鐘 華，張 余，賴?yán)ぢ?，劉立華，朱智敏，孔祿生，岑怡彪，況光榮，韓成龍，宋繼淳

固定材料對骨骼生理應(yīng)力的分流現(xiàn)象即為固定材料對骨骼的應(yīng)力遮擋效應(yīng)[1]，其對骨折愈合影響的研究是伴隨內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展而逐漸受到重視的。應(yīng)力遮擋效應(yīng)使骨折愈合或骨痂生長缺乏應(yīng)力刺激，從而造成骨重建負(fù)平衡，使患者骨密度降低、骨結(jié)構(gòu)紊亂、骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)疏松[2]。影響應(yīng)力遮擋效應(yīng)的因素很多，其中內(nèi)固定方式、內(nèi)固定材料屬性及不同工況是主要影響因素[3-4]。而有限元法是研究應(yīng)力遮擋效應(yīng)的有效手段之一。本實(shí)驗(yàn)對帶骨痂有限元模型進(jìn)行應(yīng)力遮擋效應(yīng)研究，試圖運(yùn)用有限元法評估不同內(nèi)固定方式或工況條件下應(yīng)力遮擋效應(yīng)的變化，以期為骨科臨床內(nèi)固定治療的選擇提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的采集

選取一位男性健康志愿者，年齡27歲，身高170 cm，體重60 kg。攝脛腓骨正側(cè)位片排除病損后，水平仰臥于CT掃描床上，頭部取中立位，靜止?fàn)顟B(tài)。以16排螺旋CT掃描機(jī)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)平面至踝關(guān)節(jié)平面連續(xù)水平掃描（管電壓120 kV，電流400～450 mA，層厚1.0 mm，層距0.8mm）。將所得圖像以DICOM格式存儲(chǔ)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Windows XP 32 home操作系統(tǒng)，Pentium M CPU及1 GB內(nèi)存計(jì)算機(jī)，AO脛骨近端截骨矯形系統(tǒng)（Tomofix接骨板，辛迪斯公司，美國）。

1.3 脛骨近端骨折帶骨痂三維有限元模型的建立

1.3.1 三維實(shí)體模型的建立 在Mimics軟件下導(dǎo)入DICOM數(shù)據(jù)，設(shè)置三視圖的定位方向，根據(jù)CT圖像重建三維實(shí)體模型，對模型進(jìn)行初步的光滑除噪。

1.3.2 幾何模型的建立 將三維實(shí)體模型（三角形面片表達(dá)）導(dǎo)入Catia軟件，并對其進(jìn)行光滑處理，然后通過B樣條曲面擬合，進(jìn)而獲得用幾何曲面表達(dá)的實(shí)體模型。采用Solidworks軟件切割出模擬骨折線，并在骨折端使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer assisted design，CAD）制圖軟件加入骨痂模型（圖1）。

1.3.3 網(wǎng)格劃分及有限元模型的建立 將Catia軟件下生成的骨骼幾何模型導(dǎo)入Hyperwork軟件，對模型進(jìn)行有限單元網(wǎng)格劃分。之后將劃分后的三維實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入Mimics，根據(jù)來源于文獻(xiàn)[5-7]及網(wǎng)絡(luò)的骨骼CT圖像灰度與彈性模量的關(guān)系對骨骼單元賦材料屬性（表1），然后再導(dǎo)回Hyperwork。采用Tomofix接骨板，在Catia軟件中用特征建模方法建立幾何模型，然后將其導(dǎo)入Hyperwork軟件，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。同時(shí)根據(jù)表1中的純鈦彈性模量賦鈦材料屬性；骨痂材料屬性則采用脛骨平均彈性模量（圖2）。經(jīng)過以上步驟，分別建立1個(gè)脛骨近端骨折內(nèi)側(cè)鎖定加壓鋼板（locking compression plate，LCP）加壓固定非線性帶骨痂三維有限元模型（圖3），以及鎖定固定（圖4）、減少1個(gè)鎖釘?shù)逆i定固定（圖5）和減少2個(gè)鎖釘?shù)逆i定固定（圖6）等3個(gè)線性帶骨痂三維有限元模型，模型單元和節(jié)點(diǎn)見表2。

表1 模型各部分材料屬性

圖1 幾何模型（紫色部分示骨痂）

圖2 脛骨帶骨痂有限元模型（紅色方框網(wǎng)格致密部分示骨痂）

圖3 加壓固定帶骨痂有限元模型（紅色方框網(wǎng)格致密部分示骨痂）

圖4 鎖定固定帶骨痂有限元模型（紅色方框網(wǎng)格致密部分示骨痂）

圖5 減少1個(gè)鎖釘?shù)逆i定固定帶骨痂有限元模型（紅色方框紫色部分示骨痂）

圖6 減少2個(gè)鎖釘?shù)逆i定固定帶骨痂有限元模型（紅色方框紫色部分示骨痂）

1.4 界面條件

本實(shí)驗(yàn)未考慮螺釘與骨質(zhì)的接觸，同時(shí)假設(shè)螺釘與骨質(zhì)及接骨板的連結(jié)是永恒不動(dòng)的，故將鈦板和骨面之間有固定釘處采用剛性連接——多點(diǎn)約束（multi-point constraints，MPC）的方式連接起來（圖5，6）。加壓固定鋼板與骨面的接觸為滑移接觸，鎖定固定鋼板與骨面無接觸。

1.5 加載條件

采用軸向加壓、三點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)3種加載方式：軸向加壓為底端固定，上端施加力，大小為200 N；三點(diǎn)彎曲為兩端固定脛骨外后側(cè)向前內(nèi)側(cè)施加力，大小為10000 N；扭轉(zhuǎn)為底端固定，上端施加扭轉(zhuǎn)力，大小為1000 N。以簡化模型為目的，本實(shí)驗(yàn)不考慮載荷下兩骨折端的接觸，因此3種加載方式的載荷大小以加入內(nèi)固定模型連接骨折兩斷端成一整體、而未加入骨痂模型兩骨折端有間隙時(shí)，使骨折兩斷端不產(chǎn)生接觸、不產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)位移或不使鋼板折斷的壓縮載荷、扭轉(zhuǎn)載荷及三點(diǎn)彎曲載荷大小為參照。全部計(jì)算未考慮動(dòng)態(tài)影響，扭轉(zhuǎn)不考慮速度，為靜態(tài)加載。

1.6 求解及計(jì)算

加壓固定方案需考慮鈦板與骨面的接觸，因此采用非線性分析方法，有限元求解器運(yùn)用Enastran，得到的結(jié)果在Hyperwork中顯示。

鎖定固定方案選擇線彈性分析方法，載荷作用于骨頭端面上空間某節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)用剛性連接與骨頭端面連接，則施加于該節(jié)點(diǎn)的約束或載荷也分布于骨頭端面上。運(yùn)用有限元求解器abaqus，得到的結(jié)果在hyperwork中顯示。

2 結(jié)果

由于軸向加壓載荷最有利于骨折愈合[8]，選取軸向加壓載荷下所有骨痂節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值為研究對象，分別計(jì)算加壓固定、鎖定固定、鎖定固定減少1個(gè)鎖釘、鎖定固定減少2個(gè)鎖釘條件下及未加內(nèi)固定物條件下的骨痂節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均值，根據(jù)應(yīng)力遮擋率計(jì)算公式η =（1 — σ固定前/σ固定后）× 100%（σ為應(yīng)力；η為應(yīng)力遮擋率），分別計(jì)算脛骨近端骨折內(nèi)側(cè)LCP加壓固定、鎖定固定及鎖定固定條件下減少1個(gè)鎖釘和2個(gè)鎖釘?shù)?個(gè)模型骨痂的應(yīng)力遮擋率，結(jié)果見表3。

3 討論

關(guān)于骨科應(yīng)力遮擋效應(yīng)，目前主要有如下研究方法：（1）通過對骨量變化的檢測、對骨骼相關(guān)的各種分辨率形態(tài)觀察以及對各種與骨骼細(xì)胞形態(tài)、數(shù)量有關(guān)的細(xì)胞學(xué)觀察來進(jìn)行病理生理學(xué)研究；（2）在離體骨骼上采用電阻應(yīng)變測定法、光彈性法等測定應(yīng)變、應(yīng)力分布情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究；（3）在模擬骨骼系統(tǒng)上通過三維有限元分析展開生物力學(xué)研究[9-10]。在上述幾種方法中，病理生理學(xué)研究可以從細(xì)胞等微結(jié)構(gòu)方面揭示應(yīng)力遮擋效應(yīng)對骨折愈合的不利影響，但研究周期過長，受多種實(shí)驗(yàn)條件影響，各種指標(biāo)的觀察也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。電測法無法觀察骨骼內(nèi)部應(yīng)力變化。光彈性法誤差往往很大，也無法進(jìn)行應(yīng)力遮擋效應(yīng)的定量研究。有限元法可以改變?nèi)魏螀?shù)，并對特定變量之于最終結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行量化；可以解決幾何結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，材料上的不同性和各向異性，不同負(fù)荷和邊界條件的改變，線性非線性、時(shí)間變量和非時(shí)間變量的結(jié)構(gòu)問題等；能夠測量傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)局部和內(nèi)部力學(xué)數(shù)據(jù)。隨著有限元法在醫(yī)學(xué)生物力學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，其建立的生物力學(xué)模型更接近于客觀實(shí)體[11]，理論上可以模擬各種影響因素，建立復(fù)雜的骨骼模型，快速進(jìn)行定量生物力學(xué)研究，解決經(jīng)典力學(xué)分析工具無法解決的問題，是骨科生物力學(xué)研究的一個(gè)重要方向。

表2 模型各部分被劃分的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目（個(gè)）

表3 4個(gè)模型軸向加壓載荷下骨痂的應(yīng)力值及應(yīng)力遮擋率

本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果證實(shí)，帶骨痂的有限元模型設(shè)計(jì)可以模擬不同條件對應(yīng)力遮擋效應(yīng)的影響，精確計(jì)算脛骨近端骨折內(nèi)側(cè)LCP加壓固定、鎖定固定以及鎖定固定條件下減少1個(gè)鎖釘和2個(gè)鎖釘?shù)膽?yīng)力遮擋率，為臨床骨折內(nèi)固定提供可靠的生物力學(xué)依據(jù)。其中LCP加壓固定導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋率為1.46%，在4種模型里最大；而LCP鎖定固定條件下減少2個(gè)鎖釘導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋率為0.06%，在4種模型里最小。提示臨床上可以采用兩端鎖定、中間加壓的固定方式，這也是LCP接骨板由于擁有鎖定與加壓結(jié)合孔而提供的一種兼顧穩(wěn)定與更低的應(yīng)力遮擋效應(yīng)的獨(dú)特固定方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，LCP鎖定固定造成的應(yīng)力遮擋率為0.42%，鎖定固定條件下減少1個(gè)鎖釘導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋率為0.33%，提示在臨床應(yīng)用時(shí)如全部使用鎖釘固定，則應(yīng)盡量減少不必要的鎖釘，盡可能采用橋接式固定，既保證固定的穩(wěn)定可靠，又能降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，從而達(dá)到加速骨折愈合的目的。

然而，人體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響應(yīng)力遮擋效應(yīng)的因素是多方面的。國內(nèi)吳煒等[12]報(bào)道有關(guān)接骨板材料屬性、固定位置、形狀大小及不同期骨痂對應(yīng)力遮擋效應(yīng)影響的三維有限元實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，與彈性模量高的內(nèi)固定物相比，彈性模量低的內(nèi)固定物其產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋更??；單鋼板固定比雙鋼板固定產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋更少；在骨痂不同時(shí)期，隨著骨痂彈性模量的逐漸增大，應(yīng)力遮擋逐漸變??；接骨板的固定位置也對應(yīng)力遮擋產(chǎn)生直接影響。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之近似。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，我們可以對更多應(yīng)力遮擋效應(yīng)的相關(guān)影響因素進(jìn)行模擬，如膝關(guān)節(jié)周圍存在肌肉和韌帶，腓骨會(huì)對脛骨產(chǎn)生應(yīng)力遮擋；不同的內(nèi)固定器械其應(yīng)力遮擋率各不相同等等，這還有賴于我們進(jìn)一步的有限元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析和研究。

[1]劉振東,范清宇.應(yīng)力遮擋效應(yīng):尋找丟失的鑰匙[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2002,4(1):62-64.

[2]Sha M,Guo Z,Fu J,et al.The effects of nail rigidity on fracture healing in rats with osteoporosis[J].Acta Orthop,2009,80(1):135-138.

[3]Epari DR,Kandziora F,Duda GN.Stress shielding in box and cylinder cervical interbody fusion cage designs[J].Spine,2005,30(8):908-914.

[4]Au AG,James-Raso V,Liggins AB,et al.Contribution of loading conditions and material properties to stress shielding near the tibial component of total knee replacements[J].J Biomech,2007,40(6):1410-1416.

[5]鄭元俐,張富強(qiáng),陳笠,等.采用牙CT技術(shù)建立完整下頜骨三維有限元模型[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,2000,16(2):134-136.

[6]謝培慶,王宗箎,莊國銘,等.牙頜組織CT圖像處理技術(shù)研究[J].三明高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2004,21(2):41-46.

[7]張文.基于ANSYS研究人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型[D].蘇州,蘇州大學(xué),2010.

[8]戴尅戎.骨折內(nèi)固定與應(yīng)力遮擋效應(yīng)[J].醫(yī)用生物力學(xué),2000,2(15):69-71.

[9]Behrens BA,Wirth CJ,Windhagen H,et al.Numerical investigations of stress shielding in total hip prostheses[J].Proc Inst Mech Eng H,2008,222(5):593-600.

[10]Beulah P,Sivarasu S,Mathew L.Design optimization of skeletal hip implant cross-sections using finite-element analysis[J].J Long Term Eff Med Implants,2009,19(4):271-278.

[11]孫鵬,Natarajan N,等.頸椎三維有限元模型的建立及意義[J].中國脊柱脊髓雜志,2002,12(2):105-108.

[12]吳煒,孫庚林,王鵬林,等.下頜骨頦部骨折堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定應(yīng)力遮擋的三維有限元分析[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,2005,21(3):370-373.