不同长度远端锁钉固定桡骨远端不稳定骨折生物力学研究

摘要

一、背景 桡骨远端骨折是临床上骨科医生常遇到的骨折之一，约占所有骨折的20％，并且随着我国人口老龄化，其发病率有进一步上升的趋势。根据骨折的类型以及稳定性，桡骨远端骨折可有不同的治疗方式。对于大多数无移位或轻度移位的稳定性骨折，可以采用手法复位后石膏或者夹板固定，若复位失败，则可以采取进一步的治疗措施如经皮穿针固定，外固定或者切开复位内固定。 Orbay JL等定义不稳定桡骨远端骨折为:在尝试闭合复位后，X线影像显示在任何骨折平面上形成超过15°，关节面下沉超过2mm，桡骨缩短超过2mm。严重的粉碎性骨折或者简单的骨折疏松性骨折也被称为不稳定性骨折，尽管最初力线很好。由于不稳定性骨折常伴有关节面塌陷，桡骨缩短以及掌倾角、尺偏角丢失，闭合复位很难恢复桡骨长度、掌倾角、尺偏角和桡骨关节面的解剖位置，造成术后畸形愈合、腕关节活动受限以及创伤性关节炎等并发症。目前临床上对于不稳定性桡骨远端骨折大多采用切开复位内固定手术治疗。 内固定手术中常用的有掌侧和背侧钢板固定。对于背侧移位性骨折，背侧入路可以直视背侧由于塌陷和多处断裂造成的骨缺损，但是近年来由于应用背侧钢板进行解剖学复位发生伸肌腱炎症、断裂等并发症的现象常见，背侧钢板内固定治疗桡骨远端骨折已经逐渐不流行。掌侧入路的内固定方法进入骨科医师的视线，Georguoulis等首次提出应用掌侧钢板治疗桡骨远端背侧移位性骨折，对于非锁定掌侧钢板，其只可抵抗适当的轴向应力和弯曲应力，背侧移位性骨折在对侧皮质没有任何骨性接触时，应用简单的掌侧非锁定钢板将承受更高的轴向和弯曲负荷而导致内固定失败，而固定角度的锁定钢板将固定远端骨折片上载荷应力转移到完整的桡骨体上，从而增加螺钉钢板以及骨结构的稳定性，还消除了术后螺钉退出的可能，因此固定角度的掌侧锁定钢板内固定优势明显。 几乎所有不稳定的桡骨远端骨折都可以应用掌侧锁定钢板固定，对于活动量大的年轻患者和骨质疏松的老年患者，掌侧锁定钢板不仅可以重建骨体解剖，还允许术后腕关节的早期活动，防止术后关节僵硬，是关节面重建的最佳选择。尽管掌侧锁定钢板治疗桡骨远端骨折优势明显，但是术后也出现远端螺钉穿出而造成背侧伸肌腱激惹或断裂、远端螺钉进入桡腕关节、因凸出钢板、不完整复位而造成掌侧屈肌腱激惹或断裂、远端螺钉安装的太靠近端造成对软骨下骨支撑失败等并发症，其中由于远端锁钉穿出而造成伸肌腱损伤的现象较常见。 根据AO原理，在掌侧锁定钢板用于不稳定桡骨远端骨折对，桡骨远端也需要使用双皮质锁钉固定，只不过“近端皮质”是钢板，而“远端皮质”是软骨下骨。但是要使远端螺钉固定支撑软骨下骨，要求钢板的位置应该尽量靠近远端，这样螺钉就很容易进入桡腕关节。因此桡骨远端能否使用单皮质锁钉固定？如果与双皮质锁钉相比，两种钢板锁钉固定系统的应力分布和稳定性没有明显差异，那么临床上使用单皮质锁钉就可以避免螺钉穿出引起的伸肌腱并发症。因此本研究的目的就是阐明，与双皮质锁钉固定系统相比，单皮质锁钉内固定系统能否能维持桡骨远端不稳定骨折术后生物力学稳定性。本研究的初步假设为与双皮质锁钉固定相比，适当长度的单皮质锁钉固定也能维持早期的稳定性，两者之间没有显著差异。 二、目的 1、分析在正常生理载荷下尺桡骨的应力和位移分布情况，验证所建尺桡骨有限元模型的科学性，为进一步的数字化仿真研究提供基础; 2、比较不同长度远端锁钉对不稳定桡骨远端骨折内固定系统的影响，分析骨折不同愈合时期，内固定系统和骨痂的应力分布情况，探索不同长度远端锁钉对整个内固定系统稳定性和术后骨折愈合的影响; 3、通过进行相应的生物力学标本实验，验证三维有限元分析结论的可靠性; 三、方法 1、建立尺桡骨的三维有限元模型，分析和验证模型的科学性 对一位健康的青年男性前臂进行快速CT薄层扫描，在MIMICS中建立尺桡骨的三维几何模型，通过Geomagic逆向工程软件相关处理后，导入ANSYS中进行材料赋予、网格划分、设定边界条件、建立骨间膜和下桡尺韧带，分析在正常生理载荷下尺桡骨的应力和位移分布情况。 2、不同长度远端锁钉对不稳定桡骨远端骨折内固定系统的影响 对一位健康青年前臂进行快速CT薄层扫描，在MIMICS中对尺桡骨进行三维重建，并在Geomagic软件中进行光滑除噪处理，最后导入ANSYS软件中。 在ProE软件中建立不同长度的远端锁钉和T形钢板，并在ANSYS软件中进行装配，建立含有骨折断面和骨痂的桡骨远端不稳定骨折的三维模型，给予正常骨以及不同时期骨痂的材料属性，然后网格划分、设定边界，比较在不同载荷工况条件下不同长度远端锁钉对整个固定系统稳定性和术后骨折愈合的影响。 3、建立桡骨远端不稳定骨折的标本模型，验证三维有限元分析的结论 经X线、B超检查排除桡骨损伤、肿瘤、畸形变等病变后，选取18个前臂尸体标本，剔除前臂的皮肤、皮下组织及多余的肌肉软组织，充分暴露尺桡骨干，保留前臂骨间膜和上下桡尺韧带。尺桡骨近端用聚甲基丙稀酸树脂进行包埋固定，远端距离桡骨茎突2cm处用实验锯横形截断1cm的骨块，来模拟桡骨远端不稳定骨折。 将标本随机分成3组;A组采用50％长度单皮质锁钉固定，B组采用75％长度单皮质锁钉固定，C组采用双皮质锁钉固定。每组标本分别在材料测试机(ElectroForce(R)3510，BOSE，USA)上进行生物力学测试:对每组标本分别采用轴向加压、掌侧和背侧加压载荷工况，分析三种不同工况下，不同固定系统的刚度及稳定性;然后对每个标本进行轴向疲劳加载，疲劳试验后再分析和比较不同固定组的刚度和稳定性;最后对每个标本进行破坏试验，试验标准定义为骨折断面2mm的轴向位移、锁钉钢板界面的松动、内固定物周围骨质破坏及内固定物断裂。 四、结果 1、建立了在解剖形态上能高度仿真的尺桡骨三维有限元模型，发现桡骨远端在受到轴向载荷时，尺桡骨应力分布和位移分布情况与实际情况基本相符，为进一步的相关数字化仿真研究奠定了可靠基础。 2、应力高度集中在钢板内固定系统上，桡骨远端骨折线附近应力值也较高;术后早期骨痂处最大应力随着螺钉长度增加逐渐变小;术后中后期远端螺钉最大应力随着螺钉长度增加逐渐变大，远端双皮质螺钉应力最大;对于轴向压缩刚度，75％长度单皮质锁钉固定组与双皮质固定组相比差异无统计学意义(P＞0.05)，而50％长度单皮质锁钉固定时压缩刚度下降明显，其与双皮质、75％长度单皮质固定组比较差异均有统计学意义(P＜0.01);对于掌背侧刚度及扭转刚度，三种不同固定组间差异均无统计学意义(P＞0.05)。 3、轴向压缩刚度和掌背侧刚度在疲劳试验前后无显著差异，疲劳试验后，各固定组的掌背侧压缩刚度值无显著差异;对于轴向刚度值而言，50％长度单皮质锁钉与75％单皮质锁钉及双皮质锁钉固定相比差异显著(P=0.009，0.017)，而75％长度单皮质锁钉与双皮质锁钉固定相比无统计学差异(P=0.93)。 五、结论 1、建立了含有前臂骨间膜、下桡尺韧带的尺桡骨三维有限元模型，其解剖结构和力学特性具有高度仿真性，通过该三维模型可以进一步的进行相关有限元分析。 2、钢板螺钉内固定系统起着很好的应力遮挡作用，采用75％长度以上单皮质锁钉固定桡骨远端不稳定骨折不仅可以维持整个内固定系统的稳定性，避免了螺钉穿出引起的伸肌腱并发症，同时有利于术后早期骨折的愈合。 3、采用75％长度单皮质锁钉固定桡骨远端不稳定骨折，可减少远端螺钉松动的可能性。

目录

摘要

前言

参考文献

第1章 尺桡骨的三维有限元建模

0 引言

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

参考文献

第2章 不同长度远端锁钉固定桡骨远端不稳定骨折的有限元分析

0 引言

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

参考文献

第3章 不同长度远端锁钉固定桡骨远端不稳定骨折的生物力学研究

0 引言

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

参考文献

结论

中英文对照缩略词表

成果

致谢

声明