三种新型内固定方式治疗胫骨平台双髁四象限骨折的有限元研究

2026-01-21

来源：医学3D建模和生物力学有限元分析

刘晨东，胡孙君，张世民

同济大学附属杨浦医院骨科（上海 200090）

【摘要】目的 通过有限元分析比较 3 种新型内固定方式治疗胫骨平台双髁四象限骨折的生物力学差异，探讨***力学原理的内固定方式。

方法利用 1 名健康男性志愿者胫骨平台 CT 图像数据，采用有限元分析软件建立胫骨平台双髁四象限骨折模型。在此基础上，建立 3 组内固定有限元模型。其中，A、B、C 组前外侧均为倒 L 形解剖锁定钢板固定；A 组前内侧、后内侧重建钢板纵向固定，后外侧重建钢板斜向固定；B、C 组内侧胫骨近端 T 形钢板固定后，重建钢板分别纵向固定后内侧、斜向固定后外侧。于胫骨平台施加 1 200 N 轴向载荷（模拟体质量 60 kg 成年人生理步态下行走情况），观测 3 组骨折块整体发生的**位移和胫骨、骨折缝、内植物的** Von-Mises 应力。

结果有限元分析示各组胫骨应力集中分布于骨折缝及螺纹连接处，内植物应力集中分布于骨折块部位螺钉连接处。施加 1 200 N 轴向载荷时，3 组模型骨折块**位移相近，其中 A 组**（0.74 mm），B 组最小（0.65 mm）。内植物承受的** Von-Mises 应力 C 组最小（95.49 MPa），B 组**（177.96 MPa）；胫骨承受的** Von-Mises 应力 C 组最小（43.35 MPa），B 组**（120.50 MPa）；骨折缝承受的** Von-Mises 应力A 组最小（42.60 MPa），B 组**（120.50 MPa）。

结论对于胫骨平台双髁四象限骨折，内侧使用 1 块 T 形钢板固定相较前内侧、后内侧使用 2 块重建钢板固定具有更强的支撑效应，应作为主力钢板使用。发挥辅助作用的重建钢板，在后内侧纵向固定比后外侧斜向固定有利于对后侧柱移位骨折块实现抗滑固定，建立更为稳定的生物力学结构。

【关键词】胫骨平台骨折；双髁四象限；内固定；有限元分析

胫骨平台双髁四象限骨折是在胫骨平台“三柱分型”的基础上，由张世民教授团队提出的一种复杂胫骨平台骨折类型。该类型骨折通常由高能量暴力导致，不仅骨折粉碎严重，膝关节周围的软组织也多遭到严重破坏。因此，如何选择合适的内固定方式，一直是创伤骨科医生的难题。针对复杂胫骨平台骨折，双切口联合入路植入双钢板是既往常用手术方式，但对于累及双髁四象限的骨折，双钢板固定效果往往不够理想，特别是对于后侧柱劈裂并伴有冠状面骨折的患者，其后侧内、外二柱多呈分离移位分布，容易形成尖齿。在这种情况下，只能兼顾内、外侧平台的双钢板往往覆盖范围不够大，难以解决后侧柱移位问题。此时可以对骨折形成的尖齿进行抗滑固定，以增强骨块稳定性，同时降低骨折复位难度。

近年来，针对复杂胫骨平台骨折，有学者提出外侧解剖锁定钢板固定、内侧多块重建钢板或 1 块T 形钢板固定，并获得满意疗效。通过临床实践，我们发现使用倒 L 形解剖锁定钢板联合 T 形钢板以及重建钢板的“围栏式”内固定模式，具备骨折固定牢靠、切口并发症较少、固定失败率较低等特点，有一定临床意义和应用价值。对于胫骨平台双髁四象限骨折，外侧选择倒 L 形解剖锁定钢板作为主力支撑钢板，可以牢固固定前外侧和后外侧两个象限的骨折块；内侧、后侧可选用 1 块 T 形钢板或多块重建钢板，T 形钢板可以兼顾前内侧、后内侧骨折块，把持效果显著；重建钢板体积小且塑形容易，常作为辅助钢板使用，可以分别固定前内侧、后内侧、后外侧骨折平台，具有抗滑固定效果。为进一步探究这种囊括了 L 形钢板、T 形钢板和重建钢板的新型“围栏式”内固定模式的生物力学特点，找出一种生物力学稳定性**的内固定方式，我们进行了有限元分析研究。报告如下。

1 材料与方法

1.1 研究对象及软件

选择 1 名健康男性志愿者，年龄 51 岁，身高168 cm，无骨折、骨质疏松、骨关节炎等病史。采用 Philips 64 排螺旋 CT（Philips 公司，荷兰）对其下肢（膝关节至踝关节）进行扫描。扫描参数：电压120 kV，电流 300 mA，层厚 0.625 mm，层间距0.625 mm。共获得图像 308 层，均以 Dicom 格式保存。图像处理以及数据分析采用 Mimics19.0 软件（Materialise 公司，比利时）、Geomagic Studio 软件（Geomagic 公司，美国）、Solidworks2017 软件（Dassault Systemes 公司，美国）、Ansys workbench17.0 软件（Ansys 公司，美国）。

1.2 胫骨平台双髁四象限骨折三维模型建立

将提取的 CT 扫描图像数据导入 Mimics19.0软件，设置视图方向，分别定义矢状面、冠状面和横截面，在界面中得到包括骨组织、肌肉等软组织和背景在内的灰度图像。通过对图像进行预处理，提高其分辨率和平滑度，特别是针对骨髓腔，需要去除内部不连续区域，利用软件中的选择工具进行骨髓腔规则化处理。根据不同密度组织在图像上的灰度值不同，提取胫骨影像数据并以 STL 格式导出。将 STL 文件导入 Geomagic Studio 软件进行三角面片细分、降噪、光顺化处理，并通过精确曲面等过程对其进行曲面化，生成正常三维实体骨模型，以 STP 格式导入 Solidworks2017 软件。在该软件中根据典型胫骨平台双髁四象限骨折形态绘制骨折线，最终形成胫骨平台双髁四象限骨折三维模型。

1.3 内固定模型构建及分组

在 Soildworks2017 软件中，根据厂家提供的参数制作钢板和螺钉模型，本研究均采用临床胫骨平台骨折内固定常用钢板以及直径 3.5 mm 的皮质骨螺钉、锁定螺钉。将生成的胫骨平台双髁四象限骨折三维模型分别采用 3 种内固定方式进行装配。

A 组：前外侧倒 L 形解剖锁定钢板固定，前内侧、后内侧 2 块重建钢板纵向固定，后外侧重建钢板斜向固定；B 组：前外侧倒 L 形解剖锁定钢板固定，内侧胫骨近端 T 形钢板固定，后内侧重建钢板纵向固定；C 组：前外侧倒 L 形解剖锁定钢板固定，内侧胫骨近端 T 形钢板固定，后外侧重建钢板斜向固定。其中，重建钢板覆盖骨折线的位置不植入螺钉，以保证抗滑固定，将骨折面之间以及皮质骨和钢板之间的摩擦系数设置为 0.2，螺钉与钢板、皮质骨、松质骨之间的接触关系均设置为完全绑定。钢板及螺钉材料属性均按实际模拟为钛合金。3 种内固定方式的有限元模型见图 1，材料参数[12-13]见表 1。最后，在 Ansys workbench17.0 软件中进行有限元网格处理。

1.4 载荷加载及观测

将各组模型底面固定，胫骨矢状面与横截面相交线定为 x 轴，冠状面与横截面相交线定为 y 轴，冠状面与矢状面相交线定为 z 轴。其中，z 轴为胫骨近端关节面中心至远端关节面中心连线，于其顶面加载自重载荷。通过 Ansys workbench17.0 软件进行自动网格划分，将胫骨网格、螺钉网格进行适当加密。各组单元类型以及单元数量、节点数量见表 2。

本研究中对每侧胫骨平台施加 1 200 N 轴向载荷，以模拟体质量 60 kg 成年人在生理步态行走时膝关节所承受压应力。分析 3 种内固定模型在轴向（z 轴）加载至 1 200 N 时，骨折块整体发生的**位移和胫骨、骨折缝、内植物的** Von-Mises应力。

2 结果

本研究所采用的单元均为 Solid186（10 节点4 面体单元），胫骨有限元模型轮廓（图 1）和外形与相关文献基本一致，可认为模型拟合可。此外，在施加 1 200 N 轴向载荷时，胫骨应力主要集中在胫骨下端 1/3，胫骨**等效应力、平均等效应力也与相关文献相近或符合不同载荷下的变化趋势，故可认为模型有效。有限元分析示各组胫骨应力集中分布于骨折缝及螺纹连接处，内植物应力集中分布于骨折块部位的螺钉连接处。施加 1 200 N 轴向载荷时，3 组模型骨折块整体**位移相近，其中 A 组**，B 组最小；B 组胫骨、内植物、骨折缝承受的**Von-Mises 应力均**，C 组胫骨、内植物承受的应力最小，A 组骨折缝承受的应力最小。见表 3 及图 2。

3 讨论

目前，临床上已有多钢板内固定模式固定胫骨平台双髁骨折的报道。查琨等报道了 28 例胫骨平台双髁四象限骨折患者，后内侧采用重建钢板或 T 形钢板、后外侧采用 T 形或 L 形锁定钢板、前外侧采用解剖锁定钢板治疗。内固定术后平均随访 28.5 个月，患者膝关节功能评分优良率达 96%，无内固定失败发生。他们认为该内固定方式具有解剖复位、固定牢靠的优势。2013 年，本课题组收治 16 例胫骨平台双髁四象限骨折患者，外侧使用解剖锁定钢板固定，前内侧、后内侧分别采用 1 块重建钢板或内侧共用 1 块 T 形钢板固定，后外侧使用重建钢板斜向固定。术后患者获随访平均 21 个月，膝关节活动度达平均 98°，膝关节功能评分（HSS）平均 87.7 分，肌肉骨骼功能评分（SMFA）平均 21.3 分，患者完全负重时间为 21 周，总体取得了满意疗效。但该研究纳入病例相对较少，随访时间也较短，内固定方式的优越性还需进一步印证。近年来，我们继续延用多钢板内固定模式，通过前外侧入路联合后内侧倒 L 形入路植入 1 块或多块重建钢板（本研究采用的 3 种内固定方式），发现在胫骨平台双髁四象限骨折中，体积较小、塑形容易的重建钢板可以对难以覆盖的后侧平台劈裂骨折进行有效支撑。这种结合重建钢板的内固定方式具有骨折坚强固定、减少软组织破坏以及切口并发症发生等优势。

目前，胫骨平台双髁骨折内固定方式多基于“三柱分型”理论，即采用双切口联合入路植入双钢板，对骨折平台的内侧和外侧分别进行固定。但对于累及双髁四象限的特殊类型骨折，后侧柱有两个骨折块，二者多呈前后分布，不能被 1 块钢板完全支撑，因此需要对后内侧、后外侧骨块分别进行固定。而传统双钢板模式固定范围有限，基于此考虑，我们在外侧解剖锁定钢板基础上植入重建钢板，以此对后侧尖齿进行抗滑固定，同时也增加了固定范围和强度。

骨折块和内植物之间发生的相对位移是衡量内固定方式是否稳定的关键指标，轴向载荷下发生的相对位移越大，内固定失败可能性就越大。本有限元研究发现，B 组骨折块整体发生位移最小，A、C 组较为接近，提示从发生相对位移而言，B 组内固定方式最稳定，骨折块之间更紧凑，内固定失败可能性最小。

Von-Mises 应力是评价内植物稳定性的重要标准，其大小及分布反映了内植物失效的潜在风险，骨折块和内植物之间 Von-Mises 应力越大，内植物越容易松动，最终导致内固定失效。本有限元研究显示，从胫骨和内植物承受的** Von-Mises 应力而言，C 组内植物稳定性**，内固定失败潜在风险最小，A 组与 C 组相近，而 B 组稍差。有文献报道钛合金材质的内植物承受的 Von-Mises 应力达450 MPa 时可发生不可逆形变，超过 600 MPa 时有断裂可能。而上述 3 组模型内植物所承受的Von-Mises 应力都在可接受范围，因此相差较小的内植物应力数值不纳入本研究首要考量因素，故综合来看 B 组内固定方式最稳定。

本研究中，A 组采用了前内侧、后内侧 2 块重建钢板纵向固定，后外侧 1 块重建钢板斜向固定模式，其优势在于：① 对于前内侧、后内侧和后外侧呈劈裂分布的骨折块，重建钢板可以有效覆盖骨折尖端，达到抗滑固定效果；② 斜向固定的后外侧重建钢板可以协助构建稳定的后外侧壁，实现对后外侧骨折块的加强支撑；③ 重建钢板相较胫骨近端 T 形钢板塑形更容易，有利于减少手术时间；④ 重建钢板所占体积小，可以有效减少对软组织的剥离；⑤ 前内、后内、前外、后外四周环抱加强，这种牢靠的“围栏式”内固定方式使得骨折块之间更紧凑，增加内固定整体稳定性。B、C 组均采用了前外侧倒 L 形解剖锁定钢板、内侧胫骨近端T 形钢板固定，**不同的是 B 组后内侧采用 1 块重建钢板纵向固定，而 C 组则为后外侧斜向固定。

研究结果显示，B 组骨折块整体发生位移小于C 组，但内植物承受的** Von-Mises 应力却大于C 组，说明在前外侧倒 L 形解剖锁定钢板、内侧胫骨近端 T 形钢板固定基础上，重建钢板纵向固定于后内侧平台可使骨折整体稳定性增加，而于后外侧平台斜向固定时会降低内植物应力，因此在内植物稳定性上 C 组优于 B 组，后期钢板螺钉不容易松动，内固定失效潜在风险也更小，对于双髁四象限骨折尤为适用。与 A 组相比，B、C 组均使用了T 形钢板，在 1 200 N 轴向载荷下，B、C 组骨折块整体位移均小于 A 组，说明 T 形钢板总体把持效果优于重建钢板，在胫骨平台双髁四象限骨折中应将其作为主力钢板使用，重建钢板宜作为辅助钢板，必要时能对劈裂的后侧平台实现支撑复位和抗滑固定。

本研究通过有限元分析方法模拟了在施加1 200 N 轴向载荷的条件下，胫骨平台双髁四象限骨折模型骨折块发生的位移、应力分布及内植物承受应力的情况。但在实际情况下，骨折块还受到肌肉、韧带等软组织的牵拉，受力情况更复杂，且每个人的骨骼存在差异，通过对材料进行赋值模拟得到的结果始终存在误差。此外，选择的材料与实体组织也存在偏差，通常生物组织在不同载荷作用下的应力-应变关系具有非线性和超弹性的特点，属于各向异性的非线性物体，但此类组织材料的基础研究难度大，力学试验不易获得精确参数，所以目前生物力学有限元仿真分析大多建立在各向同性、均质连续的线弹性体假设前提上，本研究也不例外。本研究有限元分析还存在人为划分单元、选择节点、规定载荷及边界条件等情况，与实体数据存在一定差别。因此，本研究结论还需要进一步在新鲜尸体标本上研究明确。最后，本研究所得出的结论是基于重建钢板和 T 形钢板之间的内固定方式对比，着重讨论了在 L 形解剖锁定钢板固定基础上，重建钢板放置位置和使用数量不同所带来的生物力学差异，并没有与其他传统内固定模式作横向对比，还不能说明本研究所采用的新型内固定方式相比其他传统内固定方式的生物力学特性更佳，仍需要对它们开展进一步生物力学分析。

综上述，对于胫骨平台双髁四象限骨折，在前外侧 L 形解剖锁定钢板内固定基础上，内侧使用 1 块T 形钢板固定相较前内侧、后内侧使用 2 块重建钢板具有更强的支撑效应，应作为主力钢板使用。发挥辅助作用的重建钢板，在后内侧纵向固定比后外侧斜向固定在后侧柱移位骨折块抗滑固定方面更具优势，有助于建立更为稳定的生物力学结构。

参考文献：略

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