夹板固定治疗尺骨茎突骨折的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0172

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1737-1742.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0172

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夹板固定治疗尺骨茎突骨折的三维有限元分析

李永耀¹，程灏¹，赵勇²，刘广伟¹，成永忠¹，关继超¹

中国中医科学院望京医院，¹创伤一科，²骨伤综合科，北京市 100102

出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-18
通讯作者: 赵勇，博士，主任医师，博士生导师，中国中医科学院望京医院骨伤综合科，北京市 100102
作者简介:李永耀，男，1981年生，辽宁省东港市人，汉族，中国中医科学院在读博士，主治医师，主要从事骨折与软组织损伤的临床与基础研究。
基金资助:
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(ZZ11-084)；中国中医科学院望京医院院级科研课题(WJYY2016-PY-005)

Three-dimensional finite element analysis on splint fixation for treating ulnar styloid process fracture

Li Yong-yao¹, Cheng Hao¹, Zhao Yong², Liu Guang-wei¹, Cheng Yong-zhong¹, Guan Ji-chao¹

¹First Department of Traumatology, ²Integrated Department of Orthopedics and Trauma, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China

Online:2018-04-18 Published:2018-04-18
Contact: Zhao Yong, M.D., Chief physician, Doctoral supervisor, Integrated Department of Orthopedics and Trauma, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
About author:Li Yong-yao, Doctoral candidate, Attending physician, First Department of Traumatology, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
the Special Foundation of Basic Research Service Fee of Central-Level Public Welfare Research Institutes, No. ZZ11-084| the Academic Research Project of Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, No. WJYY2016-PY-005

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

尺骨茎突骨折：根据尺骨茎突解剖特点及影像学表现，尺骨茎突骨折在临床上被分为2型：Ⅰ型为尺骨茎突尖端骨折；Ⅱ型为尺骨茎突基底部骨折。Ⅰ型骨折多由于腕尺侧副韧带牵拉，张力增高、撕裂而引起尺骨茎突尖端骨折；Ⅱ型骨折为桡骨远端骨折合并三角纤维软骨损伤，三角软骨盘及其边缘掌侧或背侧桡尺韧带的牵拉而导致尺骨茎突基底部骨折。尺骨茎突发生骨折后必然合并有附着的韧带或三角纤维软骨复合体损伤，后者在维持下尺桡关节稳定性方面具有关键性作用。

有限元分析法：是借助电子计算机进行运算的数值计算方法，将待分析的连续性实体离散成为有限个单元，以各单元的结合体替代原连续体，并逐个研究各单元的力学性质。它具有一些实验研究方法所不能比拟的优点，能够通过模拟分析的方法设定特殊工况，得到客观实体实验法所难以得到的研究结果，近年来其在骨科研究领域发展迅速，研究成果给临床治疗带来了积极意义。

摘要

背景：桡骨远端骨折常伴有尺骨茎突骨折，临床中对尺骨茎突骨折的治疗存在争议。手法复位夹板固定是治疗此类疾病的常用方法，治疗过程中对尺骨茎突骨折干预的机制难以在尸体力学实验中获得。近年来有限元分析方法在骨科领域得到了广泛应用，为骨科疾病的研究开辟了途径。

目的：通过有限元分析方法，探讨夹板对尺骨茎突骨折干预的生物力学机制，为临床治疗选择提供理论依据。

方法：基于1名健康女志愿者的前臂及腕部CT图像建立正常腕关节三维有限元基础模型，通过与文献中尸体实验数据对比验证模型的有效性，以此为基础建立有、无夹板固定的尺骨茎突Ⅰ型和Ⅱ型骨折的4种腕关节有限元模型。分析各模型在轴向压缩、横向拉伸、旋前和旋后4种工况下，下尺桡关节的相对位移变化、尺骨茎突骨折端位移变化情况。

结果与结论：①建立并验证了正常腕关节的三维有限元模型，以此为基础建立出实验所需另外4种模型；②在旋前及旋后工况中，尺骨茎突Ⅰ型及Ⅱ型骨折模型下尺桡关节的相对位移值均大于正常腕关节模型，其中Ⅰ型骨折模型小于Ⅱ型骨折模型，夹板干预后2种骨折模型位移值均明显减小；③在横向拉伸、旋前及旋后工况中，尺骨茎突Ⅰ型模型尺骨茎突骨折端位移值小于Ⅱ型骨折模型，夹板干预后2种骨折模型位移值均明显减小。其余工况下以上相应数值相差不明显；④结果提示，尺骨茎突骨折后下尺桡关节稳定性变差，其中发生Ⅱ型骨折后下尺桡关节稳定性不及Ⅰ型骨折，夹板这一弹性固定方式在治疗周期中能够增加尺侧柱的稳定性。

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
ORCID: 0000-0001-7298-6727(李永耀)

关键词: 夹板固定, 桡骨远端骨折, 尺骨茎突骨折, 有限元分析, 生物力学特性, 相对位移, 模型构建

Abstract:

BACKGROUND: Distal radius fractures are often accompanied by the ulna styloid process fractures, and the treatment of the ulna styloid process fracture is disputed in clinic. Manipulative reduction and splint fixation is a common method to treat such diseases. The mechanism of intervention on ulnar styloid process is difficult to obtain in the corpse mechanics experiments. In recent years, the finite element analysis method has been widely used in the field of orthopedics, which has opened up a way for the study of orthopedic disease.

OBJECTIVE: To explore the biomechanical mechanism of splint intervention on ulnar styloid fracture by finite element analysis, and to provide the basis for clinical treatment choice.

METHODS: A three-dimensional finite element model of normal wrist joint was established based on the forearm and wrist CT images of a healthy volunteer. The validity of the model was verified by comparing with the experimental data in the literature. On this basis, four wrist joint finite element models with and without splint fixation for ulnar styloid type I and type II fractures were established. Under axial compression, lateral extension, pronation and supination working conditions, the changes of the relative displacement of the distal radioulnar joint and the ulnar styloid fracture broken end were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) A three-dimensional finite element model of normal wrist joint was established and validated, and the other four models were established based on this model. (2) In pronation and supination conditions, the relative displacement values of the ulnar and radial joints in the ulnar styloid type I and II fracture models were greater than those in the normal wrist joint model, and the displacement was smaller in the type I fracture model than in the type II fracture model; the displacement was significantly reduced after the intervention on the two fracture models by the splint. (3) In the lateral tension, pronation and supination conditions, the displacement values of the ulnar styloid fracture end in the ulnar styloid type I fracture model were smaller than in the type II fracture model, and the displacement values were significantly reduced after the intervention by the splint. Under the remaining conditions, the change of the above values was not obvious. (4) In conclusion, the stability of distal radioulnar joint became worse after ulnar styloid fracture, and the stability of distal radioulnar joint after type I fracture was less than that after type II fracture. As an elastic fixation method, splint can increase the stability of the wrist ulnar column during the treatment.

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

Key words: Splints, Ulna Fractures, Wrist Joint, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李永耀，程灏，赵勇，刘广伟，成永忠，关继超. 夹板固定治疗尺骨茎突骨折的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1737-1742.

Li Yong-yao, Cheng Hao, Zhao Yong, Liu Guang-wei, Cheng Yong-zhong, Guan Ji-chao. Three-dimensional finite element analysis on splint fixation for treating ulnar styloid process fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1737-1742.

图/表（结果） 4

参考文献

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引言

尺骨茎突骨折为腕部骨折、脱位的常见合并损伤，有51%-65%的桡骨远端骨折伴有尺骨茎突骨折^[1]。Rikli等^[2]于1996年提出了腕关节三柱理论，其中尺骨茎突骨折为典型的尺侧柱损伤表现。Henry^[3]认为尺骨茎突Ⅰ型骨折即体部骨折多由腕尺侧副韧带牵拉引起；Ⅱ型骨折即基底部骨折多由三角软骨盘及其边缘掌侧或背侧韧带的牵拉而导致。尺骨茎突基底部有三角软骨盘的尖端附着，三角纤维软骨复合体周边20%的区域有丰富血管分布，中央80%区域无血管分布，具有血供的部位损伤修复后才能愈合，尺骨茎突骨折会影响其血供^[4-6]。三角纤维软骨复合体在维持下尺桡关节稳定性方面具有关键作用，如果受到损伤，会导致下尺桡关节稳定性缺失等较为严重的后果^[7-9]。另外，尚峥辉等^[10]报道由于尺骨茎突骨折引起尺侧副韧带紧张度丧失会导致腕关节被动桡偏不稳定。张光辉^[11]认为尺骨基底部骨折不予固定的患者远期可能无法完成腕部的快速旋转和用力地桡尺偏活动。国外多篇文献也报道桡骨远端合并尺骨茎突骨折愈后容易出现疼痛发生率更高，功能评分更差，旋后力量减弱，腕尺侧疼痛，下尺桡关节不稳，活动范围及握力下降^[12-15]。靳家骋等^[16]通过收集国内外相关文献对“合并尺骨茎突骨折对桡骨远端骨折内固定后预后影响”进行了Meta分析，其中尺骨茎突体部骨折组内固定后功能不满意占35.5%，尺骨茎突基底部骨折组后功能不满意占32.1%。由以上研究可见尺骨茎突骨折应该受到足够重视，但由于尺骨茎突骨折块较小且时有粉碎、内固定操作困难、选择尺侧入路易损伤尺神经皮支、内植物可能会对局部菲薄的皮肤软组织产生刺激等原因，如何处理尺骨茎突骨折成了临床的焦点。

外固定治疗对腕关节尺侧柱损伤治疗是否有积极作用呢？有研究提出小夹板固定是从人体肢体的功能出发，通过夹板的束缚作用可以有效地维持骨折整复后的稳定性和完整性^[17]。课题组认为夹板除能对骨折端起到稳定作用外，与石膏固定不同，其将腕部皮肤、肌肉及腱性组织、骨骼、韧带、下尺桡关节、三角纤维软骨复合体等作为一个整体施以弹性固定，能持续给予下尺桡关节环形束缚力。前期临床研究发现在桡骨远端骨折合并尺骨茎突骨折的治疗中，同型骨折接受手法复位、小夹板固定治疗后出现尺侧柱并发症的比例明显小于接受单纯行桡骨远端切开复位内固定治疗的患者群。因为具体力学机制很难在临床研究或尸体实验中探寻，课题组设计了有限元研究对其进行了初步探讨。Brekelmans和Rybichi首次应用有限元法于骨科研究，该方法能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况，得到客观实体实验法所难以得到的研究结果^[18-19]。

研究选取1名成年健康女性志愿者右前臂及手部通过CT扫描获得的DICOM格式数据，模拟建立正常腕关节三维有限元基础模型，并延伸出有、无夹板固定的尺骨茎突Ⅰ型和Ⅱ型骨折的4种腕关节有限元模型，通过有限元分析法分析各模型在不同工况下，下尺桡关节的相对位移、尺骨茎突骨折端位移变化情况，初步探讨夹板对尺骨茎突骨折干预的生物力学作用机制。

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

材料方法

1.1 设计 有限元法CT数据分析。

1.2 时间及地点 于2017年1月至10月在中国中医科学院望京医院与北京中检动科科技有限公司完成。

1.3 对象 采用1名成年健康女性志愿者的右上肢为获取模型对象，年龄36岁，身高166 cm，体质量62 kg，相关抽血化验结果符合健康成年人标准，右上肢既往无外伤史，由1名专业放射人员采用CT扫描技术(SOMATOM Definition Edge64排128层螺旋CT机，Siemens，AG，Germany)，对志愿者右前臂及手部进行逐层扫描，扫描范围自尺骨鹰嘴水平至第三掌指关节水平，扫描层间距为 0.5 mm，扫描长度304.5 mm，共计609层，以DICOM格式保存数据，扫描结果显示其右前臂至右手部范围内生理结构正常，符合有限元研究所需选择的健康成年人标准，在争取志愿者的同意后签署了知情同意书，授权当前研究使用其原始CT扫描数据。

1.4 材料

计算站配置：高级计算站ThinkStation D20(双CPU为英特尔六核处理器X5680，3.33 GHz；内存为 96 G 1333 ECC；显卡为NVIDIA Q5000，2.5 G；操作系统为 64 位 Win7 系统)。

CT数据处理软件：Mimics 10.0(比利时Materialise公司)，Solidworks2016(美国达索SIMULIA公司)，Hypermesh12.0(美国Altair公司)

有限元分析软件：Abaqus 6.13(美国达索SIMULIA公司)。

1.5 方法

1.5.1 腕关节有限元模型的建立与验证将所有CT图像数据导入Mimics 10.0。在Mimics软件中经过阈值选择、区域增长、图像分割、平滑去噪等处理得到腕关节主要骨骼的几何模型并以点云形式导出，将腕关节几何模型导入solidworks2016中进行逆向处理得到各个骨组织封闭的曲面，然后将solidworks2016处理过的几何模型导入hypermesh进行分网，将完整的腕关节模型导入有限元分析软件ABAQUAS中。徐永清等^[20]通过对成人腕关节标本34侧的解剖观察，记录了所有腕关节韧带的起止、走行与关节囊的关系及韧带的毗邻，当前研究采用非线性弹簧单元模拟此区域的主要韧带，以此文献为依据确定韧带的起止点来建立模拟韧带的弹簧单元。通过以上方法，建立出包含尺桡骨全长、骨间膜、桡腕关节面软骨、远端掌背侧尺桡韧带、三角纤维软骨盘、桡舟韧带、桡舟头韧带、桡舟月韧带、桡月韧带、桡三角韧带、桡尺三角韧带、尺侧副韧带、尺三角韧带、尺月韧带、环状韧带以及伸肌支持带的腕关节三维有限元模型。确定单元类型并通过查阅相关文献报道对不同材料进行赋值(表1)^[21-23]。研究主要采用六面体网格模型，正常腕关节模型单元数量为1 094 717，节点数量为387 763。另通过查阅相关文献对不同位置的夹板进行赋值(表1)，用于模拟夹板固定后状态^[24-25]。夹板干预后前臂模型单元数量为1 101 692，节点数量为 398 115(见图1)。

在建立的正常腕关节有限元模型上确定边界，将模型中的尺骨近端在X、Y、Z方向施加完全约束，参照文献于第二掌骨头、第三掌骨头沿手及前臂轴向选择共施加 100 N的压力载荷，获取桡腕关节面应力分布云图^[26]。钦斌等^[27]对12具尸体标本进行了力学实验研究，通过放置在腕关节的压敏片分析了桡腕关节的受力面积和应力分布情况。对比发现当前研究桡骨远端关节面应力分布云图与尸体实验得出的应力分布图基本吻合，另有文献报道所建模型以同样方法轴向施加100 N载荷时桡腕关节面接触应力最大值为10 MPa，当前研究计算的结果为10.7 MPa，结果相似，进而证明本研究建立模型真实有效^[28] (图2)。

1.5.2 工况设定与操作方案在有限元模型上确定边界，将模型中的尺骨近端在X、Y、Z方向施加完全约束，参照文献于第二掌骨头、第三掌骨头沿手及前臂轴向选择共施加100 N的压力载荷模拟中立位时肌肉收缩对腕关节产生轴向压力的情况^[26]。对腕关节施加横向66.7 N拉伸力载荷模拟尺骨茎突受部位到韧带牵拉导致骨折的情况；对腕关节分别施加22 N•m扭矩载荷模拟腕关节旋前及旋后时受到旋转力的情况^[29-30]。将边界条件和负载在ABAQUAS软件设定好后，提交计算，得出4种工况下腕关节各部分下尺桡关节相对位移变化情况，对典型结果进行分析。

在软件中通过对骨折线位置的设置建立尺骨茎突体部和尺骨茎突基底部骨折的模型。根据文献报道，对骨折线的建模可以通过建立一定厚度的赋予不同材料属性的模型即“赋软”来完成^[31]。当前实验中使用该方法将骨折线的厚度设置为1 mm，骨折部分的弹性模量设为 5 MPa，泊松比为0.48。骨折模型建立之后重复上述实验步骤，记录分析下尺桡关节的相对位移、尺骨茎突骨折端位移变化的情况。

夹板固定骨折的力学机制是通过布带的约束力将力均匀分配传导到肢体上的，李想^[32]对桡骨远端骨折中夹板束缚力进行了量化研究，课题组参照其研究结果对每块夹板上均匀施加28 N载荷模拟绷带约束力，方向垂直于夹板表面，夹板与皮肤接触后开始计算，直至夹板与皮肤达到力学稳定，如此建立出实验所需夹板固定骨折的模型。最后重复上述实验步骤进行操作，记录分析下尺桡关节的相对位移、尺骨茎突骨折端位移变化的情况。

1.6 主要观察指标 在轴向压缩、横向拉伸、旋前和旋后4种工况下，下尺桡关节的相对位移变化、尺骨茎突骨折端位移变化情况。

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讨论

近年来有限元研究在骨科研究方面发展迅速，具体到骨盆、股骨、膝关节、肩关节、脊柱、桡骨等都建立了相关模型，研究主要集中于骨关节应力分析、预测骨折发生风险、指导内固定物的设计和指导手术方案等方面^[33-37]。在腕关节的有限元研究方面，颜冰珊^[21]通过建立下尺桡关节有限元模型对尺骨茎突骨折与下尺桡关节稳定性关系进行了研究。在夹板治疗骨折的有限元研究方面，周恩昌^[24]通过建立前臂三维有限元模型并将夹板束带的约束力加载到模型上，比较了塑形夹板与传统夹板治疗前臂双骨折了疗效。当前实验关注点放在夹板固定对尺侧柱损伤的干预及下尺桡关节稳定性的影响方面，尚未见到有限元模型报道。

有限元研究有其局限性，人体具有复杂精密的结构，除骨骼韧带外，还包含神经、肌肉及肌腱、血管及内容血液、皮肤、脂肪等不同软组织结构，每类软组织不仅在解剖构造和生理功能上多种多样，而且在生物力学特性上更是相差甚远。人体前臂部骨骼肌近端及中段以肌纤维细胞构成的肌腹为主，接近腕关节处以肌腱为主，单腕管内就包含9条肌腱及正中神经。不同生物组织有着不同的黏弹特性，有着不同的密度，具有不同的储能机制，对外界的机械作用也会做出各自相应的电生理反应，且肌肉系统具有主动性，就目前的研究方法而言，也还没有突破肌肉系统的主动性模拟。基于以上原因，有限元分析中软组织模型的建立尚处于初始研究阶段，对不同组织及同一组织不同部位的弹性模量的赋值仍缺乏标准。虽然有部分学者尝试建立相关模型予以研究，但多是将软组织按均一组织处理赋予弹性模量，当前研究也采用此方法。相信随着科学的发展，人体有限元模型会无限接近真实人体的构造。

小夹板弹性固定治疗骨折技术符合生物学基本规律中的科学性、合理性和先进性，然而一直停留在“经验”状，缺乏系统和科学的发掘、整理，其特色和优势也没有得到系统的诠释和阐明。因此，影响了与国际医学界的交流。采用现代的技术方法，整理、挖掘、提高这一传统技术，深刻阐明其机制，并推广应用于临床，是广大骨科工作者的当务之急^[38]。

通过研究发现，尺骨茎突骨折后下尺桡关节稳定性变差，发生Ⅱ型骨折后下尺桡关节稳定性不及Ⅰ型骨折，夹板干预后可以减少运动中尺骨茎突骨折端的位移值，可以减少运动中下尺桡关节尺骨远端相对于桡骨乙状切迹的位移量，这说明夹板的束缚力可以拮抗运动中维持下尺桡关节稳定的重要韧带的张力。提示夹板作为一种弹性固定方法在治疗周期中能够视腕关节为一个整体并增加尺侧柱的稳定性。手法复位、夹板固定治疗干骺端非粉碎的桡骨远端骨折有一定的优势。且研究为同时合并有尺骨茎突骨折的治疗选择提供了一定的参考。

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