顧 松 1 劉天蘋 2 沈尊理 1△ 沈 華 1 蔡燕嫻 1

（1 上海市第一人民醫(yī)院手外及創(chuàng)傷整形修復科 上海 201620；2 中國科學院力學研究所 北京 100190）

摘要

目的：應用有限元方法建立三種不同的治療第 5 掌骨頸骨折的鋼板螺釘內固定模型，比較三種模型的生物力學穩(wěn)定性，為第 5 掌骨頸骨折的臨床早期功能康復提供參考。方法：選取一名健康青年志愿者，將 CT 掃描數據導入三維有限元軟件建立第 5掌骨頸骨折模型，并選取三種鋼板螺釘內固定方法進行骨折固定。對三種模型施加外力荷載并進行生物力學有限元分析，對比骨折斷端的最大位移和鋼板螺釘的應力分布情況。

結果：方法一、二、三的第 5 掌骨骨折端的最大位移分別為 0.189775 mm、0.181428 mm、0.224299 mm，以方法二的骨折端位移最小；內固定材料的最大應力分別為 1.20 KPa、1.00 KPa、1.39 KPa，以方法二的鋼板螺釘應力最小。結論：采用近端三顆螺釘遠端兩顆螺釘的直型鋼板內固定方法治療第五掌骨頸骨折的生物力學穩(wěn)定性更好，術后早期功能鍛煉的安全性更高，是治療第 5 掌骨頸骨折的理想內固定方法。

關鍵詞：第 5 掌骨頸骨折；鋼板內固定；有限元方法

第5掌骨頸骨折為手外科常見疾病，以往國內外學者多數建議對其進行保守治療[1]，但存在一定的并發(fā)癥[1,2]。隨著社會發(fā)展，手部早期康復的要求越來越高，以鋼板螺釘內固定法為代表的手術方法治療第 5 掌骨頸骨折越來越為人們所接受。對于鋼板螺釘內固定法，不同的鋼板形狀和螺釘分布，會產生不同的生物力學特性，進而影響骨折內固定術后的穩(wěn)定性及早期功能鍛煉的安全性，目前鮮有該方面研究的文獻報道。因此，我們基于有限元方法，探討第 5 掌骨頸骨折的三種鋼板內固定方法，對比其生物力學特性，以期為第 5 掌骨頸骨折的臨床治療提供參考。

資料與方法

1.1 臨床資料

選擇健康男性志愿者 1 例，28 歲，身高 175 cm，體重 65kg，手部功能完全正常，無骨骼發(fā)育異常，無手部疾病史。應用三維有限元軟件，建立其右手第 5 掌骨頸骨折三種鋼板螺釘內固定模型。

1.2 方法

1.2.1 儀器及材料

西門子 SIMENS CT 機、Lenovo ThinkPadT400 筆記本電腦、Mimicsl4.11 軟件、ANSYS12.0 軟件及 win7操作系統(tǒng)。

1.2.2第 5掌骨頸幾何模型的建立采用 64 排螺旋 CT 掃描左手，得到斷層掃描圖像；將圖像數據用 DICOM 格式存入可讀寫光盤，并導入三維醫(yī)學圖像建模軟件 Mimicsl4.11 軟件。調節(jié)灰度值及對比度，通過區(qū)域增長功能選取第 5 掌骨，并通過空洞填充功能將每一斷層圖像中的骨髓腔填滿。運用 3-matic6.0 軟件生成三維粗略模型，對模型進行細化修改后，以 iges 格式保存。

1.2.3 三種鋼板內固定模型的建立將 iges 格式的幾何模型導入 ANSYS12.0 軟件中。采用軟件面切割功能，在掌骨頸位置隨機切割出斜形骨折面(圖 1)，同時分別建立三種不同的內固定鋼板模型(圖 2.1- 圖 2.3)，按照臨床經驗安放鋼板。

查閱相關文獻[3-4,6]，獲得骨和外固定材料的單元類型、泊松比和彈性模量(表 1)。

給第 5 掌骨頸及內固定鋼板賦值，并對模型進行網格劃分。考慮到第 5 掌骨頸為不規(guī)則形狀且會有螺釘孔，網格劃分尺度為 1 mm，選用適應能力較強的四面體網格(圖 3.1- 圖 3.3)。

內固定鋼板與第 5 掌骨的接觸部分，分別選用TARGE170 和 CONTACT174 面面接觸單元，鋼板和骨組織的接觸有螺釘加壓固定，可忽略松動的問題，故采用完全綁定。遠、近骨折斷面接觸摩擦系數取 0.2。

1.2.4 邊界條件及外力荷載對掌骨基底施加三個方向的位移約束。研究表明日?；顒訝顟B(tài)下掌指關節(jié)的生理壓力極限值為 100N[5]。因此，以第 5 掌骨頭最遠端處為作用點、第 5 掌骨縱軸線為應力方向，對掌骨頭施加 100N 的垂直節(jié)點壓力，得出遠、近骨折面的相對位移。

2 結果

施加外力負荷為 100N，骨折端位移分布云圖如圖 4.1~ 圖4.3

所示，內固定材料應力分布云圖如圖 5.1- 圖 5.3 所示。

骨折端最大位移對比圖(圖 6)表明：方法二的骨折端位移最??；內固定材料及第 5 掌骨的最大應力對比圖(圖 7)表明：方法二的鋼板螺釘應力最小。

3 討論

3.1 有限元方法在掌指骨骨折生物力學研究中的應用有限元分析是一種為求得偏微分方程邊值問題近似解的數值技術，其通過變分方法使誤差函數達到最小值并產生穩(wěn)定解。50 年代，有限元分析首先被應用于連續(xù)體力學領域，隨后很快廣泛應用于電磁場和流體力學等連續(xù)性問題，現已廣泛應用于骨骼系統(tǒng)的應力分析和骨折固定裝置的研究等各個方面。孟立民等基于有限元模型生物力學分析[6]得出微型外固定支架固定治療 Bennett 骨折的穩(wěn)定性優(yōu)于克氏針內固定治療。蔡強等[7]建立第 5 掌骨頸骨折有限元模型，分析后認為鋼板模型在生物力學穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢，而髓內針也是治療第 5 掌骨頸骨折的理想內固定方法，但對于如何選擇鋼板形狀及螺釘分布并沒有進行進一步研究。

本研究基于第五掌骨頸骨折的有限元模型，分析了不同的鋼板形狀和螺釘分布導致的不同生物力學特性，將骨質簡化為均勻的彈性介質，與實際骨質不均勻、中空的生物力學性狀有一定的差距。同時，骨頭與螺釘之間的摩擦簡化為接觸面模型，與實際螺釘接觸情況也略有不同，在以后的研究中還需要進一步的改進。

3.2 第五掌骨頸骨折手術方法的選擇

第 5 掌骨頸骨折又稱 " 拳擊手骨折 "，約占手部所有骨折的 20％，大多為握拳時第 5 掌骨受到暴力沖擊所致。對于掌側成角小于 30 度的穩(wěn)定第 5 掌骨頸骨折，一般建議采用保守治療[8]。而隨著社會進步，人們對手部功能的要求越來越高，手術治療第 5 掌骨頸骨折也越來越為人們所接受。目前，國內外治療第 5 掌骨頸骨折的手術方法多種多樣[9-16]。文獻報道的鋼板螺釘內固定法主要包括 T 型、L 型、Y 型及直行鋼板等 [17,18]，治療效果滿意，但掌骨頸骨折線靠近關節(jié)囊，鋼板植入時容易損傷掌指關節(jié)相關結構[19]，若再缺少早期功能鍛煉，非常容易造成關節(jié)僵直。閆玉明等[20]回顧性總結了多種內固定手術治療的342 例指掌骨骨折，其中 74 例出現術后并發(fā)癥，主要包括傷口愈合欠佳、肌腱粘連、骨折畸形愈合、骨折不愈合及指骨短縮等，因而認為內固定生物力學不穩(wěn)定和術后沒有進行早期功能鍛煉是術后并發(fā)癥的主要原因。只有達到可靠的固定強度，才能保證患者術后早期功能鍛煉的安全性。

本研究結果表明骨折端近端三顆螺釘遠端兩顆螺釘的直型鋼板生物力學穩(wěn)定性相對更好，內固定材料應力更小，術后進行早期握拳及伸屈掌指關節(jié)等活動時安全性更高，不易發(fā)生鋼板松動，螺釘斷裂等情況，從而提高手部功能康復的有效性。本研究通過有限元模型的建立與計算，為臨床選擇提供了一定的理論依據。

免責聲明：本文系網絡轉載或改編，版權歸原作者所有。如涉及版權，請聯(lián)系刪