胫骨远端骨折3种不同固定方式的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1496

摘要/Abstract

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文题释义：

微创钢板接骨术的优势：因微创钢板接骨术手术创伤小，能间接复位保护骨折端血运，术后伤口并发症较少，已成为钢板内固定治疗骨折的首选方法。

胫骨远端骨折外侧钢板与内侧钢板比较：只有在扭转力时，外侧钢板的稳定性较内侧钢板系统较好，但在垂直的轴向力及侧向力时，胫骨远端内侧钢板的优越性明显优于外侧钢板固定。

摘要

背景：目前临床上对于胫骨远端髓内钉及锁定钢板的生物力学性能研究相对较少。

目的：采用三维有限元分析胫骨远端骨折3种固定方案在不同受力下内固定及骨头的受力情况。

方法：使用数字化技术构建胫骨远端内外侧锁定钢板及胫骨远端髓内钉模型，根据内固定原则设置模型组合，胫骨内侧钢板固定模型为模型1，胫骨外侧钢板固定模型为模型2，髓内钉固定模型为模型3，分别给予3个模型轴向力侧向力及扭转力的加载方式，模拟人体在不同受力情况下内固定及胫骨骨折模型的受力及位移情况。

结果与结论：胫骨远端骨折不同的固定方式在给予不同方向的受力时，每个内固定的特性不一。①在给予轴向力时胫骨远端内侧钢板及骨折模型受力均匀，并且移位最小，稳定性最佳；而胫骨远端外侧钢板及胫骨髓内钉的稳定性无明显差异，但胫骨远端外侧内固定承担较多的力量；②给予侧向力时三者的内固定承担相似的力量，但胫骨髓内钉的骨折模型需承担较多的力量；但是胫骨远端外侧钢板的位移最大，稳定性差；③给予三者模型扭转力时，胫骨远端骨折内侧钢板的较其他内固定方式承担最大的力量，其胫骨远端外侧钢板固定承担最小的扭转力，而髓内钉固定方式中，胫骨本身分担较多的力量，并且位移最大，其稳定性最差；④结果证实，胫骨远端骨折内侧钢板固定较远端外侧钢板及髓内钉固定分散应力，内固定及胫骨受力较均匀，稳定性更好。该试验方案已经四川省骨科医院伦理委员会讨论批准。

ORCID: 0000-0001-6229-3820(贾军锋)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 胫骨远端骨折, 三维重建, 有限元分析, 模型, 胫骨内侧锁定钢板, 胫骨外侧锁定钢板, 胫骨髓内钉, 轴向力, 侧向力, 扭转力

Abstract:

BACKGROUND: The biomechanical properties of distal tibial intramedullary nails and locking plates are relatively rare.

OBJECTIVE: Three-dimensional finite element analysis was used to analyze internal fixation and bone under different stresses with three different fixation schemes.

METHODS: The digital technique was used to construct the distal tibial medial and lateral locking plate and and torsion force to simulate the force and displacement of the internal fixation and tibial fracture model under different stress conditions.

distal tibial nail model. The model combination was set according to the principle of internal fixation. The model of the medial plate fixation was model 1. The model of the lateral plate of the tibia was model 2. The fixed model of intramedullary nail was model 3. The three models received the loading mode of axial lateral force.

RESULTS AND CONCLUSION: Different fixation methods of distal tibial fractures had different characteristics of internal fixation when giving different directions of force. (1) When the axial force was given, the medial plate and fracture model of the distal tibia were uniformly stressed and the displacement was minimal. The stability was the best. There was no significant difference in the stability of the lateral tibial plate and the tibial bone marrow nail, but the lateral fixation of the distal tibia took more force. (2) When the internal fixation of the three forces bore similar strength, the fracture model of the intramedullary nail had to bear more strength; but the outer plate of the distal tibia had the largest displacement and poor stability. (3) When the model was torsion, the medial plate of the distal tibial fracture bore the greatest strength compared with other internal fixation methods. The distal plate fixation at the distal end of the humerus bore the minimum torsional force. In the intramedullary nail fixation method, the tibia itself shared more force. The displacement was largest, and its stability was worst. (4) It is concluded that the medial plate fixation of the distal tibial fracture is more stable than the distal lateral plate and intramedullary nail. The internal fixation and the tibia are more uniform and the stability is better. This study was approved by the Ethics Committee of Sichuan Provincial Orthopedic Hospital.

Key words: distal tibial fracture, three-dimensional reconstruction, finite element analysis, model, medial locking plate of the tibia, lateral locking plate of the tibia, intramedullary nail, axial force, lateral force, twisting force

中图分类号:

R447|R605|R683

贾军锋，唐承杰，乐劲涛，李峰. 胫骨远端骨折3种不同固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(32): 5188-5194.

Jia Junfeng, Tang Chengjie, Yue Jintao, Li Feng. Finite element analysis of three different fixation methods for distal tibial fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(32): 5188-5194.

图/表（结果） 5

2.1 轴向加载各固定模型系统实验结果 在模型1中，其内固定系统承担的承载力为95.54 MPa，见图4A，胫骨模型平均承载力为29.89 MPa，见图4B。而在模型2中，内固定系统承载力约为560.82 MPa，见图4C，胫骨模型平均应力为69.52 MPa，见图4D。在模型3中，内固定系统承载力约为320.24 MPa，见图4E，胫骨模型平均应力为94.70 MPa，见图4F。

模型1，2，3的内固定受力3者差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2；即给予轴向力时模型1的内固定受力最小，模型2的内固定受力最大。模型1，2，3差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3；但模型2与模型3骨折模型受力差异无显著性意义(P > 0.05)，模型1，2，3的位移均值分别为：2.11，5.69，5.23 mm。3个模型位移值差异有显著性意义(P < 0.05)，见表4；即模型1位移较小，模型2的位移最大。
2.2 侧向弯曲加载各固定模型系统实验结果 模型1内固定系统与胫骨骨折模型中，其内固定系统承担的承载力为72 MPa，见图5A，胫骨模型平均承载力为29.6 MPa，见图5B。而在模型2中，内固定系统承载力约为 114.63 MPa，见图5C，胫骨模型平均应力为32 MPa，见图5D。在模型3中，内固定系统承载力约为57.65 MPa，见图5E，胫骨模型平均应力为94.93 MPa，见图5F。

模型1，2，3的内固定受力3者差异无显著性意义(P > 0.05)，见表5。模型1，2骨折模型无显著性意义(P > 0.05)；但模型3与模型1，2骨折模型差异有显著性意义 (P < 0.05)，见表6；模型3较模型1，2的胫骨骨折模型承担较多的压力；即模型1位移较小，模型2的位移最大。从模型1，2，3的位移分别为：0.1，0.48，0.19 mm。位移3者模型差异有显著性意义(P < 0.05)，见表7；模型2在给予侧向力时的位移最大。

2.3 扭转力加载各固定模型系统实验结果 模型1内固定系统与胫骨骨折模型中，其内固定系统承担的承载力为271.13 MPa，见图6A，胫骨模型平均承载力为50.65 MPa，见图6B。而在模型2中，内固定系统承载力约为36.34 MPa，见图6C，胫骨模型平均应力为25.81 MPa，见图6D。在模型3中，内固定系统承载力约为160.17 MPa，见图6E，胫骨模型平均应力为73 MPa，见图6F。

模型1，2，3的内固定受力3者差异有显著性意义(P < 0.05)，见表8；模型1内固定承受最大的扭转力，模型2内固定承受最小的扭转力；模型1与模型2，3骨折模型差异无显著性意义(P > 0.05)；但模型2，3骨折模型受力差异有显著性意义(P < 0.05)，见表9；模型3的胫骨模型受力最大。模型1，2，3位移3者差异有显著性意义(P < 0.05)，见表10；模型1，2，3位移均值分别为：1.05，0.05，2.94 mm，模型3的位移最大。

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引言

材料方法

1.1 设计 计算机模拟实验。

1.2 时间及地点 于2017年1月至2018年10月在四川省骨科医院完成。

1.3 材料 在四川省骨科医院CT数据库选取1例下肢数据完整的CT数据。该试验方案已经四川省骨科医院伦理委员会讨论批准。

1.4 实验方法

1.4.1 正常胫腓骨三维解剖模型的构建启动医学图像处理软件Mimics 10.01(比利时Materialise公司)，将获取二维图像数据以Dicom格式备用。数据导入处理软件Mimics10.01软件中，通过三维重建，构建胫骨及松质骨的初步三维点云模型。将上述模型以STL格式保存备用，文件名分别命名为“胫骨点云模型、胫骨松质骨点云模型”导出于自定义的文件夹中。将“胫骨点云、胫骨松质骨点云” STL格式的文件导入Geomagic Studio2013软件(美国杰魔软件公司)中通过精确曲面命令操作而进入曲面界面，通过探测轮廓线、构造曲面、松弛轮廓线、松弛曲面、构造格栅、拟合曲面，形成Nurbs曲面并以IGS格式保存然后导入软件Solidworks 2013(法国达索公司)中，在此软件中把胫骨及胫骨松质骨导入同一坐标系后使用曲面等距使胫骨及胫骨松质骨装配，然后使用实体-移动命令从胫骨模型中去除胫骨松质骨模型见(图1A)，剩余部位则为胫骨皮质骨见(图1B)。

制定胫骨骨折模型：实验定义胫骨远端上约5 cm处不规则骨折完全断裂模型。在solidworks软件中，根据胫骨远端内侧表面设定参考面，使用制定好胫骨模型见(图1C)，距离胫骨远端上5 cm处在参考面上画制定骨折线，骨折端无骨质缺损，使用自动切除命令，切端胫骨，得到胫骨远端骨折模型见(图1D)。

胫骨内固定的数字化制作：根据骨折解剖模型及AO骨折固定原则，选择胫骨远端14孔、长216 mm，Zimmer公司胫骨内侧解剖锁定钢板。根据Zimmer公司提供的钢板解剖参数测量尺寸，使用Solidworks软件进行绘制钢板。根据胫骨模型以Zimmer锁定解剖钢板的解剖参数在基准面设置平面图，运用软件中的切除拉伸命令使用平面图切除成型钢板后则为设置的胫骨内侧锁定解剖钢板，见图2A。根据Zimmer公司提供的钢板解剖参数测量尺寸，使用Solidworks软件进行按照相同的方式设计制作胫骨远端外侧锁定钢板，见图2B。根据Synthes公司推出的亚洲型ETN解剖模型及数据为模版制作胫骨远端骨折髓内钉，在Solidworks软件中的单配体界面中，根据胫骨模型的长度实验首先确定胫骨髓内钉的长度及各解剖参数，根据髓内钉近端及远端螺钉孔测量解剖数据通过切除拉伸命令制作钉孔；最后实验制作的不同方向外观的髓内钉，见图2C。

锁定螺钉的制作：根据Zimmer公司胫骨远端内侧锁定解剖钢板的要求需要3.5 mm的锁定螺钉固定；根据其解剖参数设定，在Solidworks软件中的单配体界面中，根据螺钉解剖参数制定一平面草图，然后使用旋转命令以直径为旋转轴行360°旋转，根据所需要的螺钉长度制作出不同长度的螺钉，见图2D。

1.4.2 各零部件装配在Solidworks软件中，选择胫骨模型及胫骨远端内侧解剖钢板，选择配合命令，组装胫骨及钢板装配体，根据常规手术方案及临床经验给予骨折远端7枚锁定螺钉固定，骨折近端给予4枚锁定螺钉固定，分别选用合适长度的螺钉。装配胫骨内侧钢板和胫骨外侧装配体及胫骨髓内钉装配体，见图3A-F。

1.4.3 定义材料属性根据研究报道，正常行走时，膝关节承受人体约85.6%的质量^[7]。假设人体质量为60 kg，则膝关节承受的作用60 kg×9.8 N×85.6%=545.27 N。刘易军等^[8]报道慢步时，单个膝关节所承受的载荷为正常人体质量的80%(重心落在一条腿上)，快跑时，单个膝关节所承受的载荷为正常人体质量的两三倍，可视运动的激烈程度来定，运动越激烈膝关节所承受的载荷越大。综合以上考虑轴向压缩加载时，将模型中胫骨下端垂直固定，以胫骨平台为中心，垂直于横断面施加大小为实验给予设置承载的载荷量分别为200，400，600，800及 1 000 N，载荷量依次从扶拐到快走的压缩载荷进行加载；四点弯曲加载时，以骨折端胫骨内侧为受力区域，通过给予垂直于钢板方向施加压力与垂直压缩的载荷相同，分别为200，400，600，800及1 000 N。相应的载荷与边界条件施加完成之后，扭转加载时将模型中胫骨下端固定，垂直于胫骨干施加大小为2 000，4 000，6 000，8 000，10 000 N/mm的扭矩进行加载；定义分析步提交计算，得出相应的轴向加载、扭转加载和4点弯曲加载螺钉的应力分布，各胫骨内固定的应力分布及胫骨模型的应力分布，骨折模型的位移(实验仅考虑固定系统对骨折固定的稳定性)。

1.4.4 定义材料模型边界条件启动Solidworks2012软件，关联有限元分析软件Ansys14.5 Workbench，胫骨内侧钢板固定模型名为“模型1”，胫骨外侧钢板固定模型名为“模型2”，胫骨髓内钉名为“模型3”。根据以往文献添加胫骨、钢板和螺钉的材料属性，设置泊松比和弹性模量^[9-15]，见表1。

将胫骨皮质骨、松质骨和钢板螺钉统一定义为各向同性均质材料，根据各种模型不同的属性给予定义模型中的不同模型；设置骨折端摩擦系数为0.2^[16]。锁定钢板固定定义为钢板螺钉绑定，螺钉与松质骨及皮质骨绑定，髓内钉与接触的松质骨及皮质骨无摩擦关系^[11]。设置螺钉网格为1.5 mm，设置钢板网格为2 mm，皮质骨及松质骨模型网格为3 mm，髓内钉网格大小为2 mm，最后生成网格数为：模型1(184 009，109 309)，模型2(185 032，109 653)，模型3(185 469，111 032)。网格化完成后点击Static strual命令，以模型1为例，首先给予压缩载荷力，设计胫骨远端关节面为固定面，胫骨近端关节面为受力面，根据受力方向以Z轴的反方向为受力方向，给予施加600 N的承载力。然后点击Solution命令计算得出结果。

1.5 主要观察指标 此3个模型给予轴向力、侧向力、扭转力后各螺钉、各内固定及胫骨骨折模型的受力布。给予3个模型的轴向力、侧向力、扭转力后各自的位移情况。

1.6 统计学分析 采用SPSS 20.0软件进行数据分析，计量资料用x(_)±s表示，组间数据差异采用配对t 检验比较，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

胫骨远端属于骨干和干骺部位交接的地方，此处骨折发生率更高^[17-18]。稀疏的肌肉覆盖也使骨折治疗更加困难^[19]。目前成人胫骨下端骨折手术治疗通常采用髓内钉、螺钉、钢板和外固定支架^[20]。根据AO内固定原则，简单骨干骨折固定适用绝对稳定原理，需要解剖复位后加压固定，钢板是合适的选择，而复杂骨干骨折固定适用相对稳定原理，且为了保护断端生物学环境，避免软组织过度剥离，髓内钉和钢板的微创内固定往往比较适合^[21-22]。然而，临床实际应用情况更为复杂，往往需要更全面的分析，以便于制定最合适的内固定治疗方案。

微创钢板接骨术(MIPO)因手术创伤小，能间接复位保护骨折端血运，术后伤口并发症较少，已成为钢板内固定治疗骨折的首选方法^[23]。Park等^[24]通过研究认为采用MIPO技术使骨折端获得额外的稳定性，促进长骨肥厚性不愈合的愈合。并降低了治疗骨干不愈合的手术风险。文章通过有限元分析也证实胫骨远端骨折采用内侧钢板固定，稳定性也明显优于髓内钉固定；究其原因由于骨折线偏远端，胫骨远端髓腔膨大，髓内钉与髓腔贴服差，并且复位不理想时容易出现成角或旋转畸形，导致畸形愈合。随着不断的改进，专家型髓内钉的出现进一步扩展了髓内钉使用范围，多方向锁定螺钉提供了更强大的稳定性，但根据本文的有限元分析，其稳定性并未显示出明显的优势，特别是在扭转暴力时，髓内钉的稳定性最差，也常因骨折复位困难、内固定失败和下端锁定不当等技术问题而出现骨折畸形愈合^[25-26]，同时前膝疼痛也是髓内钉治疗常见的并发症^[27-28]。但对于胫骨下端骨折伴有软组织损伤，胫骨髓内钉是一种很有前景的治疗手段^[29]。根据文章有限元分析，胫骨髓内钉在给予轴向力及侧向力时的稳定性均好于外侧锁定钢板固定系统，因此如胫骨内侧软组织损伤严重，不能使用内侧锁定钢板时，可选择胫骨髓内钉固定系统。

胫骨远端骨折外侧钢板与内侧钢板比较，只有在扭转力时，外侧钢板的稳定性较内侧钢板系统较好，但在垂直的轴向力及侧向力时，胫骨远端内侧钢板的优越性明显优于外侧钢板固定。有研究通过对胫骨远端内外侧锁定钢板的有限元分析认为两种生物力学的强度相似^[30]，Garg等^[31-32]通过前瞻性研究认为外侧钢板稳定性优于内侧钢板；Muzaffar等^[33-35]对微创钢板接骨术治疗胫骨下端骨折早期疗效进行研究，最终均获得骨折愈合，取得良好的临床疗效。微创经皮内侧钢板内固定要求有较好的技术支持。

因此，胫骨远端内侧钢板固定的稳定性最好，但术前根据患处局部软组织状况，做出正确的软组织损伤评估，结合术者的个人经验设计个体化手术治疗方案，采用合适的内固定方式，可以获得满意的治疗效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程