蔡昊，周海波，虞嘉歡，胡凱，孟洪明，壽澤榆，陳春*，白植標*

1.溫州醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325000；2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，浙江 溫州 325000

髕骨骨折在成人中的發(fā)病率約為1%[1]。直接或 間接暴力均可導(dǎo)致髕骨骨折常伴髕前區(qū)軟組織損傷[2]。粉碎性髕骨骨折而伸膝裝置完整的患者可采用非手術(shù)治療，但當伸膝裝置受損，關(guān)節(jié)表面步距大于3 mm，或分離位移大于4 mm 時，骨折應(yīng)采用手術(shù)治療[3]。

目前有多種治療髕骨骨折的手術(shù)方法，臨床醫(yī)生廣泛接受和最常使用的方法是張力帶鋼絲內(nèi)固定[4,5]。當采用空心螺釘治療髕骨骨折時，有多種設(shè)置張力帶鋼絲固定系統(tǒng)的方法。臨床上廣泛應(yīng)用“8”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)，但對“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)等其他方法的特點知之甚少。兩種張力帶鋼絲固定系統(tǒng)治療髕骨橫行骨折的生物力學(xué)特性差異是臨床應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，目前尚不清楚。有限元分析是一種利用數(shù)學(xué)近似來模擬真實物理系統(tǒng)（幾何形狀和負載條件）的方法。利用簡單的和相互作用的元素（單位），可以使用有限數(shù)量的未知量來模擬未知的真實系統(tǒng)。有限元分析在骨科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有助于我們初步比較不同內(nèi)固定方法的生物力學(xué)特性，為臨床實踐提供理論依據(jù)。到目前為止，髕骨骨折有很多有限元分析，包括對克氏針[6]、全螺紋釘或半螺紋釘[7,8]等內(nèi)固定方法的分析。然而，尚無對“8”和“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)聯(lián)合空心螺釘固定髕骨骨折的生物力學(xué)特性進行比較的文獻。由于不同內(nèi)固定材料組成的內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特性不同，有必要對兩種新的有限元固定方法進行比較，以找到一種更穩(wěn)定的張力帶鋼絲固定系統(tǒng)。

本研究旨在通過有限元分析比較兩種內(nèi)固定系統(tǒng)聯(lián)合空心螺釘固定髕骨橫行骨折的穩(wěn)定性。

1 材料和方法

1.1 髕骨橫行骨折的有限元模型

本研究設(shè)計已獲溫州醫(yī)科大學(xué)倫理委員會批準。對1 名48 歲的男性志愿者采用GeneralElectrics16 螺旋CT 建立髕骨橫行骨折的有限元模型，CT 掃描切片厚度為1.0 mm。將掃描數(shù)據(jù)以DICOM 格式輸入Mimics15.01 軟件。通過區(qū)域生長和閾值分割，重建髕骨的三維結(jié)構(gòu)。然后利用有限元分析軟件ANSYS18.0 Workbench 模塊建立完整的髕骨有限元模型，利用Solidworks2016 軟件的分割指令建立髕骨橫行骨折模型。此模型建立不含軟組織和軟骨。如前所述，模型設(shè)置在非負重伸展時膝關(guān)節(jié)屈曲90°的條件下，髕骨關(guān)節(jié)面中間部分與軟骨覆蓋的股骨遠端接觸[9]。金屬與骨的界面為結(jié)合狀態(tài)。

1.2 建立空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲固定髕骨骨折模型

利用Solidworks 繪制空心螺釘和張力帶鋼絲模型并組裝在一起，分別建立兩種固定方法的計算機輔助技術(shù)(Computer Aided Design,CAD)模型(圖1 A,B)。最后，對網(wǎng)格進行劃分，材料進行賦值，并確定力學(xué)邊界條件（圖2）。在ANSYS18.0 模型中，分配每個實體單元類型和材料參數(shù)[10]。皮質(zhì)骨單位類型為SOLID186，彈性模量為1 700 000，泊松比為0.3；松質(zhì)骨單位類型為SOLID186，彈性模量為350，泊松比為0.25；不銹鋼絲單位類型為SOLID186，彈性模量為206 000，泊松比為0.3；空心螺釘單位類型為SOLID186，彈性模量為206 000，泊松比為0.3（表1）。生成網(wǎng)格模型后，空心螺釘聯(lián)合“8”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)固定髕骨骨折模型總節(jié)點數(shù)為170 971，總單位數(shù)為100 259，空心螺釘聯(lián)合“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)固定骨折模型總節(jié)點數(shù)為182 727，總單位數(shù)為106 406（表2）。分別設(shè)置接觸對。

表1 髕骨及內(nèi)固定的材料性能Tab.1 Material properties of patella and internal fixation

表2 兩個固定系統(tǒng)的元素數(shù)Tab.2 Numbers of elements of two fixation system

圖1 空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲固定的髕骨橫行骨折模型A、B 分別表示空心螺釘聯(lián)合“8”、“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)固定的模型Fig.1 Models of patellar transverse fracture fixed by hollow screw combined with tension band wireA,B represented the model fixed by hollow screw combined with “8” and “0” tension band wire fixation system

圖2 兩種固定系統(tǒng)聯(lián)合空心螺釘治療髕骨骨折的網(wǎng)格模型A、B:“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)治療髕骨骨折前后側(cè) C、D: 采用“8”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)治療髕骨骨折Fig.2 The mesh models of patella fracture treated with two fixation systems combined with hollow screwA,B: showed the anterior and posterior sides of the patella fracture treated with “0” tension band wire fixation system; C,D: showed that of the patella fracture treated with “8” tension band wire fixation system

1.3 機械負荷實驗

膝關(guān)節(jié)屈曲時，髕骨上、下極分別受到股四頭肌和髕韌帶的拉力影響，加重髕骨骨折的分離和移位。本研究通過約束髕骨上極附著部分，在利用200 N 力模擬兩個模型在膝關(guān)節(jié)屈曲時髕骨受撐開的情況下，比較兩組模擬載荷下螺釘、骨和鋼絲的位移和應(yīng)力分布特征。

1.3 臨床病例的回顧性分析比較

我們還對2011 年到2018 年接受“8”或“0”固定系統(tǒng)治療的髕骨橫行骨折患者進行了回顧性分析，比較了兩種固定系統(tǒng)治療后的骨折愈合時間，術(shù)后并發(fā)癥以及膝關(guān)節(jié)的功能評分[11]。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型的有效性驗證

有限元分析過程中，我們需要對各實體賦予單元類型和材料參數(shù)，本研究中賦予骨皮質(zhì)單元、骨松質(zhì)單元、不銹鋼絲單元和螺釘?shù)牟牧项愋?、彈性模量以及泊松比均與已報道的文獻一致[9]。譚哲等人先前也采用了不同的軟件進行建模來分析張力帶固定髕骨橫行骨折的等效應(yīng)力和位移，模擬膝關(guān)節(jié)屈曲不同角度時，他們發(fā)現(xiàn)“8”張力帶固定髕骨骨折時，鋼絲的最大位移在0.144～0.406 mm 之間[12]，徐洪璋等人[10]也建立并分析了髕骨骨折不同張力帶固定的有限元模型，發(fā)現(xiàn)在屈膝90°時，8 字形張力帶鋼絲的位移范圍為0.325～1.032 mm，均與本次有限元分析中“8”張力帶產(chǎn)生的最大位移結(jié)果0.36 mm 一致。Ling Ming等人[6]也對不同張力帶固定方法來治療髕骨橫行骨折的生物力學(xué)特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)在用200 N 力牽引來模擬屈膝作用下，“8”張力帶固定的骨塊之間的位移在0.29～0.41 mm，而“0”張力帶固定的骨塊之間的位移在0.15～0.28 mm 之間，與本研究中的0.35 mm和0.22 mm 類似；并且相同外力下與“8”張力帶固定的髕骨橫行骨折相比，“0”張力帶固定的髕骨橫行骨折位移更小，更加穩(wěn)定，也與本研究模型結(jié)果吻合。一項在大體標本上模擬有頭和無頭空心螺釘治療髕骨橫行骨折的穩(wěn)定性實驗發(fā)現(xiàn)，當空心螺釘?shù)念^部埋入骨塊內(nèi)時起到的穩(wěn)定作用更強[13]，埋頭螺釘有望成為治療固定髕骨橫行骨折的有效手段。

2.2 兩種固定模型的穩(wěn)定性比較

在“8”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)組模型中，200 N 的牽引力下，螺釘?shù)淖畲笙鄬ξ灰坪偷刃?yīng)力分別為0.32 mm 和778.01 MPa，鋼絲的最大相對位移和等效應(yīng)力分別為0.36 mm 和311.51 MPa，骨的最大相對位移和等效應(yīng)力分別為0.35 mm 和3.82 MPa。“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)組中，螺釘?shù)淖畲笙鄬ξ灰坪偷刃?yīng)力分別為0.20 mm 和941.88 MPa，鋼絲的最大相對位移和等效應(yīng)力分別為0.21 mm 和336.24 MPa，骨的最大相對位移和等效應(yīng)力分別為0.22 mm 和3.66 MPa（表3）。在兩組中，最大位移均發(fā)生在空心螺釘穿絲處(圖3、4)。

表3 髕骨和內(nèi)固定的最大相對位移和等效應(yīng)力Tab.3 Maximum relative displacement and equivalent stress of patella and internal fixation

圖3 髕骨橫行骨折內(nèi)固定模型中髕骨、空心螺釘、張力帶鋼絲固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布A、C: 200 N 牽引力下髕骨和“8”固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布 B、D: 200N 牽引力下髕骨和“0”固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布 從藍到紅，局部壓力增加Fig.3 The stress distribution on patella,hollow screw and tension band wire fixation system in the model of internal fixation of patellar transverse fractureA,C: showed the stress distribution on patella and “8” fixation system under distraction stress of 200 N; B,D: showed the stress distribution on patella and “0” fixation system under distraction stress of 200 N;From blue to red,the local stress was increased

對接受“8”或“0”張力帶固定系統(tǒng)治療的髕骨骨折患者進行隨訪后發(fā)現(xiàn)，使用“0”張力帶固定系統(tǒng)的患者中內(nèi)固定失效的比例低于“8”張力帶固定系統(tǒng)治療的患者[11]。

3 討論

髕骨骨折的治療首選空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲固定，該技術(shù)的原理是將髕骨前表面的張力轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)面上的壓力，以促進骨折的愈合。張力帶鋼絲內(nèi)固定系統(tǒng)與其他內(nèi)固定材料一起使用時，不僅可用于單純性髕骨骨折的治療，也可用于粉碎性髕骨骨折的固定.隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展，空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲也被推薦用于髕骨骨折的治療，并被證明是有效[5]。髕骨骨折的治療原則包括關(guān)節(jié)面修復(fù)、剛性內(nèi)固定和早期功能鍛煉，以減少關(guān)節(jié)的粘連和僵硬[14]。臨床上常用張力帶鋼絲固定系統(tǒng)聯(lián)合克氏針治療髕骨骨折，但克氏針固定髕骨骨折容易彎曲松動，可刺激髕骨前囊，導(dǎo)致滑囊炎[15]。近年來，隨著研究的發(fā)展，空心螺釘和張力帶鋼絲逐漸應(yīng)用于髕骨骨折的治療[16]。空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲固定系統(tǒng)與克氏針聯(lián)合張力帶固定系統(tǒng)治療的患者的手術(shù)時間和術(shù)中出血均無顯著差異，但前者可縮短住院時間，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，提高臨床療效和膝關(guān)節(jié)功能優(yōu)良率[17]。通過空心螺釘中間重新引入鋼絲固定髕骨，避免了對股四頭肌肌腱和髕骨肌腱的壓迫?？招穆葆斅?lián)合張力帶鋼絲固定系統(tǒng)可以在不影響髕骨血液循環(huán)的情況下，對骨折端施加較大的壓力來固定骨折，克服了克氏針聯(lián)合張力帶固定技術(shù)的不足。韋武等[18]發(fā)現(xiàn)空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲固定髕骨的最大可承受負荷高達732 N，而克氏針固定髕骨的最大可承受負荷僅為395 N。因此，越來越多的髕骨骨折患者采用空心螺釘聯(lián)合張力帶鋼絲治療。在臨床應(yīng)用空心螺釘張力帶鋼絲治療髕骨骨折中，“8”固定系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。實際上，空心螺釘也可以與“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)相結(jié)合，但人們對此知之甚少。目前也沒有研究或報道比較這兩種系統(tǒng)在髕骨橫行骨折固定中的穩(wěn)定性。

FEA 分析是一種基于有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析的計算方法，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的荷載、幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件和界面條件以數(shù)學(xué)形式總結(jié)出來。FEA模型是研究內(nèi)固定器械應(yīng)力分布的一種有效方法，特別是在研究手術(shù)技術(shù)對其應(yīng)力分布的影響時[19]。Ling 等[6]根據(jù)FEA 分析得出結(jié)論，克氏針的位置對改良張力帶鋼絲固定髕骨骨折的效果有影響。在膝關(guān)節(jié)45°屈曲時，后置(靠近關(guān)節(jié)面)克氏針可使骨折獲得最佳的穩(wěn)定性和應(yīng)力，使用“0”字形固定系統(tǒng)聯(lián)合克氏針進行了分析，但與本研究中的“0”固定系統(tǒng)不同。本研究中，內(nèi)固定材料和方法新穎：采用空心螺釘代替克氏針，“0”張力帶鋼絲固定方法也不同于以往報道的方法。在本研究中使用的張力帶鋼絲是通過空心螺釘?shù)膬?nèi)部設(shè)置的。

我們采用最大位移來評價內(nèi)固定裝置的穩(wěn)定性，在相同的負荷下，內(nèi)固定裝置的相對位移越大，內(nèi)固定失敗的可能性就越大。Kakazu 等[2]報道發(fā)現(xiàn)，在蹲位和站立時，髕骨承受的壓力大約是身體重量的7倍。本研究發(fā)現(xiàn)對髕骨骨折內(nèi)固定模型施加200 N牽引力時，“8”張帶鋼絲最大相對位移大于“0”張帶鋼絲?？梢哉J為，當牽引力進一步增大時，“8”張力帶固定系統(tǒng)會更早松動或斷裂。通過研究發(fā)現(xiàn)“8”和“0”張力帶鋼絲的最大位移，即鋼絲最早容易斷裂的地方，是鋼絲從空心螺釘穿出的位置，因此我們認為在髕骨橫行骨折的模型中，空心螺釘聯(lián)合“0”張力帶鋼絲固定系統(tǒng)比“8”張力帶固定系統(tǒng)更穩(wěn)定。

到目前為止無論在軟件模擬上還是在大體標本上，尚無關(guān)于空心螺釘結(jié)合“8”或“0”張力帶固定髕骨橫行骨折的生物力學(xué)分析和報道。本研究創(chuàng)新性地針對兩種新穎的內(nèi)固定手段（埋頭空心螺釘+“8”或“0”張力帶）進行了有限元分析，并首次報道了空心埋頭螺釘結(jié)合“0”張力帶固定具有更強的穩(wěn)定作用。此外我們還將這兩種固定方法用于臨床治療髕骨骨折患者，進行回顧性分析療效后發(fā)現(xiàn)空心螺釘結(jié)合“0”張力帶固定髕骨橫行骨折術(shù)后內(nèi)固定失效的發(fā)生率更低[11]。在本研究中，我們分析了一種新的手術(shù)技術(shù)，即空心螺釘聯(lián)合“0”張力帶鋼絲固定治療髕骨橫行骨折。然而本研究也有一些需要進一步完善的地方，比如將這兩種固定模型在大體髕骨骨折標本模型上進行驗證，這也是我們后續(xù)努力的方向之一。

基于FEA 方法，我們首次比較了兩種張力帶聯(lián)合空心螺釘固定髕骨橫行骨折的生物力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，“0”張力帶固定系統(tǒng)聯(lián)合空心螺釘治療髕骨橫行骨折時，比“8”固定系統(tǒng)更穩(wěn)定。