桡骨远端骨折夹板绑扎生物力学分析

Biomechanical analysis of splint binding for distal radius fractures

摘要

针对桡骨远端骨折闭合复位外固定绑扎过程力学相关问题，进行了夹板绑扎外固定过程中各组成部分的生物力学分析，采用了Workbench软件研究了伸直型桡骨远端骨折夹板绑扎固定的力学价值。通过从CT影像中获得前臂模型数据，利用mimics将影像数据转换为三维模型并运用Geomagic进行降噪和光滑处理，在UG中模拟实际夹板绑扎过程将模型中各个组成部分进行组合，探究了夹板固定对桡骨远端骨折前臂的影响。结果表明，夹板固定后对尺桡骨具有足够固定力以保证组织的稳定，模型变形的最大位置在背侧夹板前端靠近桡骨一侧，为1.144 6×10^-4 mm。桡骨远端骨折固定后尺桡骨的应力和应变最大点发生在骨折处，应力最大值为0.129 6 MPa，应变最大值为9.892 5×10^-6 mm/mm，骨折断端端面应力最大值为2.207 1×10^-2 MPa。压垫中外侧压垫与绑带接触处应力最大，内侧压垫与软组织接触处应力最大，夹板在桡侧中段应力最大，骨折断端从桡侧向尺侧方向偏移。

Abstract

In order to address the mechanical problems related to the process of closed reduction and external fixation of distal radius fractures, biomechanical analyses of the components of the splint taping external fixation process were carried out, and the mechanical value of the splint taping fixation of the straightened distal radius fracture was investigated by using the software Workbench. The effect of splint fixation on the forearm of distal radius fracture was investigated by obtaining the forearm model data from CT images, converting the image data into a 3D model using mimics and applying Geomagic for noise reduction and smoothing, and combining the various components of the model by simulating the actual process of splinting and tying in UG. The results showed that the splint had sufficient fixation force on the ulna and radius to ensure the stability of the tissue. The maximum deformation position of the model was 1.144 6×10^-4 mm at the front end of the dorsal splint near the side of the radius. The maximum stress and strain of the ulna and radius occurred at the fracture site after fixation of the distal radius fracture. The maximum stress was 0.129 6 MPa, the maximum strain was 9.892 5×10^-6 mm/mm, and the maximum stress of the fracture end surface was 2.207 1×10^-2 MPa. In the pressure pad, the stress was maximum at the contact between the lateral pressure pad and the binding band, and the stress was maximum at the contact between the medial pressure pad and the soft tissue. The maximum stress was found in the middle of the radial side of the splint. The fracture end deviated from the radial side to the ulnar side.

Graphical abstract

关键词

桡骨远端骨折 / 生物力学分析 / 夹板固定

Key words

distal radius fracture / biomechanical analysis / splintage

桡骨远端骨折是指距桡骨远端关节面3 cm之内的骨折，是临床上常见的骨折类型，约占全身骨折的17%^[1-2]。由于夹板固定具有风险低、治疗效果明显等优点，是桡骨远端骨折常用的一种固定方法^[3-5]。将生物力学分析引入桡骨远端骨折外固定绑扎过程中，能够直观观察夹板固定对患臂的影响，有着不可替代的医疗价值。

针对夹板固定力学分析，国内外开展过很多相关研究。黄彬铖^[6]对小夹板固定C型桡骨远端骨折进行力学分析，得到软组织与骨组织骨折端的力学变化并进行了讨论。李永耀等^[7]研究了钢板螺钉内固定联合夹板外固定对FrykmanⅧ型桡骨远端骨折治疗的韧带组织和骨组织力学变化。何剑颖等^[8]用瞬态动力学分析模拟人摔倒时20 ms内2 m/s的冲击载荷作用下腕关节发生应力变化，得出桡骨应力随冲击载荷作用时间规律。屈任伸等^[9]探讨了有限元分析在桡骨远端骨折中的应用现状，模拟实际桡骨力学和夹板固定载荷得出骨折端不稳的压缩、拉伸、内外旋转动作下夹板载荷情况和尺桡骨的应力。魏成建等^[10]研发智能气囊压垫夹板固定桡骨远端骨折，通过有限元分析纠正了骨折断端的残余位移。刘琦等^[11]运用有限元分析法实现了夹板干预下老年FrykmanⅧ型桡骨远端骨折的研究，对桡骨远端钢板、夹板不同工况下的腕关节骨折模型的应力分布、相对位移变化及尺骨茎突骨折位移变化及方向进行分析。Cha^[12]通过测量和分析佩戴手腕夹板固定时手腕在不同角度下手部位置的压力，研究了每个手腕位置的压力变化，得出手腕夹板固定过程的前臂作用载荷情况。Hua等^[13]通过有限元方法研究了Colles骨折的机制和使用夹板固定的生物力学情况，结果表明：骨应力集中在桡骨远端，尺骨有助于保持骨折的稳定性、维持尺骨下倾。

综上所述，很多学者在夹板固定力学分析方面做出了贡献，对桡骨远端骨折夹板固定力学研究提供了参考。但是，现有研究中有些是对刚性材料进行力学分析，有些是对柔性材料进行力学分析。在夹板固定桡骨远端骨折前臂模型中有夹板、骨组织刚性材料，有压垫、绑带、软组织柔性材料，夹板固定桡骨远端骨折前臂的刚柔耦合力学分析研究鲜有报道。本文通过桡骨远端骨折夹板绑扎模型建立、组装配合、力学分析模拟夹板绑扎对夹板固定桡骨远端骨折前臂的刚柔耦合力学进行分析。

1 桡骨远端骨折夹板绑扎模型

桡骨远端骨折夹板绑扎模型包括：前臂骨组织、前臂软组织、压垫、前臂夹板、绑带。夹板的塑性在固定过程中维持骨折后桡骨的稳定，压垫起弹性固定作用，能增加局部固定力，实现对残余效应力的纠偏，使受创部位载荷集中且稳定。

压垫在治疗桡骨远端骨折时起到关键作用，其放置方法主要取决于医师对实际情况的判断。背侧压垫放在桡骨远端背侧，掌侧压垫放在掌侧尺桡骨近端，其宽度比前臂宽度稍小。桡侧方位采用内外侧对压，掌侧压垫长度超过桡骨骨折线上下各2 cm，背侧方移位桡侧压垫放在骨折线以下^[14]。夹板内侧压垫的位置如图1所示。

文献[15]对健康成人腕关节周径、前臂中上1/3段交界处周径及长度进行统计分析，给出了根据前臂尺寸选用对应夹板型号的标准。本研究选取的成年男性的前臂腕关节周径为150 mm、前臂中上1/3处周径为213 mm、前臂长度为225 mm，故选用大号夹板。大号夹板基本尺寸见表1^[16]。

2 材料与方法

2.1 几何建模

选取成年男性前臂CT图像为研究对象，利用Mimics、Geometric和UG进行建模。使用Mimics将数据将CT图像在计算机上显示出来，通过阈值选择、区域增长等命令实现各个组成部分的划分，再利用Geometric将三维模型进行表面光滑处理和划分曲面并导出IGES格式，最后利用UG创建实体，装配实体、模拟桡骨骨折、绑扎夹板等。图2为夹板固定前臂模型图。

2.2 材料模型

桡骨远端骨折分析模型中包括软组织、骨组织、夹板、压垫，其材料属性见表2^[16]。

压垫的材料属性，通过实验测量弹性模量公式为E=\mathrm{0.019}\mathrm{941}\mathrm{8}+\mathrm{0.002}\mathrm{877}\mathrm{86}\sigma^[17]，其应力-应变绘制曲线观察可近似逼近一条倾斜的直线，如图3所示，故可将弹性模量利用直线进行代替。

2.3 网格划分

网格划分采用自适应网格划分方法，单元尺寸为2 mm，前臂软组织采用自动网格划分，夹板采用三角网格划分。Relevance Center设置为Fine，节点数为286 349，单元数为161 752。网格尺寸按13 mm到2 mm间隔1 mm划分进行网格无关性验证。4 mm后细分逐渐趋于收敛，绘制离散点图见图4。通过网格无关性验证，网格在2 mm时网格误差值在1.72%。

2.4 接触及边界条件

选用接触条件主要是绑定接触，接触面与目标面之间不存在相对位移。在Workbench中规定接触面不能穿透目标面，接触之间只能为刚柔接触或柔柔接触，刚性体只能作为目标面。模型存在的接触包括扎带与夹板接触，夹板与软组织接触，夹板与压垫接触，压垫与软组织接触，软组织与骨骼接触。为保持模型载荷稳定防止载荷偏移，肘关节一端处尺骨、桡骨设置固定约束以实现模型的稳定。

2.5 载荷定义

在夹板外侧建立绑带模型模拟绑带绑扎夹板的过程，将绑带厚度设置为1 mm来实现绑扎固定。根据绑带绑扎力实验，测量得到绑带张力值的总和为（\mathrm{2}\mathrm{610}\pm \mathrm{118})\mathrm{g}，绑带宽度为10 mm^[18]。将夹板固定稳定后弹性带张力总和平均到四条绑带上，每条张力约为652.5 g，故夹板绑扎过程可模拟为将载荷由0增加至0.652 5 N/mm的线载荷，绑扎沿绑带绑扎方向施加。

3 结果分析

将各组成部分设为柔性体进行分析，桡骨远端骨折夹板绑扎固定模型的变形最大点发生在背侧夹板的前端，最大变形值为9.119 3×10^-4 mm，如图5所示。由变形图看出夹板固定组成部分总体变形趋势，由于背侧夹板与软组织缝隙大，造成背侧夹板有向前臂贴合的趋势。

从桡骨的应力图6(a)、应变图6(b)中可以看出夹板固定的具体作用结果。桡骨应力最大值为0.129 6 MPa，桡骨应变最大值为9.892 5×10^-6 mm/mm，都发生在桡骨骨折处。从桡骨断端端面看出应力从桡骨一侧逐渐向尺骨方向发生递减，桡侧桡骨骨折断端端面应力值最大，达到2.207 1×10^-2 MPa，如图7所示。在夹板固定作用下，桡骨应力、应变最大处在桡骨桡侧一端，且骨折缝隙处发生突变，骨折缝的应力，可观察出夹板固定载荷在桡侧向尺侧递减，说明夹板能够实现有效固定。

将压垫与软组织设为柔性体，夹板与骨组织设置为刚性体进行分析。前臂软组织在夹板固定的作用下受到载荷影响，软组织的应力最大值为0.110 4 MPa，应变最大值为3.087 7×10^-5 mm/mm。前臂外表面的应力的最大值都发生在桡骨一侧手腕处，如图8所示。

压垫在桡骨远端骨折中起到防止或纠正残余变形的作用。每个位置上的压垫在固定过程中的应力的最大值见表3，各个压垫的应力情况如图9所示。夹板固定前臂会对肌肉组织进行挤压，且夹板固定面不完全贴合前臂外表面，通过软组织应力、应变图发现前臂中上1/3处和腕关节处受到载荷作用较为明显，桡侧压垫是内外对压的方式造成载荷在桡侧最大。

将夹板设置为柔性体后分析，夹板外固定前臂后从桡侧方向观察夹板的应力，如图10所示。其最大值发生在桡侧夹板中间靠前位置，为7.783 6 MPa。

将模型中的尺桡骨设置为刚性体后再分析，通过观察桡骨骨折断端的变形情况，可以了解模型在力学作用下在哪个方向对桡骨骨折断端产生了影响。图11为桡骨骨折变形图，展示了桡骨骨折断端在夹板固定后发生位移的方向，通过箭头指向可以看出在夹板固定作用下，桡骨断端沿尺骨方向发生位移，实现了夹板固定中桡骨的稳定。

4 结论

本文对桡骨远端伸直型骨折夹板绑扎外固定进行了生物力学分析，为提高分析的真实性，将绑带绑扎考虑进桡骨远端骨折夹板外固定过程中。

在桡骨远端骨折夹板外固定模型分析中，分析结果主要包括：夹板固定桡骨远端骨折变形最大值为9.119 3×10^-4 mm。夹板固定后桡骨的应力最大值为0.129 6 MPa，应变最大值为9.892 5×10^-6 mm/mm，最大位置在桡侧桡骨骨折位置。桡骨断端端面的应力最大值为2.207 1×10^-2 MPa，在桡侧应力最大，向尺侧方向逐渐变小。前臂的应力最大值为0.110 4 MPa，应变最大值为3.087 7×10^-5 mm/mm。桡侧外压垫的应力值最大为0.736 8 MPa，最大值在与绑带接触的位置。其余压垫在夹板内侧，最大为背侧压垫应力值1.160 4×10^-13 MPa。桡侧外压垫在夹板与绑带之间，其余压垫在夹板与软组织之间，故外侧压垫更容易受到绑带固定载荷的影响，应力值也较大；而内侧压垫因夹板传递的载荷受到软组织的分担而变小。夹板的应力最大值为7.783 6 MPa，发生在桡侧夹板中段位置上。模型中桡骨断端的位移方向是由桡侧向尺侧方向发生偏移的。通过夹板固定桡骨远端骨折研究发现，夹板固定载荷主要集中在桡侧腕关节处，且骨折断端受影响发生偏移，证明夹板固定能够实现桡骨远端骨折的固定，桡侧采用内外对压的固定方式能够提高固定载荷且充分利用了夹板的杠杆力实现载荷向桡侧集中。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51765052)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2020LH05009)

内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(JY20220282)