双螺栓与克氏针张力带固定治疗髌骨横形骨折模型的有限元分析*

黄晓燕 薛锋*殷诺 沈玉春 潘明芒 唐果 肖海军

髌骨是膝关节的重要组成部分。在伸膝活动中，髌骨通过杠杆作用能使股四头肌力量提高约30%，尤其在伸直膝关节的最后10°～15°时，髌骨的作用更显重要。髌骨骨折是临床上较为常见的骨折，其发病率随着年龄的增长逐年增高[1]，骨折类型可分为横形、纵形以及粉碎性，其中横形骨折最为常见，约占所有髌骨骨折的50%～80%，大多发生于中1/3或下极。对于合并伸肌支持带撕裂的骨折、开放性骨折、骨折移位＞3 mm和/或关节面台阶＞2 mm为手术治疗的适应证。由于髌骨切除后可导致永久性的膝关节功能受限，伸膝力量减弱，并可引起股四头肌萎缩。因此，髌骨骨折后应尽量保存髌骨的完整，不主张进行髌骨切除。关节面复位不佳和内固定不够坚强是导致髌骨骨折预后较差的两个重要因素。克氏针张力带系统是目前应用最多的髌骨骨折固定方式，但仍存在骨折端加压力不足，固定失败的风险[2,3]。本课题组提出采用双螺栓系统固定髌骨横形骨折，双螺栓系统由两个独立的3.0 mm空心螺栓（本研究中简化为实心螺栓）及螺帽组成，固定时螺栓自髌骨下极向上极平行穿过骨折线，再用螺帽从上极拧入，并对骨折端进行加压。本研究拟采用双螺栓系统固定髌骨横形骨折，并采用有限元分析法对比其与克氏针张力带系统的稳定性。

1 资料与方法

1.1 髌骨横行骨折有限元模型的建立

采用 General Electrics16层螺旋电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)，对志愿者膝关节进行扫描，设定扫描参数，将扫描数据以DICOM格式输入Mimics15.01软件，经区域增长、阈值分割等处理后重建出髌骨的三维结构，然后导入有限元分析软件ANSYS12.0的Workbench模块建立完整的髌骨有限元模型，用Solidworks 2012软件的分割命令建立髌骨横行骨折模型。

1.2 双螺栓与克氏针张力带固定髌骨骨折模型的建立

采用Solidworks绘制螺栓及螺帽模型并装配在一起，分别建立两种固定方式的计算机辅助技术(ComputerAidedDesign,CAD)模型（见图1，2，彩图见插页），最后进行网格划分、材料赋值及确定力学边界条件。在ANSYS12.0模型中对各实体进行赋予单元类型及材料参数[4]，骨皮质单元类型为SOLID92，弹性模量170000，泊松比0.3；骨松质单元类型为SOLID92，弹性模量350，泊松比0.25；不锈钢丝单元类型为SOLID95，弹性模量206000，泊松比0.3；不锈钢克氏针、螺栓及螺帽单元类型为 SOLID45，弹性模量206000，泊松比0.3。然后进行划分网格，其中克氏针张力带固定髌骨骨折模型总节点数414256，总单元数303624，双螺栓固定髌骨骨折模型总节点数 409834；总单元数2998675，分别设置接触对。

图1，两种固定方式的CAD模型。

1.3 力学加载与分析

屈膝 90°时，髌股接触面积主要位于髌骨后侧的上方，因此本研究对髌骨上下极韧带附着部分进行约束，模拟屈膝90°髌股关节作用力600N，分别对两个模型进行力学加载[5]，分析模型位移及应力分布特点。

2 结果

螺栓系统固定治疗髌骨横形骨折时，螺栓与螺母相对最大位移为 0.02396 mm，骨折端的最大接触应力值为 47.57 Mpa，骨折端的最大等效应力57.40 MPa，螺栓的最大等效应力值为119.9MPa；克氏针张力带固定治疗髌骨横形骨折时，克氏针相对最大位移为0.01338 mm，钢丝相对最大位移为0.00857 mm，骨折端的最大接触应力值为26.24 Mpa，骨折端的最大等效应力71.34MPa，克氏针的最大等效应力值为63.1MPa，钢丝的最大等效应力值为272.2MPa（见图3，彩图见插页）。螺栓及克氏针张力带均存在应力集中现象，但最大应力值均小于屈服强度。

图2，克氏针张力带模型的位移、骨折端接触应力、骨折端等效应力及克氏针钢丝的等效应力云图。

图3，螺栓模型的位移、骨折端接触应力、骨折端等效应力及螺栓等效应力云图。

3 讨论

髌骨骨折治疗的关键在于最大限度地恢复其关节面的形态，力争使骨折解剖复位，恢复关节面的平整性，并牢固固定，以早期活动膝关节，恢复其功能，防止创伤性关节炎的发生。Lazaro等[6]通过尸体研究发现所有的尸体标本中髌骨血供的绝大部分来源于髌骨下极动脉，并且80%从中下部进入，因此建议髌骨骨折手术干预时应尽可能保留髌前动脉环（髌骨血供的全部来源），尤其是下极动脉网。而目前常用的克氏针张力带系统不可避免的破坏了髌前动脉环的完整性，减少了髌骨的血供，增加了髌骨骨折不愈合的潜在风险。

髌骨骨折内固定治疗的方式较多，克氏针张力带是目前最为常用的固定方式[7]。但克氏针固定强度较低，且其本身并不具备加压作用，主要依靠膝关节屈曲过程中钢丝在髌骨上施加的压力（即张力带效应）以固定骨折块[2]。崔永锋等[3]对张力带原理治疗髌骨骨折提出质疑，认为张力带固定并不能够实现骨折端的动态加压，反而只能在功能锻炼时对髌骨后侧加压，增加手术失败的风险。同时，克氏针张力带系统还有较高的技术要求，在固定过程中，如果两枚克氏针距离髌骨中轴线的距离不相等或不平行，则会产生钢丝的稳定性不佳使得固定失效，产生侧方移位等不良后果[8]。因此从固定强度上讲，克氏针张力带系统存在固定强度低，克氏针易松动、旋转，张力带滑脱、断裂等并发症。从临床效果上讲，切口创伤大、髌骨周围软组织剥离广泛，软组织刺激等并发症同样不容忽视。此外，张力带松动后游离问题同样不可忽视[9]。因此有学者采用空心钉治疗髌骨横形骨折，但因其较低的内固定强度，多需附加张力带以增强固定效果[10,11]。空心钉张力带系统虽能有效克服克氏针松动、软组织激惹等相关并发症，但同样具有切口大的劣势[11,12]。

徐洪璋等[5]采用有限元法建立髌骨骨折AO张力带模型，并施加正向压力600N模拟屈膝90°时髌股关节作用力的位移情况，结果显示克氏针具有明显的变形，提示可能出现内固定失效的情况。该课题组进一步研究发现，8字形张力带的固定强度要优于AO张力带内固定，但二者位移均大于1mm的衡量标准[13]。多项生物力学及有限元研究发现空心钉张力带固定髌骨横断骨折要明显优于克氏针张力带及单纯空心钉固定[14-16]，但其切口显露及软组织剥离范围并不逊于克氏针张力带。

采用双螺栓系统固定髌骨横形骨折时，仅采用髌骨上下极的四个小切口即可完成对骨折端的固定，而摒弃了传统的髌前正中切口，避免的髌前软组织的广泛剥离和显露，通过加用螺帽可以进一步实现对骨折端的加压，增加固定强度，促进早期愈合，手术技术难度低，临床可操作性强，对复位要求低的髌骨横形骨折有一定的实用性及应用价值。本研究通过有限元分析法发现，螺栓系统与克氏针张力带系统固定髌骨横形骨折模型时，两种固定材料的最大相对位移较为接近，均在理想范围内，但螺栓系统的骨折端加压力明显高于克氏针张力带系统，证实了螺栓系统良好的骨折端加压作用，为骨折愈合提供了力学基础。

综上所述，本研究所采用双螺栓微创固定系统治疗髌骨横形骨折，不仅能减少髌前软组织显露、保护髌前血供，同时还能够获得不逊于克氏针张力带的稳定性，以及更佳的骨折端加压效果，是髌骨横形骨折的更佳方式。