王偉 劉宗磊 王輝 楊煥友 王斌

錘狀指是由于伸指肌腱 I 區(qū)損傷導致遠指間關(guān)節(jié) ( the distal interphalangeal joint，DIP ) 伸直受限，其中單純伸指肌腱斷裂為腱性錘狀指，伴有末節(jié)指骨基底骨折塊為骨性錘狀指。新鮮腱性錘狀指行保守治療即可，而骨性錘狀指由于骨折塊造成 DIP 縱向不穩(wěn)定，出現(xiàn)關(guān)節(jié)半脫位或者脫位，大部分患者需進行手術(shù)治療[1]。為維持骨折塊的穩(wěn)定，通常需進行經(jīng) DIP 固定如閉合克氏針固定 DIP 同時阻擋伸肌腱方法等，但長時間的關(guān)節(jié)制動會導致關(guān)節(jié)周圍的攣縮。目前常用的非 DIP 固定的方法有雙克氏針、紐扣鋼絲、8 字鋼絲、遠節(jié)微型帶線錨定等四種固定方式，各有優(yōu)缺點[2]。本研究通過有限元分析的方法，對上述四種固定方法的固定強度進行了分析，為臨床選擇合適的手術(shù)方案提供依據(jù)。

資料與方法

一、骨性錘狀指有限元模型建立

1. 手指三維模型建立：選取 1 名成年志愿者，身高 167 cm，體重 69 kg。志愿者無類風濕、手部外傷及畸形等病史。采用 128 排螺旋 CT 對志愿者右手部行薄層掃描，層厚 0.625 mm。將 CT 圖像以DICOM 格式導入醫(yī)學軟件 Mimics 17.0 中，根據(jù)骨及手部軟組織的灰度值，分離出中末節(jié)指骨及手指末節(jié)的軟組織，然后以 txt 格式的點云文件在 Geomagic studio2012 中進行點云封裝、輪廓線繪制、曲面片構(gòu)建、柵格化，并最終擬合出各解剖結(jié)構(gòu)的 NURBS曲面模型。在 CERO 4.0 中將重建的手指三維模型，按照 Wehbe 和 Schneider 骨性錘狀指的分型標準，通過對末節(jié)指骨基底的切割制作出 II 型錘狀指的三維模型。

2. 四種內(nèi)固定裝置的構(gòu)建：由于 8 字鋼絲模型曲線構(gòu)型復雜，很難在 CERO 4.0 中建立，本研究通過逆向建模的方法進行構(gòu)建。在 Mimics 17.0 中應用其 Simulationg 菜單下的 Manipulate Nerve 功能畫出鋼絲的模型，然后以 STL 文件在 Geomagic studio2012建立鋼絲的 iges 文件，再導入 CERO 4.0 中與錘狀指模型進行裝配。其它 1.0 mm 克氏針模型、紐扣模型、1.3 mm 帶線錨釘模型分別在 CERO 4.0 中進行設(shè)計。然后分別裝配并進行布爾運算，形成四種內(nèi)固定的三維模型，分別為雙克氏針模型、紐扣鋼絲模型、8 字鋼絲模型、微型錨釘模型 ( 圖 1 )。

3. 三維有限元模型的組建：將上述裝配后的模型文件分別以 iges 格式導入前處理軟件 hypermesh行網(wǎng)格劃分，本研究均采用一階四面體單元，單元類型為 C3D4 單元。本研究中各材料的力學參數(shù)按照線彈性材料設(shè)置，其中金屬部分包括克氏針、鋼絲、錨釘?shù)膹椥阅Ａ繛?206 000 MPa，泊松比為0.30；伸指肌腱的彈性模量為 276.48 MPa，泊松比設(shè)置為 0.40；指骨的彈性模量為 170 000 MPa，泊松比為 0.30[3～4]。將建立的模型以 inp 格式導入有限元分析軟件 Abaqus 6.14 中，設(shè)定各部件之間的連接關(guān)系，其中伸指肌腱與骨折塊之間、關(guān)節(jié)軟骨與皮質(zhì)骨之間為共節(jié)點連接，骨折塊與末節(jié)指骨之間設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為 0.6。雙克氏針組將克氏針遠端與指骨末節(jié)進行綁定接觸，克氏針近端與骨折塊之間設(shè)定為滑動接觸，摩擦系數(shù)為 0.3。紐扣鋼絲組紐扣與皮膚之間為綁定接觸，鋼絲按照 MPC 綁定進行模擬，鋼絲與骨折塊之間為面面綁定接觸。8 字鋼絲組鋼絲與骨質(zhì)之間為綁定接觸。微型錨釘組錨釘與骨質(zhì)之間為共節(jié)點綁定，縫合線以 MPC 綁定模擬。

4. 邊界條件設(shè)定與加載：以手指的橫斷面左右方向為 X 軸、掌背前后方向為 Y 軸、手指縱軸為 Z 軸。設(shè)定將肌腱近端及中節(jié)指骨作為邊界約束6 個自由度，約束伸指肌腱的旋轉(zhuǎn)自由度。股骨遠端為邊界，全自由度約束以固定模型。載荷添加：在末節(jié)指骨掌側(cè)基底中心，設(shè)置幾何參考點 R 并以MPC 中 LINK 模式末節(jié)指骨。通過在 R 點添加旋轉(zhuǎn)變量，模擬 DIP 不同屈曲角度。

二、觀察指標及統(tǒng)計學分析

在末節(jié)指骨骨折塊的腱骨結(jié)合處隨機采集 30 個節(jié)點作為觀察對象，分析各節(jié)點在不同屈曲角度時與末節(jié)指骨之間產(chǎn)生的相對位移量、各種內(nèi)固定裝置與骨折塊之間產(chǎn)生的最大 von Mises 應力。采用ANOVA 方差分析及t檢驗法進行各組間數(shù)據(jù)進行組間和組內(nèi)比較，檢驗水準為 0.05。

結(jié) 果

一、各種內(nèi)固定裝置最大應力分布特點及骨折塊的平均 von Mises 應力比較

在雙克氏針組中，最大應力主要集中在克氏針近端與骨折塊接觸的部位，但兩者的應力并沒有隨著 DIP 屈曲角度的增加而明顯增加，骨塊的 Mises應力組內(nèi)比較差異無統(tǒng)計學意義 (P＞0.05 )。在紐扣鋼絲組中，最大應力集中在兩個位置，其一為鋼絲與骨折塊之間的接觸面，其二為紐扣與指端皮膚的接觸面，但前者的應力要明顯高于后者。Mises 應力明顯優(yōu)于雙克氏針組 (P＜0.01 )，但隨著 DIP 屈曲角度的增加，骨塊的 Mises 應力組內(nèi)比較差異無統(tǒng)計學意義 (P＞0.05 )。在 8 字鋼絲組和微型錨釘組中，鋼絲與骨折塊之間的 Mises 應力明顯高于前兩組(P＜0.05 )，并且隨著 DIP 屈曲角度的增加，骨塊的Mises 應力明顯增加，組內(nèi)比較差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05 )，但在 8 字鋼絲組和微型錨釘組之間比較差異無統(tǒng)計學意義 (P＞0.05 ) ( 表 1 )。各模型在 DIP屈曲 15°、30°、45° 時 Mises 應力分布 ( 圖 2 )。

圖 1 四種內(nèi)固定方式的有限元模型 a：雙克氏針模型；b：紐扣鋼絲模型；c：8 字鋼絲模型；d：微型錨釘模型圖 2 a：雙克氏針模型的 Mises 應力分布；b：紐扣鋼絲模型的 Mises 應力分布；c：8 字鋼絲模型的 Mises 應力分布；d：微型錨釘模型的 Mises 應力分布Fig.1 Finite element models of four internal fixation methods a: Dual needle model; b:Button wire model; c: Eight steel wire model; d: Anchor screw modelFig.2 a: Mises stress distribution in the dual needle model; b: Mises stress distribution in the button wire model; c: Mises stress distribution in the eight steel wire model; d: Mises stress distribution in the anchor screw model

表 1 各模型中在 DIP 不同屈曲角度時，骨折塊的 Mises 應力比較 ( 單位：MPa )Tab.1 Comparison of Mises stress of the fracture block at different flexion angles of DIP ( unit: MPa )

二、各內(nèi)固定方式對骨折塊穩(wěn)定程度的影響

在雙克氏針組模型中，骨塊在 DIP 屈曲 15° 時產(chǎn)生的最大相對位移量，明顯大于其它三個模型(P＜0.01 )，并且這種不穩(wěn)定會伴隨著屈曲角度的增大而明顯增加，在屈曲 45° 時，最大相對位移量為( 0.61±0.17 ) mm，與其它三種內(nèi)固定模型中相對位移量比較差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.01 )。8 字鋼絲組和微型錨釘組的相對位移量比較，差異無統(tǒng)計學意義 ( P＞0.05 )，但都小于紐扣鋼絲組，且差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.01 ) ( 表 2 )。

表 2 各模型中末節(jié)骨塊在不同 DIP 屈曲角度下的最大相對位移量比較 ( 單位：mm )Tab.2 Comparison of the maximum relative displacement of the distal segment at different DIP flexion angles ( unit: mm )

討 論

骨性錘狀指是臨床常見的手指末節(jié)損傷，通常須手術(shù)復位固定。根據(jù)是否固定 DIP 關(guān)節(jié)可以將手術(shù)方案分為經(jīng) DIP 固定和不經(jīng) DIP 固定兩種類型，前者包括背伸阻擋克氏針法、Ishiguro 法等[5]，后者包括雙克氏針、紐扣鋼絲、8 字鋼絲、遠節(jié)微型帶線錨釘?shù)?。?jīng) DIP 固定的方案雖然可以通過固定DIP，提供足夠的強度對抗屈伸指肌腱的收縮，但同時長時間的關(guān)節(jié)固定不僅會導致關(guān)節(jié)周圍的韌帶攣縮，而且由于克氏針對關(guān)節(jié)軟骨的破壞，即使去除克氏針亦有部分患者會出現(xiàn)伸直或屈曲受限。不經(jīng)DIP 固定的手術(shù)方案是比較理想的固定方式。

該方法能夠允許關(guān)節(jié)輕微活動的同時為骨折提供穩(wěn)定。但上述四種固定方式在固定強度方面是否存在差異尚沒有統(tǒng)一的認識[6]，為此筆者通過有限元分析的方法進行了研究。

有限元分析是結(jié)構(gòu)力學分析技術(shù)，其基本原理是將完整的研究對象分解成多個稱為“有限元”的小的相互關(guān)聯(lián)單元，通過計算每一個單元在復雜載荷作用下的應力、位移、溫度等物理變量的值，得到研究對象整體內(nèi)部的載荷分布[7]。近些年來有限元分析逐步應用到醫(yī)學領(lǐng)域，如心臟瓣膜的研發(fā)、人工關(guān)節(jié)優(yōu)化、骨折內(nèi)固定的強度、韌帶損傷的修復等各個方面。在手外科方面如：Günter 應用有限分析的方法對指間關(guān)節(jié)假體進行力學分析，從而優(yōu)化假體的植入方式[8]。Matsuura 通過有限元分析了腕管綜合征的發(fā)生機理[9]。本研究為內(nèi)固定結(jié)構(gòu)強度分析，在有限元中該類分析常用的參數(shù)為 von Mises 應力和相對位移。von Mises 應力是根據(jù)第四強度理論得到的等效應力，其含義是在一定變形條件下，當研究對象單位體積形狀改變達到一定常數(shù)時，研究對象在外力作用下出現(xiàn)屈服。von Mises 應力的表達為應力等值線，這樣可以快速判斷研究對象最集中的區(qū)域。

本研究顯示雙克氏針組，在 DIP 屈曲 15°、30°、45° 時，骨折塊間的相對位移依次為 ( 0.36±0.15 ) mm、( 0.57±0.11 ) mm、( 0.61±0.17 ) mm。而相應的 Mises 應力分別為 ( 6.21±1.83 ) MPa、( 7.69±1.47 ) MPa、( 8.25±1.61 ) MPa。上述的相對位移量及 Mises 應力與紐扣鋼絲組、8 字鋼絲組、帶線錨釘組有明顯的統(tǒng)計學差異 ( P＜0.05 )。筆者認為相對位移量的增大，是因為克氏針與骨折塊之間的接觸關(guān)系為滑動摩擦導致，該接觸方式在 DIP 靜止狀態(tài)可以為骨折塊提供一定的穩(wěn)定強度，但不能對抗 DIP屈曲產(chǎn)生的拉應力。同時從具體操作分析，在完成骨折復位后，醫(yī)師很難通過一次操作即可準確的完成 2 枚克氏針的植入，反復的嘗試會導致骨塊碎裂。本研究是在骨塊完成的基礎(chǔ)上進行力學分析，如果骨塊碎裂會更進一步影響固定的強度。

紐扣鋼絲固定是臨床上經(jīng)典的固定方法[10]。本研究顯示紐扣鋼絲組，在 DIP 屈曲 15°、30°、45° 時，骨折塊間的相對位移依次為 ( 0.29±0.03 ) mm、( 0.35±0.09 ) mm、( 0.49±0.15 ) mm，模型的相對位移量明顯小于雙克氏針組 ( P＜0.05 )。相應的 Mises 應力分別為 ( 11.57±3.61 ) MPa、( 12.62±4.18 ) MPa、( 13.81±5.19 ) MPa，顯著大于雙克氏針組 ( P＜0.05 )。上述結(jié)論提示與雙克氏針模型比較紐扣鋼絲模型能夠在保證骨折穩(wěn)定的同時承受更強的應力。該模型的應力主要集中在手指末節(jié)皮膚與紐扣接觸部位，由于皮膚及脂肪組織的彈性模量較小，在承受屈曲應力時，會形成明顯的緩沖作用。因此，該固定方法的關(guān)鍵是在初期提供適當?shù)耐夤潭ǎ詼p小皮膚及脂肪組織的緩沖作用。而 8 字鋼絲組中，由于遠端承載拉力的是末節(jié)指骨，其相對位移量要明顯小于紐扣鋼絲組 ( P＜0.05 )。

微型帶線錨釘是近些年臨床廣泛應用的固定方式，無論是腱性錘狀指還是骨性錘狀指，治療療效確切，便于術(shù)后護理，早期恢復效果好。本研究顯示與 8 字鋼絲模型相比，微型錨釘組的相對位移量與 8 字鋼絲組比較差異無統(tǒng)計學意義 ( P＞0.05 )，但骨折塊的 Mises 應力明顯大于 8 字鋼絲組 (P＜0.05 )。上述結(jié)果提示微型錨釘能夠在骨折端提供穩(wěn)定的界面應力，與 8 字鋼絲復雜的操作相比更具臨床優(yōu)勢，如對于骨折塊較小的錘狀指，可用錨釘尾部的縫線將伸肌腱和撕脫骨折塊一并縫合于止點處；對于骨折塊較大的錘狀指，可直接用錨釘固定骨折塊，從而起到代替螺釘?shù)墓潭ㄗ饔谩?/p>

本研究通過有限元分析的方法對錘狀指常用的四種方案的固定強度進行了分析，結(jié)果提示由強到弱依次為微型錨釘、8 字鋼絲、紐扣鋼絲、雙克氏針。但本研究仍存在一些不足之處。首先，為精確控制 DIP 角度，本研究的加載是以末節(jié)指骨屈曲角度來代替屈指肌腱的拉應力。其次，本研究的骨折模型是以 II 骨折為代表進行建模，而對于其它骨折塊是否會出現(xiàn)同樣的研究結(jié)果，有待進一步研究。第三，受有限元本身條件的限制，研究中是以線彈性模型材料系數(shù)進行分析，而人體的肌腱、骨骼、手指末節(jié)的軟組織的材料為黏彈性體。