方潤(rùn)心，紀(jì)愛敏△，龍登燕，盛偉，陳長(zhǎng)勝,2

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022 ; 2.常州奧斯邁醫(yī)療器械有限公司，江蘇 常州 213000)

1 引 言

使用接骨板對(duì)骨折部位進(jìn)行固定是治療骨折的有效方式之一，但不同的內(nèi)固定參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著不同的影響，為探究不同內(nèi)固定參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響，國(guó)內(nèi)外的科研人員做了大量的相關(guān)研究。當(dāng)前的研究主要從力學(xué)實(shí)驗(yàn)[1-2]與有限元分析的兩方面進(jìn)行[3-5]，有限元分析的方法由于其便捷性獲得了廣泛的使用，然而，當(dāng)前在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的建模研究大多采用圓柱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[6-8]，部分研究采用了基于CT掃描的骨外形精確建模，但其對(duì)骨力學(xué)特性的賦值采用均一賦值法[9-11]。綜上所述，當(dāng)前對(duì)接骨板內(nèi)固定系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要針對(duì)內(nèi)固定中的幾個(gè)參數(shù)，缺少對(duì)多個(gè)不同參數(shù)的綜合研究；同時(shí)，缺少對(duì)骨折內(nèi)固定時(shí)根據(jù)灰度值對(duì)骨折骨進(jìn)行力學(xué)特性賦值的精確建模。本研究在建立骨折模型的基礎(chǔ)上，對(duì)骨折骨進(jìn)行根據(jù)灰度值的力學(xué)特性的賦值，這種處理方式能夠避免人為對(duì)骨松質(zhì)和骨皮質(zhì)劃分所帶來的誤差，能較好地反映出骨中彈性模量的變化趨勢(shì)；本研究同時(shí)采用正交試驗(yàn)法對(duì)脛骨骨折固定時(shí)的多個(gè)主要因素進(jìn)行組合，通過對(duì)結(jié)果的直觀分析了解全面的情況，為骨折內(nèi)固定的臨床治療提供指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 有限元模型建立與求解

本研究中有限元模型的建立過程見圖1。

圖1脛骨骨折有限元模型建立過程

Fig1TheflowchartofsettinguptheFEAmodeloftibiafracture

2.1.1幾何模型建立 選1名健康成年男性，檢查排除脛骨病變后，對(duì)脛骨進(jìn)行CT掃描并以DICOM格式保存。在醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 中進(jìn)行閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)等處理，分離出脛骨模型并以stl格式導(dǎo)入Geomagic studio進(jìn)行表面處理，完成構(gòu)造格柵、擬合曲面等操作以Iges格式導(dǎo)出。

將Iges格式的模型導(dǎo)入三維軟件UG中，通過草圖-拉伸等操作在脛骨中段設(shè)置3 mm的橫形間隙以模擬骨折，用相同尺寸的物質(zhì)填充以模擬骨痂，同時(shí)對(duì)螺釘布置的位置進(jìn)行處理，將完成切割的脛骨骨折模型以Iges格式導(dǎo)入Abaqus中，建立簡(jiǎn)化的接骨板及螺釘模型，在Abaqus中完成裝配，具體尺寸見圖2，對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并導(dǎo)出Inp文件Inp-1。

2.1.2約束與加載 在有限元軟件Abaqus中，通過設(shè)置綁定約束對(duì)“骨-釘”，“骨-骨痂”以及“釘-板”之間的接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬。將脛骨遠(yuǎn)端設(shè)為完全固定，在脛骨髁間隆起的上方建立參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與上關(guān)節(jié)面設(shè)置為耦合關(guān)系。假設(shè)人體重為70 kg，對(duì)參考點(diǎn)施加700 N的集中力，同時(shí)，在參考點(diǎn)施加10 N·m的扭轉(zhuǎn)載荷以模擬負(fù)重情況下對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的影響；內(nèi)固定系統(tǒng)示意圖及加載方式見圖2。

圖2內(nèi)固定系統(tǒng)參數(shù)及加載方式示意圖

Fig2Thedimensionofinternalfixationsystemandtheloadcondition

2.1.3內(nèi)固定系統(tǒng)材料屬性設(shè)置 接骨板及螺釘采用鈦合金(TC4)材料，彈性模量為105 GPa，泊松比為0.34。同時(shí)將未進(jìn)行裝配的脛骨骨折模型導(dǎo)入Abaqus，以與2.1.1中相同的脛骨網(wǎng)格劃分方式對(duì)脛骨進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出Inp文件Inp-2，將Inp-2再次導(dǎo)入Mimics進(jìn)行根據(jù)灰度值-密度值-彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式[12](1)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]對(duì)彈性模量進(jìn)行10階段的劃分時(shí)，可同時(shí)保證運(yùn)算的簡(jiǎn)便性和結(jié)果的精確性，故本研究采用該劃分方法并賦值，同時(shí)泊松比統(tǒng)一設(shè)為0.3[14]；Mimics賦值后的脛骨骨折模型以Inp文件導(dǎo)出，記為Inp-3。

Density=-13.4+1017*Grayvalue

(1)

Modulus=-388.8+5929*Density

由Mimics導(dǎo)出的Inp-3中單元編號(hào)信息發(fā)生變化，需要根據(jù)Inp-2中的單元節(jié)點(diǎn)信息對(duì)Inp-3中單元編號(hào)進(jìn)行重新編排，根據(jù)Inp-3文件中的賦值組合信息對(duì)Inp-1進(jìn)行修改，生成最終提交計(jì)算的Inp文件。

2.1.4試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 本研究主要對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要研究因素有接骨板厚度(PT)、螺釘直徑(SD)、螺釘間距(SS)、螺釘數(shù)量(SN)及接骨板工作長(zhǎng)度(WL)，每個(gè)因素有四個(gè)水平，為了比較不同愈合時(shí)期內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)骨痂彈性模量Ec分別設(shè)為3 MPa及200 MPa以模擬愈合初期與后期的狀況，具體因素與水平見表1。

表1 因素與水平表

由于研究對(duì)象共有5個(gè)因素且各含有4個(gè)水平，同時(shí)需要對(duì)不同愈合時(shí)期下的內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過兩次采用L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)控制接骨板長(zhǎng)度為170 mm不變，通過改變骨折近端螺釘?shù)牟贾脤?shí)現(xiàn)多因素多水平的組合，Rozbruch等[15]認(rèn)為對(duì)每一個(gè)主要的骨折塊至少使用二至三枚螺釘即可保證內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加最遠(yuǎn)和最近螺釘之間的跨度能夠增加內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究的螺釘布局方式設(shè)計(jì)保證骨折最遠(yuǎn)端的接骨板上的螺釘孔內(nèi)布有螺釘，同時(shí)保證接骨板上對(duì)稱兩端各至少有三個(gè)螺釘布置，具體方案見表2。

表2 不同內(nèi)固定參數(shù)下的正交組合方案

3 結(jié)果

3.1 不同組合下的不同評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

接骨板及螺釘?shù)臄嗔咽莾?nèi)固定失效的重要原因之一，對(duì)斷裂原因進(jìn)行分析需要對(duì)接骨板及螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力進(jìn)行研究，故本研究對(duì)接骨板及螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力值進(jìn)行了提取，同時(shí)，在骨折愈合初期需要堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定以保證骨痂的順利愈合，因此需要減小愈合初期的軸向微動(dòng)；骨折愈合后期，較大的軸向微動(dòng)表明愈合骨受到較高的力學(xué)激勵(lì)，能夠降低內(nèi)固定器械對(duì)骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，減小二次骨折的發(fā)生幾率，因此，本研究同時(shí)對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的軸向位移值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。計(jì)算結(jié)果及組合4的等效應(yīng)力云圖見圖3、圖4。

3.2 因素主次順序分析結(jié)果

對(duì)所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)的直觀分析可得表3，根據(jù)直觀分析表，可對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下的因素影響程度進(jìn)行評(píng)估。

圖3試驗(yàn)結(jié)果圖

Fig3Resultsoftheexperiments

表3 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下因素主次分析表

(b) 骨痂彈性模量EC=200 MPa

圖4組合4愈合初期接骨板及螺釘?shù)牡刃?yīng)力云圖

Fig4Theequivalentstresscontourmapofplateandstressofthe4thcombinationundertheeatlyhealingperiod

4 討論

根據(jù)圖3可知，當(dāng)骨痂彈性模量為3 MPa時(shí)，即在愈合初期時(shí)，接骨板及螺釘上的最大等效應(yīng)力較高，且都高于愈合后期接骨板及螺釘上的最大等效應(yīng)力；這與高亞磊[9]及盛偉[16]等的研究相近，即隨著骨痂彈性模量的增加，內(nèi)固定系統(tǒng)中的最大等效應(yīng)力不斷減小。

本研究分析中螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力出現(xiàn)在靠近骨折端的螺釘上，與Cheals等[17]的研究相似，即螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力集中在靠骨折端最近的螺釘上，見圖4。徐莘香等[18]的研究表明接骨板固定時(shí)，骨折近端兩螺釘孔之間的接骨板應(yīng)變較大，本文的分析中，接骨板的最大應(yīng)變出現(xiàn)在該位置，見圖4。

本研究的分析結(jié)果再一次表明過早的完全負(fù)重是導(dǎo)致內(nèi)固定失效的重要原因，根據(jù)圖3，當(dāng)骨痂彈性模量為3 MPa時(shí)，組合中大部分的螺釘最大等效應(yīng)力在550 MPa以上，最高為745 MPa(組合1)，高應(yīng)力作用下的螺釘易發(fā)生斷裂，造成內(nèi)固定的失效。愈合后期，接骨板及螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力大幅降低，遠(yuǎn)低于鈦合金材料的強(qiáng)度極限，因此，可以推斷愈合后期內(nèi)固定系統(tǒng)發(fā)生斷裂失效是由于材料的疲勞所引起的，王榮等[19]對(duì)接骨板的斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了失效分析，其結(jié)果表明所研究接骨板的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，這從微觀的角度印證了疲勞斷裂在內(nèi)固定系統(tǒng)斷裂失效分析中的重要性。

根據(jù)表3可知，在不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下，不同因素對(duì)結(jié)果的影響程度不同，對(duì)于接骨板及螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力，其自身的尺寸對(duì)應(yīng)力結(jié)果的影響較大，即接骨板的厚度對(duì)接骨板最大等效應(yīng)力、螺釘直徑對(duì)螺釘最大等效應(yīng)力的影響最大，同時(shí)，螺釘直徑變化對(duì)接骨板的應(yīng)力變化影響較明顯，而接骨板厚度對(duì)螺釘應(yīng)力變化的影響較??；對(duì)于內(nèi)固定系統(tǒng)最大軸向位移，接骨板厚度對(duì)其影響作用最為明顯。不同愈合時(shí)期，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下因素的主次順序不同，愈合初期，螺釘間距對(duì)軸向位移的影響較為明顯，愈合后期，接骨板工作長(zhǎng)度對(duì)軸向位移的影響僅次于接骨板厚度的影響；螺釘數(shù)量的變化在愈合初期以及接骨板工作長(zhǎng)度的變化在愈合后期對(duì)螺釘應(yīng)力變化的影響僅次于螺釘自身尺寸(螺釘直徑)對(duì)結(jié)果的影響，而具體的影響關(guān)系則需要進(jìn)一步通過相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行求解。

本研究利用Mimics對(duì)脛骨掃描的CT圖像進(jìn)行建模，較高的還原了脛骨的外形，同時(shí)通過灰度值對(duì)脛骨進(jìn)行賦值，使得仿真結(jié)果具有較高的可信度；通過采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)不同因素及不同水平進(jìn)行組合，根據(jù)正交試驗(yàn)的直觀分析，獲得了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下的因素主次順序，但具體的各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響關(guān)系需要進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行研究；本研究對(duì)骨折形式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)際骨折的形式更為復(fù)雜，同時(shí)，需要注意到實(shí)際發(fā)生骨折的患者，其骨的灰度值與正常健康人有所區(qū)別，因此，實(shí)際骨折發(fā)生時(shí)接骨板內(nèi)固定的建模與分析等將是今后課題中下一步研究的重點(diǎn)。