合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折4种内固定方法的生物力学性能静态有限元分析

　　作者：辛力 王业华 作者单位：徐州医学院附属医院骨科，江苏徐州221002

　　【摘要】 目的 对合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折的4种内固定方法进行生物力学性能静态有限元分析比较，希望为临床选择提供参考。方法 采用CT扫描技术，通过对Synbone人工骨结构的扫描，利用MIMICS软件重建胫骨近端的三维有限元模型，在此基础上制备骨折脱位型胫骨平台骨折4种内固定方法〔内侧双钢板(MDP)，双侧双钢板(BDP)，外侧锁定钢板+拉力螺钉(LLP)，内侧T型单钢板+拉力螺钉(MSP)〕的三维有限元模型, 最后用ANSYS软件进行力学数据分析。结果 4种固定方法的最大应力值在500、1 000、1 500 N 3个垂直载荷强度下均依次为LLP>MSP>BDP>MDP，LLP固定的最大应力值是其他3种固定方法的2.8～6.3倍。结论 MDP固定后的应力最小，其后依次为BDP与MSP，而LLP固定的应力最高。

　　【关键词】 胫骨内侧平台骨折 有限元分析

　　合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折是一种较严重的平台骨折，发生率约占胫骨平台骨折的10%[1]。这种骨折不仅在内侧平台有较大的骨折块，还有外侧平台、髁间棘的骨折以及韧带松弛而合并膝关节的半脱位，往往需手术治疗。但是手术复位固定较困难，目前已有很多固定方法，如内侧双钢板(MDP)、双侧双钢板(BDP)、外侧锁定钢板+拉力螺钉(LLP)、内侧T型单钢板+拉力螺钉(MSP)等，哪种方法更好仍在不断的实践和研究中。Jiang等[1]用生物力学测定的方法比较了以上4种不同内固定方法的稳定性，认为MDP最可靠，LLP最差。本研究采用有限元分析方法比较了这4种内固定方法的稳定性。

　　1 材料和方法

　　1.1 材料

　　1.1.1 胫骨 Synbone人工骨，型号1118，瑞士Synthes医疗器械有限公司。

　　1.1.2 内固定器材 4.5系统不锈钢“T”型支撑钢板及螺钉及3.5系统钛合金有限接触动力加压钢板(LC-DCP)、螺钉，武进医疗器械公司。微创内固定系统(LISS)，瑞士Synthes医疗器械有限公司。

　　1.1.3 三维有限元模型建立的硬件设备及软件条件 DELL PRESIONTTM 650工作站。医学影像控制系统Mimics 10.0(Materiaise′s Interactive Medical Image Control System, UK);有限元分析软件ANSYS 10.0;计算机辅助设计软件Pro/Engineer 2001;绘图软件Auto CAD 14.0、3D MAX 6.0、CINEMA 4D 9.0;图像处理软件Photoshop 10.0。

　　1.2 方法

　　1.2.1 有限元模型的重建 对一完整的Synbone人工骨的胫骨(型号1118)进行CT(西门子CT扫描机)断层成像。在CT成像过程中，将扫描对象置于扫描视野中心，保持纵轴方向不动，扫描条件为：140 kV，320 mA，层厚1 mm。扫描范围从胫骨平台到胫骨远端1/3，得到CT图片，在Mimics中转化为数字信号，处理后生成合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折三维CAD模型并输出，见图1。

　　图1 合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折

　　三维CAD模型多视角截图

　　1.2.2 4种内固定后模型的三维重建 以绘图软件Auto CAD、3D MAX、CINEMA 4D等重建内固定物，外形尺寸数据由内固定物的生产商(瑞士Synthes医疗器械有限公司，江苏武进医疗器械公司)提供。将上一步的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折的三维CAD模型导入Pro/Engineer 2001中，将两部分按实际相对位置和尺寸比例相结合，螺钉在胫骨内部的部分也完全按原比例结合，最终生成三维CAD模型，储存时的几何精度与第一步的三维重建模型相同，以确保不损失数据。

　　1.2.3 4种内固定方法生物力学性能的ANSYS分析

　　1.2.3.1 网格划分 将上一步最终生成的CAD模型导入ANSYS软件，采用ANSYS前处理系统，胫骨选择SOLID98号单元，钢板采用PLANE42号单元，螺钉采用LINK8号单元，划分网格，高应力区自动网格加密处理，获得合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折不同固定方法的有限元模型。

　　1.2.3.2 接触条件 骨骼视为正交各向同性材料，其他所有材料均为弹性材料。拉力螺钉在胫骨平台及胫骨干内为完全固定，摩擦系数为0.3, 骨折界面摩擦系数亦为0.3，微创内固定系统(LISS)钢板与螺钉间为刚性连接。

　　1.2.3.3 载荷及边界条件 将固定后的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折三维有限元模型远端固支，即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为0。以500、1000、1500 N的纵向静载荷分别进行加载。

　　1.2.3.4 生物力学性能分析 对不同固定方法固定后的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折有限元模型分析胫骨近端的应力分布，得出最大应力值。

　　2 结 果

　　2.1 应力分布 各模型加载500、1000、1500 N后胫骨近端的应力图见图2，最大应力值及其集中部位见表1。从这些结果可以看出，4种固定方法固定后的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折最大应力分布区域均位于内侧骨折块内。

　　2.2 应力值 4种固定方法的最大应力值在不同载荷强度下均依次为LLP>MSP>BDP>MDP，LLP固定的最大应力值是其他3种固定方法的2.8～6.3倍。

　　3 讨 论

　　合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折多由高能量的内翻应力和轴向应力所致，骨折累及包括部分外侧平台、髁间棘及整个内侧平台在内的大块区域，通常都伴有一个较大的内侧或后内侧的“关键骨块”[1]。由于前后交叉韧带的附着点分别位于髁间棘偏内及后方，因此虽然此型骨折中股骨髁与内侧平台骨块相互关系仍可保持一致，但外侧平台可因失去了交叉韧带的控制而向外上方移位，导致膝关节半脱位。这种骨折非常不稳定，预后也较其他类型的平台骨折差[1-2]。其原因不仅包括骨折时较多的软组织合并伤，也很大程度上与这种骨折的复位固定较难、术后并发症较多有关[3]。这种骨折的处理较难，手术要恢复骨与关节正确的解剖关系，并给予可靠的固定，以利于膝关节早期活动。虽然文献报道有多种治疗方法可供选择，但钢板内固定仍是最有效的治疗方法[1]。

　　目前临床上最常用的方法是通过髌旁内侧入路使用支撑钢板结合前后位拉力螺钉固定，这种方法虽然可经单一切口完成骨折固定，但是其对于后内侧骨块的复位及固定均有一定难度。由于膝关节屈曲时平台后内侧的剪切应力较大，如果这些骨块复位不佳或固定不稳均容易导致内侧股骨髁向后下方半脱位，将严重影响膝关节的功能[2]。为了解决这些问题，可采用内外侧双切口联合入路的方法。由于人体正常步态周期中膝关节应力的60%～75%由内侧平台承载，加之下肢的解剖轴线及机械轴线均位于膝关节内侧方，因此内侧平台骨折的移位趋势主要是内翻下沉移位。根据这一特点，内侧双钢板技术被应用于合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折的治疗。这项技术仍然使用后内侧切口防滑钢板对后内侧骨块进行复位固定，同时为了增加对内侧干骺端的支撑，更有效地对抗内翻及轴向应力，将以往外侧的支撑钢板应用于前内侧[1]。此外LISS由于钢板与螺钉锁定后具有角稳定性，因而可以防止干骺端骨折或累及胫骨内侧髁骨折后的内翻塌陷。

　　本研究中4种方法固定后胫骨近端的应力分布结果表明：MDP固定后的应力最小，其后依次为BDP与MSP，而LLP固定的应力最高。根据骨折固定的生物力学原理，作用在胫骨平台上的应力主要由刚度较高的内固定物承担。MDP和BDP固定中2块钢板在不同平面上对内侧骨折块进行固定，在这种双柱固定方式中，应力可以通过2块钢板和较多的螺钉均匀分散，从而大大减少了应力集中。MSP固定时内侧应力的传递主要有2种途径：一是经钢板跨过干骺端传递至胫骨干，二是通过螺钉将应力传递至外侧平台及外侧干骺端。由于其应力仅由1块钢板及相对较少的螺钉承担，因此每一承载单元的应力明显高于MDP和BDP 2种双柱固定方法。而LLP固定时内侧应力大部分是经过作用在内侧平台的锁定螺钉及拉力螺钉传递至外侧平台及外侧干骺端，小部分经由骨折接触面传递至胫骨干，由于其承载部位更为有限，因此每一承载单元的应力极高。这种高应力必然导致骨折端的高应变，从骨折愈合角度来讲，这种高应变不利于骨折局部骨痂的生长。本研究中选用的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折模型仅是一种相对理想化的模型，临床上此型骨折还可能伴有干骺端的粉碎和后内侧的劈裂等，这些病理变化又加重了骨折端的不稳定。通过有限元分析的结果可以看到，LLP固定由于承载部位有限而导致应力较高，因而从生物力学角度看，并不适用于合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折;在局部软组织允许的条件下，MDP固定是治疗合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折较理想的固定方法。

　　有限元分析是一种新兴的虚拟现实技术，在医学研究中应用的可靠性已得到公认[5]，近年来, 有限元分析方法开始越来越多的被用于骨折内外固定方法的生物力学评价中[1，6]，为临床选择有效的固定方法提供了实验依据。

　　本研究中三维有限元模型的建立采用CT扫描技术，通过对Synbone人工骨结构的扫描，利用ANSYS软件重建胫骨近端的有限元模型，在此基础上制备的合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折三维有限元模型进行生物力学数据分析。由于这种人工骨是完全按照人体骨的形态结构制备的，因此其扫描后骨的组织结构和构成比例也与人体骨相似，赋予人体骨的特性参数后完全符合实验需要。

　　由于腓骨对应力分散作用的影响较小，仅占4.6%左右[1]，因此在分析中我们忽略了腓骨的作用。膝关节在正常生理活动中要承受弯曲、扭转、剪切、压缩等不同类型的复杂应力，其在不同步态周期及运动状态下力的作用类型与大小又有很大差异，但垂直压缩应力是导致骨折块移位及内固定失效的最主要成分，因此实验中我们仅对胫骨平台施加了垂直方向的静载荷，以观察不同固定方法固定后胫骨近端的应力分布情况，不同步态周期及运动状态下的作用结果还有待进一步的研究。

　　【参考文献】

　　[1] Jiang R, Luo CF, Zeng BF. Biomechanical evaluation of different fixation methods for fracture dislocation involving the proximal tibia [J].Clin Biomech (Bristol, Avon), 2008, May 15.[Epub ahead of print]

　　[2] Papagelopoulos PJ, Partsinevelos AA, Themistocleous GS, et al. Complications after tibia plateau fracture surgery [J].Injury, 2006, 7(6): 475-484.

　　[3] Luo CF, Jiang R. Medial double-plating for fracture dislocations involving the proximal tibia [J].Knee, 2006, 13(5): 389-394.

　　[4] 罗从风,姜 锐,周曼瑜,等. 胫骨内侧平台骨折手术治疗失败的原因分析[J].中华创伤骨科杂志, 2006, 8(7):642-646.

　　[5] Georgiadis GM. Combined anterior and posterior approaches for complex tibial plateau fractures [J]. J Bone Joint Surg Br, 1994, 76(2):285-289.

　　[6] Mueller KL, Karunakar MA, Frankenburg EP, et al. Bicondylar tibial plateau fractures: a biomechanical study [J]. Clin Orthop, 2003, (412):189-195.