Advances in Clinical Medicine 临床医学进展, 2020, 10(9), 1979-1986
Published Online September 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/acm https://doi.org/10.12677/acm.2020.109297
双螺钉与三螺钉固定方式治疗胫骨平台 Schatzker I型骨折的效果比较
王旭梁1，陈帆成2，张方雪2，王成贵3*
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中国医学科学院北京协和医学院阜外医院，北京 复旦大学上海医学院，上海 3
浙江大学附属第二医院骨科，浙江 杭州
收稿日期：2020年8月25日；录用日期：2020年9月9日；发布日期：2020年9月16日
摘 要
目的：对双螺钉和三螺钉固定治疗胫骨平台Schatzker I型骨折的生物力学进行有限元分析，为临床手术设计以及选择提供思路。方法：利用1位健康男性志愿者下肢CT数据构建胫骨平台Schatzker I型骨折的三维有限元模型。采用不同螺钉固定方式对骨折模型进行固定后，胫骨平台上方设置600 N的力量载荷同时对胫骨模型下方坚强固定来模拟成人膝关节的受力。比较模型在不同固定方式下的等效应力以及剪切力情况。结果：双螺钉固定系统的最大von Mises应力值为23.014 MPa，三螺钉固定系统的最大von Mises应力值为6.252 MPa。双螺钉固定系统与三螺钉固定系统中骨折块的von Mises应力最大值分别是0.736 MPa，2.158 MPa；胫骨的von Mises应力最大值为1.933 MPa 1.991 MPa。结论：使用三螺钉对骨折处进行固定优于双螺钉固定治疗胫骨平台Schatzker I型骨折，可降低固定物固定失败的风险，有利于愈合。
关键词
胫骨平台骨折，Schatzker I型骨折，有限元分析，螺钉固定
A Stress Comparative Study of Double Screws System and Triple Screws System Fixation in the Treatment of Schatzker Type I Tibial Plateau Fracture
Xuliang Wang1, Fancheng Chen2, Fangxue Zhang2, Chenggui Wang3*
12
*
Fuwai Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai
通讯作者。
文章引用: 王旭梁, 陈帆成, 张方雪, 王成贵. 双螺钉与三螺钉固定方式治疗胫骨平台Schatzker I型骨折的效果比较[J]. 临床医学进展, 2020, 10(9): 1979-1986. DOI: 10.12677/acm.2020.109297
王旭梁 等
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Department of Orthopaedic Surgery, The Second Affiliated Hospital, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang
Received: Aug. 25th, 2020; accepted: Sep. 9th, 2020; published: Sep. 16th, 2020
Abstract
Objective: A finite element analysis was performed on the biomechanics of double screws and triple screws fixation for the treatment of Schatzker type I tibial plateau fracture to provide ideas for clinical surgical design and selection. Methods: A three-dimensional finite element model of Schatzker type I fracture of the tibial plateau was constructed using CT data of the lower limbs of a healthy male volunteer. After the fracture model is fixed with different screw fixation methods, a force load of 600 N is set above the tibial platform and the tibial model is firmly fixed at the same time to simulate the force of the adult knee joint. The von Mises equivalent stress and shearing force of the model under different fixing methods are compared. Results: The maximum von Mises stress value of the double screw fixing system was 23.014 MPa, and the maximum von Mises stress value of the three screws fixing system was 6.252 MPa. The maximum von Mises stresses of the fracture block in the double-screw fixation system and the three-screw fixation system were 0.736 MPa and 2.158 MPa, respectively; the maximum von Mises stress of the tibia was 1.933 MPa and 1.991 MPa, respectively. Conclusion: The use of three screws to fix the fracture is more superior to double screw fixation for the treatment of Schatzker type I tibial plateau fracture, which reduces the risk of fixation failure and facilitates healing.
Keywords
Tibial Plateau Fracture, Schatzker Type I Fracture, Finite Element Analysis, Screw Fixation
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 背景
胫骨平台骨折属于临床上常见的下肢骨折之一，约占所有胫骨骨折的9.2%，常见于高能量损伤如高处坠落以及交通意外，尤以外侧平台骨折多见[1] [2]。由于胫骨平台骨折通常累及平台关节面，因此往往需要通过手术来获得解剖复位并坚强固定来提供足够的生物力学支撑，从而避免严重并发症的发生[3] [4] [5]。因此固定区域的生物力学强度至关重要，由于生物力学强度不足而引起的骨块间相互滑移是导致骨折愈合不良甚至不愈合的主要原因，经皮螺钉内固定是治疗胫骨平台骨折的手段之一，由于术后往往能获得较为满意的疗效，在临床上较为常用[6] [7] [8]。双螺钉固定作为临床治疗胫骨外侧平台骨折的标准固定方式，近几年为了追求更加坚固的手术固定，防止骨折块滑移，三螺钉固定方式也被广大术者所使用[6]。然而，关于采用不同螺钉固定方式治疗胫骨平台Schatzker I型骨折的数字生物力学优劣尚未得到证实。
三维有限元分析作为近些年出现的计算机数字分析方法，在医学领域中得到了广泛应用，主要集中于骨骼等的静力力学分析以及血流方面的流体力学分析[9] [10] [11]。基于有限元分析的生物力学研究可以为临床提供了一个更深入的视角来研究生物力学分布及位移分布，为临床的术式设计以及器械改进等
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提供理论依据[12]。因此在本研究中，笔者采用有限元方法对不同螺钉固定方式治疗Schatzker I型骨折的应力与位移进行比较与分析。本研究假设，三螺钉相较于双螺钉固定为Schatzker I型胫骨平台骨折提供更加坚强的固定，更适合临床的骨折治疗。
2. 方法
排除如骨性关节炎，骨肿瘤以及骨质疏松等骨性疾病后，选取1名30岁、身高175 cm、体重65 kg的健康男性志愿者，对其下肢进行CT扫描，获得健康成年男性胫骨CT数据。
2.1. 实验模型建立
将层厚1 mm的CT原始数据以DICOM格式导入到有限元建模软件Mimics 15.0 (比利时Materialize公司)中，利用软件中指定阈值及区域三维重建功能，获得健康成年男性胫骨三维有限元模型。将获得的胫骨模型导入Geomagic Studio软件(美国3D System公司)进行进一步的预处理以减少模型的重叠，利用裁剪功能对胫骨平台内侧约5 cm处进行无缝隙分割，制造出Schatzker I型胫骨平台骨折有限元模型。根据螺钉制造商提供的数据，利用Creo 3.0软件(美国Parametric技术公司)绘制直径6.5cm螺钉的有限元模型。如图1所示完成装搭之后，导入ANSYS软件(美国ANSYS技术公司)进行下一步的分析运算。在本研究中，单元类型选择为四节点四面体单元，以获得更准确的几何非线性分析结果。双螺钉模型与三螺钉模型的节点数分别为5222个、5763个；单元数分别为26,725个、29,561个。
Figure 1. The creation of fracture model of Schatzker type I medial tibial plateau fracture and two
screws fixation methods used in this study. A. Intact tibial plateau. B. Schatzker type I medial tibial plateau fracture model. C. Double-screws fixation model. D. Triple-screws fixation model 图1. 模拟固定胫骨平台Schatzker I型骨折及两种螺钉固定方式的有限元模型。A.重建的完整胫骨平台；B.重建的胫骨平台Schatzker I型骨折有限元模型；C.双螺钉固定模型；D.三螺钉固定模型
2.2. 材料属性赋值
骨骼与螺钉模型的单元均定义为线性弹性材料属性，皮质骨，松质骨以及固定物的杨氏模量分别设置为17 Gpa，5 Gpa与110 Gpa；皮质骨，松质骨以及固定物的松柏比分别0.33，0.33与0.3 [13]。本研究中的所有材料，均被简化为均质且各向性质相同。
2.3. 边界条件及载荷
胫骨模型下方进行稳定固定，在上方处加载载荷，如图2所示进行设置。胫骨平台上方加载600 N方向垂直向下的力来模拟正常成人双足站立时膝关节处生理载荷，其中根据生理分布，载荷分为60%与40%均匀分布于胫骨内侧平台与外侧平台以最大程度模拟生理状态。为合理简化模型及减少不必要的运
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算量，螺钉与骨骼的固定简化为摩擦系数为0.3的摩擦接触[9]。
Figure 2. The loading and boundary conditions as well as the distribution of tibial finite element model
图2. 胫骨有限元模型受力载荷分布及边界示意图
2.4. 实验观察指标
对各项参数完成设置之后，利用ANSYS软件对模型进行分析运算，结果中的等效应力以及各个方向的剪切力导出后作为实验观察指标作进一步的分析；对模型中每个部件的最大应力点的数值以及位置也进行收集整理，以分析模型载荷后的应力集中情况；对模型中每个部件的各方向最大剪切力进行整理，分析模型在和后的局部受力情况；并将模型整体力学以及各向剪切力分布绘制云图。
2.5. 统计学分析
利用SPSS17.0统计学软件，对实验结果进行分析整理，结果采用两独立样本t检验，P值小于0.05被认为差异具有统计学意义。
3. 结果
3.1. 两种模型von Mises应力的比较
双螺钉固定系统的螺钉最大应力为23.014 MPa，出现在靠近前方螺钉的骨折块间隙处位置，见图3；骨折块最大应力为0.736 MPa，出现在靠近前方螺钉孔上方与螺钉接触的位置，见图4；胫骨最大应力为1.933 MPa，出现在下方螺钉孔下方与螺钉接触的位置，见图5。三螺钉固定系统的螺钉最大应力为6.252 MPa，出现在下方螺钉的骨折块间隙处位置。骨折块最大应力为2.158 MPa，出现在靠近前方螺钉孔螺帽与骨块接触的位置；胫骨最大应力为1.991 MPa，出现在下方螺钉孔下方的位置。
3.2. 两种模型XY轴、YZ轴及XZ轴上剪切力的比较
两个模型XY轴、YZ轴以及XZ轴上的最大应力(见表1)。三螺钉系统的螺钉部分以及胫骨部分的各向剪切力均小于双螺钉固定系统的各向剪切力；而骨折块部分的XY轴与YZ轴方向剪切力则是三螺钉系统稍大于双螺钉固定系统。上述所有最大剪切力均集中在骨折块间隙周围位置。
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Table 1. Maximum stress of different components in two fixation method models 表1. 两种固定方式模型各部件的最大应力值
von Mises应力
螺钉系统
XY轴剪切力 YZ轴剪切力 XZ轴剪切力 von Mises应力
骨折块
XY轴剪切力 YZ轴剪切力 XZ轴剪切力 von Mises应力
胫骨部分
XY轴剪切力 YZ轴剪切力 XZ轴剪切力
双螺钉系统(MPa)
23.014 3.594 2.223 2.644 0.736 0.053 0.256 0.903 1.933 0.175 0.77 0.962
三螺钉系统(MPa)
6.252 1.145 0.771 0.705 2.158 0.562 0.508 0.124 1.991 0.163 0.739 0.636
Figure 3. Stress distribution of screws on models. Von Mises stress distribution (A), shear stress of XY axis (B), shear stress of YZ axis (C) and shear stress of XZ axis (D) of double-screws fixation model. Von Mises stress distribution (E), shear stress of XY axis (F), shear stress of YZ axis (G) and shear stress of XZ axis (H) of triple-screws fixation model
图3. 两种固定模型中螺钉系统的应力分布云图。双螺钉固定模型中螺钉系统的(A) von Mises力分布云图，(B) XY轴剪切力分布云图，(C) YZ轴剪切力分布云图，(D) XZ轴剪切力分布云图；三螺钉固定模型中螺钉系统的(E) von Mises力分布云图，(F) XY轴剪切力分布云图，(G) YZ轴剪切力分布云图，(H) XZ轴剪切力分布云图
Figure 4. Stress distribution of fracture fragment on models. Von Mises stress distribution (A), shear stress of XY axis (B), shear stress of YZ axis (C) and shear stress of XZ axis (D) of double-screws fixation model. Von Mises stress distribution (E), shear stress of XY axis (F), shear stress of YZ axis (G) and shear stress of XZ axis (H) of triple-screws fixation model 图4. 两种固定模型中骨折块的应力分布云图。双螺钉固定模型中骨折块的(A) von Mises力分布云图，(B) XY轴剪切力分布云图，(C) YZ轴剪切力分布云图，(D) XZ轴剪切力分布云图；三螺钉固定模型中骨折块的(E) von Mises力分布云图，(F) XY轴剪切力分布云图，(G) YZ轴剪切力分布云图，(H) XZ轴剪切力分布云图
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