三翼肋骨接骨板治療多發(fā)性肋骨骨折及連枷胸的臨床應(yīng)用與力學(xué)分析

【作 者】黎健明，王冬冬，王曉奇，王長(zhǎng)濤，王盛章

1 復(fù)旦大學(xué) 航空航天系&生物力學(xué)研究所，上海市，200433

2 復(fù)旦大學(xué)附屬浦東醫(yī)院 胸外科，上海市，201399

0 引言

肋骨骨折是最常見(jiàn)的胸廓損傷情形之一。目前，臨床上對(duì)于顯著錯(cuò)位的多發(fā)肋骨骨折和連枷胸多采用內(nèi)固定治療。主要的內(nèi)固定器械包括：①形狀記憶合金環(huán)抱器[1-2]，使用前需先置于無(wú)菌的冰生理鹽水中浸泡3～5 min，固定位置后用熱敷方法使其閉合，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、組織相容性好，但在植入后肋骨曲率較大時(shí)，不能緊貼肋骨，在骨折肋骨寬度小于環(huán)抱器時(shí)，出現(xiàn)抱不緊的情形[3]；② 可吸收螺釘[2-4]，在手術(shù)中需要將斷骨錯(cuò)位進(jìn)行植入，再利用可吸收線對(duì)骨折兩端捆扎固定。優(yōu)點(diǎn)是固定后被吸收，無(wú)需手術(shù)取出。但受人的髓腔大小變化差異，可吸收釘與髓腔大小匹配較難，容易出現(xiàn)松動(dòng)；③多孔螺絲釘重建鋼板[5-6]，從Oyarzun等自1992年設(shè)計(jì)并開(kāi)始使用，在肋骨固定中表現(xiàn)出很好的固定效果，無(wú)松動(dòng)脫落。但Reber后來(lái)研究指出，重建鋼板和皮質(zhì)骨螺絲釘?shù)倪^(guò)多使用會(huì)導(dǎo)致胸壁僵硬，且當(dāng)發(fā)生粉碎性骨折時(shí)，該鋼板不適用；④純鈦?zhàn)π谓庸前錥7-9]，手術(shù)時(shí)需要切開(kāi)上下緣肋間肌，通過(guò)抓持鉗固定在骨折處。爪形接骨板具有手術(shù)簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，目前多為八爪接骨板，八爪接骨板[10]在肋頸部骨折斷端距離根部小于2 cm時(shí)難以植入[3]，且固定點(diǎn)在斷端兩側(cè)，距斷端有一定的距離，對(duì)于斷端有碎片的骨折得不到有效固定。新型的三翼肋骨接骨板在八爪的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)。三翼肋骨接骨板爪子數(shù)減少，且在斷端處增加固定點(diǎn)，具有植入時(shí)操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)固碎骨片等優(yōu)勢(shì)。但由于爪子數(shù)量減少，其固定性能受到質(zhì)疑，缺少理論依據(jù)。本研究通過(guò)有限元方法對(duì)三翼肋骨接骨板固定肋骨進(jìn)行力學(xué)分析，并結(jié)合臨床上使用三翼肋骨接骨板治療肋骨骨折取得的滿意療效進(jìn)行臨床驗(yàn)證，為三翼肋骨接骨板的固定性能和臨床價(jià)值提供理論支撐。

1 三翼肋骨接骨板的力學(xué)分析

為了評(píng)估三翼肋骨接骨板植入后的效果，建立了人體的肋骨模型和骨折模型，在骨折處植入接骨板進(jìn)行固定，分析固定后斷骨的位移與應(yīng)力，與正常的肋骨作比較。

1.1 肋骨和三翼肋骨接骨板模型的建立

根據(jù)人體胸廓的CT數(shù)據(jù)，使用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 19.0（Materialise,比利時(shí)）對(duì)胸廓進(jìn)行三維重建，獲得胸廓模型的stl文件。使用逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0（Geomagic,美國(guó)）處理，從中提取出相對(duì)容易受損傷的第六對(duì)的左側(cè)肋骨段進(jìn)行平整修復(fù)和前處理，擬合成光滑的Nurbs曲面，所得模型如圖1(a)所示。所用固定器械為臨床使用的三翼肋骨接骨板（圖1(b)），純鈦金屬制成，共六個(gè)爪，兩端及中間各一對(duì)爪，板長(zhǎng)35 mm，寬19 mm，爪長(zhǎng)6 mm。使用Solidworks 2014（Dassault,法國(guó)）建立三翼肋骨接骨板模型，通過(guò)布爾運(yùn)算根據(jù)肋骨表面的寬度設(shè)定接骨板寬度，使其緊密契合肋骨表面。

在肋骨中部將模型分成兩段得到骨折的模型，模擬完全斷開(kāi)的骨折情形。根據(jù)肋骨生理結(jié)構(gòu)，分成皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨兩層結(jié)構(gòu)，還有近胸端附著的軟骨[11-12]。使用Hypermesh 14.0（Altair,美國(guó)）軟件對(duì)肋骨和三翼肋骨接骨板分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[13]，把皮質(zhì)骨的總厚度設(shè)定為1 mm。外層皮質(zhì)骨使用楔形單元，單元數(shù)量為89610，內(nèi)層松質(zhì)骨使用四面體網(wǎng)格，單元數(shù)量為135423。軟骨使用楔形單元，單元數(shù)量為11880。接骨板劃分為六面體單元，單元數(shù)量為5955。網(wǎng)格劃分結(jié)果通過(guò)了網(wǎng)格的收斂性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖1(c)所示。

圖1 肋骨與三翼接骨板模型Fig.1 Models of rib and three-wings rib plate

1.2 有限元分析

利用Abaqus17.0（Dassault,法國(guó)）對(duì)手術(shù)結(jié)果進(jìn)行模擬和分析。三翼肋骨接骨板材料為純鈦，根據(jù)已有資料文獻(xiàn)[14-15]得到接骨板和肋骨的材料屬性，具體數(shù)據(jù)如表1所示。在肋骨骨折的臨床治療中，醫(yī)生通過(guò)醫(yī)用抓持鉗把接骨板夾緊，使得接骨板與兩端斷骨間緊密接觸，因此在接骨板與肋骨之間會(huì)存在較大的預(yù)緊力，采用過(guò)盈接觸對(duì)接骨板的夾緊行為進(jìn)行模擬。通過(guò)設(shè)置接骨板爪子的初始過(guò)盈為0.02 mm，計(jì)算出在過(guò)盈結(jié)束時(shí)，接骨板爪子與肋骨的接觸面間存在20 MPa的預(yù)應(yīng)力，模擬出肋骨與接骨板爪子之間的預(yù)緊力約為200 N?？紤]病人康復(fù)階段可能受到的外力碰撞，肋骨承受外界壓力[16-18]。在撞擊過(guò)程中，由于作用的時(shí)間較短，那么肋骨兩端可視為固定[14,19-21]，因此設(shè)置肋骨兩端固支的邊界條件。設(shè)置三種不同外加載著的撞擊情形（圖2），大小均為0.3 MPa的均布?jí)毫?，分別作用在不同的撞擊位置，考查三翼肋骨接骨板在多種沖擊下的固定性能。

表1 肋骨和接骨板的材料屬性Tab.1 Material properties of rib and rib plate

圖2 三種情形下肋骨受外加載荷示意圖Fig.2 Sche maticdiagramofthe rib underexternalload in three cases

在三種不同載荷情形中，使用三翼肋骨接骨板固定后，肋骨的最大位移均小于正常肋骨，證明接骨板固定后的肋骨能承受更大的壓力，三翼肋骨接骨板固定效果良好。在碰撞發(fā)生在肋骨近胸骨端和遠(yuǎn)胸骨端時(shí)，固定后肋骨最大應(yīng)力小于正常肋骨，當(dāng)碰撞發(fā)生在肋骨中部靠近骨折處

1.3 結(jié)果

圖3 碰撞發(fā)生在肋骨中部時(shí)肋骨的位移分布Fig.3 Displacement distribution of the rib when the collision occurred in the middle part

表2 不同載荷下正常肋骨與固定后肋骨的響應(yīng)Tab.2 Responses of normal rib and fixed rib under different loads

通過(guò)有限元分析得到三種碰撞情形下肋骨的位移和應(yīng)力響應(yīng)，其中圖3展示了發(fā)生在肋骨中部碰撞下肋骨的位移分布。在肋骨中部受到碰撞時(shí)，使用三翼肋骨接骨板固定后的肋骨與正常肋骨的位移分布相似，位移最大值均出現(xiàn)在肋骨中部受力位置，固定后的肋骨最大位移值小于正常肋骨，表明三翼肋骨接骨板固定效果良好。所有碰撞情形下正常肋骨與三翼肋骨接骨板固定后的肋骨的響應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。時(shí)，固定后應(yīng)力超出正常肋骨21.3%，由接骨板邊緣與肋骨擠壓產(chǎn)生，在肋骨應(yīng)力承受范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)肋骨造成損傷。骨折斷面處在外力作用下會(huì)產(chǎn)生分離，在三種碰撞工況下，斷面之間產(chǎn)生的間隙最大值均小于0.1 mm，說(shuō)明在外力作用下肋骨的骨折斷面處保持良好的貼合狀態(tài)，更有利于骨折康復(fù)。綜合位移、應(yīng)力和斷面間隙值三個(gè)指標(biāo)，在三種不同碰撞情形下，三翼肋骨接骨板均表現(xiàn)出良好的固定性能，因此認(rèn)為三翼肋骨接骨板在治療肋骨骨折中有優(yōu)越的固定效果。

2 臨床回顧

2.1 臨床資料

全組 53例患者，均通過(guò)胸部CT掃描加肋骨三維重建獲得診斷。其中男42例、女11例，年齡13～85歲。車(chē)禍傷22例，摔倒傷27例（騎車(chē)摔倒4例），高處墜落傷2例，其它傷2例。多發(fā)性肋骨骨折47例，連枷胸6例。右側(cè)肋骨骨折31例，左側(cè)肋骨骨折20例，雙側(cè)肋骨骨折2例。合并血胸37例，血?dú)庑?例，鎖骨骨折4例，肩胛骨骨折1例，骨盆骨折1例，股骨骨折1例。

2.2 手術(shù)方法

氣管內(nèi)插管全身麻醉，多采用側(cè)臥位，根據(jù)肋骨骨折部位和數(shù)量，選擇1～3個(gè)平行肋骨的切口，每個(gè)切口可以固定4～7根肋骨。切口長(zhǎng)5～8 cm，切開(kāi)皮膚、皮下組織、肌層，顯露骨折斷端，切開(kāi)肋骨骨折斷端兩側(cè)上、下緣肋間肌，長(zhǎng)度與接骨板等長(zhǎng)為宜。保護(hù)肋間神經(jīng)和血管，游離去除斷端內(nèi)嵌入的軟組織，將斷端解剖復(fù)位，保留斷端骨折碎片并給予復(fù)位，用抓持鉗將三翼肋骨接骨板微折成與肋骨相適應(yīng)的曲度后置入，中間兩爪位于斷端處，用抓持鉗先將接骨板兩端的爪扣緊，再扣緊中間兩個(gè)爪，按壓接骨板確定抱緊肋骨無(wú)松動(dòng)，完成固定。同法，對(duì)其他肋骨行骨折內(nèi)固定。對(duì)合并胸腔積血者，胸腔鏡下清除積血，置胸腔閉式引流管，逐層縫合。

2.3 臨床結(jié)果

在2017年10月至2019年10月間，使用純鈦三翼肋骨接骨板治療骨折病人共53例，其中男42例，女11例，平均使用三翼肋骨接骨板進(jìn)行內(nèi)固定數(shù)為（4.6±1.8）根。術(shù)后一周復(fù)查CT影像重建見(jiàn)圖4，均顯示肋骨骨折復(fù)位良好，接骨板無(wú)滑移、脫落跡象，固定效果良好。錯(cuò)位的肋骨及連枷胸胸壁塌陷得到矯正，對(duì)于粉碎性骨折，碎骨也能固定良好?；颊咛弁锤械玫矫黠@緩解，呼吸恢復(fù)順暢，術(shù)后無(wú)切口感染、肺部感染或肺不張等并發(fā)癥，平均術(shù)后住院（7.1±2.2）d，患者恢復(fù)狀況良好。

圖4 部分肋骨骨折患者術(shù)前(上)、術(shù)后(下)胸廓CT掃描重建影像Fig.4 CT reconstruction images of chest before (upper) and after (lower)operation in some patients with rib fracture

3 討論

臨床上使用爪形接骨板治療多發(fā)性肋骨骨折，通過(guò)切開(kāi)上下緣肋間肌植入，使用抓持鉗固定，手術(shù)操作容易。本研究通過(guò)使用有限元的方法，創(chuàng)新性地使用過(guò)盈接觸模擬出三翼肋骨接骨板與肋骨之間的預(yù)緊力，充分考慮了三翼肋骨接骨板的分離、脫落和失效等問(wèn)題，反映出臨床上使用的真實(shí)情形。結(jié)果顯示為，在不同的撞擊載荷下，三翼肋骨接骨板固定后的肋骨的最大位移小于正常肋骨，同時(shí)說(shuō)明固定后的骨折肋骨能承受的壓力更高于正常肋骨，骨折斷面分離很小。通過(guò)力學(xué)分析證明三翼肋骨接骨板具有較好的固定性能。

傳統(tǒng)的八爪接骨板由于板長(zhǎng)（45～55 mm）、爪多，在肋骨曲率較大或肋骨頸骨折斷端靠近根部時(shí)難以植入，且面對(duì)粉碎性骨折時(shí)斷端碎片得不到有效固定。新型的三翼肋骨接骨板，在肋骨頸骨折斷端靠近根部時(shí)適用性很好。發(fā)生粉碎性骨折時(shí)，三翼肋骨接骨板的中間爪子可以對(duì)斷端處碎骨片進(jìn)行包裹固定，有利于促進(jìn)骨折處的愈合。

綜上，通過(guò)有限元分析驗(yàn)證了三翼肋骨接骨板具有良好的固定性能，且從臨床實(shí)踐上證實(shí)了三翼肋骨接骨板在臨床上使用的優(yōu)越性和簡(jiǎn)便性，因此三翼肋骨接骨板有較高的臨床使用價(jià)值。