空心螺钉联合“8”、“0”张力带钢丝内固定治疗髌骨横行骨折模型的有限元分析与比较

蔡昊，周海波，虞嘉欢，胡凯，孟洪明，寿泽榆，陈春*，白植标*

1.温州医科大学第一临床医学院，浙江 温州 325000；2.温州医科大学附属第一医院骨科，浙江 温州 325000

髌骨骨折在成人中的发病率约为1%[1]。直接或 间接暴力均可导致髌骨骨折常伴髌前区软组织损伤[2]。粉碎性髌骨骨折而伸膝装置完整的患者可采用非手术治疗，但当伸膝装置受损，关节表面步距大于3 mm，或分离位移大于4 mm 时，骨折应采用手术治疗[3]。

目前有多种治疗髌骨骨折的手术方法，临床医生广泛接受和最常使用的方法是张力带钢丝内固定[4,5]。当采用空心螺钉治疗髌骨骨折时，有多种设置张力带钢丝固定系统的方法。临床上广泛应用“8”张力带钢丝固定系统，但对“0”张力带钢丝固定系统等其他方法的特点知之甚少。两种张力带钢丝固定系统治疗髌骨横行骨折的生物力学特性差异是临床应用的理论基础，目前尚不清楚。有限元分析是一种利用数学近似来模拟真实物理系统（几何形状和负载条件）的方法。利用简单的和相互作用的元素（单位），可以使用有限数量的未知量来模拟未知的真实系统。有限元分析在骨科领域的广泛应用，有助于我们初步比较不同内固定方法的生物力学特性，为临床实践提供理论依据。到目前为止，髌骨骨折有很多有限元分析，包括对克氏针[6]、全螺纹钉或半螺纹钉[7,8]等内固定方法的分析。然而，尚无对“8”和“0”张力带钢丝固定系统联合空心螺钉固定髌骨骨折的生物力学特性进行比较的文献。由于不同内固定材料组成的内固定系统的生物力学特性不同，有必要对两种新的有限元固定方法进行比较，以找到一种更稳定的张力带钢丝固定系统。

本研究旨在通过有限元分析比较两种内固定系统联合空心螺钉固定髌骨横行骨折的稳定性。

1 材料和方法

1.1 髌骨横行骨折的有限元模型

本研究设计已获温州医科大学伦理委员会批准。对1 名48 岁的男性志愿者采用GeneralElectrics16 螺旋CT 建立髌骨横行骨折的有限元模型，CT 扫描切片厚度为1.0 mm。将扫描数据以DICOM 格式输入Mimics15.01 软件。通过区域生长和阈值分割，重建髌骨的三维结构。然后利用有限元分析软件ANSYS18.0 Workbench 模块建立完整的髌骨有限元模型，利用Solidworks2016 软件的分割指令建立髌骨横行骨折模型。此模型建立不含软组织和软骨。如前所述，模型设置在非负重伸展时膝关节屈曲90°的条件下，髌骨关节面中间部分与软骨覆盖的股骨远端接触[9]。金属与骨的界面为结合状态。

1.2 建立空心螺钉联合张力带钢丝固定髌骨骨折模型

利用Solidworks 绘制空心螺钉和张力带钢丝模型并组装在一起，分别建立两种固定方法的计算机辅助技术(Computer Aided Design,CAD)模型(图1 A,B)。最后，对网格进行划分，材料进行赋值，并确定力学边界条件（图2）。在ANSYS18.0 模型中，分配每个实体单元类型和材料参数[10]。皮质骨单位类型为SOLID186，弹性模量为1 700 000，泊松比为0.3；松质骨单位类型为SOLID186，弹性模量为350，泊松比为0.25；不锈钢丝单位类型为SOLID186，弹性模量为206 000，泊松比为0.3；空心螺钉单位类型为SOLID186，弹性模量为206 000，泊松比为0.3（表1）。生成网格模型后，空心螺钉联合“8”张力带钢丝固定系统固定髌骨骨折模型总节点数为170 971，总单位数为100 259，空心螺钉联合“0”张力带钢丝固定系统固定骨折模型总节点数为182 727，总单位数为106 406（表2）。分别设置接触对。

表1 髌骨及内固定的材料性能Tab.1 Material properties of patella and internal fixation

表2 两个固定系统的元素数Tab.2 Numbers of elements of two fixation system

图1 空心螺钉联合张力带钢丝固定的髌骨横行骨折模型A、B 分别表示空心螺钉联合“8”、“0”张力带钢丝固定系统固定的模型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

图2 两种固定系统联合空心螺钉治疗髌骨骨折的网格模型A、B:“0”张力带钢丝固定系统治疗髌骨骨折前后侧 C、D: 采用“8”张力带钢丝固定系统治疗髌骨骨折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 机械负荷实验

膝关节屈曲时，髌骨上、下极分别受到股四头肌和髌韧带的拉力影响，加重髌骨骨折的分离和移位。本研究通过约束髌骨上极附着部分，在利用200 N 力模拟两个模型在膝关节屈曲时髌骨受撑开的情况下，比较两组模拟载荷下螺钉、骨和钢丝的位移和应力分布特征。

1.3 临床病例的回顾性分析比较

我们还对2011 年到2018 年接受“8”或“0”固定系统治疗的髌骨横行骨折患者进行了回顾性分析，比较了两种固定系统治疗后的骨折愈合时间，术后并发症以及膝关节的功能评分[11]。

2 结果

2.1 有限元模型的有效性验证

有限元分析过程中，我们需要对各实体赋予单元类型和材料参数，本研究中赋予骨皮质单元、骨松质单元、不锈钢丝单元和螺钉的材料类型、弹性模量以及泊松比均与已报道的文献一致[9]。谭哲等人先前也采用了不同的软件进行建模来分析张力带固定髌骨横行骨折的等效应力和位移，模拟膝关节屈曲不同角度时，他们发现“8”张力带固定髌骨骨折时，钢丝的最大位移在0.144～0.406 mm 之间[12]，徐洪璋等人[10]也建立并分析了髌骨骨折不同张力带固定的有限元模型，发现在屈膝90°时，8 字形张力带钢丝的位移范围为0.325～1.032 mm，均与本次有限元分析中“8”张力带产生的最大位移结果0.36 mm 一致。Ling Ming等人[6]也对不同张力带固定方法来治疗髌骨横行骨折的生物力学特点进行了分析，发现在用200 N 力牵引来模拟屈膝作用下，“8”张力带固定的骨块之间的位移在0.29～0.41 mm，而“0”张力带固定的骨块之间的位移在0.15～0.28 mm 之间，与本研究中的0.35 mm和0.22 mm 类似；并且相同外力下与“8”张力带固定的髌骨横行骨折相比，“0”张力带固定的髌骨横行骨折位移更小，更加稳定，也与本研究模型结果吻合。一项在大体标本上模拟有头和无头空心螺钉治疗髌骨横行骨折的稳定性实验发现，当空心螺钉的头部埋入骨块内时起到的稳定作用更强[13]，埋头螺钉有望成为治疗固定髌骨横行骨折的有效手段。

2.2 两种固定模型的稳定性比较

在“8”张力带钢丝固定系统组模型中，200 N 的牵引力下，螺钉的最大相对位移和等效应力分别为0.32 mm 和778.01 MPa，钢丝的最大相对位移和等效应力分别为0.36 mm 和311.51 MPa，骨的最大相对位移和等效应力分别为0.35 mm 和3.82 MPa。“0”张力带钢丝固定系统组中，螺钉的最大相对位移和等效应力分别为0.20 mm 和941.88 MPa，钢丝的最大相对位移和等效应力分别为0.21 mm 和336.24 MPa，骨的最大相对位移和等效应力分别为0.22 mm 和3.66 MPa（表3）。在两组中，最大位移均发生在空心螺钉穿丝处(图3、4)。

表3 髌骨和内固定的最大相对位移和等效应力Tab.3 Maximum relative displacement and equivalent stress of patella and internal fixation

图3 髌骨横行骨折内固定模型中髌骨、空心螺钉、张力带钢丝固定系统的应力分布A、C: 200 N 牵引力下髌骨和“8”固定系统的应力分布 B、D: 200N 牵引力下髌骨和“0”固定系统的应力分布 从蓝到红，局部压力增加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

对接受“8”或“0”张力带固定系统治疗的髌骨骨折患者进行随访后发现，使用“0”张力带固定系统的患者中内固定失效的比例低于“8”张力带固定系统治疗的患者[11]。

3 讨论

髌骨骨折的治疗首选空心螺钉联合张力带钢丝固定，该技术的原理是将髌骨前表面的张力转化为关节面上的压力，以促进骨折的愈合。张力带钢丝内固定系统与其他内固定材料一起使用时，不仅可用于单纯性髌骨骨折的治疗，也可用于粉碎性髌骨骨折的固定.随着内固定技术的发展，空心螺钉联合张力带钢丝也被推荐用于髌骨骨折的治疗，并被证明是有效[5]。髌骨骨折的治疗原则包括关节面修复、刚性内固定和早期功能锻炼，以减少关节的粘连和僵硬[14]。临床上常用张力带钢丝固定系统联合克氏针治疗髌骨骨折，但克氏针固定髌骨骨折容易弯曲松动，可刺激髌骨前囊，导致滑囊炎[15]。近年来，随着研究的发展，空心螺钉和张力带钢丝逐渐应用于髌骨骨折的治疗[16]。空心螺钉联合张力带钢丝固定系统与克氏针联合张力带固定系统治疗的患者的手术时间和术中出血均无显著差异，但前者可缩短住院时间，减少术后并发症的发生，提高临床疗效和膝关节功能优良率[17]。通过空心螺钉中间重新引入钢丝固定髌骨，避免了对股四头肌肌腱和髌骨肌腱的压迫。空心螺钉联合张力带钢丝固定系统可以在不影响髌骨血液循环的情况下，对骨折端施加较大的压力来固定骨折，克服了克氏针联合张力带固定技术的不足。韦武等[18]发现空心螺钉联合张力带钢丝固定髌骨的最大可承受负荷高达732 N，而克氏针固定髌骨的最大可承受负荷仅为395 N。因此，越来越多的髌骨骨折患者采用空心螺钉联合张力带钢丝治疗。在临床应用空心螺钉张力带钢丝治疗髌骨骨折中，“8”固定系统被广泛应用。实际上，空心螺钉也可以与“0”张力带钢丝固定系统相结合，但人们对此知之甚少。目前也没有研究或报道比较这两种系统在髌骨横行骨折固定中的稳定性。

FEA 分析是一种基于有限元方法进行结构分析的计算方法，能够将结构的荷载、几何形状、材料性质、边界条件和界面条件以数学形式总结出来。FEA模型是研究内固定器械应力分布的一种有效方法，特别是在研究手术技术对其应力分布的影响时[19]。Ling 等[6]根据FEA 分析得出结论，克氏针的位置对改良张力带钢丝固定髌骨骨折的效果有影响。在膝关节45°屈曲时，后置(靠近关节面)克氏针可使骨折获得最佳的稳定性和应力，使用“0”字形固定系统联合克氏针进行了分析，但与本研究中的“0”固定系统不同。本研究中，内固定材料和方法新颖：采用空心螺钉代替克氏针，“0”张力带钢丝固定方法也不同于以往报道的方法。在本研究中使用的张力带钢丝是通过空心螺钉的内部设置的。

我们采用最大位移来评价内固定装置的稳定性，在相同的负荷下，内固定装置的相对位移越大，内固定失败的可能性就越大。Kakazu 等[2]报道发现，在蹲位和站立时，髌骨承受的压力大约是身体重量的7倍。本研究发现对髌骨骨折内固定模型施加200 N牵引力时，“8”张带钢丝最大相对位移大于“0”张带钢丝。可以认为，当牵引力进一步增大时，“8”张力带固定系统会更早松动或断裂。通过研究发现“8”和“0”张力带钢丝的最大位移，即钢丝最早容易断裂的地方，是钢丝从空心螺钉穿出的位置，因此我们认为在髌骨横行骨折的模型中，空心螺钉联合“0”张力带钢丝固定系统比“8”张力带固定系统更稳定。

到目前为止无论在软件模拟上还是在大体标本上，尚无关于空心螺钉结合“8”或“0”张力带固定髌骨横行骨折的生物力学分析和报道。本研究创新性地针对两种新颖的内固定手段（埋头空心螺钉+“8”或“0”张力带）进行了有限元分析，并首次报道了空心埋头螺钉结合“0”张力带固定具有更强的稳定作用。此外我们还将这两种固定方法用于临床治疗髌骨骨折患者，进行回顾性分析疗效后发现空心螺钉结合“0”张力带固定髌骨横行骨折术后内固定失效的发生率更低[11]。在本研究中，我们分析了一种新的手术技术，即空心螺钉联合“0”张力带钢丝固定治疗髌骨横行骨折。然而本研究也有一些需要进一步完善的地方，比如将这两种固定模型在大体髌骨骨折标本模型上进行验证，这也是我们后续努力的方向之一。

基于FEA 方法，我们首次比较了两种张力带联合空心螺钉固定髌骨横行骨折的生物力学特性。研究发现，“0”张力带固定系统联合空心螺钉治疗髌骨横行骨折时，比“8”固定系统更稳定。