舟骨骨折螺釘固定方式的有限元分析

最新 03-29

文章來源：

骨科臨床與研究雜誌2017年第2卷第2期

文章作者：

郭陽孫麗穎田光磊榮起國

作者單位：

北京積水潭醫院手外科北京大學工學院

【摘要】deepreader

目的:通過有限元分析評價腰部斜形舟骨骨折螺釘位置居中性與垂直性對螺釘固定強度的影響。

方法: 提取1例男性患者健側腕關節CT的DICOM數據，通過MIMICS 10.0軟體進行三維重建，於ANSYS 10.0軟體中建立有限元模型，模擬舟骨腰部骨折及4種不同螺釘固定方式：螺釘位於舟骨中央區且與骨折面垂直；螺釘位於舟骨中央區但與骨折面不垂直；螺釘位於舟骨中央區之外但與骨折面垂直；螺釘位於舟骨中央區之外且與骨折面不垂直。分別模擬腕中立握拳及腕背伸橈偏2種體位，各施載入荷50 N，評估螺釘固定的穩定性。

結果：實驗結果顯示當螺釘在舟骨內居中與骨折面垂直時，固定後承受最大負荷及最小負荷最低，其次為螺釘在舟骨居中但與骨折面不垂直時。而當螺釘在舟骨內不居中時，與骨折面垂直與否對應力影響不大。

結論：對於舟骨斜形不穩定骨折，將螺釘在舟骨內居中並垂直放置可以提供更高的固定強度。

【關鍵詞】

舟骨；骨折；內固定器；有限元分析

正文

對於不穩定的舟骨骨折進行複位後用空心螺釘固定已經成為一種最常用的治療方式。普遍認為，螺釘在舟骨內的位置會影響骨折固定的強度。一些學者指出當螺釘的位置在舟骨內居中時，具有生物力學固定優勢 [1-2]，因此將它作為首選的固定方式。另外一些醫生認為，螺釘與骨折線是否垂直，對固定是否牢固的影響更大，螺釘居中與否區別不大 [3-4]。本文作者利用以前通過螺旋CT建立三維舟骨中央區的方法 [5-7]，作為判斷螺釘是否居中的標準，通過建立舟骨腰部骨折螺釘固定的有限元模型，分別模擬腕中立握拳和腕背伸橈偏兩種常見體位，施加較小的載荷，觀察舟骨骨折穩定性，以研究螺釘在舟骨內的居中性以及螺釘相對骨折平面的垂直性哪個因素對固定牢固程度的影響更為重要，現將結果報告如下。

一、模型建立

於門診選取手外傷患者1例，男，30歲，行雙側腕關節螺旋CT掃描(64排，日本東芝公司，Aquilion Tsx-101A)，掃描範圍：以月骨為中心，包括腕骨、腕關節及前臂遠端1/3；條件：電壓120 kV，電流100 mA，掃描層厚0.5 mm，螺距 0.938，矩陣512512，濾過參數為30(骨演算法)，重建層厚0.5 mm，層距0.5 mm。使用Mimics 10.0軟體(Matefialise公司，比利時)處理健側DICOM格式數據，行腕關節三維影像表面重建，後將其導入ANSYS 10.0(ANSYS公司，美國)軟體建立有限元模型(圖1)。根據解剖學研究，在各骨的幾何面中人工選擇適當的單元面作為軟骨基準面，其餘單元面為骨基準面，設定軟骨層厚度為1mm [8]。採用線性連桿模型模擬腕關節主要韌帶 [9-10]，包括：橈舟頭韌帶、長橈月韌帶、橈舟月韌帶、舟頭韌帶、舟大小多角骨韌帶、舟月掌側韌帶、鉤三角掌側韌帶、頭月掌側韌帶、大多角三角韌帶、大多角舟骨韌帶、舟月背側韌帶、鉤三角背側韌帶、頭月背側韌帶。每條韌帶設定的連桿數量及起始位置均依據解剖學研究 [11]。再對整個模型依次進行單元交叉測試、節點融合處理、以及局部網格優化，獲得腕關節三維有限元模型。

模擬舟骨腰部斜形骨折(Herbert分型)及4種置釘方式(圖2)：螺釘位於舟骨中央區且與之垂直；螺釘位於舟骨中央區 [9]但與骨折面不垂直而是與骨折面成角70°。螺釘模型為直徑3 mm無頭空心螺釘；螺釘不位於舟骨中央但與骨折面垂直；螺釘不位於舟骨中央同時與骨折面不垂直。

圖1 有限元模型 A 掌側 B 背側

圖2 螺釘在舟骨內的4種固定方式

二、材料屬性

設定骨、軟骨、韌帶及螺釘為各向同性的線彈性材料，其楊氏模量分別為10000 MPa，10 MPa，500 MPa和150 GPa，泊松比分別為0.3，0.4，0.48和0.3 [12-13]。考慮骨折面間的摩擦情況，摩擦係數μ=0.4 [8]。

三、載荷設置

模擬投飛鏢動作 [14-15](dart throwing motion，DTM)的一個體位——腕背伸橈偏位，自橈側腕伸肌腱止點施載入荷，方向大致與前臂平行，因術後早期活動負荷不宜過大，故載荷大小設為50 N；再模擬腕中立握拳位 [15]，自第3掌骨遠端向近端施載入荷，大小同前。

四、試驗分析

在骨折面沒有明顯移位的情況下，記錄不同位置的螺釘在腕關節不同體位所承受的最小及最大負荷。

所有數字模型均為空心釘在舟骨內無明顯的移動，設置螺釘沒有變形。實驗結果顯示當螺釘在舟骨內居中與骨折面垂直時，固定後承受最大負荷及最小負荷最低，其次為螺釘在舟骨居中但與骨折面成角70°固定時(表1)。而當螺釘在舟骨內不居中時，與骨折面垂直與否對應力影響不大。

表1 不同固定方式骨折的穩定性

對於有移位的新鮮舟骨骨折以及陳舊骨折不癒合，以空心螺釘進行固定可以縮短制動時間，縮短骨折癒合時間，提高骨癒合率。影響內固定強度的因素有：舟骨骨質情況，骨折面自身形態，骨折是否解剖複位，內固定物的選擇以及手術的操作技術，例如放置螺釘是否在舟骨內居中，螺釘與骨折線是否垂直，螺釘是否足夠長等。對舟骨的骨質情況以及骨折面情況醫生無法控制，而手術中的操作技術近年來一直是手外科的熱點話題。不少學者認為將螺釘在舟骨內居中放置可以縮短骨折癒合時間，提高癒合率，縮短制動時間，從而改善腕關節活動 [1-2，10]。因此將螺釘的居中作為最重要的操作，甚至不惜切除部分大多角骨 [10-11]。而有些學者認為，舟骨螺釘的中置並不是必須的，更不應該以犧牲舟-大多角骨關節的完整性作代價。對於舟骨腰部骨折，避開大多角骨，打入與骨折線垂直的螺釘，此時螺釘雖不居中，但其固定強度也足夠 [3-4]。還有學者認為只要舟骨螺釘完全置於舟骨內加壓固定即可，實際上並不用考慮舟骨螺釘的居中性。至於哪種觀點正確，則需要生物力學、運動生理學等實驗數據證實。

本研究嘗試通過有限元模型分析，為康復治療提供初步客觀實驗數據支持。本研究分別納入目前臨床中可能用到的4種置釘方式。依次模擬腕背伸橈偏及腕中立握拳2種體位，前者源於腕關節最主要的運動模式，後者是術後運動最多採用的訓練體位。其中，腕背伸橈偏是DTM的重要體位之一，而DTM是腕關節由背伸橈偏向屈曲尺偏的運動過程，是腕關節日常活動中最主要的運動形式 [9]。舟骨骨折螺釘固定的目的就在於骨折早癒合，腕關節儘早使用，因此模擬腕關節生理載荷模式較以往有限元分析中自腕部垂直施載入荷更具合理性。本研究顯示，在腕背伸橈偏施加50 N載荷時，無論骨折是垂直還是居中固定，骨折面間均無明顯位移，螺釘所承受的應力與其是否在舟骨內居中的正相關性最為明確。

本次實驗的結果對臨床有一定的指導意義。首先，在可能的情況下，使螺釘在舟骨內居中並與骨折線垂直對固定的牢固程度是有意義的。另外，實驗中很好地顯示了導針在舟骨上的出入點，由於舟骨的體積比較小，螺釘居中或不居中、與骨折線是否垂直，其軸線的差距很小，提示我們臨床醫生的術中操作要特別精細，變換導針入針點時幅度要在2 mm以內。同時也應注意到，本次實驗的骨折模型為腰部的短斜形骨折，對於沿舟骨溝的長斜形骨折(sulcus fracture)，本次實驗的結果是否同樣適用，值得進一步探討。本研究尚存其他不足，一是需進一步模擬不同骨折類型，以檢驗其在不同運動模式下的穩定程度；二是腕關節有限元模型建立時對骨、軟骨、韌帶均假設為各向同性的線彈性材料，與生理條件有一定差距。

參考文獻：（略）

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