四种不同内固定方式治疗骨性锤状指的有限元分析

摘    要：

目的 应用有限元分析的方法研究四种不同内固定方式对骨性锤状指稳定性影响。方法 对成年志愿者右手行CT扫描, CT图像在Mimics 17.0中进行指骨及软组织识别, Geomagic studio2012拟合出各解剖结构的NURBS曲面模型。在CERO 4.0中构建出四种内固定装置的三维模型, 并按照Wehbe和Schneider骨性锤状指分型切割出II型锤状指的三维模型, 将上述模型分别装配, 建立双克氏针模型、纽扣钢丝模型、8字钢丝模型、微型锚钉模型。在hypermesh中进行划分网格等, 然后在Abaqus 6.14中设置载荷及边界条件, 计算远指间关节 (the distal interphalangeal joint, DIP) 屈曲15°、30°、45°时骨折块的平均Mises应力和最大相对位移量。结果 (1) 双克氏针组中, DIP屈曲15°、30°、45°时, 骨折块间的相对位移依次为 (0.36±0.15) mm、 (0.57±0.11) mm、 (0.61±0.17) mm, 组内比较差异有统计学意义 (P=0.000) 。Mises应力分别为 (6.21±1.83) MPa、 (7.69±1.47) MPa、 (8.25±1.61) MPa, 组内比较差异无统计学意义 (P>0.05) ; (2) 纽扣钢丝组, DIP屈曲15°、30°、45°时, 骨折块间的相对位移依次为 (0.29±0.03) mm、 (0.35±0.09) mm、 (0.49±0.15) mm, 显著小于双克氏针组 (P=0.000) 。Mises应力分别为 (11.57±3.61) MPa、 (12.62±4.18) MPa、 (13.81±5.19) MPa, 显著大于双克氏针组 (P<0.05, a1=0.017, a2=0.021, a3=0.039) , 但组内比较差异无统计学意义 (P>0.05) ; (3) 在8字钢丝组和微型锚钉组中, 骨折块的Mises明显高于前两组 (P<0.05, b1=0.021, b2=0.016, b3=0.018) , 并且随着屈曲角度增加, Mises应力明显增加, 组内比较差异有统计学意义 (P<0.05) ; (4) 四种研究模型中, 最大相对位移量由大到小依次为微型锚钉、8字钢丝、纽扣钢丝、双克氏针。结论 在微型锚钉、8字钢丝、纽扣钢丝、双克氏针四种不经DIP内固定治疗骨性锤状指的方案中, 微型锚钉和8字钢丝能够在不影响DIP功能的前提下为骨折提供良好的愈合环境。

关键词：指骨;内固定器;手骨;手畸形;

锤状指是由于伸指肌腱I区损伤导致远指间关节 (the distal interphalangeal joint, DIP) 伸直受限, 其中单纯伸指肌腱断裂为腱性锤状指, 伴有末节指骨基底骨折块为骨性锤状指。新鲜腱性锤状指行保守治疗即可, 而骨性锤状指由于骨折块造成DIP纵向不稳定, 出现关节半脱位或者脱位, 大部分患者需进行手术治疗。为维持骨折块的稳定, 通常需进行经DIP固定如闭合克氏针固定DIP同时阻挡伸肌腱方法等, 但长时间的关节制动会导致关节周围的挛缩。目前常用的非DIP固定的方法有双克氏针、纽扣钢丝、8字钢丝、远节微型带线锚定等四种固定方式, 各有优缺点。本研究通过有限元分析的方法, 对上述四种固定方法的固定强度进行了分析, 为临床选择合适的手术方案提供依据。

资料与方法

一、骨性锤状指有限元模型建立

1.手指三维模型建立:选取1名成年志愿者, 身高167 cm, 体重69 kg。志愿者无类风湿、手部外伤及畸形等病史。采用128排螺旋CT对志愿者右手部行薄层扫描, 层厚0.625 mm。将CT图像以DICOM格式导入医学软件Mimics 17.0中, 根据骨及手部软组织的灰度值, 分离出中末节指骨及手指末节的软组织, 然后以txt格式的点云文件在Geomagic studio2012中进行点云封装、轮廓线绘制、曲面片构建、栅格化, 并最终拟合出各解剖结构的NURBS曲面模型。在CERO 4.0中将重建的手指三维模型, 按照Wehbe和Schneider骨性锤状指的分型标准, 通过对末节指骨基底的切割制作出II型锤状指的三维模型。

2.四种内固定装置的构建:由于8字钢丝模型曲线构型复杂, 很难在CERO 4.0中建立, 本研究通过逆向建模的方法进行构建。在Mimics 17.0中应用其Simulationg菜单下的Manipulate Nerve功能画出钢丝的模型, 然后以STL文件在Geomagic studio2012建立钢丝的iges文件, 再导入CERO 4.0中与锤状指模型进行装配。其它1.0 mm克氏针模型、纽扣模型、1.3 mm带线锚钉模型分别在CERO 4.0中进行设计。然后分别装配并进行布尔运算, 形成四种内固定的三维模型, 分别为双克氏针模型、纽扣钢丝模型、8字钢丝模型、微型锚钉模型 (图1) 。

3.三维有限元模型的组建:将上述装配后的模型文件分别以iges格式导入前处理软件hypermesh行网格划分, 本研究均采用一阶四面体单元, 单元类型为C3D4单元。本研究中各材料的力学参数按照线弹性材料设置, 其中金属部分包括克氏针、钢丝、锚钉的弹性模量为206 000 MPa, 泊松比为0.30;伸指肌腱的弹性模量为276.48 MPa, 泊松比设置为0.40;指骨的弹性模量为170 000 MPa, 泊松比为0.30。将建立的模型以inp格式导入有限元分析软件Abaqus 6.14中, 设定各部件之间的连接关系, 其中伸指肌腱与骨折块之间、关节软骨与皮质骨之间为共节点连接, 骨折块与末节指骨之间设定为摩擦接触, 摩擦系数为0.6。双克氏针组将克氏针远端与指骨末节进行绑定接触, 克氏针近端与骨折块之间设定为滑动接触, 摩擦系数为0.3。纽扣钢丝组纽扣与皮肤之间为绑定接触, 钢丝按照MPC绑定进行模拟, 钢丝与骨折块之间为面面绑定接触。8字钢丝组钢丝与骨质之间为绑定接触。微型锚钉组锚钉与骨质之间为共节点绑定, 缝合线以MPC绑定模拟。

4.边界条件设定与加载:以手指的横断面左右方向为X轴、掌背前后方向为Y轴、手指纵轴为Z轴。设定将肌腱近端及中节指骨作为边界约束6个自由度, 约束伸指肌腱的旋转自由度。股骨远端为边界, 全自由度约束以固定模型。载荷添加:在末节指骨掌侧基底中心, 设置几何参考点R并以MPC中LINK模式末节指骨。通过在R点添加旋转变量, 模拟DIP不同屈曲角度。

二、观察指标及统计学分析

在末节指骨骨折块的腱骨结合处随机采集30个节点作为观察对象, 分析各节点在不同屈曲角度时与末节指骨之间产生的相对位移量、各种内固定装置与骨折块之间产生的最大von Mises应力。采用ANOVA方差分析及t检验法进行各组间数据进行组间和组内比较, 检验水准为0.05。

结果

一、各种内固定装置最大应力分布特点及骨折块的平均von Mises应力比较

在双克氏针组中, 最大应力主要集中在克氏针近端与骨折块接触的部位, 但两者的应力并没有随着DIP屈曲角度的增加而明显增加, 骨块的Mises应力组内比较差异无统计学意义 (P>0.05) 。在纽扣钢丝组中, 最大应力集中在两个位置, 其一为钢丝与骨折块之间的接触面, 其二为纽扣与指端皮肤的接触面, 但前者的应力要明显高于后者。Mises应力明显优于双克氏针组 (P<0.01) , 但随着DIP屈曲角度的增加, 骨块的Mises应力组内比较差异无统计学意义 (P>0.05) 。在8字钢丝组和微型锚钉组中, 钢丝与骨折块之间的Mises应力明显高于前两组 (P<0.05) , 并且随着DIP屈曲角度的增加, 骨块的Mises应力明显增加, 组内比较差异有统计学意义 (P<0.05) , 但在8字钢丝组和微型锚钉组之间比较差异无统计学意义 (P>0.05) (表1) 。各模型在DIP屈曲15°、30°、45°时Mises应力分布 (图2) 。

二、各内固定方式对骨折块稳定程度的影响

在双克氏针组模型中, 骨块在DIP屈曲15°时产生的最大相对位移量, 明显大于其它三个模型 (P<0.01) , 并且这种不稳定会伴随着屈曲角度的增大而明显增加, 在屈曲45°时, 最大相对位移量为 (0.61±0.17) mm, 与其它三种内固定模型中相对位移量比较差异有统计学意义 (P<0.01) 。8字钢丝组和微型锚钉组的相对位移量比较, 差异无统计学意义 (P>0.05) , 但都小于纽扣钢丝组, 且差异有统计学意义 (P<0.01) (表2)

图1 四种内固定方式的有限元模型a:双克氏针模型;b:纽扣钢丝模型;c:8字钢丝模型;d:微型锚钉模型 

图2 a:双克氏针模型的Mises应力分布;b:纽扣钢丝模型的Mises应力分布;c:8 字钢丝模型的Mises应力分布;d:微型锚钉模型的Mises应力分布 

讨论

骨性锤状指是临床常见的手指末节损伤, 通常须手术复位固定。根据是否固定DIP关节可以将手术方案分为经DIP固定和不经DIP固定两种类型, 前者包括背伸阻挡克氏针法、Ishiguro法等, 后者包括双克氏针、纽扣钢丝、8字钢丝、远节微型带线锚钉等。经DIP固定的方案虽然可以通过固定DIP, 提供足够的强度对抗屈伸指肌腱的收缩, 但同时长时间的关节固定不仅会导致关节周围的韧带挛缩, 而且由于克氏针对关节软骨的破坏, 即使去除克氏针亦有部分患者会出现伸直或屈曲受限。不经DIP固定的手术方案是比较理想的固定方式。

该方法能够允许关节轻微活动的同时为骨折提供稳定。但上述四种固定方式在固定强度方面是否存在差异尚没有统一的认识, 为此笔者通过有限元分析的方法进行了研究。

有限元分析是结构力学分析技术, 其基本原理是将完整的研究对象分解成多个称为“有限元”的小的相互关联单元, 通过计算每一个单元在复杂载荷作用下的应力、位移、温度等物理变量的值, 得到研究对象整体内部的载荷分布。近些年来有限元分析逐步应用到医学领域, 如心脏瓣膜的研发、人工关节优化、骨折内固定的强度、韧带损伤的修复等各个方面。在手外科方面如:Günter应用有限分析的方法对指间关节假体进行力学分析, 从而优化假体的植入方式。Matsuura通过有限元分析了腕管综合征的发生机理。本研究为内固定结构强度分析, 在有限元中该类分析常用的参数为von Mises应力和相对位移。von Mises应力是根据第四强度理论得到的等效应力, 其含义是在一定变形条件下, 当研究对象单位体积形状改变达到一定常数时, 研究对象在外力作用下出现屈服。von Mises应力的表达为应力等值线, 这样可以快速判断研究对象最集中的区域。

本研究显示双克氏针组, 在DIP屈曲15°、30°、45°时, 骨折块间的相对位移依次为 (0.36±0.15) mm、 (0.57±0.11) mm、 (0.61±0.17) mm。而相应的Mises应力分别为 (6.21±1.83) MPa、 (7.69±1.47) MPa、 (8.25±1.61) MPa。上述的相对位移量及Mises应力与纽扣钢丝组、8字钢丝组、带线锚钉组有明显的统计学差异 (P<0.05) 。笔者认为相对位移量的增大, 是因为克氏针与骨折块之间的接触关系为滑动摩擦导致, 该接触方式在DIP静止状态可以为骨折块提供一定的稳定强度, 但不能对抗DIP屈曲产生的拉应力。同时从具体操作分析, 在完成骨折复位后, 医师很难通过一次操作即可准确的完成2枚克氏针的植入, 反复的尝试会导致骨块碎裂。本研究是在骨块完成的基础上进行力学分析, 如果骨块碎裂会更进一步影响固定的强度。

纽扣钢丝固定是临床上经典的固定方法。本研究显示纽扣钢丝组, 在DIP屈曲15°、30°、45°时, 骨折块间的相对位移依次为 (0.29±0.03) mm、 (0.35±0.09) mm、 (0.49±0.15) mm, 模型的相对位移量明显小于双克氏针组 (P<0.05) 。相应的Mises应力分别为 (11.57±3.61) MPa、 (12.62±4.18) MPa、 (13.81±5.19) MPa, 显著大于双克氏针组 (P<0.05) 。上述结论提示与双克氏针模型比较纽扣钢丝模型能够在保证骨折稳定的同时承受更强的应力。该模型的应力主要集中在手指末节皮肤与纽扣接触部位, 由于皮肤及脂肪组织的弹性模量较小, 在承受屈曲应力时, 会形成明显的缓冲作用。因此, 该固定方法的关键是在初期提供适当的外固定, 以减小皮肤及脂肪组织的缓冲作用。而8字钢丝组中, 由于远端承载拉力的是末节指骨, 其相对位移量要明显小于纽扣钢丝组 (P<0.05) 。

微型带线锚钉是近些年临床广泛应用的固定方式, 无论是腱性锤状指还是骨性锤状指, 治疗疗效确切, 便于术后护理, 早期恢复效果好。本研究显示与8字钢丝模型相比, 微型锚钉组的相对位移量与8字钢丝组比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 但骨折块的Mises应力明显大于8字钢丝组 (P<0.05) 。上述结果提示微型锚钉能够在骨折端提供稳定的界面应力, 与8字钢丝复杂的操作相比更具临床优势, 如对于骨折块较小的锤状指, 可用锚钉尾部的缝线将伸肌腱和撕脱骨折块一并缝合于止点处;对于骨折块较大的锤状指, 可直接用锚钉固定骨折块, 从而起到代替螺钉的固定作用。

本研究通过有限元分析的方法对锤状指常用的四种方案的固定强度进行了分析, 结果提示由强到弱依次为微型锚钉、8字钢丝、纽扣钢丝、双克氏针。但本研究仍存在一些不足之处。首先, 为精确控制DIP角度, 本研究的加载是以末节指骨屈曲角度来代替屈指肌腱的拉应力。其次, 本研究的骨折模型是以II骨折为代表进行建模, 而对于其它骨折块是否会出现同样的研究结果, 有待进一步研究。第三, 受有限元本身条件的限制, 研究中是以线弹性模型材料系数进行分析, 而人体的肌腱、骨骼、手指末节的软组织的材料为黏弹性体。

参考文献：王伟,刘宗磊,王辉等.四种不同内固定方式治疗骨性锤状指的有限元分析[J].中国骨与关节杂志,2019,8(07):547-551.