1 引言

髕骨位于膝關(guān)節(jié)前方，為三角形的扁平骨，上連接骨四頭肌，下通過髕韌帶連于脛骨關(guān)節(jié)，是構(gòu)成關(guān)節(jié)的骨之一。其底朝上，尖向下，前面粗糙，后面為光滑的關(guān)節(jié)面，與股骨髕面構(gòu)成髕骨關(guān)節(jié)。由于髕骨之上只有皮膚、薄層皮下組織以及髕前滑囊，因此髕骨容易因為直接跌打或暴力沖擊而受傷。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活日益加速，跌打碰撞不可避免，骨折的發(fā)生也隨之增加。髕骨骨折是常見骨折的一種，約占全身骨折類型的 1.65%。對于分離移位較大的髕骨骨折，如髕骨下極骨折，其多為粉碎性，需手術(shù)治療。目前固定方法有多種：髕骨下極切除術(shù)、張力帶鋼絲固定、錨釘固定、中空螺釘 8 字鋼絲固定、記憶合金聚髕器、獨立垂直鋼絲固定等。如何比較各種內(nèi)固定方式的力學性能，為臨床選取最佳的手術(shù)治療方案尤為重要。

理論生物力學研究是進行髕骨骨折內(nèi)固定方式比較研究的一種方法，即以數(shù)學力學模型來進行數(shù)值應(yīng)力分析。有限元分析即屬于理論生物力學研究。其與傳統(tǒng)的實驗生物力學相比有著以下一些優(yōu)勢。有限元分析能在不同狀態(tài)下進行模擬，得到不受實驗條件影響的結(jié)果，排除了因為實驗條件不同引起的誤差；有限元分析以數(shù)學的形式表達模擬體的結(jié)構(gòu)形狀、材料屬性、邊界條件等，重復(fù)性較好，節(jié)約了實驗成本；能夠在其他方法所不能施加的載荷及約束條件下進行模擬研究，得到實驗生物力學難以得到的研究結(jié)果?；谝陨蟽?yōu)勢，有限元分析廣泛應(yīng)用于骨科臨床研究中。

本文針對髕骨下極骨折的情況，利用先進的計算機輔助建模和分析技術(shù)，對成人正常髕骨進行三維建模，模擬髕骨下極骨折和獨立垂直鋼絲內(nèi)固定，成功建立兩種不同髕骨下極骨折獨立垂直鋼絲內(nèi)固定有限元模型，通過有限元分析比較兩種髕骨下極骨折內(nèi)固定方法的優(yōu)劣，為臨床選取最佳手術(shù)治療方案提供一定的理論依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 幾何模型的建立

通過 CT 掃描機對志愿者(女性，體質(zhì)量 50kg)自足底至大腿中段進行掃描，將圖像數(shù)據(jù)存入可讀寫光盤。將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維醫(yī)學圖像建模軟件 Mimics 17中，通過閥值分割、區(qū)域增長和計算三維模型等操作，重建出髕骨的三維模型，并以 stl 格式導(dǎo)出。再將其導(dǎo)入 Geomagic studio 2012 軟件中進行去噪、封裝、實體化，最終建立髕骨幾何模型。

將 Geomagic studio 2012 中建立的髕骨幾何模型以 igs 格式導(dǎo)出后導(dǎo)入 CATIA V5 中生成髕骨幾何體，在髕骨縱軸遠端 1/3 處拉伸生成一與髕骨相垂直平面，分割髕骨，生成平面上段髕骨和平面下段髕骨，模擬髕骨下極骨折。再利用掃描功能，分別建立兩種髕骨下極骨折內(nèi)固定所需的環(huán)扎鋼絲和獨立垂直鋼絲。

2.2 有限元模型的建立

將建好的髕骨骨折塊、環(huán)扎鋼絲和獨立垂直鋼絲以 igs 格式導(dǎo)入 Abaqus 中進行裝配，生成兩種獨立垂直鋼絲內(nèi)固定模型。一種環(huán)扎鋼絲環(huán)繞髕骨，另一種環(huán)扎鋼絲穿過髕骨近端，如圖 1 所示。我們將后者稱為改良獨立垂直鋼絲內(nèi)固定模型。

圖 1. 改良前后獨立垂直鋼絲內(nèi)固定模型

按表 1 對髕骨下極骨折獨立垂直鋼絲內(nèi)固定Abaqus 模型中各實體賦予材料參數(shù)，并進行網(wǎng)格劃分。改良前后有限元模型總節(jié)點數(shù)分別為 101941、117653，總單元數(shù)分別為 519281、613217，單元類型均為四面體單元 C3D4。

表 1. 材料參數(shù)

在有限元模擬分析中，接觸對的設(shè)置尤為關(guān)鍵。根據(jù)髕骨下極骨折內(nèi)固定實際臨床情況，本模型中鋼絲與髕骨之間應(yīng)為綁定關(guān)系，兩段髕骨骨折塊之間應(yīng)為接觸關(guān)系。設(shè)置接觸對，如圖 2 所示。

圖 2. 改良前后獨立垂直鋼絲內(nèi)固定模型中的接觸關(guān)系

由于髕骨關(guān)節(jié)接觸面在髕骨上方，對髕骨最下端髕韌帶附著區(qū)進行全約束，上端髕骨關(guān)節(jié)接觸面區(qū)域施加 500N 拉伸力，模擬髕骨下極骨折獨立垂直鋼絲固定后的抗拉情況，如圖 3 所示。

圖 3. 載荷與約束條件

3 結(jié)果

在時間步長 2s，拉伸力 500N 的作用下，針對髕骨下極骨折，改良前后內(nèi)固定方式的 Mises 應(yīng)力分布及位移位移分布見圖 4?？梢钥闯觯牧记昂篌x骨下極骨折的整體固定模型中的最大應(yīng)力和最大位移有著明顯的差別 ，分別 為 3.535e+3Mpa、1.431e+3Mpa；1.026mm、0.306mm，如表 2 所示。同時測量出了改良前后模型中髕骨上一相同坐標點的位移值，分別為0.759mm、0.136mm，表 3 列出了該點的位移過程。

圖 4. 改良前后獨立垂直鋼絲內(nèi)固定模型的

Mises 應(yīng)力云圖和位移云圖

A 改良前 Mises 應(yīng)力云圖；B 改良后 Mises 應(yīng)力云圖；

C 改良前位移云圖；D 改良后位移云圖

表 2. 模型最大應(yīng)力和位移

表 3. 相同點改良前后位移過程

同時，臨床跟蹤研究了 11 位使用改良后獨立垂直鋼絲固定髕骨下極骨折的病人，平均術(shù)后觀察期為21.7 個月，均沒有出現(xiàn)切口感染、固定物脫離和難愈合現(xiàn)象。能滿足術(shù)后的早期功能鍛煉和負重，有較好的臨床結(jié)果。有限元生物力學研究結(jié)果與臨床觀察結(jié)果相吻合，為其提供了一定的理論依據(jù)。

4 討論

髕骨下極骨折屬于關(guān)節(jié)外骨折，占所有髕骨骨折的 9.3-22.4%[1]。通常情況下，髕骨下極骨折的治療方法為切開復(fù)位內(nèi)固定方法。根據(jù)已發(fā)表的研究文獻，目前主要治療方法包括部分髕骨切除術(shù)、改良張力帶固定、改良籃狀鋼板、錨定、獨立垂直鋼絲等。在這些方法中，改良張力帶固定是治療橫向髕骨骨折最傳統(tǒng)的方法[2]，但是這種方法不能穩(wěn)定固定髕骨下極骨折，對于移位較大的骨折更是如此，經(jīng)常會有一些并發(fā)癥，例如刺激或損傷軟組織、鋼絲松動引起的內(nèi)固定失效、移位、破損、難以愈合等。為了避免這些癥狀的出現(xiàn)，DG Lorich 等人[3]使用一種網(wǎng)板的新技術(shù)成功治療了三例髕骨下極骨折的病例，并表現(xiàn)出了比張力帶固定更好的生物力學性能。但是，手術(shù)后膝蓋必須用支架保持完全伸展，術(shù)后四周才能進行膝關(guān)節(jié)的早期鍛煉。而治療髕骨骨折的手術(shù)中尤為關(guān)鍵的是要保持膝蓋的伸展機制，利于術(shù)后的早期功能鍛煉。獨立垂直鋼絲方法最早由Yang KH、Byun YS等人于2003年提出[4]，該方法固定簡單穩(wěn)定。但這種原始的獨立垂直鋼絲固定方法不能提供足夠支持早期膝關(guān)節(jié)鍛煉的把持力。2014 年 Song HK、Yoo JH、 Byun YS 等[5]對此方法進行改進，用獨立垂直鋼絲和髕骨鋼絲環(huán)扎固定方法治療髕骨下極骨折，并對兩種內(nèi)固定方式進行了生物力學研究，證實聯(lián)合鋼絲環(huán)扎固定強度明顯增加，取得了較滿意臨床效果。但是仍然不能滿足術(shù)后早期功能鍛煉和負重的要求，內(nèi)固定失敗率仍較高。

因此，在以上研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種改良的獨立垂直鋼絲固定方法，其有較好的生物力學特性和臨床效果。該方法由穿過髕骨近端的環(huán)扎鋼絲取代環(huán)繞髕骨近端的環(huán)扎鋼絲，并配合獨立垂直鋼絲一起固定髕骨骨折塊。我們通過有限元方法對改良前后的獨立垂直鋼絲固定方法進行了分析研究。有限元方法最早發(fā)展于工程機械行業(yè)，是一種先進的研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析的計算機輔助技術(shù)，于 1972 年引進到骨科生物力學當中[6]，用來評估人體骨骼的應(yīng)力情況。

4.1 有限元分析結(jié)果與臨床意義

在本文的有限元分析中，兩組改良前后的有限元模型有著相同的拉伸載荷和邊界條件。從位移結(jié)果中可以看出，改良后整體有限元模型的最大位移相對于改良前明顯有所減小，說明改良后固定方法的固定效果更好、更穩(wěn)定，不容易發(fā)生松動，固定物脫離的現(xiàn)象亦會大大減少。為了更加直觀地比較改良前后固定方法的效果，我們從整體到局部，選取了改良前后模型中髕骨上一相同點，觀察其在整個載荷作用的過程中位移變化的情況。通過表 3 的有限元分析結(jié)果，可以清晰地看出改良后該點最終位移值遠遠小于改良前。無論從整體還是局部的數(shù)據(jù)來看，改良后的獨立垂直鋼絲固定方法都有著出色的固定效果，有理由相信其能提供足夠的強度維持骨折塊的穩(wěn)定性，足以進行術(shù)后早期功能鍛煉，臨床跟蹤研究證實了這一點。從應(yīng)力分析結(jié)果來看，在相同載荷和邊界條件下改良后整體模型的最大應(yīng)力明顯低于改良前整體模型，也即固定鋼絲受到的應(yīng)力載荷較小，就臨床意義而言，改良后的固定鋼絲失效的可能性更低，有著更高的極限負載，足以支持術(shù)后膝關(guān)節(jié)的承重鍛煉。臨床跟蹤的11位使用改良后獨立垂直鋼絲固定髕骨下極骨折的病人都能夠進行術(shù)后膝關(guān)節(jié)屈伸功能鍛煉，并且在助行器的幫助下能順利承重行走。所有病例康復(fù)效果都較理想，膝關(guān)節(jié)功能性恢復(fù)效果出色，平均膝關(guān)節(jié)運動范圍為 130.9°。綜上所述，在有限元生物力學研究中，改良后的獨立垂直鋼絲固定方法相較于改良前有著明顯的優(yōu)勢，為臨床提供了一定的理論依據(jù)，具有指導(dǎo)意義。同時，較好的臨床結(jié)果也反應(yīng)了有限元分析的有效性和合理性。

4.2 實驗的不足與改進

本文的研究也有不足之處，例如髕骨的實際受力情況并不是單一的載荷，往往是多種載荷的疊加，且受眾多因素的影響，其實際狀況較為復(fù)雜。同時髕骨骨折類型有多種，本文改良方法是否適用于其他髕骨骨折類型治療方法的改良仍待進一步研究。此外，臨床研究中病例數(shù)量較少也有一定的局限性。但是通過有限元法研究固定后應(yīng)力和位移情況，確定最佳固定方式仍是一種科學且可行的方法，具有重要的臨床指導(dǎo)意義。

后續(xù)可以針對上述不足之處進行相關(guān)的實驗研究，例如針對其他的髕骨骨折類型，應(yīng)用本文的改進思路進行內(nèi)固定方法的改進，并進行有限元生物力學分析。或就本實驗基礎(chǔ)上，用其他線材代替鋼絲進行有限元分析，比較兩者的優(yōu)劣。

5 結(jié)論

通過有限元分析，針對髕骨下極骨折，由獨立垂直鋼絲和穿過髕骨近端的環(huán)扎鋼絲構(gòu)成的改良后內(nèi)固定方法有著更好的生物力學特性。同時考慮到較滿意的臨床治療效果，該方法能夠支持術(shù)后膝關(guān)節(jié)的早期功能性鍛煉和一定的承重訓(xùn)練，有助于病人術(shù)后盡快康復(fù)。綜上所述，改良后的固定方法是一種創(chuàng)傷輕微、高效簡易、固定穩(wěn)定及承重出色的治療方法。

資料來源：達索官方