掌侧逆行固定治疗腕舟骨腰部骨折三维有限元分析

【摘要】

目的 建立腕舟骨腰部骨折掌侧入路螺钉逆行固定与顺行固定的二维有限元模型，分析对比逆行固定与顺行固定术后的生物力学稳定性，为逆行固定提供生物力学依据。

方法 通过CT扫描获取尺桡骨远端、各腕骨与掌骨近端的空间结构信息，利用三维有限元软件建立腕舟骨腰部骨折模型。接着以临床手术操作为参照，建立不同角度螺钉逆行固定模型以及将螺钉置于腕舟骨轴线的顺行固定术后的三维有限元模型。模拟腕舟骨腰部骨折螺钉内固定术后的受力情况，比较分析逆行固定不同螺钉内固定位置骨折端水平位移和螺钉所受最大应力大小，并与顺行固定模型对比。

结果 在所有逆行固定模犁中，螺钉在腕舟骨轴线上时螺钉所受应力最小、骨折端水平移位最小。在所有模型之中，顺行固定模型螺钉所受最大应力最小、骨折端水平移位最小，且与逆行固定螺钉在腕舟骨轴线时的模型非常接近。

结论 逆行固定时将螺钉置于舟骨轴线时模型最稳定，而当螺钉置于舟骨轴线上时，逆行固定与顺行固定生物力学稳定性术见明细差异。

【关键词】腕舟骨；内固定；有限元

腕舟骨骨折是腕部最常见骨折，约占腕骨骨折的71％。腕舟骨骨折最常采用螺钉和克氏针行内固定治疗。Carter等行体外的生物力学研究发现Herbert螺钉和空心加压螺钉相比克氏针能提供更高的稳定性。Seth等通过尸体行生物力学实验研究发现长螺钉固定相比短螺钉固定更稳定，且建议将螺钉安置于腕舟骨轴线上。对于腕舟骨腰部骨折行掌侧入路顺行固定(由腕舟骨远端舟骨结节向近端固定将螺钉置入腕舟骨轴线时能提供相对坚强的生物力学稳定性，已见文献报道，而腕舟骨腰部骨折掌侧入路Herbert钉逆行固定(由近极向远极固定屿顺行固定哪种固定方式能够提供更高的稳定性未见文献报道。本实验通过三维有限元技术分析对比掌侧入路螺钉逆行固定与顺行固定这2种固定方式的生物力学稳定性，为临床上掌侧入路Herbert螺钉逆行固定提供生物力学依据。

1材料与方法

1．1模型数据的采集

选择1名青年男性志愿者，腕关节活动正常，无腕关节疾病史，志愿者对实验方案知情同意。拍摄腕关节正侧位片，腕舟骨轴位片，排除腕部疾病。采用螺旋CT对志愿者腕关节进行薄层扫描，层厚lmm，扫描范围包括尺桡骨远端3cm、8块腕骨、近端掌骨1／3及相关韧带。

1．2腕部三维几何模型的建立

将SCT扫描数据以Dieom格式导入Mimics软件(比利时Materialise公司)，进行灰度阈值调整、区域分割后，建立腕部三维模型。

1．3腕舟骨腰部骨折不同方法螺钉的装配

以STL格式将腕骨模型和螺钉导入Freeform软件(美国Phantom公司)，以临床操作为参照，逆行固定(由腕舟骨近极向远极固定选取舟月骨间韧带边为进针点，顺行固定(由腕舟骨远极向近极固定以舟骨结节为进针点，将螺钉装配于腕舟骨模型上。

1．4三维有限元模型的建立

1．4．1有限元网格划分

在Freeform软件中对各模型铺面处理后以IGES格式导入有限元分析软件Ansys中，shell63单元模拟区域皮质骨，其它结构采用十结点solid92单元进行风格划分。参考腕骨软骨厚度数据，设定软骨层厚度为1mm“。将软骨基准面三角形单元沿着单元法线方向向外延展1mm，生成软骨单元。再对腕骨各单元节点进行优化处理，消除交叉单元，并进行单元网格优化以及边界光滑处理，得到包含骨单元与软骨单元的三维有限元模型。加入桡舟头韧带、桡舟月韧带、舟头韧带、舟大小多角韧带、掌侧舟月韧带等腕舟骨周围韧带组织，建立腕部三维有限元模型。在处理过程中，为了完善腕部模型和便于后续的计算分析，对模型中骨性结构以外的组织进行了以下处理：

② 将骨性结构以外的软组织作为一个整体纳入模型；

②软组织与骨性结构定义为紧密结合关系；

③保留腕舟骨以及与腕舟骨相关

节的桡骨、尺骨、月骨等骨性结构的独立，其它各骨进行了融合处理。

1.4.2材料属性定义

(1)骨与软骨的材料属性。

一般来讲，生物组织属于各向异性的非线性体。本实验假设腕部骨骼和关节软骨均为各向同性均匀的线弹性材料，又因皮质骨与松质骨的弹性模量均远远大于软骨的弹性模量，所以将骨骼单元的杨氏弹性模量统一设置为10000MPa，泊松比0.3。在不同的文献中，软骨的杨氏弹性模量从1MPa到10MPa不等，泊松比从0.45到0.49不等，本实验研究选取杨氏弹性模量5Mpa，泊松比0.47。

(2)韧带的材料属性。

在对正常人体结构的三维有限元分析中，研究者通常在模型中将韧带模拟成一维线性或非线性弹簧单元。这种方法不仅使模型简单化，并且不影响外部载荷作用下关节运动力学以及韧带整体承载作用的分析。本实验在建模时也采用一维非线性弹簧单元来模拟腕舟骨周围韧带。韧带骨端附着的位置是根据各韧带解剖学上的附着位置，并参考MRI扫描以及解剖学软件等确认韧带相应附着的位置，接着连接韧带两端骨模型上相应的附着节点，分别用2个非线性弹簧单元进行模拟。各韧带对应的弹簧刚度系数均参考现有文献数据。

1.4.3螺钉固定模型的建立

应用有限元软件Ansys将上述模型改建成4种腕舟骨腰部骨折螺钉内固定模型。其中逆行固定模型3种，顺行固定模型1种。逆行固定模型选取相同的进针点，进针点位于腕舟骨近极舟月骨间韧带腕舟骨附着点边。以逆行固定进针点为中点，前臂纵轴线过中点建立Y轴，垂直于Y轴建立X轴，以中点作一腕舟骨中轴线为z轴。定义将螺钉置于腕舟骨中轴线(z轴)的模型为第2种模型；以z轴为中心向两边各成5。角建立第1、3种模型。第4种模型为顺行固定模型，由腕舟骨结节进针，将螺钉置于腕舟骨中轴上。赋予螺钉单元材料属性：杨氏弹性模量E=11300Mpa，泊松比0.3。腕舟骨腰部骨折模型以及不同方式螺钉固定模型示意图(图1．2)。

1．5载荷设置与边界条件

本实验对第2掌骨和第3掌骨远端施加沿前臂纵轴方向共100N的压力载荷，方便与已有实验结果对照。将模型中的尺桡骨近端在x、Y、z3个方向完全约束。考虑软骨之间的摩擦系数较小，且关节液具有减小摩擦的作用，因此本实验没有考虑关节间两关节面摩擦因素的影响。为简化模型分析，对正常腕骨模型进行加载分析，重点分析腕舟骨的应力受力情况，通过对计算结果的分析统计，把以上分析结果作为初始力学边界条件，对单独的腕舟骨模型及腕舟骨骨折固定后模型进行计算分析。

2结果

对模型验证过程中，本实验对正常模型掌骨进行加载分析，重点分析腕舟骨的应力受力情况。通过对计算结果的分析统计，掌骨受到100N轴向压力作用下，腕舟骨的外部载荷主要来自于桡舟关节面、舟月关节面、舟．多角关节面以及舟月韧带，还有部分示平衡的力量来自于其它关节面或者软组织，具体结果见表2。

2．1模型的验证

计算第2掌骨和第3掌骨受到100N的轴向压力作用下桡腕关节面接触应力分布情况，结果通过桡腕舟骨关节面传递的载荷约占整个桡腕关节载荷传递总量的48％。本实验结果与前人实验数据通过桡腕舟骨关节面传递的载荷约占整个桡腕关节载荷传递总量的44％~55％相接近。验证了模型的合理性和可行性，为进一步研究腕舟骨腰部骨折内固定模型提供理论依据。

2．2轴向压力作用后各模型和螺钉应力情况

对4种腕舟骨腰部骨折螺钉内固定模型加载相同轴向作用力，测定所有模型骨折断端水平移位和螺钉所受最大应力值。在相同轴向压力下各模型骨折断端水平移位和螺钉所受最大应力值见表3。

结果由逆行固定模型中，第1种与第3种模型螺钉所受最大应力值与骨折端移位比第2种模型大；第2种模型与第4种模型螺钉所受应力值最小，且骨折端移位最小，且2者数值非常接近。

3讨论

目前常用治疗腕舟骨骨折的手术入路有腕掌侧入路和背侧入路。掌侧入路因未对腕舟骨背侧残存血运造成影响，能最大限度的保护腕舟骨残存的血运又能很好暴露腕舟骨远端和腰部骨折，并能矫正背侧成角畸形，因此多数学者对于腕舟骨腰部骨折建议使用掌侧入路。

腕舟骨滋养血管主要来自桡动脉分支，分别经腕舟骨背侧腰部水平与结节部进入腕舟骨，其近极均被软骨覆盖无血管进入，主要由骨内血管逆行供血。不稳定型腕舟骨腰部骨折常因骨折断端明显移位严重破坏了腕舟骨背侧的血供，而自腕舟骨结节进入腕舟骨血运约占20％～30％，因此保护由结节进入腕舟骨血运非常重要。

治疗上应尽量避免由于手术操作而加重腕舟骨血供的破坏，掌侧顺行固定需要直接在腕舟骨结节上钻孔固定，很容易进一步影响腕舟骨的血运，从而导致腕舟骨骨折的骨不连和缺血性坏死概率增高。而另一种内固定方式，即掌侧入路逆行固定为自腕舟骨近极向远极进行固定，由于术中无需暴露腕舟骨结节及在其上钻孔固定，很大程度上减少了对腕舟骨的血运的影响，最大限度地保护腕舟骨整体血运，从而提高骨折的愈合率，尤其适用于腰部和近端骨折。本实验通过三维有限元技术分析说明了临床上掌侧入路Herbert螺钉逆行固定能够提供牢固力学固定。

随着有限元软件、计算机及医学影像学的发展，三维有限元技术计算结果的可靠性与精确度日趋成熟，且具有其它实验应力分析法无法比拟的优点，是目前生物力学研究的主要手段之一。在本实验研究中，应用三维有限元分析对比4种腕舟骨腰部横行骨折螺钉固定术后模型生物力学稳定情况。过去经常应用二维有限元分析腕骨力学效应，然而这种模型无法计算腕骨在冠状面的移位情况。Carrigan应用腕骨三维有限元模型分析载荷传递途径，然而为了避免轴向载荷作用下模型失败，所有的腕骨被限制于只能在平行于载荷作用方向上运动。此外，上述研究还分析了几个参数对模型的影响，揭示了当腕舟骨各方向运动未被限制时结果的差异性。

本实验应用三维有限元技术分析腕舟骨腰部骨折螺钉逆行固定与顺行固定术后力学效应。模型模拟正常腕舟骨运动，其只受腕舟骨周围韧带以及骨关节的生理限制。在这种情况下，所有的模型都保持稳定，因此对于模型分析计算可以不需要任何边界限制条件。

本实验通过计算螺钉内固定模型骨折端移位情况进行评估各模型的稳定性。临床上一定量轴向移位，即骨折断端一定量分离移位是可以接受的，甚至是有益的，它能促进骨折愈合，而骨折端水平移位容易导致骨折不愈合m。因此，我们假设骨折断端水平移位应该保持在最小值，认为越小水平移位模型越稳定。

通过有限元分析计算第2、4种内固定方式水平移位最小，所以认为这两种模型稳定性高。对于腕舟骨骨折行螺钉内固定时，大多数学者认为应将螺钉安置于腕舟骨中轴线上，因为螺钉的位置不适当可能导致腕舟骨骨折延迟愈合甚至骨不连。本实验通过三维有限元分析，对比逆行固定模型中，结果第2种模型，即将螺钉安置于腕舟骨中轴线上时骨折端水平移位情况最小，螺钉所受最大应力最小，即骨折内固定术后最稳定，螺钉松动可能性较小。

因此，对于腕舟骨腰部骨折行螺钉逆行固定时，应尽量将螺钉安置于腕舟骨轴线上。临床上对于腕舟骨骨折采用掌侧入路顺行固定时，通常从腕舟骨结节进针，沿腕舟骨纵轴固定。本实验第4种模型模拟临床上顺行固定，在与逆行固定模型加载相同载荷后，结果骨折端水平移位距离与逆行固定中第2种模型相等，螺钉所受最大应力最小，但与第2种模型非常接近。

本实验结果证明，对于腕舟骨腰部骨折螺钉安置于腕舟骨轴线时骨折较稳定。在所有逆行固定模型中，将螺钉置于腕舟骨中轴线时模型最稳定，而当螺钉置于腕舟骨轴线上时，逆行固定与顺行固定生物力学稳定性未见明显差异，说明逆行固定能提供顺行固定一样的生物力学稳定度。因此，腕舟骨骨折行螺钉内固定时，应尽量将螺钉置于腕舟骨中轴线上，这与前期生物力学实验结果相同嘲。

本实验在建模与对模型分析上也存在很多不足之处，对于模型的验证，未能获得国人尸体作腕部相同加载的尸体标本所测得生物力学实验数据进行验证，而建模却是采用国人的SCT数据，因为种族差异，所以实验数据是有差异的。

本实验建模时为了减少计算量，将尺桡骨以及各腕骨材料性质

定义为单一的皮质骨构成，若要实验数据更准确，需要按CT

扫描密度计算弹性模量。对于韧带附着点定位时，本实验只

结合MRI以及解剖学资料，没有薄层软组织切片数据支持，

无法精确定位，建议在以后的在腕部建模中能融合CT、MRI

以及薄层软组织切片数据，使模型更逼真。

来源：医学有限元分析丶