陳志達 肖棋 姚小濤 丁真奇 黃國鋒 宋超

脛骨骨折在全身四肢骨骨折中發(fā)生率最高，由于脛骨位置表淺，易形成開放性骨折，導致脛骨延遲愈合或不愈合［1，2］。骨折愈合是一個極其復雜的過程，受病人年齡、內(nèi)分泌、骨折端血運和應力刺激等體內(nèi)外諸多因素的影響。其中應力刺激被認為是影響骨折愈合最主要的因素之一。Wolf等［3］指出骨的結(jié)構(gòu)和功能受應力環(huán)境影響。骨組織對外界應力刺激可形成載荷反應，該載荷反應性能促使骨組織按照應力的作用方向進行修復重建。具體表現(xiàn)為在外界載荷的影響下，增強位于骨結(jié)構(gòu)壓力側(cè)的骨形成過程，而加速位于骨結(jié)構(gòu)張力側(cè)的骨吸收過程。許多學者也指出合理的應力能促進骨痂生長，加速骨折愈合，反之過早或過大的應力刺激都會造成骨折斷端再移位和畸形［4，5］。Goodship［6］及Leung 等［7］研究指出高頻率（10～30 Hz）、低振動應力刺激可加速骨愈合。Hsieh 等［8］則認為低頻率（0.5～2.5 Hz）應力刺激就能促進骨組織愈合，但目前刺激骨折愈合的最佳應力及頻率仍不明確。故本文通過計算機仿真方法同時建立脛骨橫行骨折鋼板內(nèi)固定與外固定架固定骨愈合三維有限元模型，模擬不同頻率及應力條件下對骨折愈合的影響，探尋促進脛骨骨折愈合的最佳理論參數(shù)。

材料與方法

一、材料

健康成年雌性高腿山羊1只（年齡為2歲，體重為30 kg），由廈門大學實驗動物中心提供，先攝脛腓骨X線片排除下肢畸形、腫瘤等骨質(zhì)破壞，再行脛骨CT 掃描。建模設(shè)備：64 排螺旋CT 機（西門子公司，德國），Windows 7操作系統(tǒng)計算機工作站，建模軟件Mimics V16.0（Materialise 公司，比利時），Abaqus 6.13軟件（Dassault Systèmes公司，法國）。

二、實驗方法

采用對比觀察有限元分析，利用螺旋CT掃描山羊下肢，掃描范圍從踝關(guān)節(jié)至膝關(guān)節(jié)上方，掃描厚度為0.65 mm，共獲取三維薄層CT 圖像422 層。將CT掃描所得的數(shù)據(jù)以DICOM 格式導入到Mimics 三維建模軟件，通過蒙板編輯、區(qū)域增長和空腔填充等對選擇的部位進行分割、填充，得到脛骨幾何模型圖。CAD 模塊模擬出脛骨中段1.5 mm 間隙橫行骨折模型，鋼板組的鋼板長度為130 mm，螺釘長度為25 mm，螺絲釘直徑為3.5 mm，骨折近端及遠端各3枚螺釘，螺釘間距10 mm；外固定架組的連桿長度為150 mm，螺釘長度為65 mm，螺釘直徑4.5 mm，骨折近端及遠端各3 枚外固定螺釘，外固定螺釘間距為16 mm。然后再利用CAD設(shè)計出基于原始數(shù)據(jù)簡化內(nèi)固定和外固定模型。因螺釘?shù)穆菁y不干擾模型固定［9］，故將螺釘簡化為圓柱狀，螺釘與內(nèi)固定和外固定之間以節(jié)點剛性綁定連接，模擬置釘建立脛骨內(nèi)固定和外固定的幾何模型，并模擬出骨折端的低彈性模量肉芽組織（圖1）。然后采用Mimics 的Remesh模塊對模型進行面網(wǎng)格劃分、表面優(yōu)化等處理，最后導入Abaqus軟件進一步網(wǎng)格化處理生成鋼板內(nèi)固定脛骨骨折的三維有限元體網(wǎng)格模型，并分別生成四面體單元。

在Abaqus軟件中，將脛骨近端各方向約束定為0，脛骨遠端施加軸向應力，設(shè)置脛骨遠端軸向加載參數(shù)（頻率：0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、2.5 Hz、3 Hz，載荷：100 N、150 N、200 N、250 N、300 N，兩兩參數(shù)組合施加）。

依據(jù)Gómez-Benito等［10］提出的理論僅將偏應變作為影響組織分化的因素，而不考慮流體流速的影響，愈合組織模擬材料為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，各組織材料參數(shù)見表1。

圖1 內(nèi)固定（a）和外固定模型（b）

表1 各材料參數(shù)賦值

不同時間點骨折愈合組織成分轉(zhuǎn)化的運算中，采用“消減系數(shù)”法，即愈合組織轉(zhuǎn)化過程中低剪切應變組織將被消除并轉(zhuǎn)化為成熟骨組織，消減系數(shù)為最大壓縮主應變的5%，轉(zhuǎn)化后重新定義愈合組織的材料性質(zhì)及單元數(shù)［13］。整個迭代運算過程如圖2 所示。根據(jù)以往文獻報道，將迭代過程簡化為1周1次，直至愈合組織轉(zhuǎn)化單元數(shù)極少時終止。

結(jié) 果

一、建立有限元模型

內(nèi)固定模型四面體單元數(shù)（內(nèi)固定為51 821個，愈合組織為49 504個，脛骨為196 756個）；外固定模型四面體單元數(shù)（外固定為81 502 個，愈合組織為50 491個，脛骨為195 525個），如圖3所示。

圖2 愈合組織轉(zhuǎn)化的迭代運算技術(shù)路線圖

二、不同應力、頻率組合條件下骨折端愈合組織轉(zhuǎn)化為成熟骨組織所需時間

不同應力、頻率組合條件下骨折端愈合組織轉(zhuǎn)化為成熟骨組織所需時間各不相同，不同時間點轉(zhuǎn)為成熟骨組織單元數(shù)亦不相同，最后骨折端愈合組織全部轉(zhuǎn)化為成熟骨組織，無論鋼板內(nèi)固定還是外固定，都是在200 N、1 Hz時所需時間最短，只需7周，其他組合需8～12周不等（圖4）。其中200 N、1 Hz時骨折愈合模式圖如圖5，紅色代表初始愈合組織，黃色代表最終轉(zhuǎn)化的成熟骨組織。

圖3 內(nèi)固定模型（a）和外固定模型（b）三維有限元模型

圖4 內(nèi)固定和外固定組不同載荷、頻率組合下骨折愈合時間

圖5 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)固定和外固定組骨折愈合模式圖

三、不同應力、頻率組合下各周愈合組織內(nèi)部應變、應力、位移、內(nèi)外固定應力、變形變化情況

圖6 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組骨折端愈合組織各周剪切應變變化趨勢圖

圖7 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組骨折端愈合組織應力變化趨勢圖

圖8 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組骨折端愈合組織位移變化趨勢圖

不同應力、頻率組合下，內(nèi)、外固定組各周愈合組織剪切應變、應力、位移、承受應力、變形變化趨勢各異。以200 N、1 Hz 組合為例描述其變化趨勢圖及應力云圖（圖6～12）。從趨勢圖及應力云圖可以看出隨著骨折端逐漸愈合，骨折端能承受的應力逐漸增大，在骨折愈合后達到最大值趨于穩(wěn)定，骨折端愈合后的剛度提高、微動逐漸降低趨于零。在骨折愈合初期，內(nèi)固定和外固定對骨折端愈合組織有較高的應力遮擋作用，承受應力最大，內(nèi)、外固定產(chǎn)生形變最大，隨著骨折愈合，內(nèi)、外承受應力逐漸降低，軸向外力逐漸由內(nèi)、外轉(zhuǎn)移到愈合的骨痂上。內(nèi)固定和外固定趨勢圖的差異可能是由于內(nèi)、外固定自身穩(wěn)定性差異造成，但最終愈合終點無明顯差異。

圖9 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組承受應力變化趨勢圖

圖10 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組變形變化趨勢圖

圖11 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組愈合組織橫截面應力云圖

圖12 200 N、1 Hz組合參數(shù)下內(nèi)、外固定組承受應力變化云圖

討 論

脛骨骨折愈合是一個極其復雜的組織修復調(diào)控過程，受體內(nèi)外諸多因素影響，其中力學環(huán)境是影響骨折愈合過程及組織增殖分化重要因素。近年來，有限元法被廣泛運用到骨折內(nèi)外固定應力分析及骨折愈合過程仿真模擬。Carter 等［14］通過骨折組織分化模型研究應力載荷對骨痂骨化作用，并指出骨折間隙中流體靜壓應力和應變對骨折愈合微觀調(diào)控的影響。Prendergast等［15］和Lacroix等［16］認為結(jié)締組織是由間隙流體和固體組成，流體速度和偏應變對骨折愈合起關(guān)鍵作用。Andreykiv 等［17］采用有限元模擬不同載荷頻率對骨折愈合影響，指出不同載荷刺激能使骨折端形成不同骨痂。Comiskey等［13］也采用有限元方法模擬骨折愈合，研究認為外部應力引起骨折端產(chǎn)生的壓縮應變是最主要影響組織分化的因素，低應變組織將被消除，每次迭代運算后低于最大主應變的5%的組織將會被消除并轉(zhuǎn)化為骨痂組織，近似于活體骨折轉(zhuǎn)化過程。

本研究建立山羊脛骨中段橫行骨折內(nèi)固定和外固定三維有限元模型，單一研究軸向應力刺激下骨折愈合過程。在不同應力、頻率組合下采用有限元方法，模擬骨折端從肉芽組織轉(zhuǎn)化為成熟骨組織過程。Weyts 等［18］研究指出在外界應力作用下7 d 能使肉芽組織分化為成骨細胞，本研究以每周為單位進行迭代運算，依據(jù)Comiskey 等［13］提出的“消減”理論，低應變組織將會被消除并轉(zhuǎn)化為成熟骨組織。在實驗過程中，用計算機仿真三維有限元方法模擬骨折愈合過程中需要進行各方面的簡化及假設(shè)。①人體下肢在日?；顒又?，主要以承受軸向應力為主且在實驗中容易獲得，軸向應力最具意義［19］，故本研究以軸向應力進行刺激。②一個合適的骨折端縫隙能更好地模擬骨折愈合，Wehner等［20］通過敏感性分析指出增加骨痂模型的直徑對骨折愈合影響甚微。本研究建立1.5 mm 的骨折間隙。③生物體是多孔雙相材料屬性，以往研究表明在軸向應力作用下流體速度及孔隙壓力均不能作為單一變量預測骨折愈合過程，且Isaksson 等［21］指出偏應變是影響組織分化的主要因素，可把偏應變當作單變量模擬生理載荷下骨折愈合情況。故本實驗中的材料屬性簡化為各項同性線彈性體，將偏應變作為一種替代流體力學刺激是適當?shù)摹?/p>

在有限元迭代運算中，不同應力、頻率組的軸向刺激下骨折愈合需7～12 周。從骨折愈合模式圖可以看出，在骨折愈合4周內(nèi)，成熟骨組織生成最快且最多，這些特點與臨床骨折愈合規(guī)律基本吻合。不論是內(nèi)固定組還是外固定組，在200 N、1 Hz組合參數(shù)下，骨折愈合所需時間最短，均只需7 周，其作為外在因素更有利于骨折端組織遷移、分化轉(zhuǎn)化為骨組織。有研究［22，23］指出生理載荷下，小于3 Hz 的外部刺激更有益于促進骨折愈合與骨組織再生。喻鑫罡等［24］則認為1 Hz 頻率能有效促進骨痂生長和礦化，效果最佳。Kenwright 等［25］研究表明200 N 外界應力能增加骨化速度和骨折部位的強度，更能促進骨折愈合。Lacroix 等［16］建立脛骨骨折的三維有限元模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低負荷應力（300 N）狀態(tài)下骨愈合良好，而高負荷（500 N）下骨愈合較差，與我們的結(jié)果大致相符。本研究中內(nèi)固定組和外固定組結(jié)果相同，這與臨床實際有所不同，可能是由于內(nèi)固定和外固定部件對模型的影響甚微，但我們認為促進骨折愈合需要適宜的外部應力、頻率刺激。本研究中最優(yōu)組合（200 N、1 Hz）的剪切應變、應力、位移、變形變化的趨勢圖及應力云圖可以看出隨著骨折端逐漸愈合，骨折端能承受的應力逐漸增大，在骨折愈合后達到最大值趨于穩(wěn)定，而骨折端剪切應變逐漸降低，這與以往研究報道結(jié)果相似［11，26］，其結(jié)果的細微差別可能由定義細胞分化的速率和材料屬性不同引起。從趨勢圖及云圖看出，在骨折愈合初期，固定材料對骨折斷端愈合組織有較高的應力遮擋作用，承受應力最大，內(nèi)固定產(chǎn)生變形最大，起到堅強固定骨折端，有利促進骨折愈合作用；隨著骨折愈合，固定材料的承受應力逐漸降低，軸向外力逐漸轉(zhuǎn)移到愈合的骨痂上。以上變化趨勢與臨床實踐相符，更進一步說明200 N、1 Hz組合參數(shù)更有利于骨折愈合。

有限元研究方法使用理想化的運算，結(jié)果是近似解，且用較簡單問題替代實際復雜結(jié)構(gòu)。本研究對一些問題做了簡化及假設(shè)，所以為確保提出的研究方法及實驗結(jié)果更加可靠、規(guī)范，同一材料屬性參數(shù)、復雜的骨折類型、不同固定方式、不同方向應力刺激、軟組織、考慮腓骨影響和骨折愈合后需再進一步研究，也需更深入的臨床試驗，才能夠使仿真模型更加可靠，結(jié)果更接近臨床實際情況。盡管存在一些局限，但作為臨床前實驗研究，這種有限元方式可以為預測骨折愈合提供一種可行方法。