胫骨远端骨折三种内固定方式的有限元分析

doi:10.12307/2023.721

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (36): 5760-5765.doi: 10.12307/2023.721

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

胫骨远端骨折三种内固定方式的有限元分析

王义昌1，林文杰2，林涛1，周柏安1，黄文华1，3，梁振明1，魏劲松1，欧阳汉斌1

1广东医科大学附属医院骨科中心，广东省医学3D打印应用转化工程中心临床基地，广东省湛江市 524002；2江门市中心医院四肢关节骨科，广东省江门市 529070；3南方医科大学基础医学院人体解剖学教研室，广东省广州市 510515

收稿日期:2022-09-21 接受日期:2022-11-16 出版日期:2023-12-28 发布日期:2023-03-24
通讯作者: 魏劲松，博士，主任医师，广东医科大学附属医院骨科中心，广东省湛江市 524002 欧阳汉斌，博士，副主任医师，广东医科大学附属医院骨科中心，广东省湛江市 524002
作者简介:王义昌，男，1995年生，汉族，广东医科大学在读硕士，主要从事数字骨科方面的研究。
基金资助:
2018年湛江市科技发展专项资金竞争性分配项目(2018A01036)，课题名称：3D打印辅助膝关节单髁置换优化截骨设计及生物力学研究，项目负责人：欧阳汉斌；2021年广东省科技专项资金(“大专项+任务清单”)竞争性分配项目(2021A05243)，课题名称：对侧皮质锁定技术对骨折应变定向调控的力学机制研究，项目负责人：欧阳汉斌

Finite element analysis of three internal fixation methods for distal tibial fractures

Wang Yichang1, Lin Wenjie2, Lin Tao1, Zhou Baian1, Huang Wenhua1, 3, Liang Zhenming1, Wei Jinsong1, Ouyang Hanbin1

1Orthopedic Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Clinical Base of Guangdong Medical 3D Printing Application and Transformation Engineering Center, Zhanjiang 524002, Guangdong Province, China; 2Department of Extremities and Articular Orthopedics, Jiangmen Central Hospital, Jiangmen 529070, Guangdong Province, China; 3Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Received:2022-09-21 Accepted:2022-11-16 Online:2023-12-28 Published:2023-03-24
Contact: Wei Jinsong, MD, Chief physician, Orthopedic Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Clinical Base of Guangdong Medical 3D Printing Application and Transformation Engineering Center, Zhanjiang 524002, Guangdong Province, China Ouyang Hanbin, MD, Associate chief physician, Orthopedic Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Clinical Base of Guangdong Medical 3D Printing Application and Transformation Engineering Center, Zhanjiang 524002, Guangdong Province, China
About author:Wang Yichang, Master candidate, Orthopedic Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Clinical Base of Guangdong Medical 3D Printing Application and Transformation Engineering Center, Zhanjiang 524002, Guangdong Province, China
Supported by:
2018 Competitive Allocation Project of Special Science and Technology Development Fund of Zhanjiang, No. 2018A01036 (to OHB); Competitive Allocation Project of Special Fund for Science and Technology of Guangdong Province in 2021 (“Major Project+Task List”), No. 2021A05243 (to OHB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
骨折间隙微动：又称骨折间隙控制性细微的活动，是骨折愈合中重要的机械因素，有利于促进骨痂的生长，加快骨折愈合的速度。
有限元模型：是运用有限元分析方法建立的模型，是一组在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处收约束的单元组合体。

背景：目前对比3种内固定技术治疗胫骨远端骨折生物力学特性差异的研究较少。
目的：比较胫骨远端骨折经胫骨内侧锁定钢板、专家级髓内钉和逆行髓内钉固定后生物力学特性的差异。
方法：基于SAWBONES第4代人工复合胫骨模型的CT数据，利用三维重建技术构建胫骨远端骨折数字模型(AO/ASIF 43-A3型)，在此基础上模拟胫骨内侧锁定钢板、专家级髓内钉和逆行髓内钉3种内固定方式；采用轴向压缩及扭转2种载荷工况分别对3组植入装配体模型进行有限元分析，比较三者的应力分布、应力峰值及骨折间隙位移变化的差异。
结果与结论：①3组内固定物加载2种载荷工况时，专家级髓内钉组在扭转工况下应力峰值在未锁定的主钉孔处，为283.53 MPa；胫骨内侧锁定钢板组在扭转工况下应力峰值位于第3颗螺钉上，为913.07 MPa；逆行髓内钉组在扭转工况下应力峰值在第2个主钉孔处，为435.42 MPa；逆行髓内钉组内踝处主钉孔的周围皮质骨应力峰值出现在较高的轴向压缩工况下，峰值为55.34 MPa；②在骨折间隙位移方面，加载轴向压缩载荷时，专家级髓内钉组4个区域的切向位移最高；胫骨内侧锁定钢板组4个区域的轴向位移最高，且峰值在外侧区；专家级髓内钉组及逆行髓内钉组轴向位移峰值均位于后侧区；③加载轴向扭转载荷时，胫骨内侧锁定钢板组和逆行髓内钉组轴向位移峰值均在外侧区，而逆行髓内钉组4个区域的切向位移均小于胫骨内侧锁定钢板组及专家级髓内钉组；④提示对于胫骨远端骨折，逆行髓内钉在骨折端微动控制和内固定结构安全性方面相比胫骨内侧锁定钢板和专家级髓内钉更具优势。
https://orcid.org/0000-0001-7971-162X (王义昌)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 内固定, 胫骨远端骨折, 有限元, 生物力学, 骨折间隙微动, 应力分布

Abstract: BACKGROUND: Few studies are comparing the biomechanical characteristics of three internal fixation techniques in the treatment of distal tibial fractures.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical properties of distal tibial fractures fixed by medial distal tibial plate, anterior-grade expert tibial nail and retrograde tibial nail.
METHODS: Based on the CT data of a SAWBONES 4th generation artificial composite tibia model, a simulation model of distal tibia fracture (AO/ASIF 43-A3) was constructed by digital 3D reconstruction technology. On this basis, three internal fixation methods including locking plate of the medial tibia, expert grade intramedullary nail and retrograde tibial nail were simulated. Finite element analysis was carried out for three groups of implanted assembly models under axial compression and axial torsion loading conditions respectively, and the differences in stress distribution, stress peak value and fracture space displacement were compared among the three groups.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) When the three groups of internal fixators were loaded under two load conditions, the peak stress of the expert tibial nail group was 283.53 MPa at the unlocked main nail hole under the torsion condition. In the medial distal tibial plate group, the stress peak was located on the third screw, which was 913.07 MPa under the torsional condition. In the retrograde tibial nail group, the stress peak was at the second main nail hole under the torsion condition, which was 435.42 MPa. In the retrograde tibial nail group, the stress peak of the cortical bone around the main nail hole at the medial malleolus appeared under high axial compression condition, which was 55.34 MPa. (2) In terms of fracture gap micromovement, the expert tibial nail group had the highest tangential displacement in the four regions under axial compression load. The axial displacement of the four regions in the medial distal tibial plate group was the highest, and the maximum value was in the lateral region. The peak axial displacement of the expert tibial nail group and retrograde tibial nail group was located in the posterior region. (3) When the axial torsional load was loaded, the peak axial displacement of the medial distal tibial plate group and retrograde tibial nail group was in the lateral region, and the tangential displacement of the four regions in the retrograde tibial nail group was smaller than that in the medial distal tibial plate group and expert tibial nail group. (4) It is indicated that retrograde tibial nail has a biomechanical advantage over the medial distal tibial plate and expert tibial nail in distal tibial fractures in terms of fracture end fretting and internal fixation stress.

Key words: internal fixation, distal tibial fracture, finite element, biomechanics, fracture space micromovement, stress distribution

中图分类号:

王义昌, 林文杰, 林涛, 周柏安, 黄文华, 梁振明, 魏劲松, 欧阳汉斌. 胫骨远端骨折三种内固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(36): 5760-5765.

Wang Yichang, Lin Wenjie, Lin Tao, Zhou Baian, Huang Wenhua, Liang Zhenming, Wei Jinsong, Ouyang Hanbin. Finite element analysis of three internal fixation methods for distal tibial fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(36): 5760-5765.

图/表（结果） 6

2.1 模型有效性验证参照既往力学试验文献的加载条件，计算低轴向压缩工况中3组有限元模型的整体结构刚度，MDTP组为613.04 N/mm，RTN组为827.43 N/mm，ETN组为603.01 N/mm。与既往实体试验相比[16-17]，ETN组为(888±249) N/mm，RTN 组为(609±149) N/mm，MDTP 组为(465±178) N/mm。总体上结果较为相近，证明了该有限元模型的有效性。
2.2 不同工况中3种内固定物应力分布及应力峰值在轴向压缩工况中，3个模型组内固定物的应力分布云图，见图3。可以看出，分别施加350 N和600 N压缩载荷时，ETN组内固定高应力区主要位于E2主钉孔处，应力峰值分别为156.73 MPa和269.06 MPa；MDTP组内固定高应力区主要位于P3螺钉上，应力峰值为430.62 MPa和737.78 MPa；在RTN组内固定高应力区则位于R3螺钉上，应力峰值分别为145.81 MPa和242.67 MPa。

在轴向扭转工况中，3个模型组内固定物的应力分布云图，见图4。加载扭转3 Nm及8 Nm载荷时，ETN组内固定物的高应力区出现在骨折间隙间中未锁定的主钉孔内上，应力峰值分别为106.31 MPa及283.53 MPa；对于MDTP组，内固定的高应力区集中在P3螺钉上，应力峰值分别为450.27 MPa及913.07 MPa；RTN组在内固定的高应力区集中在R2螺钉的主钉孔上，应力峰值分别为163.54 MPa及435.42 MPa。

2.3 不同工况中3组模型胫骨应力分布及应力峰值在轴向压缩工况中，3个模型组胫骨的应力峰值，见表3。在加载350 N及600 N载荷时，ETN组胫骨高应力区在E2内侧钉孔周围的皮质骨；MDTP组的胫骨高应力区在P4内侧钉孔周围的皮质骨；RTN组胫骨高应力区在R3内侧钉孔周围的皮质骨。在轴向扭转工况中，3个模型组胫骨的应力峰值，见表3。加载3 Nm及8 Nm扭转载荷，ETN组胫骨的高应力区也在E2钉孔外侧周围的皮质骨上；MDTP组中胫骨的高应力区为P3螺钉孔内侧周围的皮质骨；RTN组中胫骨高应力区在R3钉孔内侧周围皮质骨。

2.4 RTN内固定下内踝处骨骼的应力分布 RTN组内踝处的应力分布，见图5。在2种轴向压缩载荷时，内踝主钉孔周围皮质骨高应力区靠近骨折端，应力峰值分别为32.66 MPa及55.34 MPa。RTN组2种扭转载荷下主钉孔周围皮质骨高应力区靠近踝关节面，应力峰值为10.56 MPa及26.92 MPa。

2.5 不同工况下3组模型组间的骨折间隙位移在轴向压缩工况下，对比3组内固定模型的骨折间隙轴向位移结果，见图6。MDTP组所有区域均明显大于ETN及RTN组，MDTP组轴向位移最大值在外侧区，为1.62 mm；ETN组及RTN组则位于后侧区，为0.33 mm及0.22 mm。对比3组内固定模型的骨折间隙切向位移结果可以发现，ETN组所有区域均明显大于其他两组模型，MDTP及RTN骨折间隙切向位移基本一致，而MDTP组后内侧区位移要略低。

在轴向扭转工况下，对比3组内固定模型的骨折间隙轴向位移结果，见图7。MDTP组位移最大值位于前侧区，为0.13 mm；ETN组位于外侧区，为0.01 mm；RTN组则位于前侧区，为0.04 mm。对比3组内固定模型的骨折间隙切向位移结果，MDTP及ETN组在外侧区的位移值最大，分别为1.73 mm及0.84 mm；RTN组位移最大值则位于外侧区，为0.42 mm。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2021年9月至2022年5月在广东医科大学附属医院骨科数字骨科工作室和广东省医学3D打印应用转化工程技术研究中心完成。
1.3 材料
1.3.1 实验对象选用美国太平洋实验室生产的第4代人工合成Sawbones胫骨模型(编号：#3401)，见图1A。
1.3.2 实验设备及软件硬件设备：Dell T7910图形工作站；64排螺旋CT(Siemens公司，德国)；软件系统：Windows 10专业版操作系统(Microsoft公司，美国)，医学图像三维重建软件Mimics 19.0(Materialise公司，比利时)，逆向工程建模软件Geomagic Studio 2013(Geomagic公司，美国)，CAD辅助设计软件UG NX 10.0(Siemens公司，德国)，有限元分析软件Abaqus 2020(达索SIMULIA公司，美国)。
1.4 方法
1.4.1 胫骨远端骨折模型的建立应用广东医科大学附属医院64排螺旋CT逐层扫描Sawbones仿真胫骨模型，扫描层厚和层间距均为0.625 mm，获取869张断层CT图像，并以DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)格式导入到Mimics19.0软件中进行胫骨皮质骨和松质骨的三维几何重建，以STL格式输出。将初步得到的胫骨三维模型导入Geomagic Studio 2013软件中，清除模型内部杂质并对表面进行平滑修饰，进而运用精确曲面命令，完成胫骨皮质骨及松质骨的实体化，保存为STP文件格式。进一步将构建的胫骨皮质骨及松质骨实体模型导入到NX.10.0软件中，参照文献报道的生物力学试验造模方法[7]，选取胫骨远端定义相应的基准平面截取10 mm骨折间隙，模拟胫骨远端骨折(AO/ASIF 43-A3型)，见图1B。
1.4.2 胫骨远端骨折内固定装配体模型的建立由同一名高年资骨科医师根据可视化胫骨模型尺寸分别选择相应规格的MDTP、ETN和RTN(大博医疗科技股份有限公司)，进而对3种内固定物实物进行三维激光扫描(设备：Goscan三维激光扫描仪)，通过Geomagic Studio 2013软件进行点云数据处理和封装，并由该医师完成骨折模型及内固定物的初步装配。进一步将初步装配后的骨折-内固定模型组以STP格式导入NX 10.0中，根据厂家提供的螺钉几何参数，进行螺钉的CAD模型设计及装配，最终完成3组胫骨远端骨折内固定装配体模型组的建立(图2)：①ETN组(B-MIN-01)：髓内钉长度340 mm；主钉直径为9.0 mm，锁定钉直径为5 mm，由近端至远端5枚螺钉依次编号为E1-E5；②MDTP组(LCLP 10 胫骨远端内侧Ⅱ型)：钢板厚度3.65 mm，长度160 mm；螺钉直径为3.5 mm，由近端至远端8枚螺钉依次编号为P1-P8；③RTN组(A-MIN-01)：髓内钉长度为140 mm，主钉直径为8 mm，锁定钉直径为4 mm，由近端至远端5枚螺钉依次编号R1-R5。此次研究对3种内固定螺钉的螺纹均进行几何简化处理[8]。
1.5 胫骨远端骨折内固定有限元模型的建立
1.5.1 材料赋值及网格划分将3组内固定装配体模型导入Abaqus 2020有限元分析软件中，分别对皮质骨、松质骨和内固定物进行材料赋值，材料参数参照既往研究均定义为均一各向同性线弹性材料[9-10]，设置适合的弹性模量及泊松比[11]，见表1。模型组中钉-骨和钉-板界面采用绑定约束[12]。进一步对模型进行网格划分，单元网格类型为C3D10，得到的模型单元数量及节点数见表2。

1.5.2 载荷工况及边界条件参照以往实体试验[13]，加载由低到高的非破坏性载荷的方法，选取轴向压缩工况及轴向扭转工况以模拟正常人体行走时胫骨承受的主要载荷类型：①轴向压缩工况：以胫骨的力线轴作为局部坐标系中X轴，对胫骨平台施加大小为350 N及600 N的轴向压缩载荷，胫骨平台内、外侧关节面分别承受60%及40%的力[14]，见图1C；②轴向扭转载荷工况：沿胫骨力线轴分别施加3 Nm及8 Nm的轴向扭转载荷，见图1C。所有工况均约束胫距关节上关节面单元节点的6个方向自由度[15]。
1.6 主要观察指标将完成前处理的3组有限元模型提交至Abaqus Standard求解器中进行分析，观察不同工况条件下3组模型的von Mises应力分布、应力峰值及不同位置上的骨折端位移变化差异。骨折间隙位移用近端骨折块内侧皮质骨上24个节点的位移曲线来表示，将24个节点划分为骨折间隙的前、后、内、外侧区域，见图1D。

讨论

胫骨远端解剖位置较为特殊，具有周围软组织覆盖少、周围血运较差和比邻踝关节等解剖特点，不同的内固定方式对不同的骨折类型术后稳定性的影响也不尽相同。手术方式的选择需要临床医师综合的判断，目前临床上主要采用MDTP或ETN内固定治疗AO/ASIF 43-A3型骨折[18-19]。有研究显示，胫骨远端皮肤完整者可以考虑经皮或有限切开应用MDTP内固定术[20]，相比ETN可减少内固定术后对线不良的问题[21]。BAHAMONDE等[22]认为与MDTP相比较，ETN术中扩髓处理后，髓内骨屑“内植骨效应”有利于降低术后愈合不良的并发症发生率，同时有限的软组织破坏还能减少术后感染发生率。尽管如此，扩髓处理同样会增加脂肪栓塞的风险[23]。近年来，为克服传统MDTP或ETN上述固有的并发症问题，有学者提出应用RTN内固定治疗胫骨远端骨折，但该内固定系统的生物力学研究仍局限在传统的尸体标本力学实验，而实验更无法观察到胫骨及内固定物的内部应力分布情况[24]。当前，医学有限元分析技术已被广泛运用于骨科生物力学研究领域[25-27]。因而，此次研究利用有限元分析技术对RTN内固定的生物力学特性进行评价，并与传统内固定系统进行对比研究，为RTN在临床应用方面的安全性和有效性提供更有力的生物力学理论依据。
此次研究就3种内固定系统在同等载荷条件下表现出来的结构刚度进行了对比分析，结果显示RTN的轴向刚度要显著优于MDTP和ETN组。而在此前的系列研究中，对于固定后整体结构刚度方面，RTN相比髓外固定系统也同样表现出髓内固定固有的力学优势，和此次研究结论相一致[5]。值得注意的是，RTN由于是经内踝逆行置钉，对于胫骨远端骨折的工作长度相比顺行ETN的工作长度更短，因此固定刚度更高；同样，髓外固定的MDTP具有近似的工作长度，由于偏心固定[28-29]，其轴向刚度显著低于RTN。除此以外，骨折愈合还受骨折间隙微动因素的影响[30]。此次研究对3组模型固定下的骨折断端微动进行了对比分析，MDTP固定骨折端的轴向微动水平最高，而RTN的轴向微动则总体略低于ETN，体现了髓内固定对轴向微动的控制具有明显优势，尽管这一优势在骨折愈合的中后期逐渐弱化。而对于轴向压缩载荷下的切向微动，RTN和MDTP均表现较低的微动水平，主要原因在于ETN相比上述二者较短的工作长度，远离骨折端的交锁螺钉未能较好控制切向位移。而NOURISA等[31]的研究同样指出，在加载轴向压缩载荷时，ETN组骨折块间隙的切向位移明显大于MDTP组，此次研究结果与之一致。骨折间隙较低的轴向微动及过度的切向微动不利于骨痂中血管的形成，更不利于骨痂塑形和矿化[32]。EPARI等[33]则认为切向微动结合轴向微动不会影响骨折愈合，然而，切向及轴向微动水平的比例尚无明确的结论。Schell等[34]认为切向与轴向微动比值小于2是安全的。而此次研究中，ETN组骨折间隙的切向与轴向微动比值均大于2，反观MDTP组及RTN组相应的该比值则明显小于2，故ETN组未能提供相应的力学优势。既往文献显示，骨折间隙过大的切向微动易造成ETN术后继发性对线不良，甚至延迟愈合[30]。就胫骨下段沙漏状髓腔特点来看，ETN固定会导致骨折间隙过多的切向微动，而RTN可减少这种微动，具有一定优势。与此同时，作者发现MDTP组骨折间隙的轴向及切向微动在靠近钢板固定侧时都明显下降，而ETN及RTN表现较为均匀，不难推测MDTP骨折间隙的非对称微动也可能会影响骨痂愈合质量。ETN术后早期负重行走得益于术后较高的轴向刚度[17]，此次研究中ETN的轴向刚度略小于RTN，该结论与KUHN等[6]的研究结论一致。因此，较高的轴向刚度和骨折间隙低水平的切向微动使得RTN术后允许早期负重。
胫骨远端RTN经内踝逆行置钉的优势在于把固定物的把持部位带到骨折附近，显著提升了力学稳定性，然而，经内踝置钉有降低局部骨质强度的风险，进而增加术后医源性骨折的风险。此次研究进一步对内踝皮质骨的应力强度进行分析，结果显示RTN内踝主钉入口周围并无显著的应力集中，且应力峰值不超过60 MPa；不仅如此，ETN及RTN组在内踝钉孔周围的皮质骨应力峰值均明显小于MDTP组，基本符合临床上观察到的多数病例ETN及RTN术后恢复前期，内踝的不适感较少[35-36]。除内踝处应力分布情况外，RTN组模型中内固定物及胫骨的应力峰值大部分都集中在R2和R3螺钉周围，MDTP组及ETN组内固定峰值都在最靠近骨折间隙的锁定钉上，与BASERI 等[37]的研究结果一致。KUHN等[7]认为RTN可能的适应证是胫骨远端骨折(AO/ASIF 42A-C型、AO/ASIF 43A1-3型)，以及结合附加螺钉固定的单纯性Pilon骨折(AO/ASIF 43C1)。此次研究在干骺端构建10 mm的缺损模拟AO/ASIF 43A3型粉碎性骨折模型，以证明RTN在该骨折类型的生物力学优越性。在临床上，何敏等[36]回顾性分析了RTN治疗胫骨远端骨折(AO/ASIF 43A1-3及AO/ASIF 43C1-2型)的病例，均达到临床愈合，且无并发症的发生，踝关节AOFAS评分均为优良，与PENG等[38]的研究结果一致。
此次研究尚有一定的局限性：首先，此次研究所用的SAWBONES胫骨模型虽然克服了个体化差异，但仅能代表普通健康成人的骨质条件[39]，无法得到骨质疏松条件下的结论；其次，此次研究仅仅模拟了日常生活中比较具有代表性的工况条件，生理条件下患者的力学环境更是一个动态的作用过程，实际载荷参数更为复杂[40-41]，由于骨折缺损处过于靠近干骺端，故此次研究未加载侧向载荷进行三点或四点弯曲试验。尽管如此，此次研究中的有限元分析建模提供了等参条件下的模型对比数据，能够更为有效地控制计算结果的准确度和稳定性，具有较高的说服力。
综上，RTN在治疗胫骨远端骨折(AO/ASIF 43-A3型)是一种安全有效的固定方式，尤其在骨折微动控制和应力分布方面，相比传统ETN和MDTP具有明显的优势。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

胫骨远端骨折三种内固定方式的有限元分析

Finite element analysis of three internal fixation methods for distal tibial fractures

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