金琰琰，葉豪，李妍妍，陳佳妮，吳逸卓，常宇宸，張雷，王鑒順，陳雷，吳立軍

1.溫州醫(yī)科大學(xué) 數(shù)字化醫(yī)學(xué)與智能技術(shù)研究院，浙江 溫州 325035；2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院骨科，浙江 溫州 325200；3.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 傷骨科，浙江 溫州 325027；4.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 骨科，浙江 溫州 325015

尺骨冠狀突作為肱尺關(guān)節(jié)的一個重要組成部分，可阻止尺骨向后脫位，防止肘關(guān)節(jié)過度屈曲，對維持肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起重要作用[1]。冠狀突骨折經(jīng)典分型為Regan-Morry分型。此分型主要基于冠狀突骨折塊的高度，分為以下3型[2]：I型骨折，冠狀突尖部骨折，累及冠狀突高度＜10%；II型骨折，累及冠狀突的高度為50%或以下；III型骨折，累及冠狀突高度超過50%。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析在骨科領(lǐng)域應(yīng)用也越來越廣泛，在保證合理的模型建立、屬性賦值、邊界加載等情況下，三維有限元分析能夠客觀地反映肘關(guān)節(jié)受力變化[3]。本研究通過建立高精確度、高準(zhǔn)確度的三維有限元模型，對尺骨冠狀突骨折合并肘關(guān)節(jié)后脫位發(fā)生機制進(jìn)行生物力學(xué)研究，希望為臨床手術(shù)治療方案的制定提供參考依據(jù)與新的研究方法。

1 資料和方法

1.1 一般資料 選取第二代中國數(shù)字化人體女性第24號的CT和MRI影像（F2-CDH，女性健康志愿者，24歲，身高167 cm，體質(zhì)量51 kg，體質(zhì)量指數(shù)18.3 kg/m2）[4]，掃描時模擬人體立正姿勢，構(gòu)建正常肘關(guān)節(jié)-前臂（intact elbow joint and forearm,IEJF）有限元模型。選取2015年3月溫州醫(yī)科大學(xué)附屬義烏醫(yī)院收治的51歲女性尺骨冠狀突骨折（Regan-Morry III型）患者構(gòu)建尺骨冠狀突骨折的肘關(guān)節(jié)-前臂（fractured ulnar coronoid-process and forearm,FUCF）有限元模型。本研究獲溫州醫(yī)科大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（審批號：2020-028）。

1.2 方法

1.2.1 IEJF有限元模型的構(gòu)建：原始CT影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Materialise Mimics10.0軟件建立IEJF的三維模型并轉(zhuǎn)化為STL格式，通過Geomagic Studio12.0軟件對數(shù)據(jù)中的圖像進(jìn)行編輯三角形、快速光滑、砂紙等操作，使網(wǎng)格更加平滑，在Abaqus 6.14-4有限元分析軟件平臺（法國Dassault公司）中構(gòu)建IEJF有限元模型并完成有限元數(shù)據(jù)分析。用實體彈性單元定義的包括肱骨遠(yuǎn)端、尺骨、橈骨（皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨、關(guān)節(jié)盤）。用實體超彈性單元定義的包括肱尺關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)、近端尺橈關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)端尺橈關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊基質(zhì)、前臂骨間膜基質(zhì)、前斜韌帶（2束）、尺側(cè)副韌帶（3束）、橈側(cè)副韌帶（3束）、環(huán)狀韌帶（1束）、尺橈方韌帶（1束）、尺側(cè)橫副韌帶（1束）、尺橈斜索韌帶（1束）、遠(yuǎn)端尺橈前韌帶（1束）、遠(yuǎn)端尺橈后韌帶（1束）等的基質(zhì)，見圖1。用纜索單元定義的包括各類關(guān)節(jié)囊、骨間膜、各類韌帶的纖維，見圖2A。用面-面接觸單元定義的包括肱尺關(guān)節(jié)接觸、肱橈關(guān)節(jié)接觸、上尺橈關(guān)節(jié)接觸、下尺橈關(guān)節(jié)接觸、關(guān)節(jié)囊與肱骨軟骨接觸、關(guān)節(jié)囊與橈骨軟骨接觸、關(guān)節(jié)囊與肱骨軟骨接觸、關(guān)節(jié)囊與肱骨鷹溝背部接觸、關(guān)節(jié)盤與尺骨軟骨接觸，見圖2B，摩擦系數(shù)為0.0 024～0.24。IEJF模型總節(jié)點數(shù)為14 064個，總單元數(shù)為59 704個，見圖3A，各類組織的材料學(xué)屬性[4-8]見表1。

圖1 肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型的有限元實體單元模型

圖2 肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型的有限元纖維與接觸單元模型

1.2.2 FUCF有限元模型的構(gòu)建：根據(jù)尺骨冠狀突骨折（Regan-Morry III型）病例并參考文獻(xiàn)[9]，構(gòu)建FUCF有限元模型。模型包含三個損傷因素：冠狀突骨折、肘關(guān)節(jié)后脫位、尺側(cè)副韌帶部分?jǐn)嗔?。①骨折面位于冠狀突基底部（見圖3C），骨折面間距約為0.2 mm，摩擦系數(shù)為0.24，包含了皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨2個接觸對，屬于面-面接觸單元，見表1。②冠狀突骨塊和肱骨相對尺骨與橈骨前移3 mm（見圖3D），造成肘關(guān)節(jié)后脫位。③尺側(cè)副韌帶在冠狀突骨折面處斷裂（見圖3E），造成內(nèi)外側(cè)兩個韌帶斷裂面，但其余纖維依舊完好連接。此次建模不考慮橈骨小頭損傷，因此，橈骨小頭及其相連韌帶模型均完好無損。FUCF模型各類組織的材料學(xué)屬性[4-8]見表1。

表1 肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型的材料參數(shù)

圖3 兩種類型的肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型

1.3 肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型生理運動的荷載與約束

1.3.1 人體立正姿勢前臂軸向壓縮力：模擬人體立正姿勢，約束肱骨上端關(guān)鍵點所有自由度，前臂軸向壓縮力為50、100、150 N，施加于尺橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面，其中橈骨關(guān)節(jié)面所受力為總荷載的70%～80%（均值75%），尺骨關(guān)節(jié)面所受力為總荷載的20%～30%（均值25%）[10-12]。在計算不同壓縮荷載下的最大壓縮位移變化時，設(shè)正常肘關(guān)節(jié)-前臂模型在50 N壓縮荷載下的最大壓縮位移變化為1（即dc0=1，最大壓縮位移變化比值Pdc）。

1.3.2 人體立正姿勢前臂屈曲彎矩：模擬人體立正姿勢，約束肱骨上端關(guān)鍵點所有自由度，在垂直于軸向的平面內(nèi)，施加彎矩荷載為1、2、4 Nm，前臂屈曲彎矩施加于尺橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面（橈骨面占70%～80%（均值75%），尺骨面占20%～30%（均值25%），彎矩方向由后向前（由尺骨向橈骨）[10-11，13]。在計算不同屈曲彎矩下屈曲角變化時，設(shè)正常肘-前臂模型在1 Nm屈曲彎矩作用下的屈曲角變化為1（即θf0=1，屈曲角變化比值Pθf）。

1.4 肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型的驗證 查詢正常肘關(guān)節(jié)-前臂標(biāo)本在實驗荷載作用下，肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭）的應(yīng)力占比、肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭部位）與肱尺關(guān)節(jié)（冠狀突）最大接觸應(yīng)力，根據(jù)同等荷載條件下肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型的生物力學(xué)計算，完成實驗與計算的對比驗證。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型 本研究成功建立了IEJF有限元模型總節(jié)點數(shù)為14 064個，總單元數(shù)為59 704個（見圖3A）；FUCF有限元模型總節(jié)點數(shù)為13 945個，總單元數(shù)為58 660個（見圖3B）。

2.2 模型有效性 HACKL等[10]的生物力學(xué)實驗報道了正常肘關(guān)節(jié)-前臂標(biāo)本在50、100、150 N軸向壓縮力作用下，肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭）的應(yīng)力占比分別為62.9%±25.8%、61.9%±16.8%、66.5%±16.1%。本研究IEJF有限元模型在同等軸向壓縮力實驗條件下（50、100、150 N），預(yù)測肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭）的應(yīng)力占比分別為64.4%、61.2%、60.9%。實驗值與計算值基本一致。KIM等[5]的生物力學(xué)實驗報道了正常肘關(guān)節(jié)在橈骨施加50、100、200 N軸向力作用下，肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭部位）最大接觸應(yīng)力為1.34～3.84 MPa，基本呈線性變化。本研究IEJF有限元模型，在同等實驗條件的橈骨軸向力（35、70、94 N）作用下，預(yù)測肱橈關(guān)節(jié)（橈骨頭）最大應(yīng)力為0.75～1.67 MPa（與實驗等比例荷載條件下為1.07～3.56 MPa），基本呈線性變化。實驗值與計算值基本一致。RENANI等[6]的生物力學(xué)實驗報道了正常肘關(guān)節(jié)在前臂約20°屈曲時施加80、110、140 N軸向力作用下，肱尺關(guān)節(jié)（冠狀突部位）最大接觸應(yīng)力為（0.64±0.1）MPa至（1.41±0.25）MPa，基本呈線性變化。本研究IEJF有限元模型，在同等實驗條件軸向力（50、100、150 N）作用下，預(yù)測肱尺關(guān)節(jié)（冠狀突）最大應(yīng)力為0.41～1.07 MPa（與實驗等比例荷載條件下為0.66～1.00 MPa），基本呈線性變化。實驗值與計算值基本一致。

2.3 關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 IEJF有限元模型與FUCF有限元模型在50、100、150 N軸向壓縮力作用下，尺骨冠狀突和橈骨頭的應(yīng)力占比，見圖4。與IEJF模型相比，F(xiàn)UCF模型中橈骨頭應(yīng)力占比明顯高于尺骨冠狀突，隨著軸向壓縮力的增加，應(yīng)力占比稍有減少。

圖4 不同壓縮荷載下尺骨冠狀突和橈骨頭的應(yīng)力占比

2.4 IEJF、FUCF兩種肘關(guān)節(jié)-前臂有限元模型計算結(jié)果

2.4.1 不同壓縮荷載下最大關(guān)節(jié)應(yīng)力變化：在50、100、150 N壓縮荷載作用下，尺骨冠狀突最大關(guān)節(jié)應(yīng)力（σcp-ac）和橈骨頭的最大關(guān)節(jié)應(yīng)力（σr-ac）計算結(jié)果見圖5。與IEJF模型相比，F(xiàn)UCF模型中橈骨頭最大關(guān)節(jié)應(yīng)力明顯高于尺骨冠狀突，且隨著壓縮載荷的增加繼續(xù)增加。

圖5 不同壓縮荷載下最大關(guān)節(jié)應(yīng)力分布對比

2.4.2 不同壓縮荷載下的最大壓縮位移變化：在50、100、150 N壓縮荷載作用下，肘關(guān)節(jié)最大壓縮位移計算結(jié)果見圖6。與IEJF模型相比，F(xiàn)UCF模型的最大壓縮位移變化更加明顯，且隨著壓縮載荷的增加，兩者差距愈發(fā)明顯。

圖6 不同壓縮荷載下的最大壓縮位移變化對比

2.4.3 不同屈曲彎矩下屈曲角變化：在1、2、4 Nm屈曲彎矩作用下，屈曲力矩導(dǎo)致肘關(guān)節(jié)-前臂屈曲角計算結(jié)果見圖7。與IEJF模型相比，F(xiàn)UCF模型的屈曲角變化更加明顯，且隨著屈曲彎矩的增加，兩者差距愈發(fā)明顯。

圖7 不同屈曲彎矩下屈曲角變化對比

3 討論

三維有限元分析法通過相關(guān)醫(yī)學(xué)工程軟件，可以逼真地建立具有生物力學(xué)材料特性的三維結(jié)構(gòu)模型，對復(fù)雜物體結(jié)構(gòu)具有良好的適用性；同時還能計算模型各部位受力時其內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變改變，能得到客觀實體實驗難以得到的研究結(jié)果。隨著計算機性能的提高與軟件算法的優(yōu)化，三維有限元分析法正成為骨科研究的重要工具[14-15]。

本研究構(gòu)建了骨骼、軟骨、韌帶、關(guān)節(jié)囊、骨間膜等結(jié)構(gòu)完整的尺骨冠狀突骨折合并肘關(guān)節(jié)后脫位的三維有限元模型。仿真正常肘關(guān)節(jié)-前臂的限元模型與III型尺骨冠狀突骨折有限元模型在前臂軸向3種壓縮荷載（50、100、150 N）狀態(tài)下，分析軸關(guān)節(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律和分布以及相對位移變化；在3種前臂屈曲彎矩（1、2、4 Nm）狀態(tài)下，分析肘關(guān)節(jié)-前臂屈曲角的相對變化。本研究建立的肘關(guān)節(jié)-前臂三維有限元模型與人體解剖實際相符，此為臨床肘關(guān)節(jié)疾病的診治提供了新的思路。為分析正常人與骨折患者之間尺骨冠狀突、橈骨頭等結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)下的生物力學(xué)特點提供了可視化數(shù)字平臺，也為尺骨冠狀突骨折各種手術(shù)治療方案的制定提供了重要參考依據(jù)，為療效評價提供了直觀的模擬工具。

尺骨冠狀突的大塊骨折，常常伴有肘關(guān)節(jié)后脫位，及尺側(cè)（或橈側(cè)）副韌帶損傷，導(dǎo)致肘關(guān)節(jié)的縱向穩(wěn)定性嚴(yán)重降低[9，16]。本研究有限元分析發(fā)現(xiàn)，尺骨冠狀突骨折后，在軸向荷載作用下，冠狀突關(guān)節(jié)應(yīng)力降低了68.8%～97.6%，而橈骨頭關(guān)節(jié)應(yīng)力反而增加了9.4%～23.6%，荷載從冠狀突轉(zhuǎn)移至橈骨頭，橈骨頭出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力占比高達(dá)86.1%～99.9%（冠狀突應(yīng)力占比僅為0.1%～13.9%）。JEON等[17]和BELLATO等[18]的研究指出，肘關(guān)節(jié)縱向不穩(wěn)將進(jìn)一步加劇外翻不穩(wěn)及內(nèi)翻不穩(wěn)。本研究有限元分析發(fā)現(xiàn)，尺骨冠狀突骨折后，肘關(guān)節(jié)縱向壓縮位移增加了40.0%～74.5%，屈曲力矩導(dǎo)致的屈曲角增加了55.0%～79.1%，這些可能間接地加劇外翻不穩(wěn)或內(nèi)翻不穩(wěn)。

本研究在有限元分析時未考慮上肢肌肉對肘-前臂穩(wěn)定性的影響。然而，本研究主要考慮肘-前臂的骨關(guān)節(jié)韌帶系統(tǒng)的穩(wěn)定性，兩個有限元模型在均無肌肉的同等條件下的穩(wěn)定性具有可比性。本研究未進(jìn)行肘-前臂的外翻與內(nèi)翻計算，主要從壓縮、屈曲兩種生理角度分析肘關(guān)節(jié)-前臂的受力情況，對相關(guān)實驗和臨床研究有一定借鑒作用，如需更高精度的數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行大量的實驗佐證和臨床驗證。

綜上，尺骨冠狀突骨折后，肘關(guān)節(jié)出現(xiàn)橈骨頭應(yīng)力集中，縱向位移增加、屈曲角增加。應(yīng)力、位移以及屈曲角的測量是檢驗不同模型力學(xué)穩(wěn)定性的重要參數(shù)?？梢姡琑egan-Morry III型尺骨冠狀突骨折后尺骨冠狀突骨折、肘關(guān)節(jié)后脫位、尺側(cè)副韌帶部分?jǐn)嗔讯紝χ怅P(guān)節(jié)穩(wěn)定性起到影響。本研究運用有限元法研究Regan-Morry III型尺骨冠狀突骨折前臂軸向不同壓縮荷載狀態(tài)下肘關(guān)節(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律和分布以及相對位移變化，在不同前臂屈曲彎矩狀態(tài)下，分析肘關(guān)節(jié)-前臂屈曲角的相對變化，闡明尺骨冠狀突在不同條件下應(yīng)力傳導(dǎo)的重要性，在此基礎(chǔ)上探討尺骨冠狀突在損傷后應(yīng)力傳導(dǎo)的改變。Regan-Morry III型尺骨冠狀突骨折目前并不少見，臨床上的治療方法多種多樣，造成此現(xiàn)象的主要原因是缺乏相應(yīng)肘關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究的理論依據(jù)，各學(xué)者基于各自的實踐經(jīng)驗各抒己見。本研究結(jié)果可為Regan-Morry III型尺骨冠狀突骨折尋求更為合理的治療方案提供理論依據(jù)。同時也為下一步的不同內(nèi)固定方式的有限元模型的建立與比較提供了理論依據(jù)。