三维有限元分析外固定支架与掌骨板治疗Rolando骨折的力学稳定性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0353

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

Rolando骨折：是一种累及第1掌骨基底部的Y型或T型骨折，属于关节内骨折，临床上十分多见，但治疗上较为困难。由于这些骨折或垂直关节内多角形骨折有产生创伤后关节炎的可能性，因而准确复位相当重要，处理不当常可导致骨折不愈合或遗留功能障碍及患指疼痛。

有限元分析：是用近似法将复杂问题进行求解并得出结论的方法。是将复杂的、整体性较强的问题分割为一系列简单的互联子域，这些互联子域即为有限元。将每一个有限元进行求解，快速、准确得到计算结果后，再将结果进行整合、分析，从而得到复杂问题的解，因此广泛应用于工程学、医学领域。

摘要

背景：Rolando骨折发病率较高，治疗上对于外固定支架与掌骨板的选择目前尚无统一定论。

目的：建立三维有限元模型，比较外固定支架与掌骨板在力学稳定性方面的差异，为临床治疗Rolando骨折提供理论依据。

方法：随机选取1名健康志愿者，拍摄手腕关节的三维CT及MRI图像。将数据导入Mimics 10.0软件中，分别对第1、2掌腕关节骨组织及软组织进行三维建模，并将数据导入至Geomogic Studio 10软件中进行精细化处理。最后将所有数据以IGES格式输出至ANSYS 12.0软件中，利用软件的分割功能建立Rolando骨折模型，并使用建模功能建立掌骨板及外固定支架的实体模型。按照临床治疗方式将其固定，对各模型的材料属性进行赋值、划分网格，建立三维有限元模型。在第1掌骨头施加100 N的纵向负荷进行非线性分析，测定骨折面的最大位移。

结果与结论：①外固定支架组掌尺侧骨折块的相对位移与总位移最大、最小值依次为2.033，0.201，5.674，0.548 mm，背外侧骨折块为2.537，0.405，4.479，0.127 mm；掌骨板组掌尺侧骨折块的相对位移与总位移最大、最小值依次为0.385，0.133，0.595，0.163 mm，背外侧骨折块为0.278，0.164，0.501， 0.142 mm。经统计学分析，掌骨板组显著优于外固定支架组(P < 0.05)；②结果提示，掌骨板是治疗Rolando骨折的理想方法。

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: 0000-0003-3058-4249(艾登超)

关键词: 指损伤, Rolando骨折, 有限元分析, 图像处理, 计算机辅助, 成像, 三维, 生物力学, 外固定支架, 掌骨板

Abstract:

BACKGROUND: The incidence of Rolando fracture is high, and there is no unified theory for the selection of external fixation and internal fixation plate.

OBJECTIVE: To compare the mechanical stability of the external fixator and metacarpal plate by establishing the three-dimensional (3D) finite element models, so as to provide a theoretical basis for the clinical treatment of Rolando fracture.

METHODS: One healthy adult volunteer was selected, and the wrist joint was scanned by CT and MRI. The data were imported into Mmics 10.0, and the 3D model of the first and the second metacarpal and trapezium was established. All data were imported into Geomagic studio 10 for editing, and then transferred into ANSYS 12.0. Micro external fixator, the micro metacarpal bone plate model and Rolando fracture type in the clinical treatment principle of the two kinds of fixation methods were constructed. Each model was built following appropriate unit type, and then given 100 N of vertical load in the first metacarpal fracture distal, and the maximum displacement was detected.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the external fixation group, the relative displacement and total displacement of the maximum and minimum values of palm ulnar fracture end were 2.033, 0.201, 5.674, and 0.548 mm, were 2.537, 0.405, 4.479, 0.127 mm on the dorsolateral fracture end, respectively. In the plate group, the relative displacement and total displacement of the maximum and minimum values of palm ulnar fracture end were 0.385, 0.133, 0.595, 0.163 mm, were 0.278, 0.164, 0.501, 0.142 mm on the dorsal lateral fracture end, respectively. The differences were significant between two groups (P < 0.05). (2) To conclude, metacarpal plate is an ideal method for Rolando fracture.

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: Fractures, Bone, Internal Fixators, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

艾登超，陆芸. 三维有限元分析外固定支架与掌骨板治疗Rolando骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(27): 4359-4363.

Ai Deng-chao, Lu Yun. Mechanical stability of external fixator versus metacarpal plate for Rolando fracture by three-dimensional finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(27): 4359-4363.

图/表（结果） 1

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引言

正常人体第1掌腕关节的解剖结构较为复杂，由第1掌骨、大多角骨组成鞍状骨性连结，附近韧带较为坚韧，当受到暴力冲击时，可引起第1掌骨基底部撕脱骨折^[1-2]。这种骨折多发于关节囊内，因此又称为关节内骨折。Rolando骨折是比较常见的一种关节内骨折类型，多因纵向暴力因素导致第1掌骨基底部发生粉碎性骨折，在拇指屈曲及内收动作时最易发生，在第1掌骨的关节内骨折中发病率为9%-21%^[3-4]。因掌尺侧及背外侧骨折块受肌腱、韧带等软组织的牵拉作用，使其与掌骨体分离，因此形成了典型的T型或Y型骨折线^[5]。骨折块的移位较小，因此复位容易，根据韧带的解剖特点，在各软组织强有力的牵拉作用下形成的骨折块多向掌尺侧及背外侧两个方向移位，成为不稳定性骨折，故Rolando骨折的固定较为困难，常规治疗方法难以将各骨折块达到解剖学复位。目前临床上广泛采用外固定支架与掌骨板内固定两种治疗方式，各有其适用性，在临床上发挥了各自的治疗作用，但疗效上尚存争议。

有限元分析是指使用数学概念中的近似法对力学、声学、光学及电学系统进行模拟、还原的方法^[6-7]。其主要的思维方式是将一个或多个较为复杂的连续体进行分割、简化，转变为有限个较为简单的离散化模型，并对其进行近似求解，计算出每一个离散化模型的近似解，然后将所有近似解进行整合、模拟，得到复杂连续体的力学特点及应力分布。因各个离散模型数量是有限的，且所得结果为近似解，因此称为有限元法。该概念自19世纪中期提出并应用于航空学领域后，因其高效、简便、可重复性强、精确度高，在随后的20年中广泛应用于牙科、骨科等医学的生物力学研究领域中。随着现代计算机技术及影像成像技术的飞速发展，有限元分析法极大优化了传统力学的实验方法，展现出了传统力学无可比拟的作用，在医学领域中的应用日益广泛，并成为了当今力学分析中的主要方法^[8]。

当前实验通过使用三维有限元分析的方法，根据正常人体腕关节三维CT图像、MRI图像并结合实验解剖数据和测量数据在Mimics 10.0软件中建立Rolando骨折模型及掌骨板、外固定支架模型，在Geomagic Studio 10软件中进行精细化处理之后导入ANSYS 12.0软件中，经过材料属性赋值、网格划分后建立三维有限元模型，在第1掌骨头关节面上施加100 N的纵向负荷压力，并对其进行线性分析，通过比较掌尺侧及背外侧骨折块的位移大小评估两种治疗方式的稳定性，在生物力学角度为Rolando骨折的治疗提供理论依据。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 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2015年10月至2016年2月在天津医科大学、天津市泰达医院完成。

1.3 对象 随机选取1名健康成年男性志愿者，经其签署知情同意书及伦理委员会审查后进行常规骨科检查并确定其无手部疾患及发育异常。志愿者年龄26岁，身高179 cm，体质量75 kg，发育正常，营养状况良好。

1.4 材料 掌骨板、外固定支架(美国强生公司，美国)；数显电子游标卡尺(Mitutoyo，日本)；戴尔T7910工作站(Dell，美国)；西门子GE CT/I型64排螺旋CT机(SIMENS，德国)；Philips 64排螺旋核磁共振机(Philips，荷兰)；Mmics10.0软件(Materialise，比利时)；Geomagic studio10软件(Geomagic，美国)；ANSYS 12.0软件(ANSYS，美国)。

1.5 方法

1.5.1 建立大多角骨三维模型志愿者取坐位，右手五指自然伸直，放置于西门子GE CT/I型64排螺旋CT机中进行扫描，得到0.625 mm层厚的手腕关节CT断层扫描图像。右手同样体位再次放置于Philips 64排螺旋核磁共振机中进行扫描，获得0.625 mm层厚的T1WI序列。将CT数据导入至Mimics10.0软件中，调整阈值大小选择全部骨组织，并使用区域增长命令将大多角骨及第1、2掌骨分离。使用三维建模命令即将大多角骨即第1、2掌骨的粗糙三维模型建立完成。将模型以Point Cloud 格式输出至Geomogic Studio 10软件中，经过点阶段、封装阶段、多边形阶段及曲面阶段的操作后完成了骨组织精细模型的建立(图1A-E)。同样方法使用MRI数据并结合解剖数据建立第1、2掌腕关节囊精细模型，并依据解剖结构位置将骨组织与软组织进行精确复位(图1F)。

1.5.2 建立三维有限元模型将三维模型以IGES格式导入ANSYS 12.0软件中，建立工作坐标系，使用布尔运算命令建立Rolando骨折模型。使用数显电子游标卡尺测量掌骨板及外固定支架的长、宽、厚数值参数，并在ANSYS 12.0软件中使用CAD建模命令进行建模。按照临床手术治疗过程中钢板及外固定支架的放置方法分别将其与骨折模型进行匹配，使各部分进行精准贴合，并设置绑定方式为完全绑定。外固定支架与骨折模型组共建立4个接触对，掌骨板钢钉与第1掌骨体建立7个接触对，与掌尺侧及背外侧骨折块建立2个接触对。查阅相关文献资料得到各结构的单元类型、泊松比及弹性模型数值大小汇入表1，并依此进行赋值^[9]。实验过程中不考虑骨折块及钢钉的断裂、滑动，骨折面的摩擦系数设置为0.2^[10]。点击smartmesh命令完成网格划分，成功建立两种治疗方式的三维有限元模型(图1G，H)。

1.5.3 施加边界约束及纵向载荷以第1掌骨纵轴方向为X轴、外侧方向为Y轴、内侧方向为Z轴建立工作坐标系。实验过程中不考虑大多角骨的纵向移动，故设置大多角骨近端关节面约束度为0，因在实际生活中，对第1掌腕关节造成创伤的主要压力负荷是纵向轴向负荷^[11]。因此不考虑扭转及弯曲负荷。在第1掌骨头关节面上施加100 N纵向负荷压力，并对其进行线性分析。

1.6 主要观察指标 外固定支架与掌骨板两种固定方式下掌尺侧及背外侧骨折块的相对位移及总位移大小。

1.7 统计学分析 统计学处理在SPSS 19.0软件中进行。实验数据符合正态分布图，若检验方差齐则使用t 检验，若不齐则使用秩和检验，P < 0.05表示差异有显著性意义。

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

讨论

Rolando骨折是常见的第1掌骨关节内骨折，于19世纪初首次提出^[12]。其固定困难，且再骨折率较高^[13]。以往有使用“8”字石膏条固定腕关节后配合石膏托外固定的方法治疗Rolando骨折，操作简单，保守治疗避免了手术对患指的二次创伤，且费用较低，利于推广^[14]。但是该方法对骨折块的固定效果欠佳，同时长时间的腕关节固定可引起关节僵硬、活动受限，对患者的日常生活产生了一定影响。有学者使用克氏针固定的方法，在闭合复位骨折后，将一根克氏针固定于大多角骨骨体，另一根克氏针将第1掌骨、第2掌骨固定，限制了第1掌腕关节的活动，从而达到保护血运、快速愈合的目的^[15]。但是该方法临床操作中较为复杂，对术者的操作技能要求较高，且对于复杂的粉碎性骨折疗效有限，因此限制了临床推广与应用。戴建辉等^[16]使用可吸收螺钉固定骨折块，固定效果理想，且无需二次手术取出，为治疗Rolando骨折提供了一种新的思路。但是该手术费用较为昂贵，只能对较大骨折块进行固定，且有螺钉断裂的风险，临床推广较为困难。

近年来研究发现，骨折的愈合主要受固定的稳定程度、骨膜及关节囊等软组织的损伤程度、骨折处的血液供应、个体因素等影响^[17-18]。目前临床上对Rolando骨折的治疗方法主要有掌骨板内固定及外固定支架外固定治疗两种方式，各有其特点^[19-20]。李忠哲等^[21]回顾了10例Rolando骨折病例，对于14 d以内的骨折采用外固定支架直接固定，而超过14 d的骨折使用切开复位配合外固定支架固定的方式治疗，术后进行回访，总优良率达94.6%，总体效果理想，具有手术时间短、骨折块复位稳定、术后恢复快的特点，降低了腕关节的压力负荷，避免了术后关节僵硬、创伤性关节炎的发生。但是，该方法固定稳定性尚不可靠，且外固定架造价昂贵，临床护理困难，有较高的感染率^[22-23]。另有学者使用掌骨板内固定的方式治疗了11例Rolando骨折，治疗后进行随访，统计所得11例患者均康复，且骨折的平均愈合时间为6.4周，效果较为明显^[24]。但该方法对关节周围的关节囊、韧带损伤较大，且需二次手术取出内固定物，加重了患者的负担^[25]。临床上对于两种手术方式的选择争论较大，尚无统一定论^[26]。

针对传统实验方法重复性差、难以模拟体内生物力学情况等缺点，当前实验使用三维有限元分析法，使用CT与MRI数据建立正常人体腕关节的骨组织与软组织三维有限元模型，综合考虑了软组织对腕关节力学稳定性的影响，同时可制作Rolando骨折的不同模型，并使用外固定支架与掌骨板与之进行匹配，以模拟临床手术中的两种治疗方式，实验设计较为简单，且可重复进行操作。在临床工作中，掌骨板及外固定支架的植入方式是尽量在保证骨膜及供血完整的前提下进行的，因此实验的设计一般仅考虑骨折块固定的稳定程度。通过分析掌尺侧与背外侧骨折块的偏移大小来反映两种固定方式的稳定性，实验结果可靠。实验结果证实，掌骨板显著优于外固定支架。

对于掌骨板治疗Rolando骨折的临床机制，国内外许多学者进行了全方位、多角度的研究，目前较为认可的学说是由Oberlin提出的“肌腱牵拉学说”^[27]。Rolando骨折发生后，因拇长屈肌腱和拇长展肌的牵拉作用，将远端骨折块牵引至桡背侧，而第1掌骨则因手内肌的作用而向第2掌骨靠拢，造成虎口张开受限，对日常生活影响较大。与外固定支架相比，掌骨板对Rolando骨折的治疗更有价值，当前实验证实了该观点。

根据AO治疗原则，腕关节骨折块的移动度在2 mm以内时，腕关节的功能影响较小^[28-29]。当前实验中，掌骨板治疗组的移动度均小于2 mm，固定效果理想，因此证明掌骨板组要优于外固定支架组。实验使用的钢板及外固定支架均为微型，因此对软组织的影响较传统治疗方法更小，可早期进行功能锻炼，避免了术后并发症。传统的病例回顾、回访等判断疗效稳定性的方法无法在生物力学方面对整体的骨骼受力情况进行分析，而三维有限元分析法则弥补了这一缺点，且可以模拟各种不同骨折类型，可重复性强，精确度高，因此可以对复杂的Rolando骨折进行生物力学分析^[30]。但是，由于当前实验技术所限，实验仅计算了静态力的作用下骨折块的移动度，缺乏动态力学分析，在接下来的工作中需要进一步完善。

综上，掌骨板在Rolando骨折的治疗中要优于外固定支架，是临床治疗Rolando骨折的理想方法。

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