质接骨板的板下皮质应力遮挡率最大。并且，除700 N完全负重行走模式下钛合金材质8孔接骨板内侧固定时板下应力遮挡率小于外侧固定，其余10组模型接骨板内侧置板时板下皮质应力遮挡率均大于外侧置板。不锈钢材质和钛合金材质接骨板均内侧固定时，工作长度越大，接骨板板下皮质应力遮挡率越大，其余模型组别板下的皮质应力遮挡率随着接骨板工作长度增加而减小。

图8 200 N和 700 N轴向压缩载荷下遮挡率结果Fig.8 The occlusion rate results of the plate under 200 N and 700 N axial compression load

3 讨论

研究表明，骨折愈合需要生物学因素和局部力学环境的协同作用[13]，固定太强或太弱，都会导致骨折无法愈合。本研究的目的是帮助了解胫骨中段粉碎性骨折时不同材料、放置位置、有效工作距离对骨折端以及板下皮质应力遮挡情况，选择最佳内固定方式。通过研究，在200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下，CF50材质接骨板在治疗胫骨中段粉碎性骨折时，接骨板上受到的最大应力远小于接骨板材料自身特性抗拉强度，所以CF50材质接骨板与不锈钢材质接骨板、钛合金材质接骨板，从力学性能上分析可以同样安全可靠地治疗胫骨中段粉碎性骨折。

CF-PEEK是在传统PEEK材料的基础上改进而来的，具有更好的生物力学性能。由于CF50接骨板的弹性模量远小于不锈钢或钛合金的，所以CF50接骨板在轴向压缩载荷下断口的位移在可接受的范围内，而断口在轴向的位移比不锈钢或钛合金的更理想，刺激骨痂的形成。CF50在固定下肢粉碎性骨折时，骨板下的正常骨组织也会受到相应的应力，最大限度地降低应力遮挡作用，从而减少钢板取出后的并发症。

下面讨论接骨板放置在内侧还是外侧的问题。尽管SHON和PARK[14]报道了内侧和外侧MIPO技术治疗胫骨中远端骨折都能产生相似良好的临床和影像学结果。从骨折局部的力学环境来看，骨折后在胫骨的前内侧存在着张应力，临床上推荐将钢板置于张力侧，原来的张力通过钢板螺钉的作用转变为了骨折断端间的压力，利于骨折愈合[15]。由于胫骨内侧软组织较薄，一旦出现相关并发症，极易出现皮肤坏死，所以一些学者建议将钢板置于前外侧肌肉下[16]。CAO等[17]的有限元研究显示胫骨内侧植入钢板的峰值应力高于胫骨外侧植入钢板的峰值应力。我们的研究显示在应用10孔钢板时，钢板上应力结果与CAO的结果一致。但当使用8孔钢板时，外侧接骨板受到的应力大于内侧接骨板。这提示我们外侧固定时需使用长钢板，少螺钉。

当使用桥接接骨板治疗粉碎性骨折时，接骨板的有效工作长度对骨折端微动的影响与之前几项临床研究结果一致，这些研究得出结论是，使用相对较长的钢板是降低固定失败风险的重要技术因素[18]。

本研究还存在一些不足。首先，研究中只考虑了一种类型的胫骨粉碎性骨折，没有将腓骨的完整性纳入。其次，只采用了一种力学形式即轴向压力。再次，关注点是接骨板本身，对螺钉的细节处理，如锁定时的微动等未予以考虑。

4 结论

本工作创新点包括：①率先研究了CF50材料在下肢负重长管状骨骨折中的应用；②针对存在争议的接骨板放置位置提出了一种分析方法和结论。从有限元分析角度分析，CF50材料比金属材料更为理想，通过有限元分别计算200 N部分负重行走模式和700 N完全负重行走模式下接骨板受到的应力，未超过CF50材料自身抗拉强度数值，其力学性能达到了使用要求，可以安全使用。基于临床考虑，与不锈钢和钛合金钢板相比，CF50材质钢板固定的骨折具有最理想的骨折部位微动、促进骨痂形成和骨折愈合。减少了钢板下皮质骨的应力遮挡，减少了钢板取出后的再骨折，这种材料值得我们进一步研究。在治疗胫骨中段粉碎性骨折时，胫骨外侧置板和使用工作长度相对较长的接骨板在骨折端微动、应力以及皮质的应力遮挡率方面是有优势的。