丁文彬 林宇生

華中科技大學協(xié)和深圳醫(yī)院(南山醫(yī)院)骨關(guān)節(jié)科 (廣東 深圳 518052)

橈骨遠端骨折發(fā)生率高，約占全身骨折的17%[1]。調(diào)查顯示，超過一半的橈骨遠端骨折通常會合并有尺骨莖突骨折[2]。臨床上對于尺骨莖突骨折是采取手術(shù)治療，還是保守治療，以及尺骨莖突骨折是否和下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性相關(guān)，仍存在一些爭議[3]。有研究證實尺骨莖突骨折不愈合會影響橈骨遠端骨折的預后，引起下尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，部分患者遺留經(jīng)久不消的腕部尺側(cè)疼痛[4-5]。國內(nèi)外其他一些學者則認為尺骨莖突因不參與下尺橈關(guān)節(jié)的構(gòu)成，和下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性不相關(guān)[6-7]。筆者采用有限元分析的方法，構(gòu)建正常腕關(guān)節(jié)三維有限元模型和尺骨莖突骨折不愈合的三維有限元模型，探討尺骨莖突骨折不愈合對下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性影響，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 三維有限元模型的建立選擇一名40歲成年健康女性志愿者左上肢作為模型取材對象，經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準并簽署知情同意書，對左腕部行雙源螺旋CT(德國西門子公司，0.6mm掃描層厚)掃描，存儲圖像，設(shè)置為DICOM格式。導入計算機的Mimics 20.0軟件中，確定閾值后，分別建立包含尺骨遠端、橈骨遠端、腕骨及掌骨的腕關(guān)節(jié)骨性模型。以STL格式記錄，導入自動化逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0軟件中，對腕關(guān)節(jié)模型進行光順、平滑、裁剪、偏移、布爾減運算等一系列相關(guān)處理，使其精細化。生成的文件，以Iges格式，導入Solid Works軟件中，進行實體重構(gòu)。最終文件導入Ansys 15.0軟件中，進行有限元分析。從而建立正常腕關(guān)節(jié)模型，設(shè)為正常組，獲得的正常腕關(guān)節(jié)模型節(jié)點數(shù)651711，單元數(shù)374362，見圖1。對正常腕關(guān)節(jié)模型施加軸向100N載荷后，可計算出橈腕關(guān)節(jié)面應(yīng)力最大值為8.03 MPa，見圖2。

圖1 腕關(guān)節(jié)三維有限元模型圖與網(wǎng)格圖。圖2 正常腕關(guān)節(jié)模型中橈骨遠端關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布云圖。圖3 旋后工況下不愈合骨塊位移變化圖。

1.2 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分時因皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的差異，對模型結(jié)構(gòu)的材料特性進行設(shè)置[8]：皮質(zhì)骨為骨骼表面2mm區(qū)域，楊氏模量13400 MPa，泊松系數(shù)0.30；松質(zhì)骨為骨骼皮質(zhì)骨以內(nèi)區(qū)域，楊氏模量1700 MPa，泊松系數(shù)0.30；骨折線楊氏模量0.05 MPa，泊松系數(shù) 0.35。

1.3 尺骨莖突骨折不愈合的三維有限元模型的建立考慮到尺骨莖突骨折后遠端骨塊有韌帶牽拉，且骨折不愈合時骨折間隙會較前有擴大。對骨折不愈合的建模不同于骨折線的建模，既往文獻建模時設(shè)置尺骨莖突骨折線厚度為1mm，本研究需分類建模，依據(jù)骨折線部位設(shè)置尺骨莖突體部及基底部兩大類，每一大類再根據(jù)不愈合骨塊移位程度，設(shè)置骨折間隙厚度1mm和2mm。骨折模型分為四組，為骨折不愈合間隙1mm的尺骨莖突體部骨折模型(1mm體部組)、骨折不愈合間隙2mm的尺骨莖突體部骨折模型(2mm體部組)、骨折不愈合間隙1mm的尺骨莖突基底部骨折模型(1mm基底部組)、骨折不愈合間隙2mm的尺骨莖突基底部骨折模型(2mm基底部組)。

1.4 載荷與邊界條件由于骨折面通常完全斷裂，并且處于完全非接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)設(shè)定為0。在Ansys 15.0軟件中，建立局部坐標系，模型在X、Y、Z 軸上可有6個方向受力，三軸互相垂直。有了坐標系即可以方便模擬并量化尺橈骨間相對移動。邊界條件設(shè)置為模型近端截面的節(jié)點自由度規(guī)定為0，遠側(cè)腕骨所有節(jié)點自由度亦為0。取中立位，分別施加軸向壓縮100N，橫向拉伸66.7N，旋后22N的載荷，模擬腕關(guān)節(jié)軸向壓縮，橫向拉伸及旋后三種工況。計算分析在不同工況下，下尺橈關(guān)節(jié)和不愈合骨塊的相對位移情況。

2 結(jié) 果

取各組下尺橈關(guān)節(jié)的局部接觸橫截面，選取尺骨頭幾何中心在橈骨乙狀切跡上投影點作為原始標志點，記錄在三種工況下，各組原始標志點的位移值，表示下尺橈關(guān)節(jié)的相對位移情況。在三種工況下，骨折模型組和正常模型組相比，下尺橈關(guān)節(jié)相對位移值無明顯改變，見表1。

表1 下尺橈關(guān)節(jié)在不同況下相對位移值表(mm)

表1 下尺橈關(guān)節(jié)在不同況下相對位移值表(mm)

工況 正常組 1mm體部組 2mm體部組 1mm基底部組 2mm基底部組軸向壓縮 0.0470 0.0516 0.0519 0.0516 0.0518橫向拉伸 0.0546 0.0618 0.0614 0.0619 0.0615旋后 0.0637 0.0547 0.0551 0.0547 0.0552

在三種工況下，骨折模型組骨塊均發(fā)生了明顯的移位變化；在軸向壓縮、橫向拉伸工況下，骨折模型組骨塊位移值相差不大；在旋后工況下，尺骨莖突體部骨折模型組的骨塊位移相比于基底部骨折模型明顯更低，表明前者不愈合骨塊穩(wěn)定性更高，具體數(shù)值見表2。選取各組模型旋后工況截圖見圖3。

表2 尺骨莖突骨折不愈合骨塊在不同況下相對位移值表(mm)

表2 尺骨莖突骨折不愈合骨塊在不同況下相對位移值表(mm)

工況 正常組 1mm體部組 2mm體部組 1mm基底部組 2mm基底部組軸向壓縮 0.0489 0.6208 0.5535 0.5958 0.5748橫向拉伸 0.2945 2.2254 2.2090 2.2193 2.1935旋后 0.1327 0.7746 0.9435 0.9882 1.0977

3 討 論

在傳統(tǒng)力學實驗無法直接進行研究時，有限元分析作為一種計算機技術(shù)，能很好地模擬相應(yīng)的力學環(huán)境。目前有限元方法在骨科基礎(chǔ)研究領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，包括骨與關(guān)節(jié)力學性質(zhì)和應(yīng)力分析，以及與應(yīng)力相關(guān)的骨重建研究。本研究在文獻報道構(gòu)建的正常下尺橈關(guān)節(jié)三維有限元模型基礎(chǔ)上[8-9]，通過有限元軟件劃分網(wǎng)格及切割造模，成功建立尺骨莖突骨折不愈合的模型。

臨床上單純尺骨莖突骨折發(fā)生率較低，通常這一損傷是以橈骨遠端骨折并發(fā)傷的形式存在。橈骨遠端骨折移位對腕關(guān)節(jié)功能影響較大，往往治療重點會關(guān)注橈骨遠端，而忽略對尺骨莖突骨折的處理，這導致尺骨莖突骨折有著較高的漏診率和不愈合率。尺骨莖突部位是腕關(guān)節(jié)尺側(cè)柱的重要組成部分，下尺橈關(guān)節(jié)是由尺橈骨遠端及纖維三角軟骨復合體組成的雙樞軸滑膜關(guān)節(jié)，周圍通過關(guān)節(jié)囊、韌帶及骨間膜加固[10]。Hauck等[11]以三角纖維軟骨在尺骨莖突附著點為界，將尺骨莖突骨折分為兩種類型，尺骨莖突體部骨折和基底部骨折。本研究同樣參考這一標準，構(gòu)建尺骨莖突體部骨折不愈合模型和基底部骨折不愈合模型，在軸向壓縮和橫向拉伸工況下，兩種類型骨折模型均有骨塊進一步位移的問題，但位移值區(qū)別不大。而在旋后工況下，隨著骨折線越近基底部，骨折不愈合間隙的增大，尺骨莖突骨塊明顯穩(wěn)定性下降。這可以解釋部分患者在前臂旋轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)腕關(guān)節(jié)尺側(cè)慢性疼痛，對于移位明顯的尺骨莖突基底部骨折，復位固定可能是較好的治療辦法。

文獻報道下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響因素較多[12]，有學者[5,13]認為尺骨莖突基底部骨折不愈合和下尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，以及腕關(guān)節(jié)尺側(cè)慢性疼痛相關(guān)。也有部分學者保留相反的觀點，張俊等[14]指出合并下尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)的尺骨莖突基底部骨折，需要固定莖突骨塊，但未提及尺骨莖突基底部骨折和下尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)的相關(guān)性。Kim等[15]和葉曙明等[16]進行的臨床研究均認為，橈骨遠端骨折內(nèi)固定術(shù)后的患者，尺骨莖突骨折處理與否并不影響其腕關(guān)節(jié)功能的恢復。Sammer等[2]對46例尺骨莖突骨折患者進行隨訪，68%的患者存在尺骨莖突骨折不愈合，但并無下尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)。盡管本研究通過有限元方法，證實尺骨莖突骨折不愈合和下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定并無相關(guān)性，但我們的建模方案有一定的局限性，計算機模擬時主要參考螺旋CT數(shù)據(jù)，并未完整復制纖維三角軟骨復合體，接下來的研究會進一步探討纖維三角軟骨復合體在下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性中發(fā)揮的作用。

綜上所述，基于尺骨莖突骨折的有限元分析，骨折不愈合對下尺橈關(guān)節(jié)穩(wěn)定性影響不大；在前臂旋轉(zhuǎn)時，尺骨莖突基底部骨折不愈合的骨塊穩(wěn)定性較尺骨莖突體部骨折差。