何縣委,吳榮博,姚喜州,張新潮

(復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院骨科，上海 201508)

尺骨鷹嘴骨折是骨科常見(jiàn)的損傷，常見(jiàn)類(lèi)型包括橫形及斜形骨折，多由間接暴力引起。尺骨鷹嘴骨折多數(shù)是波及到半月切跡的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折。因此，解剖復(fù)位、堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定是防止關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、預(yù)防骨性關(guān)節(jié)炎及其他并發(fā)癥的主要措施[1]。目前常見(jiàn)固定有鋼板螺釘、克氏針、張力帶等，但存在克氏針容易松動(dòng)、固定不牢靠，鋼絲易發(fā)生斷裂致固定失敗，鋼板螺釘可塑性欠佳、手術(shù)損傷較大等問(wèn)題[2]。為解決上述內(nèi)固定方法的缺陷，本課題組吳榮博醫(yī)師特發(fā)明了專(zhuān)利——尺骨鷹嘴鉤板，目前已經(jīng)獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：201120341917.X)。

本研究擬通過(guò)建立尺骨鷹嘴鉤板固定尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折的有限元模型并進(jìn)行生物力學(xué)分析，觀察尺骨鷹嘴鉤板應(yīng)用于尺骨鷹嘴骨折的可行性。

材料與方法

1有限元模型的建立

選取健康志愿者1名(該志愿者已簽署知情同意書(shū)并經(jīng)過(guò)相關(guān)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn))，男性，32歲，體重75kg，經(jīng)CT掃描檢查排除右肘部損傷或疾病。右肘關(guān)節(jié)行螺旋CT平掃(64排螺旋CT，GE公司，美國(guó))，選擇骨組織窗掃描，掃描層厚0．625mm，掃描長(zhǎng)度為自尺骨鷹嘴至尺骨遠(yuǎn)端15cm處，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，共335張圖片。將三維DICOM格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics17．0軟件(Materialise公司，比利時(shí))，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，?duì)圖像進(jìn)行分割，輸出STL格式文件，導(dǎo)入Geomagic Studio 2013軟件(Geomagic公司，美國(guó))進(jìn)行特征識(shí)別和曲面診斷，模擬建立尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折模型及鋼板、鋼釘模型并保存，文件格式為SLDPRT。將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS17.0有限元分析軟件中，建立Static Structural分析類(lèi)型，在分析材料庫(kù)中分別建立尺骨、鋼板鋼釘材料屬性參數(shù)，進(jìn)入Mechanical工作界面，在Geometry中對(duì)模型賦予相關(guān)的材料。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格類(lèi)型設(shè)置為四面體網(wǎng)格，單元總數(shù)為50 486，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為89 970。設(shè)置邊界條件和載荷，尺骨模型一端設(shè)為固定，在尺骨另一端表面分別施加軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22 N·m。

2邊界條件和加載

假設(shè)骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.2。將尺骨鷹嘴三維有限元模型下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為0作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z軸上的位移為0。尺骨鷹嘴鉤板設(shè)定與尺骨鷹嘴接觸為加壓摩擦接觸，采用目前常用的簡(jiǎn)化模型，不考慮韌帶影響。計(jì)算該狀態(tài)下尺骨鷹嘴與鉤板的應(yīng)力分布、位移。假定人體質(zhì)量70kg為此狀態(tài)下的軸向應(yīng)力。

3評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)以下指標(biāo)評(píng)定：尺骨鷹嘴骨折塊和鉤板的應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值； 尺骨鷹嘴和鉤板的最大應(yīng)力點(diǎn)、最大位移區(qū)域。

結(jié) 果

1骨折塊與鉤板的應(yīng)力分布及峰值

鉤板固定后，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m時(shí)，橫形骨折最大應(yīng)力均集中于骨折線-尺骨鷹嘴基底部(圖1)，應(yīng)力大小分別為1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(圖2)； 斜形骨折軸向載荷、彎曲載荷及旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)的最大應(yīng)力均集中于骨折線近端(圖3)，應(yīng)力大小分別為1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(圖4)。鋼板螺釘最大應(yīng)力分別為2.468MPa、17.832MPa、176.990MPa，位于骨折線處。骨折端未見(jiàn)明顯位移。

2骨折塊與鉤板的位移分布

橫形骨折及斜形骨折骨折塊發(fā)生位移較大的部位均為鉤板遠(yuǎn)端尺骨干部及尺骨粗隆部。骨折線處橫形骨折位移分別為7.8e-5mm、1.6e-2mm、8.3e-2mm(圖2)； 斜形骨折分別為7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm(圖4)。鉤板螺釘最大位移位于鉤板最遠(yuǎn)端，橫形骨折分別為4.5e-3mm、6.7e-2mm、4.1e-1mm； 斜形骨折分別為4.3e-2mm、9.2e-2mm、4.7e-1mm。

討 論

尺骨鷹嘴在尺骨近端后方，位于皮下突起，與前方的尺骨冠突構(gòu)成半月切跡，此切跡恰與肱骨滑車(chē)構(gòu)成肱尺關(guān)節(jié)。肱尺關(guān)節(jié)主要以伸屈活動(dòng)為主，輔以滑移和內(nèi)旋。尺骨鷹嘴骨折是肘部較常見(jiàn)的骨折，是多數(shù)波及到半月切跡的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折[3]。

手術(shù)內(nèi)固定目標(biāo)：(1)獲得對(duì)位較好的關(guān)節(jié)面，減少晚期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[4]； (2)早期功能鍛煉，維持肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定[5]； (3)使肱三頭肌保持必要的收縮力量，避免肌肉萎縮。目前常見(jiàn)固定方法有鋼板螺釘、克氏針張力帶等。但上述內(nèi)固定方法有一定的缺陷，如固定不牢靠、克氏針容易松動(dòng)、鋼絲發(fā)生斷裂致固定失敗、損傷較大[6-7]； 術(shù)中要將部分肱三頭肌腱止點(diǎn)切斷以容納螺絲釘孔，對(duì)肱三頭肌造成損傷[8-9]； 術(shù)中若鋼板與尺骨鷹嘴不服帖而需要折彎時(shí)，尺骨鷹嘴接骨板不能夠再折彎等[10]。

為減少上述內(nèi)固定方法的弊端，筆者設(shè)計(jì)了尺骨鷹嘴鉤板。它是用具有一定長(zhǎng)度、厚度和寬度的鏤孔金屬板代替現(xiàn)有的內(nèi)固定方法。鏤孔金屬板由金屬鉤、等腰三角形結(jié)構(gòu)與條形結(jié)構(gòu)拼接而成。金屬鉤與等腰三角形結(jié)構(gòu)連接，并且它們向上彎屈一定的弧度和彎度，條形結(jié)構(gòu)與三角形結(jié)構(gòu)連接。

本研究通過(guò)建立尺骨鷹嘴骨折模型、尺骨鷹嘴鉤板模型及應(yīng)用于骨折端的三維有限元模型，研究鋼板應(yīng)用于骨折端的受力情況及位移變化。結(jié)果證實(shí)：尺骨鷹嘴鉤板應(yīng)用于尺骨鷹嘴橫形及斜形骨折能夠提供良好且有效的固定。圖1顯示：針對(duì)橫形骨折，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，鋼板所受壓力主要集中在尺骨鷹嘴基底部，所承受壓力遠(yuǎn)低于鋼板螺釘可承受壓力。圖2顯示:橫形骨折在軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m及旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，骨折端及鉤板位移非常小。圖3顯示：針對(duì)斜形骨折，軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m、旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，應(yīng)力主要分布于骨折線近端，整體受力比較均勻，鋼板螺釘所承受壓力遠(yuǎn)低于可承受壓力。圖4顯示：斜形骨折在軸向載荷100N·m、彎曲載荷2.5N·m及旋轉(zhuǎn)載荷22N·m的情況下，骨折端位移分別為7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm。尺骨鷹嘴鉤板內(nèi)固定治療尺骨鷹嘴骨折，其主要優(yōu)點(diǎn)：(1)鉤板與尺骨鷹嘴形態(tài)適合，不需要太多塑形，可以縮短手術(shù)時(shí)間及減少術(shù)中出血量； 另外，因該鉤板術(shù)中不需要過(guò)多剝離骨膜，減少對(duì)骨膜的破壞，從而對(duì)骨折端的血運(yùn)進(jìn)行有效保護(hù)，降低骨折不愈合發(fā)生率[11]。(2)該鉤板和普通鋼板一樣，起到了內(nèi)支架的作用，其鎖定螺釘從各個(gè)角度對(duì)骨折斷端進(jìn)行固定，且螺釘與鋼板鎖定，即便粉碎性骨折且需要植骨或伴有骨質(zhì)疏松的患者，也不用擔(dān)心螺釘松動(dòng)或退出[12]。由于起到支撐作用，減少了造成骨折端壓縮、移位的風(fēng)險(xiǎn)，避免了骨折畸形愈合的發(fā)生[13]。(3)鉤板克服了張力帶克氏針末端對(duì)肘后皮膚的刺激，也有利于肘關(guān)節(jié)早期功能鍛煉。

總之,尺骨鷹嘴鉤板內(nèi)固定可用于治療橫、斜形尺骨鷹嘴骨折,且固定牢靠,是一種安全可靠、值得臨床推廣應(yīng)用的內(nèi)固定方法。