微创入路经皮钢板治疗胫骨中段骨折的生物力学研究及三维有限元分析

【摘要】： 第一部分微创入路经皮钢板治疗胫骨中段骨折的生物力学研究 目的： 研究LC-DCP钢板长度、螺钉固定数目及位置对胫骨中段骨折的生物力学影响，为MIPO技术提供生物力学证据。 方法： 选取成人(20-40岁)尸体胫骨湿标本60根。随机分组，制成中段斜行无缺损骨折模型，研究以不同长度(6孔、10孔、14孔)LC-DCP6枚螺钉固定，不同数目(6枚、10枚、14枚)螺钉固定14孔LC-DCP，14孔LC-DCP用6枚螺钉不同位置固定的压缩、扣转、三点弯曲的力学特性。垂直压缩载荷为0～1 000 N，扭转角度为0～3°，三点弯曲载荷为0～400 N。测定扭转、三点弯曲、压缩等载荷-应变指标，进行统计学分析。 结果： 一、钢板长度对胫骨中段骨折的生物力学影响 6孔、10孔和14孔钢板垂直压缩时垂直方向应变值分别为0.449±0.241、0.093±0.003、0.139±0.005，10孔和14孔钢板与6孔钢板比较差异有统计学意义(P＜0.01)。6孔、10孔和14孔钢板侧方应变值分别为0.120±0.0004、0.1275±0.01、0.237±0.0006，6孔钢板和10孔钢板与14孔钢板比较差异有统计学意义(P＜0.01)，6孔钢板与10孔钢板间比较差异无统计学意义(P＞0.05)。6孔、10孔和14孔钢板扭矩分别为(5.066*10~(-3)±2.715*10~(-3))N·m、(5.671*10~(-3)±2.527*10~(-3))N·m、(4.570*10~(-3)±2.228*10~(-3))N·m，三点弯曲垂直方向应变值分别为0.049±0.009、0.124±0.017、0.062±0.009，各孔钢板间两两比较差异均有统计学意义(P＜0.01)。 二、螺钉固定数目对胫骨中段骨折的生物力学影响 6枚、10枚和14枚螺钉固定垂直压缩时垂直方向应变值分别为0.120±0.006、0.111±0.012、0.116±0.008，两两比较差异无统计学意义(P＞0.05)。6枚、10枚和14枚螺钉固定侧方应变值分别为0.234±0.007、0.234±0.000、0.179±0.002，两两比较差异无统计学意义(P＞0.05)。6枚、10枚和14枚螺丝钉固定扭矩分别为(7.304*10~(-3)±3.072*10~(-3))N·m、(6.069*10~(-3)±3.086*10~(-3))N·m、(7.1295*10~(-3)±3.908*10~(-3))N·m，两两比较差异无统计学意义(P＞0.05)。三点弯曲垂直方向应变值分别为0.149±0.098、0.139±0.003、0.258±0.001，6枚螺钉和10枚螺钉相比，无显著性差异(P＞0.05)，14枚螺钉和其他两种情况对比，有显著性差异(P＜0.01)。 三、螺钉固定位置对胫骨中段骨折的生物力学影响 第一组固定自上而下1，2，7，8，13，14孔，第二组固定自上而下1，4，7，8，11，14孔，第三组固定自上而下1，3，6，9，12，14孔，第四组固定自上而下1，2，3，12，13，14孔。 四组垂直压缩时垂直方向应变值分别为0.120±0.006、0.0330±0.0027、0.139±0.005、0.116±0.008，第二组和其他组对比差异有统计学意义(P＜0.01)。四组侧方应变值分别为0.234±0.007、0.237±0.0006、0.187±0.002、0.217±0.002，第三组和其他组比较差异有统计学意义(P＜0.01)。四组扭矩分别为(7.304*10~(-3)±3.072*10~(-3))N·m、(6.965*10~(-3)±3.096*10~(-3))N·m、(4.570*10-3±2.228*10~(-3))N·m、(2.086*10~(-3)±0.998*10~(-3))N·m，第三组和其他组比较差异有统计学意义(P＜0.01)。三点弯曲垂直方向应变值分别为0.149±0.098、0.184±0.002、0.004±0.001、0.282±0.000，第一、第二组和其他组两两比较差异均有统计学意义(P＜0.01)，第四组和其他组两两比较差异均有统计学意义(P＜0.01)，第一、二组两两比较差异无统计学意义(P＞0.05)。 结论： 一、材质相同、厚度相同、宽度相同、使用相同数量螺钉、不同长度(6孔、10孔、14孔)的钢板，抗垂直压缩稳定性、抗扭转稳定性、抗弯曲稳定性14孔钢板相对较好，6孔钢板相对较差。 二、材质相同、厚度相同、宽度相同、长度相同的钢板，使用不同数量螺钉(6枚、10枚、14枚)，抗垂直压缩稳定性、抗扭转稳定性无明显差异，抗弯曲稳定性14枚螺钉反而较差。 三、使用相同材质、相同长度、相同宽度、相同数量螺钉，靠近骨折线处上螺钉，抗压缩稳定性和抗扭转稳定性较好，而螺钉分布于钢板两端，抗扭转稳定性较差。螺钉平均分布，抗弯曲稳定性和抗扭转稳定较好，而螺钉分布于钢板两端，抗弯曲、抗压缩、抗扭转稳定性较差。 第二部分微创入路经皮钢板治疗胫骨中段骨折的三维有限元分析 目的： 研究LC-DCP不同螺钉固定数目及位置对胫骨中段骨折的生物力学影响的三维有限元模型，为MIPO技术提供更翔实的证据。 方法： 选取5具青壮年男性尸体的胫骨湿标本，制成胫骨中段斜形无缺损骨折模型，以14孔LC-DCP固定，第一具固定在1，2，3，12，13，14孔，第二具固定在1，4，7，8，11，14孔，第三具固定第1，3，6，9，12，14孔，第四具固定第1，2，7，8，13，14孔，第五具用14枚螺钉固定。利用有限元软件Ansys 6.5构造以上五种胫骨中段骨折内固定三维有限元模型。数字模拟压缩、扭转加载，垂直压缩0—1000N，扭转速率为2°／s，扭转角度为3°。测定各个螺钉应力指标，进行统计学分析。 结果： 一、第1，2，3，12，13，14孔螺钉固定模型加载时各个螺钉在X、Y轴上的压缩、扭转受力以第3、12孔为大，呈向骨折处集中的趋势。各个螺钉在z轴上受力变化不人。总体来看，螺钉受力不大，应力主要集中在未行固定的钢板处。 二、第1，4，7，8，11，14孔螺钉固定模型加载时各钉轴向压缩时X、Y、Z轴上的受力均以第1孔为最大，第4孔次之，受力有自上而下逐步减少的趋势。扭转时以X、Y、Z轴上的受力以第7孔和第8孔为最大，有自骨折中央处向两边逐步减弱的趋势，但受力集中在钢板中央位置。三、第1，3，6，9，12，14孔螺钉固定模型加载时各钉轴向压缩时X、Y、Z轴上的受力均以第1孔为最大，第3孔次之，受力有自上而下逐步减少的趋势。扭转时以X、Y、Z轴上的受力以第6孔和第9孔为最大，未采用螺钉固定的钢板中央部位分担的应力较大。 四、第1，2，7，8，13，14孔螺钉固定模型加载时各钉轴向压缩时X、Y、Z轴上的受力均以第1孔为最大，第2孔次之，受力有自上而下逐步减少的趋势。扭转时X、Y、Z轴上的受力以第7孔和第8孔为最大，但较前固定方法应力小，整个钢板应力分布比较均衡。 五、全部14枚螺钉固定螺钉孔模型加载时各钉轴向压缩时X、Y、Z轴上的受力均以第1孔为最大，第2孔次之，受力有自上而下逐步减少的趋势。扭转时以X、Y、Z轴上的受力以第7孔和第8孔为最大，应力较为集中在钢板中央的2枚螺钉。 结论： 一、本研究建立的胫骨中段骨折内固定模型能逼真地反映胫骨的真实几何结构。 二、本模型为其进行骨折内固定三维有限元模型力学分析和仿真试验提供了新的研究手段，具有良好的应用前景。 三、应用6枚螺钉固定14孔钢板时其螺钉所受压缩应力与14枚螺钉固定时相当，所受扭转应力反而较小。 四、运用MIPO技术治疗胫骨中段骨折时，以6枚螺钉固定14孔长钢板为妥，又以固定第1，2，7，8，13，14孔为最佳。