外固定支架修复胫骨平台骨折的生物力学特点.doc

www.CRTER.org尚红涛，等. 外固定支架修复胫骨平台骨折的生物力学特点外固定支架修复胫骨平台骨折的生物力学特点尚红涛1，王 泉1，刘 斌1，刘 伟2 (1哈励逊国际和平医院骨科，河北省衡水市 053000；2河北大学附属医院骨科，河北省保定市 071000)引用本文：尚红涛，王泉，刘斌，刘伟. 外固定支架修复胫骨平台骨折的生物力学特点J.中国组织工程研究，2016，20(31):4651-4657.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.013 ORCID: 0000-0001-9640-6993(尚红涛)文章快速阅读：外固定支架及锁定钢板修复胫骨平台骨折的生物力学比较尚红涛，男，1978年生，河北省衡水市人，汉族，2003年河北医科大学毕业，主治医师，主要从事骨科创伤研究。中图分类号:R394.2文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)31-04651-07稿件接受：2016-05-15三维有限元分析结果：外固定支架修复胫骨平台骨折相对内固定而言，同样具有相似的稳定性和固定强度胫骨平台骨折锁定钢板固定模型用三维有限元法分析应力分布和位移情况根据胫骨平台骨折固定方法进行有限元设计分组胫骨平台骨折外固定支架固定模型文题释义：胫骨平台骨折：由于胫骨平台骨折是典型的关节内骨折，其处理与预后将对膝关节功能产生很大的影响。同时，胫骨平台骨折常常伴有关节软骨、膝关节韧带或半月板的损伤，遗漏诊断和处理不当都可能造成膝关节畸形、力线或稳定问题，导致关节功能的障碍。多轴锁定接骨板：对于不同的胫骨平台骨折类型应选择不同的内固定方式，因为锁定接骨板中锁定螺钉的置入方向不能进行调整，近年来出现了多轴锁定接骨板，多轴锁定接骨板可以根据骨折线调整置入方向，具有比较好的稳定性和固定强度，在临床中的治疗效果比较好，但目前尚没有被广泛应用。摘要背景：目前有关胫骨平台骨折不同内固定方式的三维有限元模型研究较多，但是关于胫骨平台骨折外固定支架的三维有限元模型的少见报道。目的：采用三维有限元法分析外固定支架修复胫骨平台骨折的生物力学特点。 方法：建立胫骨平台骨折锁定钢板固定模型和胫骨平台骨折外固定支架固定模型，采用三维有限元法分析胫骨平台骨折两种固定模型的应力分布以及位移情况。结果与结论：胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的平均位移值及最大位移值均小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组，但差异无显著性意义(P 0.05)；胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的X轴向位移值、Y轴向位移值均小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组，但差异无显著性意义(P 0.05)；胫骨平台骨折锁定钢板固定的应力主要集中在螺钉和骨组织的交界处以及钢板和螺钉的交界处，最大应力值为173 MPa，明显大于胫骨平台骨折外固定支架固定模型的最大应力值86 MPa。胫骨平台骨折外固定支架固定的应力分布分散，未出现明显的应力集中情况，其中克氏钉夹具和克氏钉交界处、连接杆和螺钉的交界处的应力较其他部位的应力高，为临床上的力学薄弱环节；结果表明，外固定支架固定胫骨平台骨折相对内固定而言，同样具有相似的稳定性和固定强度。关键词：骨科植入物；数字化骨科；胫骨平台骨折；外固定支架；锁定钢板；有限元分析；生物力学主题词：胫骨；骨折；外固定器；有限元分析，生物力学；组织工程3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Biomechanical characteristics of external fixation for tibial plateau fracturesShang Hong-tao1, Wang Quan1, Liu Bin1, Liu Wei2(1Department of Orthopedics, Harrison International Peace Hospital, Hengshui 053000, Hebei Province, China; 2Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Hebei University, Baoding 071000, Hebei Province, China)AbstractBACKGROUND: Scholars have studied the three-dimensional finite element models of tibial plateau fractures with different fixation methods, but the research on three-dimensional finite element model of tibial plateau fracture fixation was not much.OBJECTIVE: To analyze the biomechanical characteristics of external fixator for tibial plateau fracture by using the three-dimensional finite element method.METHODS: The tibial plateau fracture models treated with locking plate fixation and external fixator were established. Three-dimensional finite element analysis was used to analyze the stress distribution and displacement of two kinds of models.RESULTS AND CONCLUSION: (1) The average displacement value and the maximum displacement value of tibial plateau fracture external fixator model group were smaller than that of tibial plateau fracture locking plate fixation model group, but no significant difference was found (P 0.05). (2) X axial displacement value and Y axial displacement value were smaller in the tibial plateau fracture external fixator model group than in the tibial plateau fracture locking plate fixation model group, but no significant difference was found (P 0.05). (3) The stress of tibial plateau fracture locking plate fixation model focused on the junction of the screw and bone tissue as well as the junction of plates and screws. The maximum stress value of tibial plateau fracture locking plate fixation model (173 MPa) was greater than that of tibial plateau fracture external fixator model (86 MPa). The stress of tibial plateau fracture external fixator model was scattered. Obvious stress concentration did not occur. The stress at the junction of the clamp and the nail and the junction of the connecting rod and screw was higher than that at other regions, and was a weak link in the clinical mechanics. (4) Results showed that external fixation for tibial plateau fractures had better stability and fixing strength as compared with the internal fixation.Subject headings: Tibia; Fractures, Bone; External Fixators; Finite Element Analysis; Biomechanics; Tissue EngineeringCite this article: Shang HT, Wang Q, Liu B, Liu W. Biomechanical characteristics of external fixation for tibial plateau fractures. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(31):4651-4657.Shang Hong-tao, Attending physician, Department of Orthopedics, Harrison International Peace Hospital, Hengshui 053000, Hebei Province, China 3ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction胫骨平台骨折是一种常见的关节内骨折，随着交通事故的增多以及人口的老龄化，胫骨平台骨折有逐渐增多的趋势，对胫骨平台骨折的治疗方法有多种，其中牵引石膏固定和切开复位固定效果均不理想。切开复位钢板内固定效果肯定，曾得到广泛的应用，但是对于高能量损伤的胫骨平台骨折常常同时伴有软组织的损伤，采用钢板固定会不利于软组织的恢复，且修复后并发症多。组合式外固定架术中损伤比较小，术后并发症少，有利于局部软组织的恢复，用于修复高能量胫骨平台骨折疗效满意，但组合式外固定支架外形及设计比较复杂，手术比较繁琐，使其在临床中的应用受到一定限制。有限元法是一种生物力学的分析方法，可以显示骨折结构的应力和位移情况，能够克服传统生物力学研究方法周期长、不可重复操作以及难以在人体骨骼结构上进行生物力学分析的缺陷，使其在骨科尤其在骨折中得到广泛应用。文章对组合式外固定支架进行了简化，采用有限元法进行分析。通过建立胫骨平台骨折锁定钢板和外固定支架固定模型，以三维有限元法分析胫骨平台骨折两种固定方法的应力分布和位移情况，探讨胫骨平台骨折外固定支架固定的生物力学特点，为临床胫骨平台骨折的修复提供依据。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 三维有限元分析实验。1.2 时间及地点 于2014年6月至2015年7月在衡水市哈励逊国际和平医院实验室完成。1.3 材料 1.3.1 固定材料 7孔锁定钢板，购自天津正天公司，高强度，高韧性。外固定支架采用不锈钢材料(05Cr17Ni4Cu4Nb、06Cr19Ni10)、铝合金材料(2A12)、钛合金材料(TC4)制成，购自贝尔泰克公司，具有高弹性强度和结构紧凑的优点。其中外固定支架包括长11 cm的螺钉，螺钉螺纹部分长5 cm，两根直径0.4 cm的Schanz针，一根长18 cm直径1.3 cm的连接杆，8根直径0.2 cm的克氏钉。1.3.2 设备 CT机由河北省衡水市哈励逊国际和平医院放射科提供；计算机工作站为MxliteView Vertion工作站。1.3.3 软件 Mimics 10.01软件(比利时 Materialise 公司)，Ansys 12.0软件(美国ANSYS公司)，Hypermesh 10.0软件(美国Altair公司)。1.4 对象 选择1名健康31岁男性志愿者，身高177 cm，体质量71 kg，无肢体外伤和残疾史，无遗传病及慢性病史，拍片检查及CT扫描胫骨无异常。1.5 方法1.5.1 志愿者胫骨影像资料的获得 以0.5 mm层厚对志愿者胫骨中上段进行CT扫描，扫描范围为胫骨髁间隆起到胫骨平台下20 cm之间的胫骨段。扫描的CT图像数据以.DICOM格式保存。1.5.2 建立锁定钢板和外固定支架的三维有限元模型在ANSYS软件中根据锁定钢板和外固定支架的实体模型建立三维有限元模型。1.5.3 建立股骨三维模型 对志愿者.DICOM格式的CT二维图像通过转换及处理进行三维化。将志愿者胫骨中上段CT数据导入到Mimics软件，进行图像的阈值设计及图像分割，并对轮廓进行光滑处理，得到胫骨平台的三维模型图像，以.MCS格式保存。1.5.4 建立胫骨平台的三维有限元模型 将Mimics软件中的数据资料进行网络划分，保存为ANSYS文件，再将数据导入到ANSYS软件中处理，建立三维有限元模型数据，将三维有限元模型数据再导入Mimics软件中进行材料属性定义(见图1)。 B A图1 胫骨的三维有限元模型Figure 1 Three-dimensional finite element model of the tibia图注：图A为外固定模型，B为内固定模型。1.5.5 建立胫骨平台骨折的三维有限元模型 将胫骨平台骨折的类型设计为常见的41-B1型骨折，在正常胫骨的三维有限元模型中删除骨折线单元制作骨折间隙，建立胫骨平台41-B1型骨折的三维有限元模型。1.5.6 建立胫骨平台骨折锁定钢板和外固定支架固定模型 将胫骨平台骨折模型和锁定钢板模型及外固定支架模型导入到Hypermesh软件，进行装配，然后导入Ansys软件进行分析处理，建立胫骨平台骨折锁定钢板和外固定支架固定的三维有限元模型。1.5.7 机械特性设置 锁定钢板的弹性模量分别为180 000 MPa，锁定钢板的泊松比设置为0.3；外固定支架的弹性模量分别为180 000 MPa，外固定支架的泊松比设置为0.3。1.5.8 边界和载荷的施加设置 X轴为水平面和冠状面的相交线，Y轴为水平面和矢状面的相交线，Z轴为矢状面和冠状面的相交线，将胫骨平台骨折底部在X轴、Y轴和Z轴3个方向的自由度设为0，即胫骨的下端固定约束。在胫骨平台垂直于胫骨向下施加1 500 N的载荷。1.6 主要观察指标 应用三维有限元法分析胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的应力分布、应力集中部位、位移分布以及最大位移情况。1.7 统计学分析 采用SPSS 18.0软件进行数据分析，两两均数比较采用t 检验，P 0.05)。表1 胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的平均位移和最大位移比较 (mm)Table 1 Comparison of average displacement and maximum displacement of locking plate fixation and external fixation for tibial plateau fracture组别平均位移值最大位移值胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组1.0461.248胫骨平台骨折外固定支架固定模型组1.0301.225由表2可见，胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的X轴向位移值、Y轴向位移值均小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组，但差异无显著性意义(P 0.05)。表2 胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的轴向位移比较 (mm)Table 2 Comparison of axial displacement of locking plate fixation and external fixation for tibial plateau fracture组别X轴向位移Y轴向位移胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组0.7200.845胫骨平台骨折外固定支架固定模型组0.7030.8262.2 胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的应力分布情况 见表3。表3 胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的最大应力及应力集中部位比较 Table 3 Comparison of the maximum stress and stress concentration area of locking plate fixation and external fixation for tibial plateau fracture组别最大应力值(MPa)应力集中部位胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组173螺钉和骨组织的交界处以及钢板和螺钉的交界处胫骨平台骨折外固定支架固定模型组86克氏钉夹具和克氏钉交界处、连接杆和螺钉的交界处由表3可见，胫骨平台骨折锁定钢板固定的应力出现了集中现象，主要集中在螺钉和骨组织的交界处以及钢板和螺钉的交界处，最大应力值为173 MPa，最大应力值明显大于胫骨平台骨折外固定支架固定模型，螺钉和骨组织的交界处以及钢板和螺钉的交界处是临床上力学比较薄弱的部位。胫骨平台骨折外固定支架固定的应力分布分散，未出现明显的应力集中情况，其中克氏钉夹具和克氏钉交界处、连接杆和螺钉的交界处的应力较其他部位的应力高，为临床上的力学薄弱环节，胫骨平台骨折外固定支架固定的最大应力值只有86 MPa，明显小于胫骨平台骨折锁定钢板固定的最大应力。3 讨论 Discussion胫骨平台骨折属于膝关节内的骨折，目前的治疗主要以手术治疗为主，其治疗的最重要目的是要恢复关节面的平整和关节的解剖位置，其中半月板在胫骨平台骨折中具有重要意义，保留半月板对膝关节功能的恢复具有重要意义1。胫骨骨折修复入路的选择比较重要，对于复杂性胫骨平台骨折，膝内外侧双侧切口和膝前正中切口效果比较好2-3，前外侧切口对胫骨后外侧平台骨折的效果欠佳4，胫骨平台后外侧髁骨折采用经腓骨小头上方入路效果比较满意5，其他如外侧或后外侧入路等也取得良好效果6-8。关于胫骨平台骨折的修复方式有内固定、外固定支架固定以及其他微创技术等。胫骨平台骨折治疗的主要目的是恢复解剖结构，保持良好的轴向对线，具有良好的稳定性，恢复关节的活动功能。传统的手术方法比较注重骨折固定的稳定性，对骨折的生物力学重视不够，手术切口往往比较大，手术时间比较常，术中暴露比较广泛，局部软组织和血运破坏严重，术后并发症比较多。锁定钢板技术和MIPPO技术改善了上述不足9-10。锁定钢板固定可以保护血液供应，保护骨折的微环境，在临床应用中取得良好效果。有研究发现外侧锁定接骨板治疗髁间粉碎骨折的效果欠佳，而双侧接骨板对于髁间粉碎性骨质的修复效果比较好11，双侧接骨板具有良好的固定强度，能够提供比较稳定的生物学环境12。也有研究认为，单纯性外侧锁定接骨板对于合并内侧平台骨折的患者能够提供需要的固定强度13。Weaver等14发现，单纯性外侧锁定钢板固定对于大多数的胫骨平台骨折均能够提供比较好的固定效果，临床疗效比较满意。对于内侧髁合并冠状位骨折的患者，单纯外侧锁定钢板内固定后，容易发生骨折复位丢失，因此，对于不同的胫骨平台骨折类型应选择不同的内固定方式，因为锁定接骨板的锁定螺钉的置入方向不能进行调整，近年来出现了多轴锁定接骨板15-16，多轴锁定接骨板可以根据骨折线调整置入方向，具有比较好的稳定性和固定强度，在临床中的治疗效果比较好，但目前尚没有被广泛应用。胫骨平台骨折常合并有皮肤肌肉以及骨骼的缺失，外固定技术可以作为临时固定，促进胫骨平台骨折的固定和复位，提供充足的时间供软组织恢复17，也可以作用胫骨平台骨折的治疗方法。以前对于高能量的胫骨平台骨折比较多的采用跨膝单臂外固定支架固定技术，其修复效果比较满意18，但存在固定钉对于粉碎骨折块的抓取比较困难，在粉碎性骨折中的稳定性不好，容易出现复位丢失等，因此单臂外固定支架已逐渐被淘汰，环形组合式外固定支架具有更好的性能，治疗效果更佳，在临床中的应用越来越广泛19，环形组合式外固定支架适合于胫骨平台干骺端骨折以及Schatzker及型骨折，对于内固定的胫骨平台软骨下粉碎性骨折、胫骨平台开放性骨折以及骨筋膜室综合征的患者不适合。有研究发现切开复位内固定和混合式外固定支架固定的胫骨平台骨折患者除在负重时间上有差异外，其他各方面比较差异均无显著性意义20。对于高能量胫骨平台骨折患者采用混合外固定支架固定效果比较满意，可以减少术后并发症的发生，能够尽早进行功能锻炼21，对于胫骨平台骨折性外固定支架固定可以获得比较好的影响和临床效果，术后并发症比较少22，改良式的外固定支架对于严重的胫骨平台骨折的修复效果比较满意，可以获得较好的稳定性，能够保护骨折局部皮肤23。除上述两种固定技术外，微创技术由于手术切口小，损伤小，术中视野好等优点在胫骨平台骨折中也被广泛应用24-28。有限元分析是将一个连续体分成多个单元，用适当的函数表示单元中的位移情况，根据位移函数求解单元中的应变情况，用节点位移表示单元中的应力，将施加在单元上的载荷量转化为单元上的等效节点力，计算各节点的位移和应力情况。有限元法最早应用在数学和工程应用中29，随着软件和计算机的发展，有限元分析法已经从固体力学向生物力学、流体力学、磁场以及声场等方面发展，近年来在医学领域也有广泛应用，特别在骨科领域，得到广泛的应用。在生物学领域，有限元可能模拟人体的结构特点，建立人体的三维有限元模型，并对人体结构进行生物力学分析。在骨骼系统中，三维有限元法为骨骼的生物力学分析提供了数字平台，为骨骼的力学分析提供了一种间接方便的方法，不少学者将人体的骨骼进行CT扫描，根据CT图片建立骨骼的三维有限元模型，进行相应的生物力学分析30。在骨骼的生物力学研究中，股骨是最早被用于有限元分析的骨骼，通过对股骨的不同受伤机制的研究发现在直立时，股骨中段是主要应力集中部位，在跪立位时，应力主要集中在股骨下段，在向后摔倒位时，股骨颈是主要应力集中部位31。近年来，有限元分析开始应用于足髁外科32-33。关节相对于长骨来说，其模型的构建和生物力学的分析要复杂的多，三维有限元分析主要应用在膝关节和髋关节中34-36。三维有限元法在脊柱和骨盆的生物力学研究中也有应用37-38。在骨折机制的探讨中，三维有限元可以通过对骨骼的生物力学分析，发现骨折的易发部位，能够预测骨折的发生，还可以对骨折进行科学的分型。三维有限元在骨折的固定装置中的应用尤为广泛：可以指导内固定装置39-42：内固定的方式有许多种，三维有限元可以建立不同的内固定装置模型，对不同的内固定装置模型进行应力分布和位移分布分析，对临床不同骨折的内固定方式的选择提供生物力学依据，并不断完善内固定的修复方法。同时也可以指导外固定装置：外固定装置主要用于骨骼畸形以及骨折的治疗，有研究发现Bennett骨折采用外固定效果较好，固定牢固，术中创伤小，且外固定拆除比较方便43，其对Bennett骨折的固定效果比克氏针内固定治疗的效果好，并且能够降低术后关节炎的发生44，Ilizarov外固定支架目前应用比较广泛，有研究发现用张力合适的固定针固定到支架上时，可以降低张力45，可能原因为夹子可以使固定针直径变小，降低抗张应力和抗拉应力46。胫骨平台骨折的固定方式有多种，关于胫骨平台骨折不同固定方式的三维有限元分析的研究也有很多，但是关于胫骨平台骨折外固定支架固定的生物力学研究不多。文章通过建立胫骨平台骨折以及锁定钢板和外固定支架的三维有限元模型，并对胫骨平台骨折模型和锁定钢板模型及外固定支架模型进行装配，建立胫骨平台骨折锁定钢板固定模型和胫骨平台骨折外固定支架固定模型，比较胫骨平台骨折锁定钢板固定和外固定支架固定的应力分布和位移分布情况，分析胫骨平台骨折外固定支架固定的生物力学特点。结果发现，胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的平均位移值小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组的平均位移值，胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的最大位移值小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组的最大位移值。胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的X轴向位移值小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组的X轴向位移值，胫骨平台骨折外固定支架固定模型组的Y轴向移值小于胫骨平台骨折锁定钢板固定模型组的Y轴向位移值。胫骨平台骨折锁定钢板固定的应力出现了集中现象，主要集中在螺钉和骨组织的交界处以及钢板和螺钉的交界处，最大应力值明显大于胫骨平台骨折外固定支架固定模型的最大应力值。胫骨平台骨折外固定支架固定的应力分布分散，未出现明显的应力集中情况，其中克氏钉夹具和克氏钉交界处、连接杆和螺钉的交界处的应力较其他部位的应力高，为临床上的力学薄弱环节。由此可见，外固定支架固定胫骨平台骨折相对于内固定而言，同样具有相似的稳定性和固定强度，可为临床应用提供参考。致谢：感谢实验组全体人员的支持和帮助。作者贡献：第一作者负责设计和实施，第二、三、四作者负责实施及文章的修改。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：试验方案经哈励逊国际和平医院伦理委员会批准，批准号为MECSDUMMS324，试验方案已经患者/家属知情同意。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 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