1 引言

髌骨位于膝关节前方，为三角形的扁平骨，上连接骨四头肌，下通过髌韧带连于胫骨关节，是构成关节的骨之一。其底朝上，尖向下，前面粗糙，后面为光滑的关节面，与股骨髌面构成髌骨关节。由于髌骨之上只有皮肤、薄层皮下组织以及髌前滑囊，因此髌骨容易因为直接跌打或暴力冲击而受伤。随着社会经济的迅速发展，人们的生产生活日益加速，跌打碰撞不可避免，骨折的发生也随之增加。髌骨骨折是常见骨折的一种，约占全身骨折类型的 1.65%。对于分离移位较大的髌骨骨折，如髌骨下极骨折，其多为粉碎性，需手术治疗。目前固定方法有多种：髌骨下极切除术、张力带钢丝固定、锚钉固定、中空螺钉 8 字钢丝固定、记忆合金聚髌器、独立垂直钢丝固定等。如何比较各种内固定方式的力学性能，为临床选取最佳的手术治疗方案尤为重要。

理论生物力学研究是进行髌骨骨折内固定方式比较研究的一种方法，即以数学力学模型来进行数值应力分析。有限元分析即属于理论生物力学研究。其与传统的实验生物力学相比有着以下一些优势。有限元分析能在不同状态下进行模拟，得到不受实验条件影响的结果，排除了因为实验条件不同引起的误差；有限元分析以数学的形式表达模拟体的结构形状、材料属性、边界条件等，重复性较好，节约了实验成本；能够在其他方法所不能施加的载荷及约束条件下进行模拟研究，得到实验生物力学难以得到的研究结果?；谝陨嫌攀?，有限元分析广泛应用于骨科临床研究中。

本文针对髌骨下极骨折的情况，利用先进的计算机辅助建模和分析技术，对成人正常髌骨进行三维建模，模拟髌骨下极骨折和独立垂直钢丝内固定，成功建立两种不同髌骨下极骨折独立垂直钢丝内固定有限元模型，通过有限元分析比较两种髌骨下极骨折内固定方法的优劣，为临床选取最佳手术治疗方案提供一定的理论依据。

2 材料和方法

2.1 几何模型的建立

通过 CT 扫描机对志愿者(女性，体质量 50kg)自足底至大腿中段进行扫描，将图像数据存入可读写光盘。将图像数据导入三维医学图像建模软件 Mimics 17中，通过阀值分割、区域增长和计算三维模型等操作，重建出髌骨的三维模型，并以 stl 格式导出。再将其导入 Geomagic studio 2012 软件中进行去噪、封装、实体化，最终建立髌骨几何模型。

将 Geomagic studio 2012 中建立的髌骨几何模型以 igs 格式导出后导入 CATIA V5 中生成髌骨几何体，在髌骨纵轴远端 1/3 处拉伸生成一与髌骨相垂直平面，分割髌骨，生成平面上段髌骨和平面下段髌骨，模拟髌骨下极骨折。再利用扫描功能，分别建立两种髌骨下极骨折内固定所需的环扎钢丝和独立垂直钢丝。

2.2 有限元模型的建立

将建好的髌骨骨折块、环扎钢丝和独立垂直钢丝以 igs 格式导入 Abaqus 中进行装配，生成两种独立垂直钢丝内固定模型。一种环扎钢丝环绕髌骨，另一种环扎钢丝穿过髌骨近端，如图 1 所示。我们将后者称为改良独立垂直钢丝内固定模型。

图 1. 改良前后独立垂直钢丝内固定模型

按表 1 对髌骨下极骨折独立垂直钢丝内固定Abaqus 模型中各实体赋予材料参数，并进行网格划分。改良前后有限元模型总节点数分别为 101941、117653，总单元数分别为 519281、613217，单元类型均为四面体单元 C3D4。

表 1. 材料参数

在有限元模拟分析中，接触对的设置尤为关键。根据髌骨下极骨折内固定实际临床情况，本模型中钢丝与髌骨之间应为绑定关系，两段髌骨骨折块之间应为接触关系。设置接触对，如图 2 所示。

图 2. 改良前后独立垂直钢丝内固定模型中的接触关系

由于髌骨关节接触面在髌骨上方，对髌骨最下端髌韧带附着区进行全约束，上端髌骨关节接触面区域施加 500N 拉伸力，模拟髌骨下极骨折独立垂直钢丝固定后的抗拉情况，如图 3 所示。

图 3. 载荷与约束条件

3 结果

在时间步长 2s，拉伸力 500N 的作用下，针对髌骨下极骨折，改良前后内固定方式的 Mises 应力分布及位移位移分布见图 4。可以看出，改良前后髌骨下极骨折的整体固定模型中的最大应力和最大位移有着明显的差别 ，分别 为 3.535e+3Mpa、1.431e+3Mpa；1.026mm、0.306mm，如表 2 所示。同时测量出了改良前后模型中髌骨上一相同坐标点的位移值，分别为0.759mm、0.136mm，表 3 列出了该点的位移过程。

图 4. 改良前后独立垂直钢丝内固定模型的

Mises 应力云图和位移云图

A 改良前 Mises 应力云图；B 改良后 Mises 应力云图；

C 改良前位移云图；D 改良后位移云图

表 2. 模型最大应力和位移

表 3. 相同点改良前后位移过程

同时，临床跟踪研究了 11 位使用改良后独立垂直钢丝固定髌骨下极骨折的病人，平均术后观察期为21.7 个月，均没有出现切口感染、固定物脱离和难愈合现象。能满足术后的早期功能锻炼和负重，有较好的临床结果。有限元生物力学研究结果与临床观察结果相吻合，为其提供了一定的理论依据。

4 讨论

髌骨下极骨折属于关节外骨折，占所有髌骨骨折的 9.3-22.4%[1]。通常情况下，髌骨下极骨折的治疗方法为切开复位内固定方法。根据已发表的研究文献，目前主要治疗方法包括部分髌骨切除术、改良张力带固定、改良篮状钢板、锚定、独立垂直钢丝等。在这些方法中，改良张力带固定是治疗横向髌骨骨折最传统的方法[2]，但是这种方法不能稳定固定髌骨下极骨折，对于移位较大的骨折更是如此，经?；嵊幸恍┎⒎⒅?，例如刺激或损伤软组织、钢丝松动引起的内固定失效、移位、破损、难以愈合等。为了避免这些症状的出现，DG Lorich 等人[3]使用一种网板的新技术成功治疗了三例髌骨下极骨折的病例，并表现出了比张力带固定更好的生物力学性能。但是，手术后膝盖必须用支架保持完全伸展，术后四周才能进行膝关节的早期锻炼。而治疗髌骨骨折的手术中尤为关键的是要保持膝盖的伸展机制，利于术后的早期功能锻炼。独立垂直钢丝方法最早由Yang KH、Byun YS等人于2003年提出[4]，该方法固定简单稳定。但这种原始的独立垂直钢丝固定方法不能提供足够支持早期膝关节锻炼的把持力。2014 年 Song HK、Yoo JH、 Byun YS 等[5]对此方法进行改进，用独立垂直钢丝和髌骨钢丝环扎固定方法治疗髌骨下极骨折，并对两种内固定方式进行了生物力学研究，证实联合钢丝环扎固定强度明显增加，取得了较满意临床效果。但是仍然不能满足术后早期功能锻炼和负重的要求，内固定失败率仍较高。

因此，在以上研究的基础上，本文提出了一种改良的独立垂直钢丝固定方法，其有较好的生物力学特性和临床效果。该方法由穿过髌骨近端的环扎钢丝取代环绕髌骨近端的环扎钢丝，并配合独立垂直钢丝一起固定髌骨骨折块。我们通过有限元方法对改良前后的独立垂直钢丝固定方法进行了分析研究。有限元方法最早发展于工程机械行业，是一种先进的研究结构应力变形分析的计算机辅助技术，于 1972 年引进到骨科生物力学当中[6]，用来评估人体骨骼的应力情况。

4.1 有限元分析结果与临床意义

在本文的有限元分析中，两组改良前后的有限元模型有着相同的拉伸载荷和边界条件。从位移结果中可以看出，改良后整体有限元模型的最大位移相对于改良前明显有所减小，说明改良后固定方法的固定效果更好、更稳定，不容易发生松动，固定物脱离的现象亦会大大减少。为了更加直观地比较改良前后固定方法的效果，我们从整体到局部，选取了改良前后模型中髌骨上一相同点，观察其在整个载荷作用的过程中位移变化的情况。通过表 3 的有限元分析结果，可以清晰地看出改良后该点最终位移值远远小于改良前。无论从整体还是局部的数据来看，改良后的独立垂直钢丝固定方法都有着出色的固定效果，有理由相信其能提供足够的强度维持骨折块的稳定性，足以进行术后早期功能锻炼，临床跟踪研究证实了这一点。从应力分析结果来看，在相同载荷和边界条件下改良后整体模型的最大应力明显低于改良前整体模型，也即固定钢丝受到的应力载荷较小，就临床意义而言，改良后的固定钢丝失效的可能性更低，有着更高的极限负载，足以支持术后膝关节的承重锻炼。临床跟踪的11位使用改良后独立垂直钢丝固定髌骨下极骨折的病人都能够进行术后膝关节屈伸功能锻炼，并且在助行器的帮助下能顺利承重行走。所有病例康复效果都较理想，膝关节功能性恢复效果出色，平均膝关节运动范围为 130.9°。综上所述，在有限元生物力学研究中，改良后的独立垂直钢丝固定方法相较于改良前有着明显的优势，为临床提供了一定的理论依据，具有指导意义。同时，较好的临床结果也反应了有限元分析的有效性和合理性。

4.2 实验的不足与改进

本文的研究也有不足之处，例如髌骨的实际受力情况并不是单一的载荷，往往是多种载荷的叠加，且受众多因素的影响，其实际状况较为复杂。同时髌骨骨折类型有多种，本文改良方法是否适用于其他髌骨骨折类型治疗方法的改良仍待进一步研究。此外，临床研究中病例数量较少也有一定的局限性。但是通过有限元法研究固定后应力和位移情况，确定最佳固定方式仍是一种科学且可行的方法，具有重要的临床指导意义。

后续可以针对上述不足之处进行相关的实验研究，例如针对其他的髌骨骨折类型，应用本文的改进思路进行内固定方法的改进，并进行有限元生物力学分析?；蚓捅臼笛榛∩?，用其他线材代替钢丝进行有限元分析，比较两者的优劣。

5 结论

通过有限元分析，针对髌骨下极骨折，由独立垂直钢丝和穿过髌骨近端的环扎钢丝构成的改良后内固定方法有着更好的生物力学特性。同时考虑到较满意的临床治疗效果，该方法能够支持术后膝关节的早期功能性锻炼和一定的承重训练，有助于病人术后尽快康复。综上所述，改良后的固定方法是一种创伤轻微、高效简易、固定稳定及承重出色的治疗方法。

资料来源：达索官方