四孔螺钉肋骨接骨板治疗多发性肋骨骨折的力学分析

黎健明 王冬冬 王晓奇 王长涛 王盛章

0 引言

多发性肋骨骨折及连枷胸，是最常见的胸廓损伤情形之一，临床治疗手段主要为通过植入物进行内固定。目前主要的肋骨骨折内固定器械包括4种。(1)可吸收螺钉[1-2]，在手术中将断骨两端错位后进行植入，再利用可吸收线对骨折处捆扎固定。手术后期可吸收钉被完全吸收，无需二次手术取出。但人体肋骨髓腔大小存在差异，可吸收钉难以与髓腔匹配合适，容易出现松动，导致固定效果下降。(2)形状记忆合金环抱器[1,3]，使用前先置于无菌的冰生理盐水中浸泡，使其处于开启状态，置于骨折处固定后，用热敷方法使其闭合[4]。环抱器操作简单，组织相容性好，但在肋骨曲率较大时，环抱器植入后不能紧贴肋骨表面，当骨折肋骨宽度小于环抱器时，出现抱不紧的情形[5]，断骨可能发生移位。(3)纯钛爪形接骨板[6-8]，手术时切开上下缘肋间肌，通过爪形接骨板的抓持钳固定在肋骨断端处。爪形接骨板植入过程简便，但八爪接骨板[9]在肋颈部骨折中如其骨折断端距离根部小于2 cm时难以植入[5]，且对于断端有碎片的骨折难以得到有效固定。尽管改进的六爪接骨板能更好固定断端有碎骨的骨折[4]，但对于曲率较大的骨折位置，仍有其适用性局限。(4)多孔螺钉重建钢板[4，10-11]，Oyarzun等自1992年设计并开始使用，通过钢板连接断骨，用螺钉进行固定，对断骨有很好的固定效果，无松动脱落。但Reber等后来研究指出，重建钢板和螺钉的过多使用可能会导致胸壁僵硬。此外现有的多孔螺钉重建钢板存在跨度大、手术复杂、对肋骨损伤大的缺点。

本研究拟针对目前内固定器械存在的固定效果不足、大曲率肋骨段不适用等局限性，自主开发制造了四孔螺钉肋骨接骨板，在肋骨曲率较大处仍能紧密贴合肋骨表面以保证固定效果。研究进一步通过有限元模拟评价四孔螺钉肋骨接骨板的力学性能，并结合临床实践检验其治疗效果。

1 研究方法

首先建立人体肋骨模型和四孔螺钉肋骨接骨板的模型，组合后得到四孔螺钉接骨板固定后的肋骨骨折模型，通过有限元分析研究在外界碰撞下肋骨的应力和位移分布情况，与正常肋骨作比较，评价四孔螺钉肋骨接骨板的力学性能。

1.1 肋骨和四孔螺钉肋骨接骨板模型的建立

利用医学影像软件Mimics 19.0 (Materialise,比利时)对CT扫描的人体胸廓数据进行处理，重建得到患者胸廓的三维模型。使用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0 (Geomagic,美国)对胸廓模型进一步处理，提取出相对容易受损伤的第6对的左侧肋骨段进行平整修复和前处理，拟合成光滑的NURBS曲面，见图1(a)、(b)所示。

自主开发的四孔螺钉肋骨接骨板材料为纯钛，螺钉使用钛合金材料，接骨板厚度为1 mm，具体尺寸如图1(c)、(d)所示。参照实物，使用3D建模软件Solidworks 2016(Dassault,法国)建立四孔螺钉肋骨接骨板的模型，并通过弯曲使其完全贴合肋骨表面外侧，用于后续与肋骨的装配分析。

图1 肋骨与四孔螺钉肋骨接骨板模型Figure 1 Models of rib and four-hole screw rib plate

1.2 有限元模型及网格划分

首先在肋骨中部将模型分割成两段得到骨折的模型，模拟肋骨完全折断的情形。肋骨在生理结构上分为皮质骨、松质骨两层结构，且在近胸端附着有软骨[12-13]，因此建模时肋骨划分成不同区域，采用不同的材料属性。四孔螺钉肋骨接骨板在骨折处与两端肋骨贴合放置，螺钉穿过螺孔置于肋骨内，故采用螺钉与肋骨内部绑定约束，即螺钉与肋骨的接触面不会发生相对运动。使用Hypermesh 17.0(Altair,美国)软件对肋骨和四孔螺钉肋骨接骨板分别进行网格划分，皮质骨的总厚度设定为1 mm[14]。网格划分结果如图2所示。

图2 肋骨(a)与接骨板(b)的网格模型Figure 2 Mesh models of rib(a) and rib plate(b)

1.3 材料属性及边界条件

四孔螺钉肋骨接骨板和肋骨的材料属性源于文献[15-16]，如表1所示。由于螺钉材料刚度大，在肋骨加载过程中螺钉变形极小，故在模型中把螺钉视为刚体。碰撞过程中，肋骨两端设定为固支边界条件[15,17-19]。人体胸廓遭受撞击时，撞击的位置对肋骨的损伤程度有着重要的影响，本研究考虑3种不同的载荷施加位置，如图3所示，加载大小为0.3 MPa的均匀分布压力[4,20-22]，模拟胸廓受到中等程度碰撞情形中肋骨所受压力[4]。

2 研究结果

接骨板的有限元分析在Abaqus 17.0 (Dassault,法国)中完成，得到3种撞击载荷下肋骨的应力与位移分布。为了探讨四孔螺钉肋骨接骨板的固定性能，研究组对骨折固定后的肋骨及正常肋骨的应力、位移场分布进行研究比较，并与先前在同一模型中采用六爪接骨板固定的研究结果[4]对比，结果如表2数据所示。在3种不同位置的撞击载荷下，四孔螺钉肋骨接骨板固定后的肋骨的最大位移值最小，小于正常肋骨和六爪接骨板固定，且3种工况下骨折断面间隙值均很小，表明肋骨在骨折断面处在外力下仍能处于良好的闭合状态，紧密贴合的骨折断面有利于愈合和恢复。

表1 接骨板和肋骨的材料属性Table 1 Material properties of rib plate and rib

均布压力分别作用在肋骨不同位置，肋骨中部(A)、肋骨远胸骨端(B)、 肋骨近胸骨端(C)。图3 三种情形下肋骨所受载荷Figure 3 Load on the rib in three cases

当撞击发生在肋骨中部，即靠近骨折发生位置时，肋骨的损伤风险最大，图4(a)、(b)展示了当撞击发生在中部时肋骨的位移分布。位移最大值出现在肋骨中部加载处，使用四孔螺钉肋骨接骨板固定后最大位移为5.82 mm，骨折处断面间隙值为0.06 mm，表明螺钉肋骨接骨板能有效地防止断骨的错位和移动，从而保护胸廓和肺部。螺钉孔处出现应力集中现象，如图4(c)所示，最大应力值超出正常肋骨94.8%，此处高应力由螺钉与肋骨的锁定式接触产生，以保证接骨板的固定效果。对于撞击载荷发生在肋骨中部和近胸端时，均在螺钉孔处出现明显的应力集中现象，撞击发生在远胸端时，应力上升不明显，说明应力集中与加载的位置之间密切相关。

3 临床回顾

3.1 临床资料

全组30例患者，均由CT影像确诊为多发性肋骨骨折，其中男性26 例，女性4 例，34～87 岁。均通过手术使用四孔螺钉肋骨接骨板进行内固定。

3.2 手术方法

气管内插管全身麻醉，多采用侧卧位，根据肋骨骨折部位和数量，选择1～3 个平行肋骨的切口，切口长4～6 cm，切开皮肤、皮下组织、肌层，显露骨折断端，去除断端内嵌入的软组织，将断端解剖复位，用抓持钳将四孔螺钉肋骨接骨板微折成与肋骨相适应的曲度后置入骨折处，断端两侧各2个螺钉孔，选择的螺钉长度与肋骨厚度匹配，螺钉锁定深度刚好穿过内侧骨皮质，4个螺钉锁定后按压无松动，完成固定。

3.3 临床结果

30 例患者平均使用四孔螺钉肋骨接骨板进行内固定数为(3.3±1.7) 根。术后一周对患者胸部做CT复查，均显示肋骨骨折复位良好，如图5所示，四孔螺钉肋骨接骨板无松动、移位、脱落等迹象，固定效果良好，肋骨错位及连枷胸胸壁塌陷得到矫正，胸廓运动恢复正常。术后患者表示疼痛感明显降低，呼吸顺畅，术后无创口感染、肺部感染或肺不张等并发症，平均术后住院为(10.8±2.4) d，患者恢复状况良好。

4 讨论

本文通过有限元模拟，充分还原了四孔螺钉肋骨接骨板与肋骨的术后接触状态，分析了3种不同撞击位置下接骨板的固定效果，结果显示固定后的肋骨最大位移值降低，骨折断面处无明显的分离，表明四孔螺钉肋骨接骨板具有很好的固定性能。四孔螺钉肋骨接骨板也存在一点不足，从模拟结果可以看出，在其中两种工况下，螺钉孔处出现明显的应力集中，高应力的长期存在可能会对螺钉锁定处的肋骨皮质层造成损伤，故建议年轻患者在骨折恢复后进行二次手术取出接骨板。

表2 不同载荷、不同固定方式下肋骨的最大位移、最大应力与断面间隙Table 2 Maximum displacement,maximum stress and rib section gap of the rib with different kinds of load and fixation

图4 碰撞发生在肋骨中部时肋骨的位移与应力分布Figure 4 Displacement and stress distribution of the rib when the collision occurred in the middle part

图5 部分肋骨骨折患者术前(上)、术后(下)胸廓CT扫描重建影像Figure 5 CT reconstruction images of chest before (upper) and after (lower) operation in certain patients with rib fractures

临床上治疗多发性肋骨骨折使用的爪形接骨板，需要切开上下缘肋间肌植入，并注意保护肋间神经和血管。本文自主开发了四孔螺钉肋骨接骨板，无需切开上下缘肋间肌，避免了肋间神经和血管的损伤。接骨板弯曲成与肋骨曲率相适应后，直接置入在骨折处，通过螺钉固定，手术过程简便，手术难度降低。对于肋骨曲率较大的情形，爪形接骨板适用性差，而螺钉肋骨接骨板可以随肋骨曲率弯曲改变形态，具有很好的适用性，且对于连续多段骨折的情形也能通过连接断骨起到很好的固定作用。

综上分析，本文通过有限元模拟的方法检验了自主开发的四孔螺钉肋骨接骨板对于多发性肋骨骨折的固定效果。与六爪接骨板相比，四孔螺钉肋骨接骨板有手术简便、适用范围广、固定效果更好的优势。临床实践的回顾与总结进一步证实了四孔螺钉肋骨接骨板的临床使用效果，因此四孔螺钉肋骨接骨板对于治疗多发性肋骨骨折有很好的临床使用价值。