不同进针角度张力带对髌骨C1型骨折治疗的有限元分析

王明波，吕慧成，张沛，郭军，贾海生

(内蒙古医科大学第二附属医院骨科，内蒙古 呼和浩特 010030)

髌骨骨折是四肢骨折中相对常见的骨折之一，在全身骨折中占比1%～2%[1-2]。髌骨骨折治疗中最为常见的是应用张力带内固定，张力带内固定髌骨骨折有固定牢固、可以早期功能锻炼等优点。目前常用的髌骨骨折内固定有AO张力带、“8”字形张力带、Cable-Pin张力带、记忆合金聚髌器、环形外固定器、经皮髌骨接骨内固定系统等。大部分研究主要为不同手术方法对髌骨骨折疗效的分析[3-6]，髌骨张力带的别针进针角度对骨折预后方面研究较少。我们利用现代多种软件对髌骨C1型骨折“8”字形张力带内固定效果(别针平行进针及成角度进针)进行模拟重建，成功建立三维有限元模型，并对这两种角度的内固定进行位移、应力、接触等方面的分析，现报告如下。

1 对象与方法

1.1 对象及相关材料 成年男性健康志愿者1例，25岁，身高176 cm，体量70 kg，无髌骨发育异常，无髌骨骨折病史，无膝部手术史，经X线检查排除髌骨疾病。志愿者对本次研究过程及可能发生不良结果知情同意，且得到医院伦理道德委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 CT文件的处理 成年男性志愿者平卧，使用16层螺旋CT扫描机对该志愿者自小腿中段至大腿中段进行薄层扫描，间距1.25 mm，共获得512层断层扫描图像。利用CT扫描的膝关节图像以Dicom格式输入三维重建软件Mimics中，调整适合的灰度，得到清晰的髌骨骨骼轮廓，对其进行Mask蒙皮处理后以STL格式文件导出。

1.2.2 三维实体重建 将STL文件读入Geomagic软件进行重建。对三维模型进行分割、光滑、打磨、去噪等相关的图像处理，进入多边形处理阶段，然后对模型进行曲面片分布操作，最后封装曲面实体化，生成三维图形IGES文件格式。

1.2.3 工况建模 利用Solidworks进行三维实体建模，取髌骨横轴分成四等分，纵轴三等分，取外、内1/4，前1/3处作为平行别针固定轴；取外、内1/4，前1/3处及外、内1/4，前1/2处作为交叉别针固定轴。利用扫描功能生成2根别针，直径2.0 mm，根据“8”字形张力带中钛缆的捆扎方式分别绘出钛缆曲线，利用扫描混合生成“8”字形张力带捆扎钛缆，钛缆直径1.8mm，完成针和张力带的建模与装配，再导入workbench进行布尔运算以及骨折面的切割。

1.2.4 网格划分 将组配完善的髌骨实体模型导入Ansys Workbench进行布尔运算，设置材料参数、接触方式等，然后进行网格划分，单元为Solid 187实体单元，交叉进针单元数309 028，节点数453 868，平行进针单元数307 759，节点数442 782。

1.2.5 杨氏模量及泊松比 各部件材料的杨氏模量及泊松比参数列表如下(见表1)。

表1 各组成部分的杨氏模量及泊松比

1.2.6 接触设置 各部件之间根据实际情况进行接触设置如下：金属之间设置摩擦系数0.1，骨折面之间摩擦系数0.3，金属与髌骨之间设置摩擦系数0.3。

1.2.7 施加荷载与约束固定 髌骨上方和下方韧带附着的区域，在髌骨骨折块上关节面施加正向压力600 N，模拟屈膝90°时髌骨受力的情况。

2 结 果

两种张力带钛缆在相同边界条件和荷载下，交叉进针较平行进针髌骨最大位移多0.015 4 mm、张力带最大位移多0.615 7 mm、别针最大位移多0.070 37 mm。张力带和针的Von Mises等效应力。交叉进针较平行进针张力带承受最大应力多50.694 MPa，别针承受最大应力增加38.44 MPa。平行进针较交叉进针骨折面接触最大压力高2.100 6 MPa，骨折面最大滑动距离少0.028 271 mm(见图1～4)。

本研究结果显示，a)不同角度别针的位移：髌骨骨折块在应力后，张力带别针平行置入位移比张力带别针成角度置入要小；b)骨折面压力：髌骨骨折面应力均以下位移为主，张力带有明显的对抗股四头肌的向上拉应力作用，张力带平行的时候骨折面压力峰值大于成角度入针的情况；c)骨折面的相对滑动距离：张力带别针平行置入时滑动距离小于成角度置入；d)髌骨张力带别针平行进针优于成角度进针。

a 交叉进针 b 平行进针 a 交叉进针 b 平行进针

a 交叉进针 b 平行进针

a 交叉进针 b 平行进针

3 讨 论

有限元分析是一种结构分析的数值计算方法，是将所研究目标物的外形、材料组成等特性用实用数学的方式表现出来，有限元分析方法目前已经广泛用于生物医学、生物材料学等领域。有限元分析方法能够将目前体外力学实验的相关问题简单化，可以将所研究目标的几何形状、材料性能、边界条件和载荷等特性用数学形式进行概括，并建立有限元模型[7]。有限元模型目前是研究内固定器械应力分布的常用工具，尤其是在研究临床手术技术因素对器械应力应变分布影响的方面具有其独特的优势[8]。

与传统的体外力学研究相比，它有以下优势：a)可模拟目标研究物的结构与材料的特性；b)既可以反映研究物区域性的信息，又可以反映全域性的信息，如张力别针治疗髌骨骨折能反应骨折块、内部不同角度克氏针的位移、骨折面间压力等的变化；c)既可以进行研究物的数学模拟分析，又可以进行定性研究；d)分析研究可重复性较高；e)能够克服传统方法对研究物各种条件设定的限制，得到体外实体生物力学实验法无法得到的研究结果[9-13]。由于以上优势，利用有限元方法对骨科临床科研方面应用范围较广，但大多集中在生物材料学研究，有关髌骨C1型骨折内固定别针方向对骨折愈合影响方面的研究较少[14-17]，主要因为有限元方法对构建有两个难点：一是钛缆张力带是贴附在髌骨前表面；二是钛缆张力带与别针接触的四端，不仅要与髌骨前表面贴服，而且还要与别针相贴服，进行局部设置分析时困难，从而对髌骨骨折张力带固定方面的研究产生较大影响[18-19]。

我们根据Solidworks软件的强大建模功能，对髌骨C1型骨折及张力带别针内固定手术进行模拟，并将之导入ANSYS，建立髌骨C1型骨折张力带内固定三维有限元模型，并模拟屈膝90°进行应力分析。利用Ansys Workbench软件的辅助功能分析不同进针角度别针张力带在相同应力加载后的位移变化，得出对于髌骨C1型骨折，平行进针张力带要优于成角度进针张力带内固定的结论。同时揭示了张力带中别针的位移要大于钛缆位移的特点，突出了内固定中别针所起到的弹性固定作用。本研究首先对自愿者膝关节的薄层螺旋CT扫描图片，经Mimics 20.0软件的提取，Geomagic 2012软件的去噪、封装、光滑化，重建的髌骨几何体可以反映出正常男性髌骨的结构及各方面细节。在构建别针时，别针的位置根据临床实践及经验，取外、内1/4，前1/3处作为别针的放置轴，与临床治疗实际情况较符。

在髌骨建立有限元模型时，为了后期进行计算时尽量和实际情况相符，我们将单元进行较为详细的划分，尤其是对钛缆张力带的处理，选用了Solid187单元，Solid187实体单元是带中间节点的四面体单元，尤其是对形状不规则的物体时可以保证精确计算。Solid 187具有协调的位移函数并且能模拟边界曲线，其塑性、蠕变等能力也较前者强大。构建的平行进针钛缆张力带总节点数：442 782，总单元数：307 759；成角度进针钛缆张力带总节点数：453 868，总单元数：309 028。考虑到髌骨、钛缆、别针形态不规则，别针与骨折块、别针与钛缆张力带、钛缆张力带与髌骨前表面、钛缆自身等接触较为复杂，利用Ansys Workbench的布尔运算功能，分别建立了髌骨C1型骨折断端的骨皮质和骨松质、别针和钛缆的模型。

髌骨在下肢活动中能够将股四头肌的力量传递至髌韧带，并在膝关节伸直运动时起到杠杆支点的作用[20]。因此从生物力学方面考虑，髌骨的作用较为重要。髌骨骨折目前的治疗方法首选手术内固定[21-22]。有研究显示，张力带在对抗股四头肌的拉应力及膝关节屈曲应力时，能将作用于骨折端应力转化成骨折端间压力，从而使内固定不容易失效，并对断端骨折愈合起到积极作用[23-25]。克氏针钛缆张力带内固定是治疗髌骨骨折最常见的治疗方式，在克氏针对抗压力的同时钛缆还具有内聚加压作用[26-27]。

本研究通过建立髌骨C1型骨折钛缆张力带内固定有限元模型，能够了解髌骨C1型骨折内固定术后骨折面、别针、钛缆的变形及位移情况。结果显示，髌骨骨折块在屈膝90°上，关节面与股骨内外髁接触区域施加正向压力600 N，髌骨骨折块在应力后向下移位的绝对值从骨折中心到周围位移均逐渐减少，因此张力带骨折端及中心压作用与前期学者报道一致[28-29]。张力带别针平行置入位移比张力带别针成角度置入要小，可以保证髌骨骨折复位能够良好地对位，张力带有明显的对抗股四头肌的向上拉应力作用[30]。张力带平行的时候骨折面压力峰值大于成角度入针的情况，且张力带别针平行置入时滑动距离小于成角度置入；与其比较，平行进针张力带稳定性更佳，使用该种内固定治疗髌骨C1型骨折后具有牢固的固定及断端加压作用，可以有效促进骨折愈合及术后早期功能锻炼。

本模型所研究的髌骨C1型骨折的骨折接触面、内植物、内植物与髌骨接触等的构建较复杂，进行相关接触面、内植物位移等方面有限元分析费时较长。但在髌骨的三维构建、骨折类型、内固定方式等有限元设置时尽量与临床实际相一致，可保证我们建立模型的可靠性，并针对髌骨体积较小、外形相对不规则的特点，精细划分单元，可以使后期通过有限元分析此模型的结果相对准确。因此，我们建立的髌骨C1型骨折及不同进针角度模型可应用于髌骨骨折内固定术后的比较分析，为下一步的临床治疗及研发相关手术器械提供相关基础和借鉴。