克氏钉和外固定架修复Bennett骨折的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.03.012

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

Bennett骨折：即第1掌骨基底骨折脱位，其外伤机制与基底骨折相似，多由指端传导下来的轴向暴力所致。但是在第1掌骨近端有一通入关节的骨折，掌大(三角)关节是鞍状关节，第1掌骨基底关节面与大多角的关节面都呈马鞍状，两者对角相扣，如两手虎口张大而相插，允许作前、后、左、右四向活动。

克氏钉：一种骨科常用的内固定材料，其原规格一般固定在20 cm左右，直径在0.5-2 mm之间。用于固定短小骨折或撕脱骨折等应力不大的骨折固定，也常被用在骨科手术中临时骨折块的固定中。近年来随着外固定支架的广泛应用，克氏钉的最大直径逐渐增加到4 mm，配合外固定锁钉来固定骨盆骨折、跟骨骨折等。

摘要

背景：克氏钉和外固定支架是修复Bennett骨折比较常用的方法，但关于两者生物力学比较的研究不多。

目的：建立Bennett骨折克氏钉内固定和外固定架治疗的三维有限元模型，对其进行生物力学分析。

方法：建立Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉内固定治疗三维模型，将Bennett骨折微型外固定支架治疗模型设为A模型，将Bennett骨折克氏钉内固定模型设为B模型。在第一掌骨沿X轴方向施加120 N的载荷。观察A模型和B模型在X轴方向的位移情况、总位移情况以及骨折断端应力值变化。

结果与结论：①在X轴方向上，A模型近端骨折块、远端骨折块的最大位移和最小位移的绝对值小于B模型，A模型最大相对位移、最小相对位移和平均相对位移小于B模型，两模型近端骨折块、远端骨折块的平均位移及相对平均位移比较差异均有显著性意义(P < 0.05)；②在总位移方面，A模型近端骨折块的最大位移和最小位移的绝对值小于B模型，A模型远端骨折块的最大位移和最小位移的绝对值小于B模型，A模型最大相对位移、最小相对位移和平均相对位移均明显小于B模型，两模型近端骨折块、远端骨折块的平均位移及相对平均位移比较差异均有显著性意义(P < 0.05)；③A模型骨折断端的最大应力值、最小应力值和平均应力值均明显小于B模型骨折断端，两模型平均应力值比较差异有显著性意义(P < 0.05)；④结果表明，微型外固定支架治疗Bennett骨折在X轴方向上的位移及总位移小，骨折断端的应力分布均匀，提示微型外固定支架治疗Bennett骨折较克氏钉内固定更具优势。

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
ORCID:0000-0003-0999-1659(刘俊)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 克氏钉, 外固定架, Bennett骨折, 三维有限元分析, 应力, 位移

Abstract:

BACKGROUND: Klinefelter nails and external fixation were commonly used treatment methods for Bennett fracture, but study about biomechanics of two methods was little.

OBJECTIVE: To establish three-dimensional finite element models of Bennett fracture by Klinefelter nails and external fixation, and analyze its biomechanics.

METHODS: Three-dimensional models of Bennett fracture were established by small external fixation and Kirschner nail treatment. The Bennett fracture models established by small external fixation treatment were considered as model A. Bennett fracture models established by Kirschner nail treatment were considered as model B. 120 N load was applied to the first metacarpal X-axis direction. The X-direction displacement and total displacement of model A and model B, and the fracture fragments stress of model A and model B were observed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the X direction, the absolute values of maximum displacement and minimum displacement of model A at proximal fragment and distal fragment were less than model B; the maximum relative displacement, minimum relative displacement and average relative displacement of model A were less than model B. The differences of the average displacement of the proximal fracture fragment and the distal fragment, and the relative mean displacement in two models were statistically significant (P < 0.05). (2) In total displacement, absolute values of the maximum displacement and minimum displacement of model A at proximal fragment were less than model B; absolute values of the maximum displacement and minimum displacement of model A at distal fragment were less than model B; the maximum relative displacement, minimum relative displacement and average relative displacement of model A were less than model B. The differences of the average displacement of the proximal fracture fragment and the distal fragment, and the relative mean displacement in two models were statistically significant (P < 0.05). (3) The maximum stress value, a minimum stress value and the average stress values of fracture fragments of model A were significantly smaller than model B. The difference of the mean stress value in two models was statistically significant (P < 0.05). (4) These findings showed that the X-direction displacement and the total displacement were smaller, and the fracture fragments stress was uniform in small external fixation and Kirschner nail treatment for Bennett fracture, indicating that small external fixation for Bennett fracture has more advantages compared with Klinefelter nail.

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Key words: Finite Element Analysis, Internal Fixators, External Fixators, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘俊，廖苏平. 克氏钉和外固定架修复Bennett骨折的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(3): 390-395.

Liu Jun, Liao Su-ping. Three-dimensional finite element analysis of Kirschner nails and external fixation for Bennett fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(3): 390-395.

图/表（结果） 3

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引言

在手部的骨折中，有大约1/4的掌骨骨折为第一掌骨骨折，第一掌骨骨折多发生在基底部，基底部骨折占第一掌骨骨折的4/5，第一掌骨骨折中发生率最高的为Bennett骨折^[1]。Bennett骨折是指第一掌骨基底骨折合并有第一掌腕关节全脱位或者半脱位，因此又称为Bennett骨折脱位，Bennett骨折的骨折线将第一掌骨的基底部分为桡侧和尺侧骨折块，由于第一和第二掌骨间的韧带牢固附着在骨折，因此Bennett骨折的尺侧块仍留在原来位置^[2-3]，Bennett骨折复位比较容易，但复位的维持比较困难，常容易出现复位的再丢失，如果治疗不当，会引起关节的畸形、疼痛、功能受限等^[4-7]。

Bennett骨折的治疗方法有多种^[8-14]：①闭合复位外固定^[15]：该方法限制其他手指活动，术后骨折有发生再次移位的风险；②闭合复位经皮内外固定^[16-18]：常用的有经皮克氏针内固定、Stryker微型外固定架固定等。克氏钉操作方便，价格便宜，没有再创伤，能够降低手术感染，但骨折固定不牢固，克氏钉容易松动；外固定支架固定比较牢固，创伤比较小，适应证比较多；③切开复位内固定^[19]：常用的方法有AO微型钢板法、空心拉力螺钉法、铁丝张力带法和可吸收缝线钻孔环扎法等^[20-21]，该方法固定比较牢固，但对神经、肌腱、软组织影响比较大。克氏钉内固定和外固定支架是修复Bennett骨折比较常用的两种方法^[22]。Bennett骨折伴有软组织损伤患者常采用外固定架治疗，外固定架一般使用2个螺纹针固定在第一掌骨桡背侧，2根固定在桡骨的桡背侧，再用2个螺钉固定第二掌骨干背侧，最后将连接杆将螺钉连接起来，形成三角形固定架，也可以使用2个半螺钉打入第一掌骨骨干，另2个半螺钉打入大多角骨，用外固定杆将4个螺钉连接起来。克氏钉固定最为广泛，在Bennett骨折中的应用比较早，该固定方法比较简单，操作方便，价格比较便宜。

三维有限元法能够在计算机上仿真人体结构并能够赋予人体结构生物力学特点，能够反映仿真模型的内部应力和位移情况，能够对内部应力和位移进行定量分析，并且三维有限元分析的重复性比较好，在对骨科生物力学进行研究时，常需要改变物体的参数，对生物力学参数的探讨以实验方式进行研究比较困难，而有限元分析法对参数的探讨比较简单，可以对研究对象的位置和大小进行设计，可以设定参数大小，能够了解物体内部的应力、位移等变化情况，在骨科的研究中具有其他研究方法无法代替的优势^[23-28]。谢世隆等^[29]对Bennett骨折微型外固定支架和克氏针治疗建立了三维有限元模型，对骨折端的位移情况进行了研究，结果发现Bennett骨折微型外固定支架治疗的稳定性较克氏钉好，但只对骨折端的位移情况进行了研究。

作者通过建立Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗三维模型，在第一掌骨沿X轴方向施加120 N的载荷，探讨两种模型在X轴方向的位移、总位移以及两种模型骨折断端的应力值变化。

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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2至12月在华中科技大学同济医学院附属普爱医院实验室完成。

1.3 材料

设备：CT机是由美国GE医疗公司提供；计算机工作站由华中科技大学同济医学院附属普爱医院提供。

软件：Mimics 10.01软件由Materialise 公司生产，Ansys有限元软件由SASI公司生产，Geomagic Studio 10.0逆向软件由Geomagic公司生产，Solidworks软件由Dassault Systemes S.A公司生产。

实验材料：微型外固定支架由不锈钢、钛合金、铝合金和碳素材料组成，克氏钉由无菌肽合金材料组成，均由美国Wlorenz公司生产。

1.4 对象 选择1名健康的37岁男性志愿者，身高181 cm，体质量73 kg，志愿者上手发育正常，影像学检查志愿者双手骨骼正常。

1.5 方法

1.5.1 志愿者手掌影像数据的获得志愿者取俯卧位，左手拇指外展，稍微背伸，掌心向下，CT扫描机对志愿者左手掌进行扫描，扫描范围为左手中指近节末端到桡骨远端之间手掌部分，扫描层厚0.06 mm，共扫描243张CT图像，将扫描的手掌图像数据以DICOM格式保存。

1.5.2 建立微型外固定支架和克氏钉的三维实体模型对微型外固定支架和克氏钉的实物三维数据进行测量，打开Solidworks软件，在软件中根据CAD软件先定点，画出微型外固定支架和克氏钉草图，通过对微型外固定支架和克氏钉草图进行剪切、拉伸、旋转等处理，建立微型外固定支架和克氏钉三维实体模型。

1.5.3 建立掌骨的三维实体模型将志愿者掌骨DICOM格式的CT数据导入到计算机Mimics软件，Mimics软件中软组织和骨骼具有不同的灰度值对灰度值进行分割，调整阈值，建立掌腕关节初步模型(见图1)。对灰度值进行分割，调整阈值，使第一掌骨、第二掌骨和大多角骨边界清晰，对在扫描过程中丢失的骨髓质及漏洞等信息进行填充，痛过区域增长建立需要的骨骼模型，选出第一掌骨、第二掌骨和大多角骨，建立第一掌骨、第二掌骨和大多角骨的三维模型，对建立的第一掌骨、第二掌骨和大多角骨三维模型进行光滑处理，获得光滑的第一掌骨、第二掌骨和大多角骨三维模型(见图2)，将上述数据以txt格式保存，以点云格式输出。将点云数据输入到Geomagic Studio逆向软件，通过非连接项、体外孤点、统一采样等处理使第一掌骨、第二掌骨和大多角骨模型更加完善，然后进行光滑处理，对不规则的棱角进行打磨，对表面进行曲面化，形成实体模型，以iges格式保存。

1.5.4 建立Bennett骨折三维实体模型将上述iges格式的第一掌骨、第二掌骨和大多角骨三维模型数据导入到ANSYS软件中，根据Bennett骨折对第一掌骨、第二掌骨和大多角骨三维模型进行截骨，建立Bennett骨折三维实体模型。

1.5.5 建立Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗三维模型将上述建立的微型外固定支架和克氏钉三维的模型组装到Bennett骨折三维实体模型中，建立Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗的重建三维模型，将Bennett骨折微型外固定支架模型设为A模型，将Bennett骨折克氏钉治疗模型设为B模型。

1.5.6 Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗三维模型的有限元网络划分第一掌骨远端骨折块、第一掌骨近端骨折块、第二掌骨、大多角骨、外固定架、克氏钉远端及克氏钉近端的节点数及单元数见表1。

1.5.7 属性设置第一掌骨远端骨折块、第一掌骨近端骨折块、第二掌骨、大多角骨、外固定架、克氏钉远端及克氏钉近端的弹性模量及泊松比设置见表1。

1.5.8 限制条件设定 Bennett骨折微型外固定支架模型舟骨、大多角骨关节面的微动范围为0.9 mm，4个螺钉和骨组织之间的接触为黏结；克氏钉治疗模型的克氏钉和骨骼组织之间的接触为黏结，远端骨折面和近端骨折面的接触摩擦系数为0.4，远端骨折面、近端骨折面和大多角骨的接触面摩擦系数为0.1。

1.5.9 载荷的施加设置在第一掌骨沿X轴(纵轴)方向施加120 N的载荷。拇指的最大捏力为10 kg左右，1 N的捏力会在关节面产生12 N的压力，本研究模拟拇指最大捏力时骨折端承受的最大压力，故将载荷设定为120 N。

1.6 主要观察指标 A模型和B模型在X轴方向的位移情况、总位移情况以及骨折断端应力值变化。X轴方向的位移表示形成阶梯的大小情况，代表关节面的相对位移情况；总位移代表骨折固定后的稳定性情况，因此本研究对X轴方向位移和总位移进行研究。

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讨论

有限元法是一种用离散化的单元模型替代原有的物体实体进行生物力学研究的方法，进行有限元分析的前提是建立有限元模型^[30-31]。有限元模型的建立分为CT数据在Mimics软件中建模、Geomagic逆向软件对模型进行编辑、在Ansys软件中建立有限元模型。有限元法建立有限元模型的仿真性决定了生物力学分析的准确性，因此在建模过程中要特别注意建模的关键步骤^[32]：①在Mimics建模中要仔细填充蒙罩；②在Geomagic过程中，曲面片不能过密，尽量呈四边形，减少计算量，夹角不能过大或者过小；③在Ansys过程中，模型的属性和类型也很重要；④设定边界条件和约束。本研究的模型属性和类型参照多种文献数据，并结合实验的实际情况进行设定，如大多角骨为松质骨，采用松质骨的属性材料；除鞍状关节面外，大多角骨的其他关节面都是微动关节，设置自由度为0.9 mm，第二掌骨基地个方向自由度也设置为0.9 mm，克氏针和螺钉与骨接触设置为黏结关系。文章采用上述比较简单的软件进行建模，建立的Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗三维模型基本符合三维有限元分析条件。本研究的不足之处为：该模型只建立了骨性模型，对周围的韧带、肌肉和肌腱没有进行重建，会对结果的准确性有一定影响；本文选用的生物材料均假设为均质材料，而实际材料是不均质的。在今后的研究工作中，将不断完善实验设计和方法，建立更加完善的实验模型。三维有限元分析在骨科领域应用比较广泛，是骨折生物力学研究的主要方法^[33-37]。

本文通过建立Bennett骨折微型外固定支架和克氏钉治疗三维模型，在第一掌骨沿X轴方向施加120 N的载荷，观察微型外固定支架模型和克氏钉治疗模型在X轴方向的位移情况、总位移情况，以及2种模型骨折断端的应力值情况。结果发现，在X轴方向上，微型外固定支架模型近端骨折块的最大位移(-0.356 mm)和最小位移(-0.183 mm)的绝对值、远端骨折块的最大位移(-0.503 mm)和最小位移(-0.301 mm)的绝对值、最大相对位移(0.147 mm)、最小相对位移(0.118 mm)均明显小于克氏钉治疗模型近端骨折块的最大位移(-2.552 mm)和最小位移(0.537 mm)的绝对值、远端骨折块的最大位移(2.634 mm)和最小位移(2.513 mm)的绝对值、最大相对位移(5.186 mm)、最小相对位移(1.976 mm)，两模型近端骨折块、远端骨折块的平均位移及相对平均位移比较差异均有显著性意义。在总位移方面，微型外固定支架模型近端骨折块的最大位移(0.662 mm)和最小位移(0.313 mm)的绝对值、远端骨折块的最大位移(0.643 mm)和最小位移(0.332 mm)的绝对值、最大相对位移(0.019 mm)、最小相对位移(0.019 mm)均明显小于克氏钉治疗模型近端骨折块的最大位移(4.311 mm)和最小位移(0.419 mm)的绝对值、远端骨折块的最大位移(-2.191 mm)和最小位移(-1.187 mm)的绝对值、最大相对位移(6.502 mm)、最小相对位移(1.606 mm)，两模型近端骨折块、远端骨折块的平均位移及相对平均位移比较差异均有显著性意义。微型外固定支架模型骨折断端的最大应力值 (136.49 MPa)、最小应力值(83.14 MPa)和平均应力值(109.82±13.26) MPa均明显小于克氏钉治疗模型骨折断端的最大应力值(771.34 MPa)、最小应力值(186.37 MPa)和平均应力值(478.86±85.63) MPa，两模型平均应力值比较差异具有显著性意义。关节内骨折如果错过治疗时机或者治疗方法不合适会引起关节面复位欠佳，使关节面不平整，引起创伤性关节炎的发生，一般建议骨折块复位后的相对位移不超过1 mm，如果骨折块复位后的相对位移超过 2 mm则可能影响术后手功能。本研究结果显示，微型外固定支架模型在X轴上的平均相对位移为(0.133± 0.037) mm，小于1 mm，克氏钉模型在X轴上的平均相对位移为(3.581±0.289) mm，大于2 mm；微型外固定支架模型总的平均相对位移为(0.019±0.007) mm，小于1 mm，克氏钉模型总的平均相对位移为(4.054±1.536) mm，大于2 mm。可见微型外固定支架修复Bennett骨折的稳定性优于克氏钉内固定。应力值的大小影响骨折的愈合，微型外固定支架模型的应力比较小，且分布比较均匀，克氏钉模型的应力值相对较大，且分布不均匀，可见微型外固定支架治疗在促进骨折愈合方面较克氏钉固定效果好。

文章中微型外固定支架固定是通过2个半螺钉打入第一掌骨骨干，另两个半螺钉打入大多角骨，用外固定杆将4个螺钉连接起来；克氏钉固定是用2枚克氏钉进行固定，将1枚克氏钉一端打入第一掌骨，另一端打入第二掌骨；另一枚克氏钉一端打入第一掌骨，另一端打入大多角骨。因克氏钉固定模型中，第一掌骨和第二掌骨之间以及第一掌骨和大多角骨之间均各有1枚克氏钉固定；微型外固定支架固定为4枚螺钉通过固定杆固定第一掌骨和大多角骨，理论上看来，微型外固定支架固定第一掌骨和大多角骨之间的稳定性较克氏钉第一掌骨和大多角骨之间的稳定性好。本研究结果发现微型外固定支架近端骨折块、远端骨折块位移及相对位移均小于克氏钉，应力值较克氏钉小，且分布比较均匀，本研究通过三维有限元方法证实了微型外固定支架固定Bennett骨折的稳定性较克氏钉稳定性好，且断端产生应力比较小。

综上所述，微型外固定支架修复Bennett骨折在X轴方向上的位移及总位移小，骨折断端的应力分布均匀，因此微型外固定支架修复Bennett骨折较克氏钉更具优势。另外微型外固定支架修复Bennett骨折的位移比较小有利于手功能的恢复，降低创伤性关节炎的发生；而且应力比较均匀，能够促进骨折的愈合，减少骨折延期愈合或者不愈合的发生率，缩短骨折愈合周期。

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