有限元分析法下尺骨鹰嘴骨折应用尺骨鹰嘴钩板的可行性探讨

　　摘要：目的 通过有限元分析探讨尺骨鹰嘴钩板固定尺骨鹰嘴骨折稳定性。方法 选取1名男性健康志愿者，年龄32岁，体重75kg。基于志愿者右肘部的三维CT扫描数据，利用Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013等软件建立尺骨鹰嘴横形及斜形骨折模型，制作尺骨鹰嘴钩板固定骨折的三维有限元模型。在尺骨鹰嘴分别施加轴向载荷、弯曲载荷及旋转载荷100N·m、2.5N·m、22 N·m时的应力，分析尺骨鹰嘴及钩板的应力分布、最大位移区域。结果 横形骨折最大应力均集中于尺骨鹰嘴基底部，钢板螺钉最大应力集中于上下骨块的骨折线偏远端处。斜形骨折最大应力均集中于骨折线近端，钢板螺钉最大应力集中于上下骨块的骨折线处。骨折端未见明显位移。结论 尺骨鹰嘴钩板固定尺骨鹰嘴横形及斜形骨折，具有固定牢靠、位移小的优点。

　　关键词：尺骨鹰嘴骨折; 钩板; 生物学; 有限元分析; 模型;

　　Finite element analysis of transverse and oblique fractures of the ulnabular hook with the ulnabular hook plate

　　He Xianwei Wu Rongbo Yao Xizhou Zhang Xinchao

　　Department of Orthopaedic Surgery,Jinshan Hospital of Fudan University

　　Abstract：Objective To investigate the stability of olecranon fractures fixed by the olecranon hook plate through finite element analysis.Methods A male healthy volunteer,32 years old,weighing 75 kg was selected.Based on the three-dimensional CT scan data of the volunteer's right elbow,the transverse and oblique fractures of the olecranon were established using software such as Mimics 17.0 and Geomagic Studio 2013,and the three-dimensional finite element model of the fixed fracture of the olecranon hook plate was made.The stresses of 100 N·m,2.5 N·m,and 22 N·m were applied to the olecranon with axial load,bending load and rotation load,respectively,and the stress distribution and the maximum displacement area of the olecranon and hook plate were analyzed.Results The maximum stress of transverse fractures was concentrated at the base of the olecranon.The maximum stress value of the plate screw was concentrated at the distal end of the fracture line of the upper and lower bone blocks.The maximum stress of oblique fractures was concentrated at the proximal end of the fracture line,and the maximum stress of the plate screw was concentrated at the fracture line of the upper and lower bones.No significant displacement was observed at the fracture end.Conclusion The application of olecranon hook plate in fixing transverse and oblique fractures of the olecranon has the advantages of firm fixation and small displacement.

　　尺骨鹰嘴骨折是骨科常见的损伤，常见类型包括横形及斜形骨折，多由间接暴力引起。尺骨鹰嘴骨折多数是波及到半月切迹的关节内骨折。因此，解剖复位、坚强内固定是防止关节不稳定、预防骨性关节炎及其他并发症的主要措施[1]。目前常见固定有钢板螺钉、克氏针、张力带等，但存在克氏针容易松动、固定不牢靠，钢丝易发生断裂致固定失败，钢板螺钉可塑性欠佳、手术损伤较大等问题[2]。为解决上述内固定方法的缺陷，本课题组吴荣博医师特发明了专利———尺骨鹰嘴钩板，目前已经获得国家知识产权局的专利(专利号:201120341917.X)。

　　本研究拟通过建立尺骨鹰嘴钩板固定尺骨鹰嘴横形及斜形骨折的有限元模型并进行生物力学分析，观察尺骨鹰嘴钩板应用于尺骨鹰嘴骨折的可行性。

　　材料与方法

　　1有限元模型的建立

　　选取健康志愿者1名(该志愿者已签署知情同意书并经过相关医学伦理委员会批准)，男性，32岁，体重75kg，经CT扫描检查排除右肘部损伤或疾病。右肘关节行螺旋CT平扫(64排螺旋CT,GE公司，美国)，选择骨组织窗扫描，扫描层厚0.625mm，扫描长度为自尺骨鹰嘴至尺骨远端15cm处，所得数据以DICOM格式保存，共335张图片。将三维DICOM格式保存的数据导入Mimics17.0软件(Materialise公司，比利时)，设定适当的灰度阈值，对图像进行分割，输出STL格式文件，导入Geomagic Studio 2013软件(Geomagic公司，美国)进行特征识别和曲面诊断，模拟建立尺骨鹰嘴横形及斜形骨折模型及钢板、钢钉模型并保存，文件格式为SLDPRT。将几何模型导入到ANSYS17.0有限元分析软件中，建立Static Structural分析类型，在分析材料库中分别建立尺骨、钢板钢钉材料属性参数，进入Mechanical工作界面，在Geometry中对模型赋予相关的材料。对模型进行网格划分，其中网格类型设置为四面体网格，单元总数为50 486，节点总数为89 970。设置边界条件和载荷，尺骨模型一端设为固定，在尺骨另一端表面分别施加轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m、旋转载荷22 N·m。

　　2边界条件和加载

　　假设骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为0.2。将尺骨鹰嘴三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件，即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为0。尺骨鹰嘴钩板设定与尺骨鹰嘴接触为加压摩擦接触，采用目前常用的简化模型，不考虑韧带影响。计算该状态下尺骨鹰嘴与钩板的应力分布、位移。假定人体质量70kg为此状态下的轴向应力。

　　3评价指标

　　通过以下指标评定:尺骨鹰嘴骨折块和钩板的应力分布、应力峰值;尺骨鹰嘴和钩板的最大应力点、最大位移区域。

　　结果

　　1骨折块与钩板的应力分布及峰值

　　钩板固定后，轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m、旋转载荷22N·m时，横形骨折最大应力均集中于骨折线-尺骨鹰嘴基底部(图1)，应力大小分别为1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(图2);斜形骨折轴向载荷、弯曲载荷及旋转载荷时的最大应力均集中于骨折线近端(图3)，应力大小分别为1.674MPa、7.642MPa、127.800MPa(图4)。钢板螺钉最大应力分别为2.468MPa、17.832 MPa、176.990MPa，位于骨折线处。骨折端未见明显位移。

　　图1 横形骨折整体应力分布云图。a．轴向载荷100N·m;b．弯曲载荷2.5N·m;c．旋转载荷22N·m  

　　图2 横形骨折整体位移分布云图。a．轴向载荷100N·m;b．弯曲载荷2.5N·m;c．旋转载荷22N·m  

　　图3 斜形骨折整体应力分布云图。a．轴向载荷100N·m;b．弯曲载荷2.5N·m;c．旋转载荷22N·m  

　　图4 斜形骨折整体位移分布云图。a．轴向载荷100N·m;b．弯曲载荷2.5N·m;c．旋转载荷22N·m   

　　2骨折块与钩板的位移分布

　　横形骨折及斜形骨折骨折块发生位移较大的部位均为钩板远端尺骨干部及尺骨粗隆部。骨折线处横形骨折位移分别为7.8e-5mm、1.6e-2mm、8.3e-2mm(图2);斜形骨折分别为7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm(图4)。钩板螺钉最大位移位于钩板最远端，横形骨折分别为4.5e-3mm、6.7e-2mm、4.1e-1mm;斜形骨折分别为4.3e-2mm、9.2e-2mm、4.7e-1mm。

　　讨论

　　尺骨鹰嘴在尺骨近端后方，位于皮下突起，与前方的尺骨冠突构成半月切迹，此切迹恰与肱骨滑车构成肱尺关节。肱尺关节主要以伸屈活动为主，辅以滑移和内旋。尺骨鹰嘴骨折是肘部较常见的骨折，是多数波及到半月切迹的关节内骨折[3]。

　　手术内固定目标:(1)获得对位较好的关节面，减少晚期创伤性关节炎的发生[4];(2)早期功能锻炼，维持肘关节稳定[5];(3)使肱三头肌保持必要的收缩力量，避免肌肉萎缩。目前常见固定方法有钢板螺钉、克氏针张力带等。但上述内固定方法有一定的缺陷，如固定不牢靠、克氏针容易松动、钢丝发生断裂致固定失败、损伤较大[6,7];术中要将部分肱三头肌腱止点切断以容纳螺丝钉孔，对肱三头肌造成损伤[8,9];术中若钢板与尺骨鹰嘴不服帖而需要折弯时，尺骨鹰嘴接骨板不能够再折弯等[10]。

　　为减少上述内固定方法的弊端，笔者设计了尺骨鹰嘴钩板。它是用具有一定长度、厚度和宽度的镂孔金属板代替现有的内固定方法。镂孔金属板由金属钩、等腰三角形结构与条形结构拼接而成。金属钩与等腰三角形结构连接，并且它们向上弯屈一定的弧度和弯度，条形结构与三角形结构连接。

　　本研究通过建立尺骨鹰嘴骨折模型、尺骨鹰嘴钩板模型及应用于骨折端的三维有限元模型，研究钢板应用于骨折端的受力情况及位移变化。结果证实:尺骨鹰嘴钩板应用于尺骨鹰嘴横形及斜形骨折能够提供良好且有效的固定。图1显示:针对横形骨折，轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m、旋转载荷22N·m的情况下，钢板所受压力主要集中在尺骨鹰嘴基底部，所承受压力远低于钢板螺钉可承受压力。图2显示:横形骨折在轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m及旋转载荷22N·m的情况下，骨折端及钩板位移非常小。图3显示:针对斜形骨折，轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m、旋转载荷22N·m的情况下，应力主要分布于骨折线近端，整体受力比较均匀，钢板螺钉所承受压力远低于可承受压力。图4显示:斜形骨折在轴向载荷100N·m、弯曲载荷2.5N·m及旋转载荷22N·m的情况下，骨折端位移分别为7.2e-4mm、1.7e-2mm、9.5e-2mm。尺骨鹰嘴钩板内固定治疗尺骨鹰嘴骨折，其主要优点:(1)钩板与尺骨鹰嘴形态适合，不需要太多塑形，可以缩短手术时间及减少术中出血量;另外，因该钩板术中不需要过多剥离骨膜，减少对骨膜的破坏，从而对骨折端的血运进行有效保护，降低骨折不愈合发生率[11]。(2)该钩板和普通钢板一样，起到了内支架的作用，其锁定螺钉从各个角度对骨折断端进行固定，且螺钉与钢板锁定，即便粉碎性骨折且需要植骨或伴有骨质疏松的患者，也不用担心螺钉松动或退出[12]。由于起到支撑作用，减少了造成骨折端压缩、移位的风险，避免了骨折畸形愈合的发生[13]。(3)钩板克服了张力带克氏针末端对肘后皮肤的刺激，也有利于肘关节早期功能锻炼。

　　总之，尺骨鹰嘴钩板内固定可用于治疗横、斜形尺骨鹰嘴骨折，且固定牢靠，是一种安全可靠、值得临床推广应用的内固定方法。

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