四孔螺釘肋骨接骨板治療多發性肋骨骨折的力學分析

黎健明 王冬冬 王曉奇 王長濤 王盛章

0 引言

多發性肋骨骨折及連枷胸，是最常見的胸廓損傷情形之一，臨床治療手段主要為通過植入物進行內固定。目前主要的肋骨骨折內固定器械包括4種。(1)可吸收螺釘[1-2]，在手術中將斷骨兩端錯位后進行植入，再利用可吸收線對骨折處捆扎固定。手術后期可吸收釘被完全吸收，無需二次手術取出。但人體肋骨髓腔大小存在差異，可吸收釘難以與髓腔匹配合適，容易出現松動，導致固定效果下降。(2)形狀記憶合金環抱器[1,3]，使用前先置于無菌的冰生理鹽水中浸泡，使其處于開啟狀態，置于骨折處固定后，用熱敷方法使其閉合[4]。環抱器操作簡單，組織相容性好，但在肋骨曲率較大時，環抱器植入后不能緊貼肋骨表面，當骨折肋骨寬度小于環抱器時，出現抱不緊的情形[5]，斷骨可能發生移位。(3)純鈦爪形接骨板[6-8]，手術時切開上下緣肋間肌，通過爪形接骨板的抓持鉗固定在肋骨斷端處。爪形接骨板植入過程簡便，但八爪接骨板[9]在肋頸部骨折中如其骨折斷端距離根部小于2 cm時難以植入[5]，且對于斷端有碎片的骨折難以得到有效固定。盡管改進的六爪接骨板能更好固定斷端有碎骨的骨折[4]，但對于曲率較大的骨折位置，仍有其適用性局限。(4)多孔螺釘重建鋼板[4，10-11]，Oyarzun等自1992年設計并開始使用，通過鋼板連接斷骨，用螺釘進行固定，對斷骨有很好的固定效果，無松動脫落。但Reber等后來研究指出，重建鋼板和螺釘的過多使用可能會導致胸壁僵硬。此外現有的多孔螺釘重建鋼板存在跨度大、手術復雜、對肋骨損傷大的缺點。

本研究擬針對目前內固定器械存在的固定效果不足、大曲率肋骨段不適用等局限性，自主開發制造了四孔螺釘肋骨接骨板，在肋骨曲率較大處仍能緊密貼合肋骨表面以保證固定效果。研究進一步通過有限元模擬評價四孔螺釘肋骨接骨板的力學性能，并結合臨床實踐檢驗其治療效果。

1 研究方法

首先建立人體肋骨模型和四孔螺釘肋骨接骨板的模型，組合后得到四孔螺釘接骨板固定后的肋骨骨折模型，通過有限元分析研究在外界碰撞下肋骨的應力和位移分布情況，與正常肋骨作比較，評價四孔螺釘肋骨接骨板的力學性能。

1.1 肋骨和四孔螺釘肋骨接骨板模型的建立

利用醫學影像軟件Mimics 19.0 (Materialise,比利時)對CT掃描的人體胸廓數據進行處理，重建得到患者胸廓的三維模型。使用逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0 (Geomagic,美國)對胸廓模型進一步處理，提取出相對容易受損傷的第6對的左側肋骨段進行平整修復和前處理，擬合成光滑的NURBS曲面，見圖1(a)、(b)所示。

自主開發的四孔螺釘肋骨接骨板材料為純鈦，螺釘使用鈦合金材料，接骨板厚度為1 mm，具體尺寸如圖1(c)、(d)所示。參照實物，使用3D建模軟件Solidworks 2016(Dassault,法國)建立四孔螺釘肋骨接骨板的模型，并通過彎曲使其完全貼合肋骨表面外側，用于后續與肋骨的裝配分析。

圖1 肋骨與四孔螺釘肋骨接骨板模型Figure 1 Models of rib and four-hole screw rib plate

1.2 有限元模型及網格劃分

首先在肋骨中部將模型分割成兩段得到骨折的模型，模擬肋骨完全折斷的情形。肋骨在生理結構上分為皮質骨、松質骨兩層結構，且在近胸端附著有軟骨[12-13]，因此建模時肋骨劃分成不同區域，采用不同的材料屬性。四孔螺釘肋骨接骨板在骨折處與兩端肋骨貼合放置，螺釘穿過螺孔置于肋骨內，故采用螺釘與肋骨內部綁定約束，即螺釘與肋骨的接觸面不會發生相對運動。使用Hypermesh 17.0(Altair,美國)軟件對肋骨和四孔螺釘肋骨接骨板分別進行網格劃分，皮質骨的總厚度設定為1 mm[14]。網格劃分結果如圖2所示。

圖2 肋骨(a)與接骨板(b)的網格模型Figure 2 Mesh models of rib(a) and rib plate(b)

1.3 材料屬性及邊界條件

四孔螺釘肋骨接骨板和肋骨的材料屬性源于文獻[15-16]，如表1所示。由于螺釘材料剛度大，在肋骨加載過程中螺釘變形極小，故在模型中把螺釘視為剛體。碰撞過程中，肋骨兩端設定為固支邊界條件[15,17-19]。人體胸廓遭受撞擊時，撞擊的位置對肋骨的損傷程度有著重要的影響，本研究考慮3種不同的載荷施加位置，如圖3所示，加載大小為0.3 MPa的均勻分布壓力[4,20-22]，模擬胸廓受到中等程度碰撞情形中肋骨所受壓力[4]。

2 研究結果

接骨板的有限元分析在Abaqus 17.0 (Dassault,法國)中完成，得到3種撞擊載荷下肋骨的應力與位移分布。為了探討四孔螺釘肋骨接骨板的固定性能，研究組對骨折固定后的肋骨及正常肋骨的應力、位移場分布進行研究比較，并與先前在同一模型中采用六爪接骨板固定的研究結果[4]對比，結果如表2數據所示。在3種不同位置的撞擊載荷下，四孔螺釘肋骨接骨板固定后的肋骨的最大位移值最小，小于正常肋骨和六爪接骨板固定，且3種工況下骨折斷面間隙值均很小，表明肋骨在骨折斷面處在外力下仍能處于良好的閉合狀態，緊密貼合的骨折斷面有利于愈合和恢復。

表1 接骨板和肋骨的材料屬性Table 1 Material properties of rib plate and rib

均布壓力分別作用在肋骨不同位置，肋骨中部(A)、肋骨遠胸骨端(B)、 肋骨近胸骨端(C)。圖3 三種情形下肋骨所受載荷Figure 3 Load on the rib in three cases

當撞擊發生在肋骨中部，即靠近骨折發生位置時，肋骨的損傷風險最大，圖4(a)、(b)展示了當撞擊發生在中部時肋骨的位移分布。位移最大值出現在肋骨中部加載處，使用四孔螺釘肋骨接骨板固定后最大位移為5.82 mm，骨折處斷面間隙值為0.06 mm，表明螺釘肋骨接骨板能有效地防止斷骨的錯位和移動，從而保護胸廓和肺部。螺釘孔處出現應力集中現象，如圖4(c)所示，最大應力值超出正常肋骨94.8%，此處高應力由螺釘與肋骨的鎖定式接觸產生，以保證接骨板的固定效果。對于撞擊載荷發生在肋骨中部和近胸端時，均在螺釘孔處出現明顯的應力集中現象，撞擊發生在遠胸端時，應力上升不明顯，說明應力集中與加載的位置之間密切相關。

3 臨床回顧

3.1 臨床資料

全組30例患者，均由CT影像確診為多發性肋骨骨折，其中男性26 例，女性4 例，34～87 歲。均通過手術使用四孔螺釘肋骨接骨板進行內固定。

3.2 手術方法

氣管內插管全身麻醉，多采用側臥位，根據肋骨骨折部位和數量，選擇1～3 個平行肋骨的切口，切口長4～6 cm，切開皮膚、皮下組織、肌層，顯露骨折斷端，去除斷端內嵌入的軟組織，將斷端解剖復位，用抓持鉗將四孔螺釘肋骨接骨板微折成與肋骨相適應的曲度后置入骨折處，斷端兩側各2個螺釘孔，選擇的螺釘長度與肋骨厚度匹配，螺釘鎖定深度剛好穿過內側骨皮質，4個螺釘鎖定后按壓無松動，完成固定。

3.3 臨床結果

30 例患者平均使用四孔螺釘肋骨接骨板進行內固定數為(3.3±1.7) 根。術后一周對患者胸部做CT復查，均顯示肋骨骨折復位良好，如圖5所示，四孔螺釘肋骨接骨板無松動、移位、脫落等跡象，固定效果良好，肋骨錯位及連枷胸胸壁塌陷得到矯正，胸廓運動恢復正常。術后患者表示疼痛感明顯降低，呼吸順暢，術后無創口感染、肺部感染或肺不張等并發癥，平均術后住院為(10.8±2.4) d，患者恢復狀況良好。

4 討論

本文通過有限元模擬，充分還原了四孔螺釘肋骨接骨板與肋骨的術后接觸狀態，分析了3種不同撞擊位置下接骨板的固定效果，結果顯示固定后的肋骨最大位移值降低，骨折斷面處無明顯的分離，表明四孔螺釘肋骨接骨板具有很好的固定性能。四孔螺釘肋骨接骨板也存在一點不足，從模擬結果可以看出，在其中兩種工況下，螺釘孔處出現明顯的應力集中，高應力的長期存在可能會對螺釘鎖定處的肋骨皮質層造成損傷，故建議年輕患者在骨折恢復后進行二次手術取出接骨板。

表2 不同載荷、不同固定方式下肋骨的最大位移、最大應力與斷面間隙Table 2 Maximum displacement,maximum stress and rib section gap of the rib with different kinds of load and fixation

圖4 碰撞發生在肋骨中部時肋骨的位移與應力分布Figure 4 Displacement and stress distribution of the rib when the collision occurred in the middle part

圖5 部分肋骨骨折患者術前(上)、術后(下)胸廓CT掃描重建影像Figure 5 CT reconstruction images of chest before (upper) and after (lower) operation in certain patients with rib fractures

臨床上治療多發性肋骨骨折使用的爪形接骨板，需要切開上下緣肋間肌植入，并注意保護肋間神經和血管。本文自主開發了四孔螺釘肋骨接骨板，無需切開上下緣肋間肌，避免了肋間神經和血管的損傷。接骨板彎曲成與肋骨曲率相適應后，直接置入在骨折處，通過螺釘固定，手術過程簡便，手術難度降低。對于肋骨曲率較大的情形，爪形接骨板適用性差，而螺釘肋骨接骨板可以隨肋骨曲率彎曲改變形態，具有很好的適用性，且對于連續多段骨折的情形也能通過連接斷骨起到很好的固定作用。

綜上分析，本文通過有限元模擬的方法檢驗了自主開發的四孔螺釘肋骨接骨板對于多發性肋骨骨折的固定效果。與六爪接骨板相比，四孔螺釘肋骨接骨板有手術簡便、適用范圍廣、固定效果更好的優勢。臨床實踐的回顧與總結進一步證實了四孔螺釘肋骨接骨板的臨床使用效果，因此四孔螺釘肋骨接骨板對于治療多發性肋骨骨折有很好的臨床使用價值。