肱骨远端骨折内植物有限元分析及临床应用

郝 廷，冯 卫*，薛 飞

（内蒙古医科大学第二附属医院，1.创一科；2.创三科，内蒙古 呼和浩特 010030）

・论 著・

肱骨远端骨折内植物有限元分析及临床应用

郝 廷1，冯 卫2*，薛 飞2

（内蒙古医科大学第二附属医院，1.创一科；2.创三科，内蒙古 呼和浩特 010030）

目的通过对肱骨远端骨折2种内固定方式内植物的有限元分析，比较不同内固定术式内植物应力分布特点，为指导临床、内植物改进提供理论依据。方法 建立肱骨远端骨折内固定三维有限元模型，研究不同内固定方式下内植物的应力分布。结果 通过手术模拟、有限元分析得知置于肱骨后侧的钢板应力明显大于侧方钢板所受应力，更容易发生应力集中、断板、断钉。结论 肱骨远端骨折2种内固定方式，根据内固定器材有限元分析结果能够为器械厂商内植物材料的设计、改进提供有价值的参考，一定程度上也能指导临床安全、有效的功能锻炼，防止折端移位，钢板断裂的发生。

肱骨远端；内固定；有限元

随着数字技术在骨科的应用，对四肢骨折内固定术后折端应力分布特点等进行有限元模拟分析的文献报道较多，但对内植物材料应力变化的相关文献报道几乎没有，本研究采用有限元分析法对肱骨远端骨折2种内固定方式进行模拟测试，为临床内固定手术治疗肱骨远端骨折内固定方式的选择、科学有效的放置钢板等提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 有限元模型的建立

病历选自内蒙古医科大学第二附属医院影像科非肘关节疾患成人CT连续扫描数据1例，男34岁，体重65 Kg。双侧肘关节作螺旋CT平扫（64排螺旋CT，GE公司，美国），扫描条件：电压120 KV，电流250 mAs，层厚0.625 mm，层距0.625 mm，扫描时间0.4 s，512X512矩阵成像，成像视野15×15 cm，像素大小0.625×0.625，扫描长度为肱骨大结节下缘至肱骨髁，所得数据以DICOM格式保存，采用右侧肱骨远端数据作为样本。将二维DICOM格式保存的数据导入Mimics16.0软件，设定适当的灰度阈值，选择拟重建部分建立肱骨远端三维模型。

PRO-E软件是用于建立肱骨远端双板式，Y型解剖钢板固定系统，并将其导入模拟重建良好的肱骨远端骨折模型，基于钢板的原则是固定在一个软件系统注册，所有的螺丝孔安装自攻锁紧螺钉，安装表面网状栅极和身体的登记制度，并以STL格式文件导出并保存。在Ansys软件的软件11.0中，建立了有限元模型。

1.2 边界条件及加载

模拟患者摔倒，手掌着地伸直位时的固定系统应力分布情况。固定肱骨近端表面，于肱骨髁远端表面施加垂直加载500N载荷分析钢板各钉孔和螺钉尾部应力分布。

计算设计：

采用定性和定量两种方法表示，前者用应力分布云图表示。后者计算方法如下：计算钢板和螺钉不同节段（钢板以每个节段单位面积中平均取n个点应力；螺钉钉帽圆周平均取n个点应力，n＞5）的平均VonMises应力。

1.3 统计学方法

采用SPSS 17.0统计学软件对数据进行分析，计数资料以“±s”表示，采用t检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 肱骨远端骨折第一种固定方式：双钢板固定的有限元分析

图1-1

图1-2

图1-1，1-2 肱骨远端内侧钢板应力分布（不同观察角度及区域划分）

图2 肱骨远端后侧钢板应力分布

2.2 肱骨远端骨折第二种固定方式：Y型钢板的有限元分析：

图3 Y型钢板应力分布

由应力分布云图可见（图2），钢板整体呈现中间节段应力大，两端应力逐渐减小，故折端处钢板所受应力较大，容易发生断裂。由应力分布云图可见（图1-1，图2，）在相同负荷条件下，后侧钢板应力值大于内侧钢板应力值，这可能与后侧钢板置于肱骨远端的应力侧有关。由应力分布云图可见（图1-2），螺钉与钢板接触处的应力分布明显大于螺钉杆中段及尾部，应力相对集中、容易发生断裂，这是术后螺钉帽与钉杆交界处断裂的原因。

相同载荷条件下，由应力分布云图可见（图1-1，图3）Y型钢板置于肱骨远端后侧，所受应力明显大于内侧钢板应力值，再次证实肱骨远端后侧为应力侧，所受应力较大，Y型钢板分叉处（Y3钉孔周围）应力较集中，属于钢板受力集中区；Y4Y5，Y7Y8节段应力相对较大。

3 讨 论

3.1 肱骨远端内植物的有限元分析对内固定器材设计、改进的意义

由应力分布云图可见（图2，图3），钢板整体呈现中间节段应力大，两端应力逐渐减小的趋势，手术放置钢板时钢板中段恰好置于折端处，钢板所受应力较大，容易发生断裂。根据骨折固定BO理念，我们应该推崇一种既可以弹性固定，又不容易发生断裂的内固定材料，设计一款“扁担”样式的钢板--中间厚、两端薄。由应力分布云图可见，螺钉与钢板接触处的应力分布相对集中、容易发生断裂，这与临床工作中内固定术后螺钉发生断裂的部位相符合。我们可以设计一种“锥”形螺钉，在钉帽、钉杆交界处加粗，这样既可以一定程度上避免发生断钉，同时也能增加螺钉在骨质中的把持力，更适合应用于骨质疏松患者。

3.2 肱骨髁间、髁上骨折的手术治疗及存在的争议与不足

肱骨髁间严重粉碎性、复杂性骨折多由于高处坠落、交通事故等高能量损伤所致，属于关节内骨折，骨折致关节面粉碎、毁损较为严重，关节周围软组织、韧带、关节囊常常伴有不同程度的的撕裂。由于肘关节内、外髁是伸、屈肌群的附着点，周围肌肉覆盖较少，因此骨折损伤后常会出现肱骨内外髁骨折块较明显的移位，非手术保守治疗难以达到满意的效果[1]。解剖研究，远端肱骨相似三角形结构，在内外柱的另一边，参与三角，三角形任何损伤，骨折都会影响远端肱骨力学的稳定性。近年来国内外专家、学者提出了双柱的理论：冠状，呈三角形的位置远端肱骨、尺骨冠状窝鹰嘴窝和占大多数的中央，内外侧髁远端扩展构成强大的双柱，把远端肱骨骨折复位和固定肱骨小头不仅恢复——阻止关节关节面，还需要恢复的连续性和完整性内外列[2]

临床手术治疗常用到不同功能的各种类型接骨板如：Y形重建型接骨板、单侧固定接骨板和双侧接骨板以及解剖型锁定接骨板。“Y”形钢板以及近几年采用肱骨远端双侧钢板垂直或平行放置治疗肱骨髁间、髁上复杂性、粉碎性骨折，均能取得较为满意的疗效[3]。采用“Y”形钢板和双钢板固定，解剖上更加符合肱骨远端双柱结构的生物力学要求，较单钢板螺钉固定更具较好稳定性，有利于骨折端的愈合。“Y”形钢板具有以下优缺点：（1）具有强大的抗扭转性能；（2）钢板一体化的对称性两翼设计可以均匀分担、传导肱骨内外髁的应力，一定程度上避免髁间骨碎块再移位；（3）轴向压缩位移上不如双接骨板稳定，对骨折线要求高，适合骨折块较少的骨折；Y型钢板具有一定分叉角度，可能与部分解剖关系不吻合，不能有效加压，固定不牢靠，术后不能早期功能锻炼。双钢板优缺点为：（1）内外侧双钢板无论垂直放置还是平行放置均符合肱骨远端的双柱解剖结构，可以较为理想的对肱骨远端的立体三角结构进行重建；（2）采取多角度、交叉式的螺钉固定方式对骨块进行加压，类似于建筑学上的拱门结构，能更好的稳定骨碎块；（3）通过坚强、有效内固定肱骨髁间粉碎性骨折，有利于患者进行早期的关节功能锻炼。（4）双钢板治疗手术费用较高、患者经济负担重等缺点。Mc-kee和其他报告证实，对肱骨骨折的双板固定治疗比y板更强和更可靠。对于肱骨双板的固定，现有的争议是钢板的固定位置和方向，在肱骨孔上应该放置平行或垂直的位置。大量文献报告证实双板固定，无论是垂直的还是平行的放置，都能达到令人满意的效果。也有一些关于生物力学的研究表明，平行板比垂直板更稳定。另一个争议是是否使用了锁板。锁板的设计更适合于关节内骨折和骨性骨折，这是一种支架支撑，也具有抗拔的优点。生物力学研究证实，锁定钢板在骨质疏松和远端肱骨上的骨折有良好的稳定性。虽然锁板的固定效果是缺乏足够的多中心、大样本的证据，但许多专家学者仍然相信，在远端肱骨骨性骨折患者中使用的锁板是有效的。当前证据，常见的肱骨远端骨折推荐双骨板是固定的，对于骨质疏松性粉碎性骨折，骨板建议平行或锁定钢板内固定术，手肘铰链式外固定架结合有限切口和复杂肘关节骨折内固定治疗，损伤，可以改善肘关节的稳定性和内固定，术后早期活动，功能康复，肘部为临床治疗提供一种新的治疗严重创伤。

[1]蒲川成,覃勇志,夏先学,等.内、外侧肱骨远端解剖钢板手术治疗肱骨髁上及髁间粉碎性骨折[J].现代生物医学进展,2013,13(21):4111-4113,4158.

[2]蔡 浩,王友华,许步伟,陈建祥,高 峰.基于双柱理论的平行钢板固定技术在肱骨远端C型骨折治疗中的应用[J],中国骨与关节损伤杂志,2013, 28(7):673-674.

[3]钟恩春.三种内固定方法治疗肱骨髁间粉碎性骨折的疗效比较[J].中国医学创新,2014,11(17):59-61.

The finite element analysis of internal implant in distal humerus fractures and clinical application

HAO Ting1, FENG Wei2＊, XUE Fei2
(The Second Affiliated Hospital, Inner Mongolia Medical University 1.hit a record 2.yuan,Inner Mongolia branch;Hohhot 010030,Chian)

ObjectiveThe finite element mechanics analysis of internal fixation were measured through two kinds of internal fixation methods in the surgical treatment of distal humerus fractures, find the difference between them and we can provides the data for design、improvement of internal fixation materials. Methods Establish three-dimensional finite element model of internal fixation of the distal humerus fractures, analyze the stress distribution of the implant under different internal fixation modes. Results By finite element analysis : plate stress on humerus back is significantly greater than the lateral steel plate ,It is likely to happen, such as stress concentration,screw breakage. Conclusion According to the results of finite element analysis of two kinds of internal fixation for distal humerus fractures, we could provide valuable reference for equipment manufacturers in the design or improvement of the plant material,we also can provide safe and effective functional exercise for the patient to prevent fracture displacement, steel plate fracture.

Distal humerus; Internal fixation; Finite element

R683.4

A

ISSN.2095-8242.2017.058.11287.03

内蒙古自然科学基金资助项目编号（KJT13MS1107）

冯 卫，主任医师，E-mail：603261696@qq.com

本文编辑：赵小龙