髓内钉和钢板3 种固定组合治疗成人前臂双骨干骨折生物力学三维有限元分析

杨振，张恩水，曾昱源，由一航 ，张涛

1 潍坊医学院临床医学院，山东潍坊 261053；2 济南市中心医院关节外科

前臂骨折是多由暴力损伤引起的常见骨折类型，可见于儿童及成人。成人前臂双骨干骨折是前臂骨折的类型之一，在临床诊疗中经常遇到［1］。前臂双骨干骨折保守治疗局限性较多，可能影响前臂旋转功能，手术治疗已成共识［2-3］。目前常用的手术方式主要包括钢板内固定和髓内钉内固定。钢板内固定是治疗前臂双骨干骨折最传统和最常用的技术，能够良好地恢复尺桡骨的解剖关系。髓内钉内固定近年来也成为治疗前臂双骨干骨折的重要技术，较少的软组织损伤是其优势。也有学者对钢板与髓内钉混合固定的临床疗效做了研究，认为混合固定具有较低的并发症发生率和较好的功能恢复效果，然而在最佳固定组合的选择上仍有争议。有限元仿真近些年已广泛应用于骨科领域，已有大量研究对单纯尺骨或桡骨骨折的不同固定方式进行有限元力学分析，但对前臂双骨干骨折有限元分析数据仍然缺乏。2022年1—7月，我们应用有限元仿真技术，建立A3.2 型前臂双骨干骨折模型（尺桡骨、软骨、韧带、骨间膜完整模型），施加不同力学载荷，探究钢板与髓内钉的3种固定组合（双骨钢板、双骨髓内钉、桡骨钢板尺骨髓内钉）治疗前臂双骨干骨折的有限元生物力学特性，为临床骨科医师合理选择前臂双骨干骨折固定方式提供依据。

1 资料与方法

1.1 前臂双骨干骨折有限元模型的建立 选择一名志愿者（男，29 岁，171 cm，64 kg），既往无上肢病史及创伤史。采用Philips 64 排螺旋CT 机对志愿者右前臂腕关节至肘关节进行扫描，将DICOM 格式数据导入Mimics 20.0 软件（比利时Materialise 公司），创建3D 实体，将STL 文件导入3-matic 12.0 软件（比利时Materialise 公司），建立桡尺松质骨模型、桡尺掌侧韧带、桡尺背侧韧带、桡骨环状韧带、右前臂骨间膜模型及尺桡骨软骨模型，根据骨折的AO/OTA分型建立A3.2 型骨折（即前臂双骨简单骨折、桡骨骨折平面位于中1/3 部分），设置骨折间隙1.5 mm以体现骨折后局部骨质不连续。

1.2 内固定有限元模型的建立及装配 根据Acumed公司（美国）提供的内固定模型，结合前臂骨折模型数据选择相应固定装置，根据尺、桡骨表面弧度预弯钢板，根据髓腔走行调节髓内钉形态结构，使用3-matic 软件进行1∶1 比例绘制，绘制过程中简化钢板边缘、髓内钉帽及螺钉螺纹，构建桡骨钢板（6-Hole，80 mm）、尺骨钢板（6-Hole，80 mm）、桡骨髓内钉（3.0 mm×190 mm）、尺 骨 髓 内 钉（3.0 mm×230 mm）及配套螺钉。在3-matic软件中按手术方式将3种固定组合与骨折模型进行装配，建立3组模型的完全节点共享非流行装配体，生成四面体网格并导出CDB 网格文件。Model-1 双骨钢板固定模型，由前臂近端至远端为1-6 螺钉；Model-2 双骨髓内钉固定模型；Model-3 桡骨钢板尺骨髓内钉固定模型。Model-1：420 989 个节点，226 660 个单元；Model-2：363 888个节点，197 778个单元；Model-3：392 889个节点，212 204个单元。

1.3 材料属性赋值 打开ANSYS 2022 R1软件（美国ANSYS 公司），在材料库中设置各材料弹性模量、泊松比。骨组织、韧带、钢板、髓内钉等的材料属性均为各项异性、非线性、非均质，为利于计算，施加静力载荷，将各材料均设为各向同性、均值连续性及线弹性模型［4］。结合相关文献［5-9］设置材料属性。皮质骨：弹性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；皮质骨：弹性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；皮质骨：弹性模量17 500 Mpa，泊松比0.3 v；松质骨：弹性模量800 Mpa，泊松比0.3 v；韧带：弹性模量500 Mpa，泊松比0.48 v；骨间膜：弹性模量930 Mpa，泊松比0.45 v；软 骨 ：弹 性 模 量 5 Mpa，泊 松 比 0.46 v；Acumed 钢板：弹性模量 130 Gpa，泊松比 0.28 v；螺钉：弹性模量 130 Gpa，泊松比0.28 v；Acumed 前臂髓内钉系统：弹性模量110 Gpa，泊松比0.33 v。

1.4 边界条件设置及载荷加载 将4 组模型的CDB 网格文件依次导入ANSYS 2022 R1 软件，对骨皮质、骨松质、软骨、韧带、骨间膜、钢板、螺钉及髓内钉分别赋予相应属性。以腕关节尺桡骨垂直方向为Z 轴设置垂直坐标，以尺、桡骨小头中点连线为Z 轴，设置旋转坐标［10］。设置接触的容差值为0.1 mm，内固定与尺桡骨之间设置为“绑定接触”。肘关节尺桡骨近端表面边界条件设为“固定支撑”，以防止选定的几何或网格实体发生移动或形变。在腕关节面处，沿垂直坐标Z 轴方向施加100 N 载荷，模拟术后坐位前臂撑床动作；在腕关节面处，以旋转坐标Z 轴为轴心，施加大小为1 000 Nmm 扭转力 矩［3，8］，模 拟 术 后 仰 卧 位 前 臂 旋 转 动 作 。 详见图1。

图1 边界条件及载荷

1.5 观察指标及观察方法 前臂尺桡骨、骨间膜、内固定物在骨折线处及与骨质连接处的Von-Mises应力分布及应力峰值，前臂远端尺桡骨的位移分布及位移峰值；选取骨折端上下平均分布的10 个节点，观察前臂骨折端尺桡骨平均应力。

1.6 统计学方法 采用SPSS23.0 统计软件。符合正态分布的计量资料以表示，比较用t检验或方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各模型垂直载荷及旋转载荷下前臂尺桡骨、骨间膜、内固定物在骨折线处及与骨质连接处的应力峰值和前臂远端尺桡骨的位移峰值 结果见表1。由表1 可知，与Model-1 相比，垂直载荷加载下Model-2、3 前臂尺桡骨应力峰值分别减少50.6%、51.0%；扭转载荷加载下Model-2前臂尺桡骨应力峰值减少61.6%，Model-3 增加12.4%。说明相较于钢板固定，髓内钉固定可减少前臂尺桡骨应力。不同载荷下，3 组模型的骨间膜均起到了前臂载荷的传递及重新分配，且Von-Mises应力均集中在骨间膜远端起始处及骨折处骨间膜附近。不同载荷下，内固定组合Von-Mises 应力均集中在骨折线及骨折线远端2枚螺钉与松质骨交界处。与Model-1相比，Model-2、3 内固定组合应力峰值，垂直载荷加载下分别减少20.6%、15.4%，扭转载荷加载下分别减少73.2%、20.8%。结果显示，Model-2、3 内固定组合应力小于Model-1，且Model-2内固定组合应力最小，说明髓内钉应力最小。不同载荷下，不同模型位移分布均集中在桡骨远端。与Model-1 相比，垂直载荷加载下Model-2、3 远端最大位移分别减少8.2%、5.3%；扭转载荷加载下Model-2 远端最大位移增加60.1%，Model-3 减少7.2%。结果显示，垂直载荷下Model-2、3 位移小于 Model-1，旋转载荷下，Model-3位移小于Model-1、2，说明桡骨钢板尺骨髓内钉固定组合模型稳定最佳。

表1 各模型垂直载荷及旋转载荷下前臂尺桡骨、骨间膜、内固定物在骨折线处及与骨质连接处的应力峰值和前臂远端尺桡骨的位移峰值

2.2 各模型垂直载荷及旋转载荷下前臂骨折端尺桡骨应力 结果见表2。在垂直载荷加载下Model-2、Model-3 尺桡骨平均应力均较小，分别为（64.00±28.24）Mpa 及（77.96 ± 21.91）Mpa，差异有显著性意义（P＜0.05）；旋转载荷条件下，Model-2 平均应力最小，为（104.63 ± 22.56）Mpa，差异均有显著性意义（P＜0.05）。结果显示Model-2 尺桡骨平均应力最小，说明髓内钉能起到较好的支撑作用。

表2 各模型垂直载荷及旋转载荷下前臂骨折端尺桡骨应力（Mpa，）

表2 各模型垂直载荷及旋转载荷下前臂骨折端尺桡骨应力（Mpa，）

模型Model-1 Model-2 Model-3前臂骨折端尺桡骨平均应力垂直载荷171.47±45.68 64.00±28.24 77.96±21.91旋转载荷284.01±50.84 104.63±22.56 313.00±62.42

3 讨论

上肢的功能取决于前臂的旋转，前臂的旋转取决于桡尺关节复合体，其中桡尺掌侧韧带、桡尺背侧韧带、环状韧带、骨间膜、尺桡骨软骨及肌肉均起到重要作用。前臂双骨干完全骨折后由于骨间膜和肌肉的牵拉而发生成角和旋转移位，若骨折治疗不当会影响前臂甚至整个上肢的功能。MATTHEWS等［11］对尺桡骨畸形角度进行了研究，发现尺桡骨在任何方向上产生10°及以上的畸形愈合都会导致前臂旋转功能受限。因此，不应使用一般长骨骨干骨折的理念对待前臂双骨干骨折，而应将其视为关节内骨折来处理，以最大程度恢复前臂旋转功能［12］。保守治疗容易造成患者前臂旋转功能丧失，手术是目前主要治疗方式，而且无论使用何种内固定方式，都必须重建上肢的轴向和旋转稳定性，恢复上肢的运动功能范围［13］。

目前临床可选择的手术方式有：双钢板内固定、双髓内钉内固定及钢板髓内钉混合内固定。钢板内固定具有复位充分、固定牢固、骨折愈合率高、功能恢复良好等特点，然而相关并发症也较多，如广泛软组织损伤、骨膜损伤、尺桡骨融合、神经血管损伤、骨膜剥离引起的骨不连和感染等。钢板固定存在“应力遮挡”及“偏心固定”，骨皮质容易变得薄弱，同时由于软组织损伤广泛，进一步减弱了骨皮质强度，以致取出后容易再次发生骨折，发生率可高达12.9%［14］。YAO 等［14］对 122 例采用钢板治疗前臂骨折的患者进行研究，建议骨折愈合后不取出内固定，至少不应该在术后 18 个月内取出。SADEK 等［15］认为，钢板取出后仍需用夹板制动6 周，且在6 个月内避免受到较大外力。学者对前臂双骨折钢板固定患者的患侧骨与健侧骨的强度比进行了随访，定期进行计算机断层扫描，应用有限元分析尺桡骨断裂载荷，结果显示术后1 年桡骨和尺骨的强度比分别为40.9%和29.3%，术后2～3 a 桡骨和尺骨的强度比分别增加到62.2%和37.3%，然而第3 年后强度比开始下降，术后5 年桡骨和尺骨的强度比分别降到38.8%和18.9%，说明长期使用锁定钢板固定前臂骨干骨折会导致进行性骨萎缩［16］。髓内钉固定符合人体正常生理力学特征，可规避钢板内固定的部分并发症，具有损伤小、恢复快、无皮肤瘢痕、无骨膜剥离、再骨折率低等优点。一项78例前臂双骨折髓内钉固定研究显示，只有1 例（1.2%）患者发生了尺桡骨中1/3 骨性融合，证明了髓内钉固定具有较高的愈合率和较低的关节粘连发生率［17］。然而髓内钉也有诸多不足，如骨不连发生率高和常需辅助固定等。何红英等［18］认为，采用髓内钉治疗前臂双骨折疗需用石膏或支具将腕肘关节固定于功能位4周左右，向患者交代以取得配合，避免过早去除制动后局部不稳定导致骨不连。YORUKOGLU 等［19］发现，拇长伸肌腱损伤是应用桡骨髓内钉的常见并发症，这可能与手术技术相关。术中应注意避开肌腱，髓内钉置入后将其埋入骨面，以防远期肌腱在突出的钉头上反复磨损而断裂。除了采用双钢板或双髓内钉治疗成人前臂双骨折，目前也有学者提出采用钢板与髓内钉相结合的混合固定方式。Kim 等［20］对47例前臂双骨折患者进行12个月的随访，结果显示双骨钢板固定在功能恢复及平均愈合时间等方面优于混合固定，但混合固定也有满意的临床疗效。ZHANG 等［21］对钢板与髓内钉混合固定的生物力学特性进行了研究，分别采用双骨钢板固定、双骨髓内钉固定、钢板与髓内钉混合固定，行轴向、弯曲和扭转载荷加载，结果显示髓内钉固定尺骨和钢板固定桡骨较其他三种方法并发症更少，功能预后更好，考虑与尺骨和桡骨的特殊解剖特征，尺骨比桡骨直，易于插入髓内钉，桡骨的钢板固定也有利于桡骨弓的恢复。BEHNKE 等［13］发现，使用双钢板固定和混合固定在骨折愈合时间、Grace评分、Eversmann评分及并发症方面无统计学差异，但混合固定并发症发生率较低。

目前尚无学者从有限元生物力学角度分析前臂双骨干骨折不同内固定方式的力学特点，并且常忽视骨间膜及韧带的作用，本次研究建立前臂有限元模型，骨间膜及韧带将尺桡骨链接为一整体，分析前臂骨折整体生物力学特征。骨间膜的中段及远段在前臂旋转过程中自身长度无显著变化［22］，证明了有限元建模的可行性。在前臂纵向稳定方面，骨间膜在动态情况下作用不明显，在静态情况下稳定性极佳［23］，这与本次研究的有限元静力分析不冲突。本文应用有限元软件，建立3 种前臂双骨干骨折的内固定组合模型，对比分析3 种内固定组合的有限元生物力学特性。骨间膜、韧带应力反映前臂载荷的传递及重新分配。内固定应力的大小及集中程度反映内固定的传导性及发生形变、断裂的可能性。内固定组合模型位移分布及位移峰值反应模型固定的稳定程度，且与内固定失败风险有关。骨折断端尺桡骨平均应力大小反应内固定的支撑作用。在100 N垂直载荷条件下，双骨钢板固定组合模型内固定承受载荷最大，双骨髓内钉固定组合模型和桡骨钢板尺骨髓内钉固定组合模型内固定承受载荷最小，其中桡骨钢板尺骨髓内钉固定组合模型内固定承受载荷更均匀、更分散，这表明与其他固定组合相比，桡骨钢板尺骨髓内钉固定组合不易发生形变、断裂，且传导性更好。双骨髓内钉固定模型桡骨远端位移最小，稳定性最优，钢板髓内钉混合固定模型稳定性可，双骨钢板固定模型桡骨远端位移最大，表明双骨钢板偏心固定失败风险较高。双骨钢板固定组合模型骨折端尺桡骨平均应力最大，表面其支撑作用差。在1 000 Nmm 扭转力矩条件下，双骨钢板固定组合模型内固定承受载荷最大，应力主要集中在尺桡骨骨折工况处锁定钢板附近，双骨髓内钉固定组合模型承受载荷最小，钢板、髓内钉混合固定组合模型内固定承受载荷更均匀、更分散，这表明双骨钢板固定组合易发生形变、断裂，钢板、髓内钉混合固定组合传导性更好。桡骨钢板尺骨髓内钉固定模型与双骨钢板固定模型位移均较小，说明桡骨钢板尺骨髓内钉固定能提供很好的稳定性。双骨髓内钉固定组合支撑作用最佳。结果显示，双骨钢板固定组合易形变、断裂，支撑作用不佳；双骨髓内钉固定组合抗旋转稳定性差；混合固定组合受力较均匀、支撑作用可、稳定性佳，这与前人研究结果相符［21］

总之，相较于双骨钢板固定组合、双骨髓内钉固定组合，桡骨钢板尺骨髓内钉固定组合对于A3.2型前臂双骨干骨折可提供更好生物力学稳定性，可为骨折提供更好的愈合环境。此次研究存在一定的局限性。第一，本研究虽然已将前臂骨间膜及韧带对受力传导的影响考虑其中，但前臂周围软组织、肌肉及腕关节等因素被简化；第二，本研究无法确定钢板与骨及髓内钉与骨的确切相互作用，将其接触关系设为绑定，忽略了相互之间的微动机制，也会对实验结果造成干扰；第三，实验用建模方法将骨折间隙设为1.5 mm，而真实骨折常为凹凸不平的接触面，模型与实际有一定差距。