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[摘要]目的 探讨有限元分析在桡骨远端骨折中的应用效果。方法 采集正常桡骨CT薄层扫描图像，凭借有限元分析软件Ansys l0.0，三维重建软件Mimics 10.01构建桡骨远端有限元模型，并在此基础上构建桡骨远端骨折模型，采用传统小夹板固定实现紧固的目标。设定骨折端不稳移位的压缩，拉伸载荷分别是66.7 N，内外旋载荷是22 N，同时对常规杉树皮夹板的应力发布情况进行分析。结果 压缩情况下，夹板系统应力的最大值为29.89 Mpa;拉伸情况下，夹板系统应力的最大值为25.48 Mpa;外旋情况下，夹板系统应力的最大值及位移分别为32.69 Mpa;内旋情况下，夹板系统应力的最大值及位移分别为30.33 Mpa。结论 建模方式与实际桡骨力学性能的三维有限元模型非常接近，且可以将患者真实的临床情况体现出来，并在此基础上，对桡骨结构及材料力学性能进行深入研究，可确定桡骨在骨折时应力应变与夹板固定后的改变，进而为夹板设计的完善及优化提供参考。
[关键词]桡骨远端骨折：传统小夹板;外固定术;有限元分析
[中图分类号] R683 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2019）8（a）-0086-03
[Abstract] Objective To explore the application effect of finite element analysis in distal radius fracture. Methods The normal humeral CT thin-layer scan image was acquired， and the finite element model of the distal radius was constructed by the finite element analysis software Ansys l0.0 and the three-dimensional reconstruction software Mimics 10.01， based on this， a distal radius fracture model was constructed， which was fixed by traditional small splint. The compression of the unstable displacement of the fracture end was set. The tensile load was 66.7 N and the internal and external rotation load was 22 N. At the same time， the stress release of the conventional cedar bark splint was analyzed. Results In the case of compression， the maximum stress of the splint system was 29.89 Mpa. Under tension， the maximum stress of the splint system was 25.48 Mpa. Under the circumstance of external rotation， the maximum stress and displacement of the splint system were 32.69 Mpa， respectively. In the case of internal rotation， the maximum stress and displacement of the splint system were 30.33 Mpa， respectively. Conclusion The modeling method is very close to the three-dimensional finite element model of the actual mechanical properties of the radius， and can reflect the real clinical situation of the patients. On this basis， the mechanical properties of the radius structure and materials are deeply studied. The stress-strain changes of the radius during fracture and the changes after splint fixation can be determined， and then splints can be set up. It provides reference for the improvement and optimization of the design.
[Key words] Distal radius fracture; Traditional small splint; External fixation; Finite element analysis
健康人的橈骨远端关节面向掌侧的倾斜范围为10°～15°，向尺侧倾斜的范围为20°～25°（尺倾角）。桡骨远端具备尺，掌，桡，背4个面，背侧凸起，掌侧光滑凹陷，共具备4个骨性腿沟，下尺桡关节是前臂旋转的枢纽，其由尺侧面构成。若桡骨远端发生骨折的情况，不仅桡骨下端的关节面会改变角度，而且腿部肌肉会出现扭曲的情况。倘若复位的情况相对较差，会影响患者的腕与手指功能[1]。因此，桡骨远端若发生骨折的情况，务必运用科学的固定方式及器械，固定物的位置、手术后的制动设备会在很大程度上影响骨折患者的临床治疗。在桡骨远端骨折试验的实际应用阶段，采用有限元的方式针对腕关节的形变、骨小梁以及应力进行分析及研究。患者的骨折部位被固定后，应结合患者骨骼与邻近软组织对关节部的力学特性，采用合适的固定方法对患者进行治疗，同时分析各项体位与功能锻炼对骨折断端产生的作用及影响，应用现代化的计算机技术进行数据的输出，能为患者的骨折治疗奠定数据基础。有限元分析方式的骨折仿真方式具备较强的吸引力，且治疗效果较佳。有限元分析方式应用模拟手术，能有效处理内外固定后对关节所致的不良反应，使动物实验统计周期长、繁琐的不足之处得到弥补，现报道如下。
1材料与方法
1.1传统小夹板技术
夹板的规格：宽度为同一平面前臂周围的3/5～4/5，厚度为0.3～0.6 mm，每块小夹板间有1.5～2.0 cm的间隙压垫位置：远折端背桡侧，近折端的掌侧。在普通高等教育“十五”国家级规划教材《中医伤科学》[2]中捆扎方法描述为：扎带一般3～4条，捆扎后要求能提起扎带在夹板上下移动1 cm，即扎带的拉力为800 g左右。
复位：复位前详细阅读X线片，准备好与患者型号合适的小夹板、石膏棉纸、医用绷带卷，2%盐酸利多卡因注射液（河北一品制药股份有限公司，生产批号：2018042578）、3条长30.0 cm，宽1.0 cm的束带。将2%利多卡因注射液稀释至浓度为1%的利多卡因注射液，实施血肿内麻醉。先行骨折端穿刺，抽出积血后将1%的利多卡因注射液3～5 ml注入骨折端实施局部麻醉。待麻醉显效后采用手法复位[3]。患者取端坐位，助手持患者患肢肘关节站立于患者身后，术者一手握患者患肢拇指，另一手握其余四指，与助手在前臂纵轴方向作对抗牵引。充分牵引后，以折顶挤压手法整复骨折小固块、脱位畸形。
固定：复位成功后，保持适度牵引，以石膏棉纸包绕患肢腕部及前臂。取小夹板作四位一体固定。伸直型骨折固定于掌屈尺偏位。屈曲型骨折固定于背伸位。用细束带在上、中、下位置作环扎固定小夹板，注意松紧适度[4]，保持4～6周。术后立即复查X线片，若复位不满意，可再次复位，直到满意为止。
1.2建模过程
选择1名健康男性志愿者，在志愿者右侧上肢中央点由肱骨下段开始往远端的腕掌骨展开CT扫描，且扫描长度控制在334.5 mm，层间距控制在0.3 mm，共1116层。凭借医学图像处理软件Mimics能够采集数字影像与通讯（DICOM），并构建尺桡骨模型。能把尺桡骨模型，通过IGES形式导入至有限元分析法的Ansys内，构建有限元模型。根据相关文献及研究，赋值模型材料（见表1），且凭借Solid 92实体单元划分模型的网格，节点数量共196 789个，单元数量共123 451个[3]。
1.3应力分析
依照前臂活动的特性，桡骨远端载荷包括压缩，拉伸以及内外旋转。因此，志愿者桡骨远端骨折传统夹板的固定处理结束后，应对压缩、拉伸、内外旋转情况下出现的变形和应力分布情况进行深入的研究及分析[4]。轴向压缩的情况下，加载点是腕关节横向面，且实际载荷为66.7 N;横向拉伸情况下，加载的位置是尺桡骨腕关节横向面，且实际载荷为66.7 N;扭转加载的情况下，实际载荷为22.0 N。不管工况如何，夹板应力都会相对较小。在各种位移应力作用下，应力最大值都是在背侧板的远端扎带位置发生，且往近侧及内外两侧渐渐降低。拉伸情况下，夹板应力最小，相应地，外旋情况下，夹板所承受的应力最大。
1.4有限元分析
运用ANSYSS l0.0展开有限元分析，并由此得到桡骨远端不同载荷的应力。
2结果
压缩情况下，夹板应力的最大值为29.89 Mpa;拉伸情况下，夹板应力的最大值为25.48 Mpa;外旋情况下，夹板应力的最大值及位移分别为32.69 Mpa;内旋情况下，夹板应力的最大值及位移分别为30.33 Mpa。
3讨论
桡骨远端骨折的高发人群是老年女性患者和骨质疏松群体，因为此类人群的骨折类型大部分属于粉碎性骨折，特别是软组织受损情况所占比重较大，由于患者具备骨质疏松的体质，愈合难度相对较大[5]。稳定的骨折端固定和准确的解剖复位是患者骨折症状恢复的关键性条件及基础，以前端骨骨折组织在针对骨折患者进行治疗时，常过于注重机械固定的临床效果，手术结束后常出现骨萎缩、固定部位骨质疏松、骨愈合时间延长及再骨折等情况[6]。
目前，医学界越来越倾向于中医夹板治疗桡骨远端骨折的研究，且在对桡骨远端骨折患者进行治疗时，更为重视骨折软组织血供条件的维护，因此运用保守治疗方法实现骨折的固定目标，避免软组织剥离，使骨折维持在对位对线的状态，也能使患者的骨折部位更迅速地形成骨痂。本研究中传统的小夹板固定术，经历了数千年的考验，流传下来，其固定体系经过了不断的经验总结和改良，因此固定效果相对较强[7]。怎样利用生物力学实验，研究出与生物力学更加符合的固定器械，也成为目前骨科临床研究的重点。三维有限元模型在不同骨折类型与骨科基础生物力学中，选择合适的固定物展開生物力学的有效性研究[8]。近年来，对骨折内外固定器运用有限元的方法展开分析，受到了国内外学者的广泛认可，应用体外力学测验的方式，能使内外固定器的设计得到优化，且能为固定方法的选择提供参考[9]。有关夹板的三维有限元研究较少，但临床上夹板技术的每个步骤也有很多学说。有关桡骨远端骨折生物力学的研究方法主要包括离体研究、在体研究与数学模型等，而具体的生物力学实验方法主要有电测法（如压敏片测试）、影像学方法和有限元方法等[10]。闭合手法复位后小夹板外固定一直是主要的非手术治疗手段之一，是中医一种独具特点的有效治疗方法。目前国内关于桡骨远端骨折复位后夹板固定的生物力学研究都着重围绕夹板材料的选择、压垫、捆扎方法、绑力、固定时间及功能锻炼等因素[11]。
本研究中建模方式与实际桡骨力学性能的三维有限元模型非常接近，且可以将患者真实的临床情况体现出来，对桡骨结构及材料力学性能进行深入研究，可以确定桡骨在骨折时应力改变与夹板固定后的改变，进而为夹板设计的完善及优化提供参考[12]。
运用三维有限元的方式进行分析显示，在4种载荷的情况下，夹板应力汇集的部位是远端扎带位置。因此，在桡骨远端骨折夹板固定时，在远端绑的扎带一定要稳，才能对抗功能锻炼时骨折端的位移应力，减少复位丢失[13];但捆扎力不能过大，绵花压垫可适当加厚，避免造成过度挤压或腕管综合征等医疗损伤。
综上所述，桡骨远端骨折传统夹板固定体系的稳定性及整体性相对较好，且在腕关节受力存在差异的条件下，能有效降低手术后内固定物松动及再移位等并发症发生率[14]。同时传统杉树皮夹板设计与桡骨远端的解剖结构具备更高的匹配度，在治疗时不用过度塑形处理接夹板。因此，这种方式对不稳定性骨折及桡骨远端粉碎性骨折患者是非常适用的[15]。桡骨远端骨折患者接受此种固定系统治疗后，骨折复位后虽然骨折块并不具备强有力的支撑，但由于传统夹板固定系统具备避免剥离骨折端软组织及破坏血运，并具备较强的整体性及稳定性，因此传统杉树皮夹板固定可以有效固定患者的骨折部位。
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（收稿日期：2018-12-26 本文编辑：刘克明）