外側(cè)克氏針固定兒童肱骨上骨折的三維有限元分析

外側(cè)克氏針固定兒童肱骨上骨折的三維有限元分析

在完全移位的兒童上肢上骨折中，聯(lián)合復(fù)位和克氏針固定技術(shù)具有傷口小、避免骨折復(fù)發(fā)和避免前臂痙攣和收縮的優(yōu)點(diǎn)。已成為兒童癲癇最常用的治療方法之一。但內(nèi)側(cè)穿針致醫(yī)源性尺神經(jīng)損傷較常見,輕者可逐漸恢復(fù),重者則為永久性損傷。為減少尺神經(jīng)損傷的發(fā)生,人們對克氏針的固定方法進(jìn)行了改良,僅從外側(cè)穿針固定骨折斷端。但對于外側(cè)克氏針固定肱骨髁上骨折的穩(wěn)定性,生物力學(xué)研究少見報(bào)道。本研究采用有限元分析方法研究外側(cè)克氏針的固定效果,為臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)和理論支持。11.1維斷層掃描圖像建立選取1名健康男性兒童志愿者,10歲,身高145cm,體質(zhì)量35kg,無上肢疾患或外傷史,其父母簽署知情同意書。行肱骨正側(cè)位X線片,排除肱骨異常病變情況。志愿兒童仰臥位于CT掃描床上,上肢肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)保持中立位,靜止?fàn)顟B(tài),使用飛利浦Brilliance16排螺旋CT對志愿兒童左側(cè)肱骨進(jìn)行水平掃描。掃描條件為120kV,175mA;矩陣:512×512;層厚1mm,層距1mm,掃描范圍由肩關(guān)節(jié)至肘關(guān)節(jié)。將得到的二維斷層掃描圖像輸入工作站并以Dicom格式輸入Mimics13.1數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像處理軟件,根據(jù)CT序號(hào)自動(dòng)讀入全部圖像,指定上端及下端平面界線,軟件自動(dòng)識(shí)別圖像前后方向,建立三維立體坐標(biāo)系。依據(jù)肱骨解剖結(jié)構(gòu)確定CT圖像的閾值范圍為156～1626hu,在閾值范圍內(nèi),對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理,提取肱骨骨組織,去除偽影,利用基于灰度值的閾值分割提取、區(qū)域增長、形態(tài)學(xué)操作等功能將肱骨與其他組織分離,生成二維三角形單元包裹的幾何面,計(jì)算3D(三角面片表征)然后得到肱骨三維模型,并進(jìn)行高斯運(yùn)算光滑殼模型表面。ProE2.0中建立克氏針模型,設(shè)定克氏針光滑無螺紋,直徑1.6mm,以stl文件導(dǎo)入mimics,利用mimics切割工具將已生成的肱骨三維模型于髁上區(qū)切開1mm的裂隙,模擬骨折線,并予布爾運(yùn)算將不同方式固定的外側(cè)克氏針與肱骨裝配(圖1)。將不同克氏針固定的兒童肱骨髁上骨折三維模型文件導(dǎo)入3-matic,對面網(wǎng)格進(jìn)行重劃、優(yōu)化,利用自動(dòng)劃分體網(wǎng)格功能,采用Solid92單元,生成三維10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元。界定閾值在156～585hu為松質(zhì)骨,586～1626hu為皮質(zhì)骨,并分別定義材料屬性1.2不同固定方式下骨折模型的位移變化實(shí)驗(yàn)中不考慮克氏針在肱骨內(nèi)的微動(dòng),予耦合交界面附近不同組件的節(jié)點(diǎn)相同的自由度。對已經(jīng)構(gòu)建的兒童肱骨髁上骨折三維有限元模型定義邊界條件:設(shè)定XY構(gòu)成的平面平行于CT掃描的橫斷面,其外髁至內(nèi)髁方向?yàn)閅軸正方向,鷹嘴窩至冠狀窩方向?yàn)閄軸正方向,其垂直方向?yàn)閆軸。將模型遠(yuǎn)端固定,要求近端各節(jié)點(diǎn)在總體坐標(biāo)系下X、Y和Z軸上的位移均為0;而肱骨近端的自由邊界,在X、Y和Z軸上的位移均不受約束。予模擬側(cè)方彎曲實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),分析不同固定方式下骨折模型的最大位移值及扭轉(zhuǎn)角。側(cè)方彎曲實(shí)驗(yàn)(內(nèi)翻實(shí)驗(yàn)):約束肱骨遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在總體坐標(biāo)系下X、Y和Z軸上的自由度,肱骨上端表面給予Y軸上100N的靜力。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn):Ansys軟件并不能直接加載扭矩,需在模型中間部位建立一個(gè)Mass21節(jié)點(diǎn),然后與模型上端面節(jié)點(diǎn)耦合,形成剛性區(qū)域,再將100N扭力加載到Mass21節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)模型的加載。將定義好邊界條件和載荷狀況的模型利用稀疏矩陣求解器進(jìn)行力學(xué)模擬計(jì)算分析,然后在后處理模塊中查看分析結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的分布對象是各網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn),主要求解指標(biāo)為承受彎矩和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)的骨折模型的最大位移值。2方彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1,相同載荷下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較,模型5外側(cè)3枚克氏針固定的穩(wěn)定性最好(圖2)。從側(cè)方彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,模型5肱骨最大位移值為4.92mm,明顯小于其他模型,抗內(nèi)翻穩(wěn)定性最強(qiáng);同時(shí),在扭轉(zhuǎn)載荷下模型5的最大轉(zhuǎn)角值最小為1.29°,抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性也最強(qiáng)。而模型3外側(cè)2枚克氏針平行固定的穩(wěn)定性最差(圖3),其側(cè)方彎曲實(shí)驗(yàn)肱骨最大位移值為25.46mm,扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)最大轉(zhuǎn)角值為10.34°。3克氏針分散固定的穩(wěn)定性醫(yī)源性尺神經(jīng)損傷為兒童肱骨髁上骨折治療中的常見并發(fā)癥之一。Woratanarat為了進(jìn)一步研究外側(cè)克氏針的固定效果,多位國內(nèi)外學(xué)者構(gòu)建了肱骨髁上骨折模型,對各種克氏針固定方式的穩(wěn)定性進(jìn)行了比較。浦立勇等肱骨髁上骨折內(nèi)固定后,骨折端的受力與肘關(guān)節(jié)一樣隨著不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而不同,在外力作用下將產(chǎn)生軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。由于骨折解剖復(fù)位后,軸向力矩不會(huì)造成骨折的再移位,而骨折的側(cè)方彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩導(dǎo)致的畸形不易隨骨折的塑型而校正。因此,將生物力學(xué)分析分為側(cè)方彎曲和扭轉(zhuǎn)這兩種情況進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)中,無論模擬側(cè)方彎曲試驗(yàn)還是扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),外側(cè)3枚分散穿針的固定穩(wěn)定性是最好的,而外側(cè)2枚平行穿針固定最不穩(wěn)定。對于外側(cè)2枚克氏針分散固定,比較模型1、2的結(jié)果,可看出克氏針分散角度越大,其抗內(nèi)翻穩(wěn)定性越強(qiáng),且抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性也越強(qiáng),這與Hamdi等目前認(rèn)為肘內(nèi)翻是肱骨髁上骨折后由骨折遠(yuǎn)折端尺偏、尺嵌及內(nèi)旋引起,公認(rèn)術(shù)中良好的復(fù)位和術(shù)后堅(jiān)強(qiáng)的固定是預(yù)防肘內(nèi)翻的關(guān)鍵。通過本實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),外側(cè)3枚克氏針分散固定其抗內(nèi)翻及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性均強(qiáng)于傳統(tǒng)內(nèi)外側(cè)交叉克氏針固定,因此,外側(cè)3枚克氏針分散固定可以較好的預(yù)防骨折復(fù)位后再移位的發(fā)生,降低術(shù)后肘內(nèi)翻的發(fā)生。Lee等本研究尚存不足之處,首先,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)及研究時(shí)間的限制,本模型沒有考慮包括肌肉及關(guān)節(jié)囊等軟組織對肱骨有限元分析的影響,結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定差異;其次,本研究對骨的材料力學(xué)屬性進(jìn)行一定程度的簡化及近似處理,視作為彈性材料,實(shí)際上所有生物組織都具有非線性、各向異性、粘彈性的復(fù)雜生物力學(xué)特性,今后需對其力學(xué)屬性進(jìn)一步研究;此外,肱骨受力往往是多種載荷的疊加,實(shí)際受力狀況較為復(fù)雜,且