股骨远端C3型骨折有限元模型与双柱理论

吴慧敏，陈彦胜，唐 华，彭金柯，熊 志，文 勇

摘要: 目的 用计算机软件建立 C3 型骨折有限元模型，在此基础上提出股骨远端内外侧“双柱理论”，并以此指导 C3 型骨折的临床治疗。方法 通过股骨全长 CT 扫描获得数据，用 MIMICS-HYPEＲMESH-Ls-Dyna 软件模拟 75 kg 体重成人从 6 m 高空坠落，作用力缓冲时间 300 ms，以机械轴为载荷方向建立 C3 型骨折有限元模型，明确内侧柱、外侧柱的分界线。结果 股骨远端 C3 型骨折有限元模型显示，主要骨折线分布在股骨远端内侧、内后侧区域，机械轴与股骨下端内侧皮质交界点附近，这个交界点在载荷下应力变形最集中，所得出的结果与临床 X 线片表现一致。在股骨远端内外侧“双柱理论”指导下，对股骨远端 C3 型骨折进行内外侧双钢板固定，其疗效明显优于单钢板固定。结论 以机械轴与股骨下端内侧皮质交界点为基础，划分股骨远端内、外侧柱分界线，得出股骨远端内外侧“双柱理论”的概念是合理、可行的。临床治疗股骨远端 C3 型骨折，手术中需要重建内、外侧柱，尤其要重视内侧柱的稳定性。

关键词: 股骨远端骨折; C3 型骨折; 有限元模型; 双柱理论; 内外侧柱

股骨远端 C3 型骨折多为高能量损伤，在分析 本院大批量股骨远端 C 型骨折 X 线片的基础上，我们发现股骨远端骨折最主要骨折块集中在股骨远端内侧，位于股骨下端内侧皮质与机械轴交接点，见图1。根据 这 个 发 现，我们设想通过计算机模拟人体高空坠落瞬间股骨远端应力分布以及裂缝产生，构建 C3 型骨折有限元模型来验证我们的观察结果，报道如下。

1 材料与方法

1． 1 设计及实验方法

模拟 75 kg 人体从 6 m 高空坠落瞬间，作用力缓冲时间 300 ms 条件下股骨远端载荷分布、动力学响应、裂缝产生，构建股骨远端C3 型骨折有限元模型。股骨弹性模量 16 GPa，泊松比 0. 32，密度 1 960 kg /m3，设备: SIEMENS SOMATOM Definition 双 源 CT，MIMICS-HYPEＲMESH-LsDyna 分析软件，运行环境: CPU Core2 双核 2. 8G、4GDDＲ2 内存、512M ＲADEON 显卡、500G 硬盘，操作系统: Windows XP Professional。

股骨远端面选取 5 处约束点，即股骨内髁最远端、股骨外髁最远端、髁间窝最高点、股骨后髁最远端、股骨内后髁最远端。每处加载峰值为 250 N的历程曲线，载荷方向: 机械轴。见图 2。观察峰值载荷时股骨远端应力分布、变形以及裂缝产生。

1． 2 时间及地点

2014 年 11 月 ～ 2015 年 3 月，实验均在株洲市中医伤科医院完成，部分数据分析在北京高知 CAE 工作室完成。

1． 3对象

1 例正常成年男性，体重 75 kg，身高178 cm，仰卧位左侧股骨全长 CT 扫描，将数据导入MIMICS-HYPEＲMESH-Ls-Dyna 分析软件，按照实验设置的条件进行模拟。

1． 4统计学处理

采用 SPSS 17. 0 软件进行统计学分析。计数资料比较采用 χ2 检验; 计量资料以珋x± s表示，采用 t 检验。

2 实验结果

2． 1 峰值载荷时股骨远端应力分布与变形

峰值载荷时股骨远端变形区域主要分布在股骨远端内侧、内后侧。见图 3。

2． 2峰值载荷时股骨远端裂缝产生

峰值载荷时股骨远端裂缝产生区域为股骨远端内侧髁、内后髁、外侧髁、外后髁、髁间窝，最长骨折线在股骨远端内侧机械轴与内侧皮质交界点附近。见图 4、5。

2． 3可能影响结果的因素

载荷约束点，膝关节周围肌肉韧带作用力因素。

2． 4 股骨远端内外侧柱

该实验模拟人体高空坠落瞬间股骨远端应力分布、变形以及裂缝产生，构建出来的 C3 型骨折有限元模型，与临床上股骨远端C3 型骨折线分布区域一致，见图 6，即主要骨折线位置为股骨远端内侧、内后侧区域，位于股骨下端内侧皮质与机械轴交接点以下范围。人体在应力作用下导致此结果的原因是: 股骨远端在应力损伤时所受力量为垂直压力和来自地面的反作用力以及沿股骨干解剖轴方向力的合力共同作用，合力的发生点即为内侧皮质与机械轴的交界点，这个交界点在载荷下应力变形最集中，也是主要骨折线分布的区域。参照人体下肢机械轴与解剖轴简图，以这个交界点为基础划分股骨远端内、外侧柱分界线，边界以股骨髁关节面中心点 A、下肢力学轴( 机械轴) 与股骨下端内侧皮质交界点 B 以及 B 点对应股骨外侧皮质点 C 组成。因此，内侧柱为下肢力学轴与股骨下端内侧皮质交界点 B 至股骨髁关节面中心点 A 的股骨髁内侧部分、B 点以下股骨下端内侧皮质; 外侧柱为股骨外侧皮质点 C 至股骨髁外侧皮质、股骨髁外侧部分; 见图 7。

在股骨远端内外侧“双柱”理论的指导下，我们对股骨远端 C 型骨折提出如下观点: ① 股骨远端 C型骨折须通过手术恢复内外侧柱的解剖结构; ② 注重恢复内外侧柱的稳定性与强度，尤其是内侧柱的稳定性( 内外侧双固定 + 植骨) ; ③ 在双柱稳定且恢复强度的基础上早期功能锻炼。

3 临床应用

在股骨远端内外侧“双柱理论”的指导下，2014年 12 月 ～ 2017 年 1 月，我们对 46 例股骨远端 C3型骨折患者行内外侧双钢板内固定( 双钢板组) ，与2011 年 1 月 ～ 2014 年 11 月的 41 例行单钢板固定的股骨远端 C3 型骨折患者( 单钢板组) 进行对比分析。① 双钢板组: 男 31 例，女 15 例，年龄 19 ～ 72( 37. 4 ±2. 2) 岁，开放骨折 8 例( GustiloⅠ度 7 例、Ⅱ度 1 例) ，闭合骨折 38 例，1 例合并胫骨近段粉碎性骨折( 浮膝) ; ② 单钢板组: 男 29 例，女 12 例，年龄 22 ～ 65( 33. 1 ± 1. 6) 岁，双侧骨折 1 例，开放骨折 9 例( GustiloⅠ度 6 例、Ⅱ度 2 例、Ⅲ 度 1 例) ，闭合骨折 32 例。两组术前资料比较差异无统计学意义( P ＞ 0. 05) 。双钢板组在术后骨折稳定性、骨折愈合、内固定断裂、图 7 内外侧柱划分示意A． 股骨髁关节面中心点 A、下肢力学轴与股骨下端内侧皮质交界点 B、B 点对应股骨外侧皮质点 C; B． 内外侧柱示意图，斜线区域为内侧柱，网格线区域为外侧柱功能锻炼时间方面及术后 3 个月膝关节活动度各项指标与单钢板组 比 较 差 异 均 有 统 计 学 意 义( P ＜0. 05) ，见表 1。在股骨远端内外侧“双柱理论”指导下，对股骨远端 C3 型骨折进行双钢板固定疗效明显优于单钢板固定。两组典型病例见图 8、9。

4 讨论

临床中，股骨远端C3型骨折手术治疗效果并不十分满意，术后膝关节致残率较高，其主要原因: ① 高能量损伤，骨与关节面损伤严重。② 部分患者术中术后存在骨折块失稳。③ 术后需要采取外固定辅助，导致膝关节功能恢复受到限制。

在单钢板组，我们发现对于 C3 型骨折单纯外侧髁钢板的固定，有部分患者存在股骨远端内侧骨块失稳现象，术中复位不理想; 甚至部分术中复位质量好的患者在进行功能锻炼时会出现内侧骨折块的旋转移位。同时，这种旋转移位的存在会导致患者骨折愈合不良甚至不愈合的发生，患者在负重以后很容易发生内固定断裂( 见图 9) 。贝朝涌 等［1］ 通过对股骨远端术后关节功能恢复多因素 logistic 回归分析指出，股骨远端骨折预后与骨折分型、复位质量以及术后锻炼时间、CPM 锻炼成正相关。我们通过改用内外侧双钢板固定股骨远端 C3 型骨折的手术方法后即能很好地解决外侧单钢板固定导致的骨块旋转、二期骨丢失甚至内固定断裂等并发症的发生［2］。

我们认为，股骨远端内外侧“双柱理论”这个概念是合理、可行的，并能很好地指导临床股骨远端C3 型骨折的手术治疗。

参考文献：略

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