带锁髓内钉与锁定加压接骨板固定胫骨近端骨折的有限元分析

周星衡，王永清，*，董黎敏，叶金铎，张庆杰，吴泽海

(1.天津理工大学机械工程学院，天津 300384；2.天津市第四中心医院骨科，天津 300140)

临床研究

带锁髓内钉与锁定加压接骨板固定胫骨近端骨折的有限元分析

周星衡1，王永清1，2*，董黎敏1，叶金铎1，张庆杰2，吴泽海1

(1.天津理工大学机械工程学院，天津 300384；2.天津市第四中心医院骨科，天津 300140)

目的评估带锁髓内钉(interlocking intramedullary nail，IIN)与锁定加压接骨板(locking compression plate，LCP)固定胫骨近端骨折的生物力学稳定性，为临床治疗方案的选择提供指导。方法按胫骨近端不同位置模拟骨折将其分成A、B、C三组，使用两种不同内固定物分别对骨折模型进行固定并用有限元法分析胫骨骨折模型及内固定物在500N轴向压缩载荷下的位移和等效应力及分布情况。结果3组模型中使用IIN固定的胫骨骨折模型及胫骨的最大轴向位移均比使用LCP的小；IIN及其固定的胫骨最大等效应力值均比LCP及固定的胫骨的小。且IIN应力分布较均匀，LCP应力集中在骨板与锁定连接处。结论IIN抗压缩能力强且固定坚强可靠，应力分布较均匀，抗疲劳性好，其固定胫骨近端骨折稳定性优于LCP。

带锁髓内钉；锁定加压接骨板；胫骨近端；有限元分析

1 资料与方法

1.1 模型建立 选取1名健康成年男性志愿者，经X线片排除胫骨损伤、肿瘤、畸形等病变。螺旋CT扫描检查右侧胫骨，扫描层厚0.75 mm，管电压120 kV，管电流100 mA，得到二维的连续横断面以及矢截面CT图像431层，数据以DICOM格式保存。将CT扫描数据导入到Mimics软件中，确定图像的二维空间方位。不同组织部分具有相应的灰度值，CT断层图像中骨骼的阈值在226～2 311之间，通过阈值设定功能可将胫骨与其周围的软组织部分区分出来。运用Mimics软件的区域增长功能分割骨组织并填充其中的空洞，通过三维计算功能构建出胫骨结构的三维雏形，并将其保存为STL格式文件。将已保存的数据再导入逆向软件Geomagic Studio构建几何模型的空间拓扑关系。通过对模型曲面局部特征的修补，并将模型简化处理，对模型的数据进行分割以构造栅格网，并完成曲面拟合。将合成的非均匀有理B样条曲线，生成NURBS曲面，并构建曲面片，最终获得胫骨的三维实体模型。

根据胫骨IIN和LCP及锁钉的设计参数，运用Pro/E分别建立其三维实体模型，并分别与胫骨模型装配，得到两种不同内固定物固定的骨折模型。将装配好的模型导入ANSYS 12.0，并分别将该模型在胫骨平台下4 cm、6 cm、8 cm三处进行切割，切割厚度为1 mm，以模拟胫骨近端不同位置的骨折。将切割好的模型按切割位置分成A、B、C三组，见图1。

1.2 模型属性定义 假设研究中胫骨、髓内钉、接骨板及锁钉等的材料属性均为连续的、均质的、各向同性的线弹性材料。依据Miyoshi等[5]的实验研究，分别对模型各个部分赋予材料属性参数(见表1)。根据模型固定的实际情况，将髓内钉、接骨板及锁钉与皮质骨之间的接触关系定义为绑定连接，其他接触关系均定义为无摩擦的硬接触。研究遵循精细与经济兼顾的原则，采用智能网格划分的方式对3组实体模型进行网格划分，并对模型接触处进行局部细化，所有单元类型均为二次四面体单元solid45。

表1 模型的材料参数和单元类型

1.3 边界条件及加载 首先按照正常站立状态下人体胫骨的解剖形态调整胫骨模型的位置，然后选取胫骨三维有限元模型远端面上的全部节点，将所选节点的六个自由度全部约束为零，作为胫骨模型的约束边界条件。人在正常活动时，人体胫骨平台承受的力约占人体重量的85.6%[6]。按正常人体重60 kg计算，则胫骨平台承受的作用力F=60 kg×9.8 N×85.6%，为503.33 N。模型中载荷取整计算，即为500 N。分别对3组不同模型施加500 N的轴向压缩载荷，模拟人正常活动时胫骨平台的受力情况。研究中忽略韧带、肌肉以及其他软组织对胫骨受力的影响。研究主要分析在轴向压缩载荷作用下骨折固定模型及内固定物的轴向位移和等效应力及分布情况。

2 结 果

2.1 模型的轴向位移 三组模型中使用IIN固定模型及胫骨的最大轴向位移均比使用LCP固定的模型及胫骨的轴向位移要小，而使用同种内固定物的模型及胫骨的最大轴向位移基本一致。具体参数见图2～3。

图2 三组骨折固定模型的最大轴向位移 图3 三组固定模型中胫骨的最大轴向位移

图4 两种不同固定模型中胫骨的最大等效应力值 图5 两种不同内固定物的最大等效应力值

2.2 模型的等效应力及分布 3组模型中胫骨的应力基本一致，具体见图4，其应力集中出现在胫骨下段1/3处。3组模型中内固定物的最大等效应力值均是IIN的比LCP的小，具体见图5。IIN的应力集中在骨折缝隙处的髓内钉上，LCP的应力集中在骨板与锁钉连接处，见图6。

3 讨 论

3.1 有限元法研究的有效性 力学性能的优劣往往决定了医疗器械的临床应用价值的大小[7]，因此对内固定物的力学性能进行研究分析是非常有必要的。查阅文献可知，以往有大量体外实验对内固定的生物力学性能进行分析，由于其研究缺乏生物学变化，且实验取材困难费用高，其应用受到限制。而有限元法是一个较为理想的方法，采用数值模拟体内的真实环境，同时避免了体外实验因个体差异而造成的影响，且在持续研究中可重复使用。它能够真实、准确、客观地反映出各种不同受力情况下的应力分布规律，已在骨科研究中得到广泛应用。本研究建立了胫骨骨折固定的有限元模型并模拟胫骨受力进行加载。该模型与实体解剖形态相似度很高，且有限元分析结果与冯卫[8]和Florian等[1]体外研究结果是一致的，验证了本研究的有效性和可靠性。

3.2 分析结果讨论 一个好的内固定物应该能使骨折固定可靠并有效地恢复肢体正常的功能，防止其他并发症的发生。从研究结果显示，两种内固定均能很好的完成骨折的固定，然而从其位移程度来看效果也是不一样的。骨折模型的最大轴向位移均是使用IIN的比使用LCP的小，而同种方式固定模型的最大轴向位移相差很小。其中A、B、C3组模型中，而使用LCP模型的最大轴向位移分别是2.826 mm，2.883 mm和2.932 mm；使用IIN固定的最大轴向位移分别是2.150 mm，2.214 mm和2.241 mm，与前者相比分别降低了31.44%，30.22%和30.83%。本研究结果与冯卫等[8]体外实验结果是一致的。结果说明IIN固定骨折具有好的抗压缩能力，固定坚强可靠，相对而言更不容易使胫骨发生短缩等并发症。

a A组中两种不同内固定物的等效应力云图

b B组中两种不同内固定物的等效应力云图

c C组中两种不同内固定物的等效应力云图

不同的内固定物其受力方式也是不相同的。IIN为中央型内夹板式固定，髓内钉承受较大的剪切力，故其应力主要集中在髓内钉上；而LCP为偏心固定，其剪切力主要由固定骨板与骨的锁钉来承担，因而锁钉上应力集中，这与本研究的结果十分吻合。应力分布是衡量该器械性能优劣的一个重要标准，理想内固定物的应力应是均匀的分布在该器械上，而不是过度集中在某一具体部位[9]。从本研究结果来看，IIN装置的应力分布较均匀，而LCP装置应力集中在锁钉上。3组模型中内固定物的最大等效应力均是IIN的小。其中A、B、C3组LCP的最大等效应力值分别为26.6 Mpa，30.5 Mpa，49.3 Mpa；而IIN的最大等效应力值分别为22.8 Mpa，26.8 Mpa，26.6 Mpa，与前者相比分别降低了14.18%，13.81%，85.34%。临床上内固定物发生断裂大多是应力集中引起的疲劳破坏，由结果可知LCP固定更容易发生锁钉断裂。3组模型中胫骨的应力分布基本相似且均能够满足其屈服强度，其中A组胫骨的最大等应力值为使用IIN的比使用LCP的大，B、C两组中均是使用IIN的小。本研究结果与Florian等[1]体外力学实验结果基本相似，验证了本次研究的有效性，体现了对骨折固定IIN具有更好的稳定性，不易发生固定失效。

3.3 不足之处及后续待完善的内容 本研究建立了IIN和LCP固定的胫骨近端不同位置骨折模型并模拟其受力，分析了这两种内固定物固定时的位移和应力分布情况并对其固定效果有了初步评估。由于研究中对模型简化处理，只考虑轴向压缩载荷，尚未分析其他载荷时的情况。而骨折固定后的实际受力情况会受到肌肉及韧带等软组织的影响，往往是多种载荷的叠加[10]。且研究假设骨折断端处不传导力以消除不同横断面传导变异载荷的影响，这可能与实际情况不符。尽管存在上述不足，但由有限元分析的结果与其他体外实验结果对比可知，分析结果依然有效。在临床实践中，骨的解剖形态与骨折类型具有高度的复杂性，下一阶段研究中将逐步完善分析中的不足，根据胫骨近端骨折分型建立较复杂的骨折模型，并对其进行有限元分析。

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FiniteElementAnalysisofProximalTibialFracturesFixationwithInterlockingIntramedullaryNailandLockingCompressionPlate

ZHOU Xing-heng1，WANG Yong-qing1，2，DONG Li-min1，etal

(1.Mechamical Eugineer Department，Tianjing University of Science and Technology，Tianjing 300384，China；2.Department of Orthopaedics 4th Hospital of Tianjing，Tianjing 300140，China)

ObjectiveTo evaluate the biomechanical stability of proximal tibial fractures fixation using Interlocking Intramedullary Nail(IIN)and Locking Compression Plate(LCP)，and to provide guidance for the choices of clinical treatment schemes.MethodsSimulate fracture types were divided into three groups respectively A，B and C according to the different locations of the proximal tibia.Fracture models were fixed respectively using two different internal fixators.Displacement，equivalent stress and stress distribution were analyzed under axial compression load of 500N of tibial fracture models and internal fixators.ResultsThe maximum axial displacement of tibial fracture models fixed by IIN and tibia was smaller than that of tibial fracture models fixed by LCP.The stress distribution on IIN was relative uniform，and stress concentrates in the connection between bone plate and locking screws of LCP.ConclusionIIN′s anti-compression capability is strong，fixation is stable and reliable，stress distribution is relative uniform，and fatigue resistance is high.The stability of proximal tibial fractures fixation with IIN is superior to LCP.

interlocking intramedullary nail；locking compression plate；proximal tibia；finite element analysis

1008-5572(2014)11-0995-04

R683.42

：A

天津市卫生局科研项目(09ky08)；*本文通讯作者：王永清

2014-06-27

周星衡(1988- )，男，研究生在读，天津理工大学机械工程学院，300384。

胫骨近端骨折是常见的下肢骨折，占所有胫骨骨折的5%～11%[1]。随着近年来现代建筑行业与汽车工业的飞速发展以及国民运动量的增加，胫骨近端骨折发生率呈明显上升的趋势。胫骨近端的解剖结构比较复杂，骨松质占较大比例，且其周围较少的软组织未能提供足够的保护，非常容易受伤，为骨折的好发处。胫骨近端骨折多为高能量创伤所致，易造成关节面嵌插、骨折端粉碎，常合并软组织、邻近韧带或半月板损伤、腘动脉或动脉分叉损伤、筋膜室综合征等[2]，严重威胁膝关节的结构完整和正常功能，对患者的生活质量造成影响，因而胫骨近端骨折的正确治疗尤为重要。胫骨近端作为下肢关节的重要组成部分，其特殊的解剖结构形态，骨折损伤的多元性，其骨折的治疗要求比较高、难度系数大，且存在较高的并发症发生率[3]。因此，其治疗较为困难且治疗效果也不是很理想，故该种类型骨折治疗方案的选择也至关重要。

为了让胫骨骨折较好地复位并固定，恢复其正常的肢体功能，通常通过手术治疗来完成[4]。目前临床上固定胫骨近端骨折的方法很多，如外固定架复位、髓内钉固定术、接骨板固定及内外组合固定技术等。由于胫骨近端解剖特征的复杂性和损伤的多元性，没有哪种方法能适应于所有类型骨折的治疗。故该种类型骨折最理想治疗的方案仍有待进一步分析研究。本研究建立胫骨三维实体模型，模拟胫骨近端不同位置的骨折，并分别使用带锁髓内钉(interlocking intramedullary，IIN)与锁定加压接骨板(locking compression plate，LCP)对其固定。通过对其固定后的模型进行有限元分析，评估两种内固定物的生物力学稳定性，为胫骨近端骨折临床治疗方案的选择提供指导。