外置锁定钢板治疗胫骨近端骨折的有限元分析

焦玉爽　陈伟　杜红杰　张宗召　杨宗酉

【摘要】 目的探讨外置锁定钢板治疗胫骨近端骨折的生物力学可行性，为临床应用提供理论指导。方法采集1名志愿者下肢CT图像资料，分别进行正常胫腓骨、锁定钢板内固定及外置锁定钢板固定的虚拟三维模型重建。利用Abaqus软件，设定边界条件、施加150 N纵向静态载荷以模拟60 kg成人半负重站立时单侧下肢3种模型的受力分布及位移大小。结果正常胫腓骨模型半负重时最大应力值为7.7 MPa，位于胫腓骨远端;锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的整体最大应力值分别为214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺钉与钢板接触处。外置锁定钢板固定模型的整体位移大于锁定钢板内固定模型及正常胫腓骨模型，三者的最大位移分别为1.9 mm、0.5 mm和1.3 mm，整体刚度分别为78.9 N/mm、300.0 N/mm和115.4 N/mm。结论虽然外置锁定钢板使钢板承受了更大的应力，产生较大的位移，但其强度在安全范围之内，且刚度更接近于正常胫腓骨。因此，外置锁定钢板固定在生物力学方面具有一定可行性。

【关键词】 胫骨;骨折;锁定钢板;有限元分析

胫骨骨折为临床常见骨折类型，其发生率较高，约占全身骨折的3.3% - 6.8%[1]。胫骨干的前内侧面及嵴均位于皮下浅层，较少肌肉包裹，易触及，且此处骨骼质地较硬，弹性较小，导致此处的骨折容易造成皮肤等软组织的破坏而成为开放性骨折。对于开放性胫骨近端骨折，临床中多行一期外固定架固定，待皮肤软组织条件允许后，再行二期内固定治疗。然而，由于胫骨近端骨折块较小，外固定架需跨关节固定，常常导致膝关节功能障碍。另外，外固定架钉道较粗，易发生感染。胫骨平台锁定钢板具有强度大，角度稳定性的特点。目前已有学者将锁定钢板固定于皮肤之外治疗胫骨远端骨折[2]。然而，目前尚无外置锁定钢板治疗胫骨近端骨折的基础研究，因此，本课题组通过有限元模型模拟外置锁定钢板，并与常规锁定钢板及正常胫骨模型比较，旨在探讨外置锁定钢板的生物力学可行性，为临床应用提供理论指导。

材料与方法

一、资料采集

本课题组于2017年12月招募本院正常志愿者1名，经其理解并签署知情同意书后，对其行下肢CT检查，扫描层厚为2 mm，共获取CT图像892层。原始扫描数据以Dicom格式导入Mimics10.0軟件（Materialise Company， Leuven， Belgium），选取左侧胫腓骨进行三维重建。导人NX 9.0软件（ Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.USA），制作胫骨近端骨缺损模型以模拟近端粉碎性骨折。选择胫骨外侧锁定钢板（图1），根据钢板螺钉内固定物形态参数，利用NX 9.0软件分别对正常胫骨锁定钢板内固定模型及外置锁定钢板固定模型进行虚拟三维模型重建。其中将外置锁定钢板固定模型钢板设定为距离骨面3 cm。胫骨平台T形锁定钢板长150 mm、宽14.0 mm、厚4.5 mm、孔距12.5 mm、螺钉直径5.0 mm。将带螺纹的螺钉简化为等直径的光滑圆柱，根据胫骨形态、骨折特点及生物力学原则分别选取合适的螺钉进行固定（图2A-C）。

二、有限元分析

将重建模型导人Geomagic Studi0 12（ Geoma-gic，Research Triangle Park NC，USA）中进行网格划分优化，再以X_t格式导人有限元分析软件Abaqus 6.11（ Dassault Systemes Simulia， Providence，RI，USA）。本研究假设所涉及材料为连续均质各向同性的线性弹性材料。松质骨杨氏模量和泊松比分别为400 MPa和0.2，皮质骨分别为18 000 MPa和0.3，内固定物为110 000 MPa和0.3[3]。采用二次四面体单元分别对2种固定方式的实体模型进行有限元网格划分，并对模型接触处进行局部细化。将胫腓骨远端底面进行三向平移和旋转约束。将螺钉与锁定钢板设置为刚性连接来模仿内固定系统的锁定状态。本课题组选用150 N纵向静态载荷模拟60 kg成人半负重站立时单侧胫骨平台受力，其中内侧平台和外侧平台分别承受60%和40%应力[4]。根据轴向应力的加载分析胫骨、内固定物的刚度、受力分布及位移大小。

结果

一、正常胫腓骨模型、锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的应力比较

正常胫腓骨模型、锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型在半负重时，其应力分布如图2D -F所示。正常胫腓骨模型应力分布较为均匀，在胫腓骨远端略有增加。锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型均出现明显的应力集中，位于钢板第3-5孔及钢板与螺钉相连处。同时，螺钉周围骨质应力也明显增加。锁定钢板内固定模型在骨折的远端及近端出现应力遮挡区，而在外置锁定钢板固定模型中未观察到明显的应力遮挡。对于腓骨来说，外置锁定钢板固定模型腓骨整体应力高于正常胫腓骨模型和锁定钢板内固定模型。正常胫腓骨模型半负重时最大应力值为7.7 MPa，位于胫腓骨远端;锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的整体最大应力值分别为214.1 MPa和351.8 MPa，位于近端螺钉与钢板接触处。

二、正常胫腓骨模型、锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型载荷后的位移比较

如图2G -I所示，施加150 N人体半负重载荷后，锁定钢板内固定模型整体位移明显小于正常胫腓骨模型和外置锁定钢板固定模型，三者的最大位移分别为0.5 mm、1.3 mm和1.9 mm。对于胫骨近端骨折块，正常胫腓骨模型内外侧平台位移量均等，而锁定钢板内固定和外置锁定钢板固定模型整体以内侧平台位移为主，内侧平台位移明显大于外侧。对于骨折远端骨折块，3种模型的位移规律相似，内外位移平衡。经计算得出正常胫腓骨模型、锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的整体刚度分别为115.4 N/mm、300.0N/mm和78.9 N/mm。

讨 论

锁定钢板具有强度高、角度稳定等优点，避免了钢板对骨膜的挤压，用于骨折不愈合、骨髓炎、骨骼肌肉减少症的治疗[5-6]。但是目前该技术仍具有争议性，且关于该技术的生物力学研究并不完善。计算机有限元分析技术能够准确模拟复杂的人体力学环境、直观显示并定量计算应力分布、位移情况，在医学领域已获得了广泛认同[7]。

骨折内固定的抗旋转性与螺钉半径密切相关，随着螺钉半径增加而相应增加。其中，直径5 mm螺钉的整体抗旋转能力能达到3.5 mm螺钉的4倍，因此本实验模拟的5 mm螺钉可大大增加外置锁定钢板固定模型的旋转稳定性。本研究中正常胫腓骨模型半负重时最大应力值为7.7 MPa，锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的整体最大应力值分别为214.1 MPa和351.8 MPa。虽然锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的应力较正常胫腓骨大，但两者整体最大应力值均远远小于钛合金屈服强度[8]。胫骨近端骨折外置锁定钢板固定在强度安全范围之内，可提供足够的稳定性[9]。

由于锁定内固定系统的强固定会产生较大的应力遮挡，不利于粉碎性胫骨骨折的愈合。因此对于粉碎性胫骨骨折，应给予相对稳定的固定，以增加骨折断端的应力刺激，促进骨折愈合。本研究显示，施加人体半负重载荷后，正常胫腓骨模型呈现出内外侧均匀的轴向位移。而锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型呈现出内侧较大的不均匀位移。这是由于对骨折进行钢板螺钉固定后外侧获得比内侧更高的支撑。锁定钢板整体刚度主要受工作长度、螺钉直径及数量、钢板距骨面的距离和钢板长度等因素影响[10]。施加负荷后，正常胫腓骨模型、锁定钢板内固定模型和外置锁定钢板固定模型的最大位移分别为1.3 mm、0.5 mm和1.9 mm。由此可见，随着螺钉工作长度的增加，其整体稳定性会降低，更接近于正常胫腓骨模型，可以获得有利于骨折愈合的力学环境，具有一定的生物力学优势。

本研究存在一定的局限性。本实验为有限元分析，该方法虽然已得到广泛认同，但与人体真实力学及生物学环境仍具有一定差异。该研究结果尚需行临床研究进一步证实。

综上所述，虽然外置锁定钢板固定模型使钢板承受了更大的应力，产生较大的位移，但其强度在安全范围之内，且刚度更接近于正常胫腓骨模型。因此，外置锁定钢板固定在生物力学方面具有一定可行性。

参考文献

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