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孟氏骨折环状韧带临床病理发现及有限元模型分析

谭江威  
【摘要】: 第一部分:环状韧带的临床病理发现 研究背景:孟氏骨折的机制至今仍有不同的观点。Evens认为是尺骨骨折以及相继出现的旋前引起了对桡骨头的杠杆作用,从而造成了桡骨头的脱位。他在尸体标本上应用过度的旋前模拟了这种受伤的机制。Tompkin认为在摔倒时上肢的过度伸展使肱二头肌紧张,将桡骨小头向前牵拉脱位;此时由于尺骨必须承载体重,从而造成了进一步的骨折。早期还有人认为是直接暴力打击造成的尺骨骨折和桡骨头的脱位。我们前期对几例亚急性桡骨小头半脱位的手术治疗中的发现:环状韧带是完整的,并且紧紧地卡压在肱桡关节间隙之间;由于肢体的牵拉不能够拉开横行撕裂并弹性收缩的环状韧带,所以将桡骨小头闭合复位于环状韧带内部几乎是不可能的。在接下来的几例严重的不稳定的尺骨骨折中,我们通过闭合复位以后,得到了几乎正常的肱桡关节的X线影像。但是,我们同时发现在将尺骨固定之前,肱桡关节很容易出现再脱位。基于此我们进行这个临床研究。 目的:报告儿童孟氏骨折手术治疗中环状韧带的病理发现;提出儿童孟氏骨折的治疗策略。 病人与方法:对35例儿童Ⅰ型和Ⅲ型孟氏骨折的病人进行了手术治疗;病例包括27个男孩,8个女孩。年龄3-13岁,平均8.6岁。骨折发生在右臂16例,左臂19例;27个骨折是由于摔伤造成,8例为挤压伤。BadoⅠ型21例,BadoⅢ型14例,其中10例是尺骨鹰嘴骨折,17例为尺骨上1/3,8例为尺骨中1/3。手术前6例病人出现桡神经麻痹的症状。受伤后3小时到8天进行手术。平均随访时间为15个月到5年,平均37.4个月。对本组病人都进行了桡骨小头的探查。所有的病人均应用臂丛麻醉;对于手术中不能合作的年龄较小的病人加用全身基础麻醉。在切开复位之前行手法闭合复位桡骨小头。对于BadoⅠ型损伤,我们应用前方切口。对于BadoⅢ型损伤,我们应用外侧切口,从桡侧腕伸肌和指总伸肌之间进入。手术中发现了所有的环状韧带均没有断裂;环状韧带下缘的关节囊横行撕裂。在所有的病例中,尽管都得到了肱桡关节的影像学复位,但有32例病人的环状韧带卡压在肱桡关节之间。3例病人的桡骨头复位到了环状韧带内,这3个病例的环状韧带的裂口相对较小。部分的病人进行了关节囊的修复;18个病人的关节囊的撕裂是从桡骨颈完全撕裂,没有进行常规的关节囊的修复。16例病人的尺骨骨折应用切开复位克氏针固定,13例病人进行了钢板固定。6例尺骨青枝骨折进行了手法复位石膏外固定。手术后将肘关节石膏固定于中立位至少3周以确保关节囊的愈合。之后,应用尺骨钢板的儿童可以自由活动患肢。应用克氏针固定的病人,外固定的时间可延长到6-10周直到骨质愈合。桡神经损伤的病人均未进行神经探查手术。 结果:所有的病人在6个月的随访时的骨愈合良好,关节活动范围正常。HHS评级均为优(>90分)。所有的尺骨钢板均在6个月内取出。直到最后一次随访没有出现桡骨小头的半脱位和再脱位。复查中没有发现肘关节周围的异位骨化现象。 结论:本组病人的环状韧带均未断裂;桡骨头从环状韧带下缘的关节囊裂口滑出;手法复位后,大部分病人仍存在环状韧带的卡压(32/35)不能复位。我们建议对儿童孟氏骨折进行环状韧带的复位。如果由于种种原因这种操作不能进行,我们强调尺骨的坚强固定。如果尺骨的稳定也不能确定,定期的X线复查就必不可少,特别是在复位后的3-4周。这样才能确保桡骨头不再出现再脱位或半脱位。对环状韧带的切开复位是治疗流程中的一种选择。 第二部分:环状韧带有限元模型分析 研究背景:第一部分的临床研究对环状韧带的病理发现给我们提出了许多有待解决的问题:1)尺骨前后方向的受力会引起桡骨小头的纵向滑出,其生物力学基础是什么?2)如果环状韧带的卡压普遍存在,为什么许多的手法复位治疗的儿童孟氏骨折却同样得到了较好的临床效果?也就是卡压韧带最后的转归是怎样的?3)病人的年龄在自然转归中的作用是什么?4)损伤的程度和类型是否可以提示卡压韧带的转归?要回答这些问题需要更深入的生物力学和病理学研究。其中生物力学测试对这种病理现象的解释是最基本的,也是最重要的。基于此我们应用了三维有限元模型的方法对孟氏骨折环状韧带病理变化的生物力学机制进行了初步的研究。 目的:通过有限元模型分析,探讨孟氏骨折环状韧带病理的特殊病理变化的生物力学根源。 材料与方法:对旋前位和选后位的前臂骨骼韧带标本进行螺旋CT(Philips公司,荷兰,64排)扫描,电压120KV,层厚0.67mm。将DICOM格式的图像在CT工作站调整为骨窗,之后将数据通过光盘导入三维重建软件MIMICS(Materialise公司,比利时)。通过筛选,在MIMICS中重建出尺骨和桡骨的三维图像。利用remesh模块对模型进行光滑处理,并细分面网格,生成光滑和几何高度近似的模型以便受力分析。在骨骼模型的基础上,根据桡骨和尺骨的结构设计出韧带的模型,并与骨骼装配,同时细分并优化面网格模型。将优化的面网格文件导入PATRAN前处理软件(NASA,美国),生成尺骨、桡骨和韧带的四面体单元。为了得到更准确的模型,对于受力梯度集中的区域进行极精细的网格化。以此为起点形成的网格能准确获得骨骼和韧带的形状。应用原始模式识别高离散化区域;应用额外位移方式改善精确度。两个模型生成的单元数和节点数分别为:模型一:节点23630;骨骼四面体单元97800;韧带四面体单元10788。模型二:节点数28411;骨骼四面体单元116844;韧带四面体单元12878。根据CT骨骼皮质骨的厚度,分割出尺骨、桡骨的皮质骨和松质骨。将皮质骨、松质骨、韧带的材料属性分别附加给相应的单元。皮质骨(Young's modulus=50Mpa,Poisson'sratio=0.26)和松质骨(Young's modulus=50Mpa,Poisson's rmio=0.26)的材料属性来源于文献,并被视为线性,各向同性,均质的。韧带的属性(Young'smodulus=50Mpa,Poisson's ratio=0.3)是非线性的,设置为只受拉弹性性质。将两个模型分别导入ABAQUS软件。约束尺骨、桡骨远端,尺骨骨折端,模拟骨折瞬间力学状态。在尺骨近端施加作用力(两个标本Y轴的点作用力均为100N),观察环状韧带的力学变化。分析韧带节点的位移情况,比较环状韧带在两个位置的三维受力的不同。应用成对T检验分别比较韧带在三个轴的最大位移;结合临床分析比较了两个标本中三个方向位移的不同比例。 结果:两个标本中韧带在X,Y,Z三个方向的位移的大小均有统计学的差异。在前臂轻度旋前时,当施加单纯的Y方向(前后位)的力时,在骨折的瞬间,韧带处产生与Y方向位移相当接近的Z方向(纵轴)的位移(约占Y方向位移的80%)。综合位移主要来源于Y方向和Z方向的合力,X方向(侧方)的位移相对较小。当前臂旋后时,韧带在三个方向的位移发生比例上的变化。X轴上的分力明显增大,Z轴上的力明显减少。也就是说在旋后位时,韧带纵向滑移的力量很小。 结论:孟氏骨折环状韧带的特殊病理变化(环状韧带未断裂;桡骨头从环状韧带下缘的关节囊裂口滑出;手法复位后,大部分病人仍存在环状韧带的卡压)可以从骨折的生物力学得到较为合理的解释;骨折瞬间韧带在纵向和前后位的受力的大小决定桡骨小头的脱位情况;前臂的骨折时的位置是决定韧带受力方向的重要因素。


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