夹板固定治疗尺骨茎突骨折的三维有限元分析

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。

0 引言 Introduction

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  。Rikli等 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 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  。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 。

另外，尚峥辉等  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  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 。

靳家骋等  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  。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  。

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。

 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。

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) 。

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。

骨骼三维模型

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。钦斌等 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  。

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 。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  。

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  。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。

2 结果 Results

2.1 下尺桡关节在旋转工况下相对位移变化 

提取各模型中立位时下尺桡关节内尺、桡骨关节软骨部分，选取尺骨头几何中心在桡骨乙状切迹上的投影点为原始标志点( 图3)，

记录各模型在不同工况下标志点的位移变化，具体数值见 表2

尺骨茎突骨折端位移变化

 在施加载荷力后到模型稳定的过程中，将骨折模型中尺骨茎突骨折端位移变化曲线以曲线图形式表示，其中纵轴为位移值，横轴为加载开始到模型稳定所需时间，具体数值见 表3。

选取尺骨茎突Ⅰ型骨折模型在旋前工况下结果见 图6。

研究显示在2种旋转工况下尺骨茎突Ⅰ型骨折模型下尺桡关节发生相对位移比Ⅱ型骨折模型小，表明前者下尺桡关节更稳定；夹板干预后两个骨折模型下尺桡关节发生相对位移均变小，表明夹板干预可以增加尺骨茎突骨折后下尺桡关节的稳定性。在横向拉伸及旋转工况时Ⅰ型骨折模型尺骨茎突骨折端相对位移比Ⅱ型骨折小，表明前者骨折端发生进一步移位可能性小；夹板干预后2个骨折模型尺骨茎突骨折端相对位移均变小。其中在旋后工况下，夹板干预前后尺骨茎突位移值差异最为突出，表明夹板干预可以增加尺骨茎突骨折端的稳定性。另外夹板干预后尺骨茎突骨折位移值在模型加载后直到稳定的过程中随着时间线性变化，也说明夹板能够很好的维持尺骨茎突骨折断端稳定，能减少在治疗过程中因为旋转运动造成的进一步的损伤。

3 讨论 Discussion

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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