不同内固定方式治疗肱骨远端骨折的有限元分析

目的：（1）建立正常成年人肱骨远端三维模型及可靠的有限元模型；（2）通过 利用医学影像三维重建技术和有限元分析技术比较肱骨远端骨折在不同应力状 态下使用平行双钢板固定、垂直双钢板固定及 Y 型钢板固定的生物力学稳定性 差异，明确不同钢板固定方式的应力及位移分布特点，为临床治疗该部位骨折 提供相应建议。

方法：（1）首先获取 1 名志愿者的 CT 原始数据，利用医学影像处理软件 MIMICS 17.0 对数据进行处理，获得肱骨三维模型，利用逆向工程软件 Geomagic Studio 2012 对肱骨模型进行表面光滑处理，利用有限元前处理软件 Hypermesh 13.0 对 肱骨远端模型进行有限元网格划分，随后将模型导回 MIMICS 17.0 进行基于 CT 灰度值的材料赋值，参照既往文献报道，利用有限元分析软件 Abaqus 6.14 对模 型进行相应的生物力学分析，并对该有限元模型的有效性进行验证；（2）利用 三维建模软件 Solidworks 2012 对肱骨远端三维模型进行骨折模型构造，在肱骨 髁上构造长度为 10mm 的骨折缺损，建立平行双钢板、垂直双钢板、Y 型钢板 固定模型，将 3 种模型分别与肱骨远端骨折模型依据骨折治疗的 AO 原则进行装 配，利用有限元前处理软件对上述 3 种装配模型进行四面体网格划分，对肱骨 骨折模型进行基于 CT 灰度值的材料赋值，钢板模型给予均一材料赋值；（3）将 3 种装配模型导入有限元分析软件 Abaqus 6.14 中进行求解，定义钢板螺钉与肱 骨之间的接触关系为绑定，设定肱骨近端在 X 轴、Y 轴、Z 轴上完全固定，分 别在肱骨远端关节面上施加轴向 200N、弯曲载荷 30N，在肱骨远端外侧髁上施 加 30N 内翻载荷，比较内固定物的应力分布及肱骨远端骨块的位移情况。

结果：（1）经过 CT 临床数据采集、图像三维重建、模型表面处理、划分网格等 过程成功地建立了正常成人肱骨远端三维有限元模型，模型在不同轴向载荷下 的最大应力情况与既往相关研究的结果具有高度一致性，说明本研究所建立的 有限元模型是可靠的，可以在后期相关研究中进行应用；（2）经过肱骨远端骨 折模型的构造、内固定模型的建立、骨折模型与内固定模型的装配、网格划分 等过程成功地建立了 3 种骨折固定的有限元模型；（3）在应力分布及最大应力 方面，不同力学加载模式下平行双钢板固定应力分布最为均匀，最大应力值最 低，垂直双钢板固定次之，Y 型钢板固定的应力分布较集中，最大应力值最高；在骨折块位移方面，不同力学加载模式下平行双钢板固定组骨折块位移最小， 垂直双钢板固定次之，Y 型钢板固定最大。

结论：（1）本研究通过利用 MIMICS 17.0 软件、Geomagic Studio 2012 软件、 Hypermesh 13.0 软件成功地建立了肱骨远端三维有限元模型，并顺利通过有效性 验证。该方法简便可靠，可用于相关生物力学研究；（2）在不同力学加载模式 下，平行双钢板的生物力学可靠性及骨折固定的稳定性最优，垂直双钢板次之， Y 型钢板最差，这为临床治疗肱骨远端骨折时选择合适的内固定物提供了有力的 参考。

关键词：肱骨远端骨折 内固定 平行双钢板 垂直双钢板 Y 型钢板 有限元分析

研究现状、成果

   肱骨远端骨折主要是发生在肱骨髁上区或涉及肱骨远端关节面的骨折。据 统计，肱骨远端骨折的发病率每年约为 5.7/100000[1]，并且骨折年龄呈双峰式分 布，第一个发病高峰是 12-19 岁年轻男性，致病原因主要是高能量创伤，第二个 发病高峰是老年骨质疏松女性，致病原因主要是跌落伤，但随着经济社会发展， 交通及工业创伤事故的增多，成人肱骨远端骨折的发生率也不断提高。目前， 该部位骨折临床最常用的分型是基于 AO/OTA 分型，在这个分型系统中，A 型 表示关节外骨折，B 型表示涉及部分关节面骨折，C 型表示关节内骨折并且关节 面完全与肱骨干分离。这 3 种分型方式又通过数字 1，2 和 3 进行亚组分型来表 示骨折部位或粉碎程度。Robinson 等人的研究发现，在成人肱骨远端骨折中，A 型骨折约占 38.7%，B 型骨折约 24.1%，而 C 型骨折约占 37.2%[1]。

    成人肱骨远端骨折损伤往往非常复杂，并且对骨折治疗技术要求非常高。该部位骨折病人大多数选择进行手术治疗，但手术过程中会经常遇到视野暴露 困难、骨质疏松以及干骺端或关节面区域粉碎骨折严重等问题，所以该部位对 手术入路及内固定方式的选择要求非常高。肱骨远端骨折治疗目前在手术入路、 内固定方式、尺神经处理及异位骨化预防治疗等方面仍然存在较大争议，这些 争议推动着本研究不断地研究寻找最佳的解决方案，以帮助病人早期恢复患肢 活动、最大限度保留肢体活动度、减少术后并发症及降低骨折不愈合或延迟愈 合的发生率，最终获得满意的治疗效果。

   由于内固定方式的选择对骨折断端固定、骨折愈合、患肢早期活动及最终 功能结果发挥至关重要的作用，所以许多学者对此做了大量研究。Ulusal 等人和 Papaioannou 等人的研究都比较了双钢板固定与克氏针或单纯螺钉固定治疗肱骨 远端骨折的临床效果，结果均显示钢板固定治疗对骨折术后功能改善明显[2, 3]。Papaioannou 等人的研究还发现，单纯克氏针或螺钉固定治疗肱骨远端骨折的失 败率是钢板固定的 3 倍[3]。Helfet 等人的研究对双钢板固定、交叉螺钉固定及单 纯 Y 型板固定进行了生物力学比较，结果显示双钢板固定治疗肱骨远端骨折无 论在刚度方面还是疲劳试验方面均优于交叉螺钉固定及单纯 Y 型板固定[4]。尽 管这些研究结果均显示双钢板固定对于治疗该部位骨折的巨大优势，但对钢板放置的位置及方向仍存在较大争议，争议主要集中于钢板是否应该两柱固定及 两钢板选择互相垂直放置还是平行放置于内外侧肱骨髁上嵴的问题。Shin 等人 进行了一项前瞻性的随机对照试验研究，纳入样本 35 例，比较平行双钢板固定 与垂直双钢板固定治疗肱骨远端骨折的临床效果，结果显示两组之间没有明显 差异，但垂直固定组有 2 例发生骨不连，而平行固定组未发生骨不连情况[5]。然 而，另一些学者通过构造缺损骨折模型模拟肱骨干骺端粉碎性骨折，结果发现 平行双钢板固定在生物力学方面优于垂直双钢板固定[6-8]。

   有限元分析技术已经广泛应用于骨科的研究当中，无论是在脊柱或关节方 面，还是创伤治疗方面，均可见到有限云分析技术在该领域的研究应用，它极 大地促进了骨科新材料、新技术及新思维的发展。由于它具有可行性强、可信 度高及成本低等优势，因此，本研究可以利用该技术比较在肱骨远端骨折固定 方面平行双钢板、垂直双钢板及 Y 型钢板的生物力学稳定性差异，这不仅摆脱 了传统体外生物力学实验力学加载模式局限及实验材料和设备要求高缺点，而 且明显缩短了实验周期，节省了大量人力和物力。

研究目的、方法

   本研究通过利用计算机三维重建技术和有限元分析技术比较比较肱骨远端 骨折在不同应力状态下使用平行双钢板固定、垂直双钢板固定及 Y 型钢板固定 的生物力学稳定性差异，明确不同钢板固定方式的应力及位移分布特点，为临 床治疗该部位骨折提供相应建议。本研究首先获取 1 名年轻志愿者的上肢的 CT 数据，然后利用 MIMCS17.0、Geomagic Studio2012、Hypermesh13.0 及 Abaqus6.14 等软件构建肱骨远端三维有限元模型并且对该模型的有效性进行验证。随后， 将验证可靠的肱骨远端模型导入 Soldwork2012 软件，并完成肱骨远端骨折模型 与钢板模型的装配过程，然后再次利用 Hypermesh13.0 及 Abaqus6.14 等软件对 组装完成后肱骨骨折固定模型进行网格划分及有限元求解，最终获得 3 种骨折 固定模型相应的应力及位移分布结果，并依据该结果为临床治疗肱骨远端骨折 提供合理化建议，使该部位骨折病人获得更好的临床预后结局。

一、肱骨远端三维有限元模型的构建及其有效性验证

1.1 研究资料和设备

1.1.1 研究资料 

   选取 1 名年龄 31 岁的健康女性志愿者，升高 168cm，体重 55Kg。在获得天 津医院医学伦理委员会及志愿者本人同意后，检查志愿者无上肢畸形、恶性肿 瘤、骨质疏松、外伤等情况。

1.1.2 研究设备 

  （1）CT 扫描设备：美国通用电气公司生产的 64 排螺旋 CT，扫描参数：X 线管电流 260mA，管电压 120kV，扫描层厚 1.250mm，扫描层数 307 层。 

  （2）图形处理工作站：美国 DELL 公司生产的 DELL-T7810，硬件配置：英特尔 E5-2650V4@2.20GHz 2.20GHz 处理器，2T 硬盘，256G 固态硬盘，64G 内存，HID Keyboard Device 主板，NVIDIA Quadro M5000 显卡，DELL 24 英寸 显示器。

   （3）操作系统：美国 Microsoft 公司开发的 Windows7 旗舰版软件操作系统。 

  （4）医学影像处理软件：比利时 Materialise 公司开发的 MIMICS 17.0 软件。 

  （5）逆向工程软件：美国 Geomagic 公司开发的 Geomagic Studio 2012 软件。 

  （6）有限元前处理软件：美国 Altair 公司开发的 Hypermesh 13.0 软件。 

  （7）有限元分析软件：法国 Dassault Simulia 公司开发的 Abaqus 6.14 软件。

1.2 研究方法

1.2.1 临床资料收集

   本研究使用美国通用电气公司生产的 64 排螺旋 CT 对该志愿者颈部以下至 髂腰部以上部位进行扫描，扫描电压设置为 120kV，扫描电流设置为 260mA， 选择骨窗，窗宽 512px，窗高 512px，层厚 1.250mm，层距 1.250mm，扫描层数 307 层，将扫描获得的 CT 数据以 DICOM 格式存储到移动光盘中备用。

1.2.2 建立肱骨三维模型

   将 MIMICS 17.0 软件启动后，打开文件选项，选择新建项目向导，打开 DICOM 格式存储的目标数据图像并进行图像处理，经该过程可获得冠状位、矢 状位及水平位的连续图像窗位，完成二维平面图像向三维立体图像的转换，以 便于进一步行图像三维重建。依据 DICOM 格式存储的 CT 数据具有保真度高，不已损毁，易传输，并且与 MIMICS 软件的匹配程度好等优势，是目前医学影 像重建最常用的一种图像保留格式,如图 1-1。

图 1-1 MIMICS 软件显示肱骨冠状位、矢状位及轴位

   通过利用 MIMCS 17.0 进行 DICOM 格式的原始 CT 数据处理，初步完成二 维平面图像向三维立体图像的转换，为选取本研究所需要的骨骼数据，本研究 对图像进行阈值分割，其中骨骼的阈值范围 226-1831，通过阈值选取，本研究 初步获得双侧锁骨、双侧肩胛骨、双侧肱骨、双侧尺桡骨近端部分、肋骨、胸 骨、下颈椎、胸椎及部分腰椎骨骼蒙板图像。为了选取目标肱骨蒙板并消除软 组织中点状干扰蒙板，本研究需要利用 MIMCS 17.0 软件中的区域增长功能，利 用该功能可快速选取目标骨骼的蒙板，将目标骨骼与其它骨骼及点状干扰蒙板 进行分离，从而得到本研究所需要的肱骨蒙板。

    由于皮质骨与松质骨的密度差异，所以在 CT 灰度值上两者存在明显区别， 在确定阈值范围时，主要以选取全部皮质骨为主，因此会导致大部分松质骨未 被选中，造成目标肱骨蒙板内部存在空洞。通过利用 MIMCS 17.0 软件中的蒙板 编辑功能对部分缺失皮质骨进行编辑修复，然后利用空洞填充功能，对缺失松 质骨部分蒙板图像进行修复，最终获得蒙板图像完整的目标肱骨，为下一步三 维重建工作打下基础。

   经过蒙板编辑及空洞填充处理后，本研究可获得完整的肱骨蒙板。随后， 本研究利用MIMICS 17.0软件中的计算3D蒙板功能将编辑处理后的肱骨蒙板进 行三维重建。生成肱骨模型的三维坐标分别为：肱骨内侧髁到外侧髁方向为 X 轴，肱骨背面至肱骨前面为 Y 轴，肱骨远端至肱骨近端方向为 Z 轴，如图 1-2。随后，将完成重建的肱骨模型另存为点云数据格式备用。计算 3D 蒙板功能依据 需要可分为低质量、中等质量、高质量、优化质量及其他这 5 种模式重建质量 选择，结合实际需要，本研究选择优化质量重建，该模式下既能保证模型的真 实性，又能对模型的细微之处进行一定程度的优化，简化了后期对模型细化处 理过程。

图 1-2 左侧肱骨蒙板及 3D 模型

1.2.3 建立肱骨几何模型

   通过使用 MIMICS 17.0 软件，本研究可以初步将 CT 原始资料转换为三维模 型，但该模型表面粗糙，若未进行表面处理，首先会增加后期有限元网格划分 难度，其次会增加有限元分析的运算量，因此，将这种粗糙模型转换为表面光 滑的几何模型是十分必要的。本研究将 MIMICS 17.0 处理完成后的三维肱骨模 型以点云格式保存，随后将模型导入逆向工程软件 Geomagic Studio 2012 中，先 对模型进行删除体外孤点及降噪处理，然后将处理后的肱骨模型进行封装，生 成多边形。随后，应用 Geomagic Studio 2012 软件中的网格医生，并对肱骨多边 形模型进行自动修复，经过处理后选择软件的快速光滑功能，对模型表面进行 光滑处理。模型表面光滑处理完成后，需要进行曲面片处理，选择软件的精确曲面功能，依次经过自动曲面化、划分轮廓线、生成 NURBS 曲面，最后将曲面 片拟合为完整曲面并保存为 IGES 格式导出，如图 1-3。

图 1-3 a 图为点云过滤取样；b 图为封装多边形；c 图为生成 NURBS 曲面；d 图为构造格栅；e 图为曲面拟合

1.2.4 建立肱骨远端有限元模型

    通过使用 Geomagic Studio 2012 对模型进行表面处理，可获得表面光滑，失 真度低的肱骨几何模型。本研究将该模型以 IGES 格式导入有限元前处理软件 Hypermesh 13.0 中进行肱骨模型网格划分，在该软件中利用实体编辑功能，选取 肱骨远端部分进行操作，然后利用软件的 2D 面网格自动划分功能，对模型进行 面网格划分，以便于后期划分大小均匀的体网格，随后利用软件的 3D 体网格自 动划分功能对模型进行四面体网格划分，设置体网格大小为 1mm，大小范围 0.3-1.5mm。在体网格划分完成后，删除模型面网格，仅保留模型的体网格。将 完成网格划分的肱骨远端模型以 INP 格式保存，如图 1-4。

图 1-4 肱骨远端模型有限元网格划分

   在肱骨远端网格划分完成后，本研究将 INP 格式保存的肱骨远端模型文件 导入 MIMICS 17.0 软件中，对模型进行基于 CT 的 HU 值的材料赋值，设置材料属性种类为 10 种，弹性模量赋值公式[9]：

泊松比设置为 0.3。模型材料赋值过程完成后，本研究将模型继续以 INP 格式保 存并导出，如图 1-5。

1.2.5 验证有限元模型的有效性 

    完成肱骨远端有限元模型材料赋值后，本研究将 INP 格式保存的模型导入 有限元分析软件 Abaqus 6.14 中进行模型有限元力学求解。目前三维有限元模型 的有效性验证方法主要有下列 3 种方式：1)体外生物力学实验验证；2）参照相 关文献研究结果进行验证；3）结合临床实际情况进行验证，本研究选择参照相 关文献研究结果进行模型有效性的验证。本研究按照肱骨滑车处分配 60%载荷， 肱骨小头处分配 40%载荷的原则[10]，模型近端在 X、Y、Z 轴完全固定，在肱骨 尺桡关节面逐渐给予 100N、300N、500N、1000N 轴向压力，观察模型应力情况 并与既往相关研究结果进行对比。

1.3 结果 

1.3.1 肱骨远端有限元模型的构建

    本研究经过 CT 临床数据采集、图像三维重建、模型表面处理、划分网格等 过程成功地建立了正常成人肱骨远端三维有限元模型，其中，四面体网格数 135148，节点数 16500。

1.3.2 肱骨远端有限元模型的有效性验证

    本研究建立的肱骨远端三维有限元模型在不同轴向载荷下的最大应力情况 与王亚斌等人[11]的相关研究结果具有高度一致性，如图 1-6，说明本研究所建立 的肱骨远端三维有限元模型是可靠的，可以在后期相关研究中进行应用。

图 1-6 肱骨远端模型有效性验证结果

1.4 讨论 

1.4.1 有限元分析在骨科研究中的应用

    有限元法是一种数值求解算法，它可用于解决数学、物理、工程学、生物 学和骨科等领域中各种各样的问题[12]。有限元分析是有限元法的一种应用，它 是在计算机模拟中通过代表性几何体在虚拟空间进行评估的研究方法。许多骨 科研究和临床实践中的问题单纯用分析方法无法解决，但运用有限元分析就变 得非常容易。在计算机有限元分析中，通常以设计、筛选、预测、优化为目的， 研究者对大量变量进行高效而准确地评估。例如，设计变量可以包括植入物类 型、手术方法、潜在病变、材料性能或强度变化等。另外，有限元分析可用于 回顾性分析手术并发症及失败原因，进而调整治疗过程中不合理的安排，提高 病人的治疗效果。对某些由物理现象引起的骨科生物及生物力学问题的评估， 主要解决以下两个问题：1）物理过程的数学表达；2）数学模型的数值分析。有限元分析在骨科中的应用可能因需解决的问题不同而存在差异，但一般遵循以下过程：1）几何创建；2）划分网格；3）指定材料性能；4）定义边界条件 和相互作用；5）施加力或位移；6）模拟过程；7）结果的后处理和可视化；8） 有限元分析结果的验证。有限元分析方法可以为骨科研究提供重要的新信息， 是临床决策更加有效。

1.4.2 肱骨远端有限元模型的构建及其研究意义

    肱骨远端是上臂肱骨与前臂尺桡骨重要的连接部位，骨皮质与骨松质在此 部位交汇，它的结构呈三角形，由内外侧柱及远端拱形构成。杜玉勇等人[13]构 建了儿童肱骨三维有限元模型，探究儿童肱骨髁上骨折及肘内翻的发生机制， 证实了骨折易发生于骨形态及皮松质骨交界区。阮世捷等人[14]的研究是构建了 儿童肱骨三维有限元模型并进行了有效性验证，发现有限元模型与尸体骨试验 结果相近，有限元模型可以很好的模拟人体肱骨的力学性能。刘剑等人[15]建立 了成人肱骨远端三维有限元模型，在肱骨远端施加轴向载荷时，研究发现尺侧 平均应力要高于桡侧，尺骨作用力施加到肱骨滑车后更易发生肱骨髁上骨折。本研究通过利用 MIMICS 17.0 实现了二维图像向三维模型转换，利用逆向工程 软件 Geomagic Studio 2012 完成了三维模型的表面处理，利用 Hypermesh 13.0 实 现了模型有限元网格的划分，最终通过有限元分析软件 Abaqus 6.14 完成了肱骨 远端三维有限元模型的有效性验证，通过这一系列软件的应用，保证该模型的 可靠性，为后期相关研究顺利进行奠定了基础。

1.4.3 本研究的局限性

    肱骨远端解剖结构复杂，多条肌肉及肌腱在此处附着，这些肌肉及肌腱对 肱骨远端的力学性能有重要影响，同时，前臂尺桡骨在力的传导方面也发挥了 重要作用，在肱骨远端骨折时，外力大多沿着尺桡骨向肱骨远端传递，因此前 臂尺桡骨与肱骨远端之间的相互关系也对该部位相关研究具有重要作用。本研 究考虑到肱骨远端周围肌肉、肌腱、神经、血管等软组织模型重建过程十分复 杂，且其材料属性具有各向异性和黏弹性特点，既往相关研究也未对此给予保 留，因此，未考虑这些软组织对肱骨远端模型力学性能的影响。另外，前臂尺 桡骨与肱骨远端之间相对活动范围较大，力的传递方向不易确定，本研究也将 前臂尺桡骨对该模型力学性能的影响给予忽略考虑。由于未忽略了肱骨远端周 围软组织及前臂尺桡骨对此部位的力学影响，因而本研究所建立的模型可能与 真实状态下肱骨远端在应力分布方面存在一定差异。

1.5 小结

    本研究通过利用 MIMICS 17.0 软件、Geomagic Studio 2012 软件、Hypermesh 13.0 软件成功地建立了肱骨远端三维有限元模型。该方法快速简便，可行性强， 所构建模型能较好地模拟人体肱骨远端的力学性能，可以用于后期相关生物力 学研究。

二、不同内固定方式治疗肱骨远端骨折的有限元分

2.1 研究资料和设备 

2.1.1 研究资料

   选取 1 名年龄 31 岁的健康女性志愿者，升高 168cm，体重 55Kg。在获得天 津医院医学伦理委员会及志愿者本人同意后，检查志愿者无上肢畸形、恶性肿 瘤、骨质疏松、外伤等情况。

2.1.2 研究设备 

（1）CT 扫描设备：美国通用电气公司生产的 64 排螺旋 CT，扫描参数：X 线管电流 260mA，管电压 120kV，扫描层厚 1.250mm，扫描层数 307 层。 

（2）图形处理工作站：美国 DELL 公司生产的 DELL-T7810，硬件配置：英特尔 E5-2650V4@2.20GHz 2.20GHz 处理器，2T 硬盘，256G 固态硬盘，64G 内存，HID Keyboard Device 主板，NVIDIA Quadro M5000 显卡，DELL 24 英寸 显示器。 

（3）操作系统：美国 Microsoft 公司制作 Windows7 旗舰版软件操作系统。

（4）医学影像处理软件：比利时 Materialise 公司开发的 MIMICS 17.0 软件。 

（5）逆向工程软件：美国 Geomagic 公司开发的 Geomagic Studio 2012 软件。 

（6）工业三维建模软件：法国 Dassault Systemes 公司开发的 Solidworks 2012 软件。

（7）有限元前处理软件：美国 Altair 公司开发的 Hypermesh 13.0 软件。

（8）有限元分析软件：法国 Dassault Simulia 公司开发的 Abaqus 6.14 软件。

2.2 研究方法 

2.2.1 建立肱骨远端骨折的几何模型

   将第一部分研究中志愿者的原始 CT 数据以 DICOM 格式导入 MIMICS 17.0 中，利用软件的图像处理功能可初步得到肱骨三维模型。随后将模型以点云格 式导入 Geomagic Studio 2012 软件中进行表面处理，经过点云、多边形、曲面片、 格栅、拟合曲面等过程处理，生成表面光滑的肱骨几何模型。将该几何模型以 IGES 格式导入三维建模软件 Solidworks 2012 进行骨折模型构造，首先利用软件 的组合删减功能选取肱骨远端部分进行操作，然后在肱骨髁上构造长度为 10mm 的骨折缺损，如图 2-1，然后将骨折模型以 IGES 格式保存备用。

图 2-1 a 图为肱骨远端三维几何模型；b 图为肱骨远端骨折几何模型

2.2.2 建立肱骨远端骨折不同固定方式的几何模型

   本研究双钢板内固定模型参照 DePuy Synthes 公司生产的肱骨远端平行双钢 板和垂直双钢板规格，平行双钢板的内侧板长度 85mm，近端 3 枚螺钉直径 3.5mm，远端 3 枚螺钉直径 2.7mm，平行双钢板的外侧板长度 121mm，近端 3 枚螺钉直径 3.5mm，远端 3 枚螺钉直径 2.7mm；垂直双钢板的内侧板长度 85mm， 近端 3 枚螺钉直径 3.5mm，远端 3 枚螺钉直径 2.7mm，垂直双钢板的背外侧板 长度 127mm，近端 3 枚螺钉直径 3.5mm，远端 3 枚螺钉直径 2.7mm。Y 型内固 定模型参照国立医疗公司生产的 Y 型接骨板规格，Y 型板全长 152mm，近端 4 枚螺钉直径3.5mm，远端两侧分叉各3枚螺钉直径为3.5mm。通过利用Solidworks 软件对上述 3 种内固定方式的钢板模型进行等比例建模，然后利用软件的平移 和旋转功能将钢板模型与肱骨骨折模型按照骨折治疗的 AO 原则[16]进行组装， 如图 2-2。随后使用该软件中的组合删减功能，将肱骨模型中 3 种内固定方式的 螺钉孔道减出，以方便后期进行有限元分析。最后，将完成装配的 3 种肱骨远 端骨折固定模型以 IGES 格式保存备用。

图 2-2 a 图为平行双钢板固定；b 图为垂直双钢板固定；c 图为 Y 型钢板固定

2.2.3 建立肱骨远端骨折不同固定方式的有限元模型

   将上述 3 种肱骨远端骨折固定模型以 IGES 格式导入有限元前处理软件 Hypermesh 13.0 中。首先利用软件的 2D 面网格划分功能，对 3 种模型分别进行 面网格划分，使后期划分出体网格大小更加均匀。然后利用软件的 3D 体网格划 分功能对模型进行四面体网格划分，设置体网格大小为 1mm，大小范围 0.3-1.5mm，在模型体网格划分完成后，删除模型面网格，仅保留模型的体网格， 如图 2-3。最后，将 3 种不同固定方式的肱骨骨折有限元模型和钢板模型均单独 以 INP 格式保存。本研究在该软件中对钢板模型进行材料赋值，设置钢板材料 属性为各向同性的均一材料，弹性模量为 110000Mpa，泊松比为 0.3[17]。将肱骨 骨折有限元模型以 INP 格式导入 MIMICS 17.0 软件中，对肱骨有限元模型进行 基于 CT 的 HU 值材料赋值。设置材料属性种类为 10 种，依据 CT 的 HU 值与材 料密度、材料密度与材料弹性模量的公式[9]完成骨骼材料赋值，如图 2-3。随后 将完成材料赋值的肱骨有限元模型以 INP 格式导出。

图 2-3 a 图为平行双钢板组有限元网格划分；b 图为垂直双钢板组有限元网格 划分；c 图为 Y 型钢板组有限元网格划分；d 图为骨折模型完成材料属性赋值

2.2.4 定义有限元模型的约束条件及载荷

    经过上述过程处理后，本研究将 3 种肱骨远端骨折不同固定方式的有限元 模型以 INP 格式导入有限元求解软件 Abaqus 6.14 中，首先利用软件的装配模块 完成肱骨模型与对应的钢板模型的装配。随后利用软件的相互作用模块定义肱 骨模型与钢板模型间的相互作用关系，定义钢板螺钉与肱骨之间的接触关系为 绑定。在软件的载荷模块，定义肱骨近端在 X 轴、Y 轴、Z 轴上完全固定，分 别在肱骨远端关节面上施加轴向 200N、弯曲载荷 30N，在肱骨远端外侧髁上施 加 30N 内翻载荷，如图 2-4。

图 2-4 模型的边界约束条件及力学加载，a 图为轴向加载；b 图为弯曲加载；c 图为内翻加载

2.2.5 评价标准 

    比较 3 种肱骨远端骨折内固定方式在不同力学加载条件下：1）内固定物的 应力分布情况，最大应力；2）肱骨远端骨折块的位移分布情况，最大位移。

2.3 结果 

2.3.1 肱骨远端骨折不同固定方式有限元模型的建立

   经过肱骨远端骨折模型的构造、内固定模型的建立、骨折模型与内固定模 型的装配、网格划分等过程成功地建立了 3 种肱骨远端骨折固定的有限元模型， 各组模型网格数及节点数见表 1。

2.3.2 不同加载模式下各组内固定物应力情况

   在轴向载荷条件下，3 种内固定方式的应力集中区均位于骨折断端处，比较 最大应力差异见图 2-5，应力分布情况如图 2-6 所示。在弯曲载荷条件下，平行 双钢板应力集中区位于内外侧板中部偏前方，垂直双钢板应力集中区位于内侧 板中部偏前方及背外侧板中部偏外侧，Y 型钢板应力集中区位于骨折断端处，3 种内固方式的最大应力差异见图 2-5，应力分布情况如图 2-7 所示。在内翻载荷 条件下，平行双钢板应力集中区位于外侧板中部，垂直双钢板应力集中区位于 内侧板骨折端附近 2 枚螺钉处及背外侧板中部，Y 型钢板应力集中区位于近端第 4 枚螺钉处，不同内固定方式的最大应力比较见图 2-5，应力分布情况如图 2-8 所示。

图 2-5 3 种内固定方式在不同加载条件下的最大应力差异，a 图为轴向加载；b 图为弯曲加载；c 图为内翻加载

图 2-6 3 种内固定方式在轴向加载条件下的应力云图，a 图为平行双钢板；b 图 为垂直双钢板；c 图为 Y 型钢板

图 2-7 3 种内固定方式在弯曲加载条件下的应力云图, a 图为平行双钢板；b 图 为垂直双钢板；c 图为 Y 型钢板

图 2-8 3 种内固定方式在内翻加载条件下的应力云图, a 图为平行双钢板；b 图 为垂直双钢板；c 图为 Y 型钢板

2.3.3 不同加载模式下各组骨折块位移情况

   在轴向加载条件下，平行双钢板组骨折块位移由肱骨远端关节面均匀向近 端递减，垂直双钢板组骨折块位移由外侧髁向内上方递减，Y 型钢板组骨折块由 肱骨远端关节面向近端递减，3 组骨折块最大位移差异见图 2-9，位移分布情况 如图 2-10 所示。在弯曲载荷条件下，3 种内固定方式的骨折块位移均由肱骨远 端关节面向近端递减，但 Y 型钢板组骨折近端未见明显位移，各组骨折块的最 大位移差异见图 2-9，位移分布情况如图 2-11 所示。在内翻载荷条件下，各组骨 折块位移均由肱骨远端关节面向近端递减，Y 型钢板组骨折近端亦可见较明显位移，各组骨折块的最大位移差异见图 2-9，位移分布情况如图 2-12 所示。

图 2-9 3 种固定方式在不同加载条件下骨折块最大位移比较，a 图为轴向加载；b 图为弯曲加载；c 图为内翻加载

图 2-10 在轴向加载条件下骨折块位移云图，a 图为平行双钢板固定组；b 图为 垂直双钢板固定组；c 图为 Y 型钢板固定组

图 2-11 在弯曲加载条件下骨折块位移云图，a 图为平行双钢板固定组；b 图为垂 直双钢板固定组；c 图为 Y 型钢板固定组

图 2-12 在内翻加载条件下骨折块位移云图，a 图为平行双钢板固定组；b 图为 垂直双钢板固定组；c 图为 Y 型钢板固定组

2.4 讨论

2.4.1 肱骨远端骨折的内固定治疗

   自从上世纪 70 年代 AO 组织提出双柱钢板固定治疗肱骨远端骨折以来，该 部位手术治疗效果得到显著改善，其治疗原则包括关节面解剖复位和双钢板坚 强固定。骨折的复位顺序是首先复位固定肱骨远端关节面，随后使用坚强钢板 复位及固定关节面至骨干区域[18]。若干骺端发生严重的粉碎骨折或大量骨缺损， 为保证关节面对位关系而使得骨折部位发生一定程度的短缩也是可以接受的， 尤其对于骨质疏松患者而言，这可以大大的提高骨折的稳定性。AO 认为垂直双 钢板固定符合肱骨远端双柱的解剖学特点，背外侧钢板可以避开关节结构，而 且与内侧钢板构成立体三角结构，具有较强的结构稳定性；Mayo 结合拱门原理 提出了平行双钢板固定，认为肱骨远端类似拱门，平行固定肱骨远端双柱可获 得较好的结构稳定性，完全满足早期功能康复锻炼的需要；Y 型钢板更加符合肱 骨远端背侧的解剖结构，与骨面有更好的贴服关系，亦可实现对远端双柱的坚 强固定。Ulusal 等人[2]和 Papaioannou 等人[3]比较了双钢板固定和克氏针或螺钉 固定治疗肱骨远端骨折的临床结果，均发现双钢板固定明显提高了患者的功能 结果，使用克氏针或螺钉固定导致不良功能结果的风险是钢板固定的 3 倍。杨 超等人[19] 比较了平行双钢板与 Y 型钢板治疗肱骨远端骨折的临床疗效，研究发 现平行双钢板固定在术后并发症、早期进行功能康复训练、骨折愈合时间、肘 关节功能结果等方面明显优于 Y 型钢板。高云等人[20]研究了垂直双钢板与 Y 型钢板治疗肱骨远端骨折的远期临床效果，发现两种内固定治疗方式均可获得满 意的远期临床效果。然而，沈小军等人[21]对比垂直双钢板与 Y 型钢板治疗肱骨 远端骨折的临床效果时发现，两种固定方式在出血量、手术时长、住院时长、 骨折愈合时长方面不存在统计学差异，而垂直双钢板固定可获得更好肘关节功 能恢复及更低的内固定失败率。苏如洪等人[22]与张永立等人[23]比较了平行双钢 板与垂直双钢板治疗肱骨远端骨折的临床效果，发现两种固定方式均可获得满 意治疗效果。

2.4.2 本研究结果的具体分析及临床意

   内固定物发生断裂往往与其所承受的最大应力存在密切关系，只有内固定 物的应力分布均匀，最大应力值远低于其承载的极限值，内固定物才不容易发 生断裂。本研究分析了不同力学加载模式下，肱骨远端骨折分别使用平行双钢 板、垂直双钢板及 Y 型钢板固定的应力分布及最大应力情况，发现双钢板的最 大应力值在不同受力条件下均明显优于 Y 型钢板，说明双钢板发生内固定断裂 的风险要明显低于 Y 型钢板，而平行双钢板的最大应力也明显低于垂直双钢板， 表明平行双钢板结构布置更加合理，从而使得钢板应力分布更加均匀，避免了 应力集中，有效地降低了内固定物的最大应力。该研究结果也与既往李晓苏等 人[24]的体外生物力学研究结果相一致，他们通过利用三点弯曲法比较了垂直双 钢板与 Y 型钢板力学性能，发现垂直双钢板的力学稳定性远高于 Y 型钢板。骨 折固定的稳定性与骨折块的位移直接相关，当骨折块之间的相对位移过大，骨 折固定的稳定性便会降低，因此，研究骨折块之间的位移关系对了解骨折固定 的稳定性十分重要。本研究发现在不同力学加载方式下，平行双钢板固定的骨 块位移最小，其次为垂直双钢板固定，Y 型钢板固定的骨块位移最大，说明平行 双钢板固定骨折的稳定性最优。蔡浩等人[25]对平行双钢板与垂直双钢板也进行 了体外生物力学研究，发现在相同载荷下，平行双钢板应变及位移程度明显低 于垂直双钢板，这与本研究结果相一致，同时，也充分说明平行双钢板固定效 果优于垂直双钢板。结合本研究结果，临床在手术内固定治疗肱骨远端骨折时， 可优先选择平行双钢板进行骨折固定，其内固定物的可靠性及固定的稳定性明 显优于垂直双钢板及 Y 型钢板，充分满足肘关节早期功能康复锻炼的需要。

2.4.3 本研究的不足之处

    本研究通过利用计算机有限元分析技术对平行双钢板、垂直双钢板、Y 型钢 板治疗肱骨远端骨折进行应力及位移方面的研究，但本研究对所构造的肱骨远端骨折模型进行了简化处理，仅涉及肱骨髁上骨折部位，未对肱骨髁间骨折进 行相关研究，未来仍需进一步完善该部分研究。肱骨骨骼材料属性是非线性， 各向异性材料，尽管本研究对肱骨材料属性的赋值方法较既往均质材料赋值方 法有所改进，但与肱骨真实材料属性仍有差距，对研究结果造成一定误差。本 研究仅考虑内固定物的整体结构特点，对内固定物局部结构特征及钉-板关系未 予充分考虑，因此，内固定物的生物力学性能可能未得到充分发挥，对最终研 究结果造成一定程度的影响。

2.5 小结 

   本研究就上述内固定方式的应力分布及最大应力而言，在不同力学加载模 式下，平行双钢板固定应力分布最为均匀，最大应力值最低，垂直双钢板固定 次之，Y 型钢板固定的应力分布较集中，最大应力值最高；就肱骨远端骨折块位 移而言，在不同力学加载模式下，平行双钢板固定组骨折块位移最小，垂直双 钢板固定次之，Y 型钢板固定最大。因此，平行双钢板的生物力学可靠性及骨折 固定的稳定性最优，垂直双钢板次之，Y 型钢板最差。

结论

1、第一部分研究通过对志愿者原始 CT 数据进行处理，重建肱骨三维模型并光 滑表面，建立肱骨远端三维有限元模型并对模型的有效性进行验证，进而得到 了可靠的有限元模型，为下一步骨折模型的构建及相关内固定方式的生物力学 研究打下坚实的基础。该有限元建模方法快速简便，可行性强，所构建的模型 能较好地模拟人体肱骨远端的力学性能，可以为相关力学研究提供可靠的实验 数据。

2、第二部分研究通过对肱骨远端三维模型进行骨折模型构造，建立肱骨远端骨 折三维模型，构造平行双钢板、垂直双钢板、Y 型钢板的三维模型并与肱骨远端 骨折三维模型完成组装，建立了 3 种内固定方式的有限元模型，对不同内固定 方式治疗肱骨远端骨折进行了力学有限元分析，探究内固定物的可靠性及骨折 固定的稳定性差异。本研究发现，在不同力学加载模式下，平行双钢板的生物 力学可靠性及骨折固定的稳定性最优，垂直双钢板次之，Y 型钢板最差，这为临 床肱骨远端骨折内固定物选择提供了有力的参考。

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