引用本文： 蒙德鵬, 歐陽躍平, 侯春林. 花瓣狀多軸鎖定板固定髕骨 Y 形骨折的有限元分析. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(12): 1456-1461. doi: 10.7507/1002-1892.201706054 復制
粉碎性髕骨骨折發生率居髕骨各類型骨折發生率的第 2 位[1-2]。目前對多骨折塊型髕骨骨折尚無標準固定方法[3-5]。鎖定板具有釘板一體、可保護骨膜血運的優點，我們在前期研究中使用進口 4 孔鎖定板固定二部分髕骨骨折，但強度仍不夠，需加用胸骨縫線環扎加固[6]。基于此，我們設計出一種花瓣狀多軸鎖定板（專利號 201420516258.2），通過建立該鎖定板及 9 枚螺釘固定治療髕骨 Y 形骨折三維有限元模型，驗證該模型的生物力學特性，為臨床上固定簡單的多部分髕骨骨折提供新的固定方法及實驗依據。報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象及主要儀器、軟件
隨機選取 1 名健康男性志愿者，年齡 33 歲，身高 180 cm，體質量 85 kg。自訴體健，膝關節無外傷、手術及骨關節炎病史。本研究獲醫院倫理委員會批準，志愿者知情同意。
ACER 4750G 筆記本電腦（Inter i5-2410M 處理器，1 GB 獨立顯存，8 GB DDR3 內存，500 GB 硬盤，Windows 7 操作系統）；Philips 64 排螺旋 CT（Philips 公司，荷蘭）。
有限元軟件 ANSYS Workbench 16.0（ANSYS 公司，美國）；醫學圖像處理軟件 Mimics 19.0、正逆向繪圖軟件 3-Matic 11.0（Materialise 公司，比利時）；繪圖軟件 Rhino 5.0（Robert McNeel 公司，美國）。
1.2 研究方法
1.2.1 髕骨 Y 形骨折模型建立
志愿者平躺于 CT 掃描平臺，對其右膝行螺旋 CT 掃描，所得數據導入 Mimics 19.0 及 3-Matic 11.0 軟件。用閾值分割、區域增長、多層編輯、模擬截骨等功能制作髕骨 Y 形骨折塊模型（對每一部分骨折塊使用布爾運算，將其分成皮質骨和松質骨兩部分），以 STL 格式導出備用。見圖 1a。
圖1
建模及網格劃分
a. Mimics 19.0 及 3-Matic 11.0 軟件建立髕骨 Y 形骨折模型；b. Rhino 5.0 軟件建立花瓣狀多軸鎖定板模型及螺釘；c. 軟件中網格劃分后花瓣狀多軸鎖定板固定髕骨 Y 形骨折模型
Figure1. The creation of three-dimensional model and meshinga. The three-dimensional model of the Y-shaped patellar fracture was created by software Mimics 19.0 and 3-Matic 11.0; b. The three-dimensional model of petal-shaped poly-axial locking plate was created by software Rhino 5.0; c. The meshed model of Y-shaped patellar fracture fixed with titanium-alloy petal-shaped poly-axial locking plate under software
1.2.2 鎖定板和螺釘的建模及塑形
在 Rhino 5.0 軟件中生成鎖定板和螺釘的三維模型并按髕骨輪廓折彎，鎖定板為梅花瓣狀，厚度 1 mm。花瓣尖及花瓣體分布 11 枚外徑 6 mm、內徑 5 mm 的螺孔。螺釘直徑為 2.7 mm，釘帽直徑 6 mm，長度 16～24 mm。將上述鎖定板及螺釘模型保存為 STL 格式備用。見圖 1b。
1.2.3 模型裝配和網格劃分
在 3-Matic 11.0 軟件中，將上述皮質骨、松質骨骨折塊、螺釘及折彎后的鎖定板模型導入。其中長度為 18 mm 的螺釘 2 枚，20 mm 4 枚，22 mm 3 枚。植釘原則：每一骨折塊使用 3 枚螺釘固定；螺釘盡可能長；螺釘不穿透關節面且不橫過骨折端[7-8]。通過布爾運算將鎖定板和螺釘連接為一體，反復復制這一復合體并與上述骨折塊進行布爾減運算，可生成含螺釘孔道的骨折塊。使用 Remesh 功能劃分面網格和體網格，將所得三維模型以 Ansys 模式（.cdb）導出。花瓣狀多軸鎖定板固定髕骨 Y 形骨折三維有限元模型建模成功，并有效劃分網格。模型節點個數和網格個數分別為 456 839 和 245 449。見圖 1c、表 1。
表1
各模型節點數和網格數
Table1.
The number of the nodes and elements of the models
1.2.4 建立有限元最終模型及分析
打開有限元軟件 ANSYS Workbench 16.0，導入上述模型。設置以下參數后進行有限元分析：① 材料屬性設定：皮質骨、松質骨、鈦合金材料的彈性模量分別設置為 24 100、2 410、110 000 MPa；泊松比分別設置為 0.28、0.20、0.30[9-11]。② 接觸設定：皮質骨與松質骨之間關系設置為綁定（Bonded），骨折線兩端骨塊設置為粗糙（Rough），其余關系設置為不分離（No Separation）[7, 12-13]。③ 邊界條件設定：對髕骨上下極施行約束，同時在髕股關節面施加壓力。當膝關節屈膝 20、45、90° 時，對髕股關節面下 1/3、中 1/3、上 1/3 施加垂直關節面的壓應力分別為 2.0、3.5、4.4 MPa[14-15]。運行軟件，計算各狀態下最大等效應力及位移值，等效應力、位移分布情況以云圖形式顯示。
2 結果
屈膝 20° 時，模型最大等效應力為 68.97 MPa，出現在位于近水平面的骨折線附近螺釘與骨皮質結合處。整個模型最大位移值為 0.090 2 mm，出現在髕骨下極，總體上髕骨下極骨塊移位明顯大于上極。矢狀面觀察，髕骨上下極約束點附近可見局部應力集中，下極骨塊受到的應力大于上極骨塊，骨折線附近鎖定板應力集中明顯，近水平面骨折線附近螺釘與骨皮質交界處出現較大應力集中。見圖 2。
圖2
屈膝20°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure2. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 20°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
屈膝 45° 時，隨著髕股關節面接觸部位的上移和壓力增加，模型的最大等效應力較屈膝 20° 時明顯增加，達到 110.38 MPa，最大等效應力出現在髕骨上極的螺釘與皮質骨接觸處。整個模型最大位移值為 0.092 8 mm，出現在螺釘位置較稀疏的髕骨左上極近水平骨折線周圍（以 x 軸正向為右）。矢狀面觀察，鎖定板與骨皮質未完全服帖，螺釘與皮質骨交界處有明顯應力集中，見圖 3。隨著髕骨接觸面上移，整個模型的上極應力大于下極；約束點周圍、近骨折線處螺釘及鎖定板附近可見局部應力集中。
圖3
屈膝45°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure3. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 45°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
屈膝 90° 時，鎖定板與髕骨有部分間隙，模型的最大等效應力升至 151.48 MPa，最大等效應力出現在近水平面骨折線附近的螺釘與鎖定板結合處。整個模型最大位移值為 0.063 2 mm，出現在螺釘位置較稀疏的髕骨左上極近左下骨折線處，上極骨塊移位大于下極。矢狀面觀察，約束點周圍、近骨折線處螺釘及鎖定板附近可見局部應力集中。見圖 4。
圖4
屈膝90°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure4. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 90°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
3 討論
髕骨多骨折塊型骨折發生率僅次于髕骨橫形骨折，屬髕骨骨折第 2 常見的類型[1-2]。目前臨床上常用的克氏針張力帶方法是固定橫形骨折的金標準，但對多骨折塊型骨折的固定力學效果并非最佳。鎖定板具有釘板一體、操作簡便的特點。我們在前期研究中使用 4 孔鎖定板固定髕骨橫形骨折，牢固性欠佳，需加用胸骨縫線環扎加固。對于多骨折塊型髕骨骨折，4 孔鎖定板難以固定。鑒于此，我們設計了一種 11 孔花瓣狀髕骨鎖定板，其厚度 1 mm，采用醫用鈦合金制成，具有貼合髕骨解剖弧度的設計；交錯設置的鎖定釘可提高把持力；多軸設定的螺釘方向可提高對復雜骨折塊的抓持能力；鎖定板周邊設計了縫合孔，可對粉碎嚴重的骨塊進行骨膜縫合加固。本鎖定板的研制有望為簡單的多骨折塊型髕骨骨折治療提供新的固定選擇。
在新器械設計運用于人體前，需進行力學性能測試，但在活體上進行各種苛刻的生物力學模擬幾乎無法實現。有限元方法已廣泛運用于生物力學的各研究領域[16-19]，較其他傳統力學模型具有時間短、可重復、成本低的優點[20]。在髕骨骨折三維有限元分析方面，徐洪璋等[21]首次建立了髕骨骨折 AO 張力帶內固定有限元模型，克服了既往建模鋼絲與髕骨表面不匹配的難題，驗證了 AO 張力帶固定下屈膝時橫形骨折塊間存在加壓等經典理論。何澤陽[7]建立了微型鎖定板固定髕骨分層骨折的有限元模型，驗證了 2 塊微型鎖定板固定這一類型骨折的生物力學性能。他認為在緩慢伸膝過程中，股四頭肌拉力、髕韌帶拉力和股骨對髕骨關節面的壓應力這 3 種力處于平衡狀態；在數學模擬時，可將模型受力簡化為對髕骨上下極約束，在髕股接觸面上施加不同的壓應力。故本研究也采用了這一力學上近似等效的模擬方式，可減少運算量，達到將復雜問題等效簡化處理的目的。
本研究建立了鈦合金花瓣狀髕骨多軸鎖定鎖定板固定髕骨 Y 形骨折的三維有限元模型，通過對屈膝 20、45、90° 3 個生理狀況下進行力學分析，發現隨著屈膝角度增大，模型最大等效應力不斷增加（由 68.97 MPa 升至 151.48 MPa），但小于鈦合金的最小屈服強度 215～816 MPa[11]，也小于髕骨的壓縮強度（約 185 MPa）[22]；骨折塊的最大位移分別為 0.090 2、0.092 8、0.063 2 mm，小于臨床上要求關節面臺階<2 mm 的要求。鎖定板應力分布、骨折塊移位程度與骨折線類型、螺釘疏密、髕骨關節面受力部位有關。最大等效應力和最大位移值分布在水平骨折線周圍及螺釘較疏的部位。以上發現可為臨床進一步應用提供理論參考。
另外本研究發現，類似負荷條件下，本模型的最大等效應力和最大位移與文獻報道不盡相同。除了各研究參與測試的志愿者髕骨大小不同、三部分骨折模型具體類型不同、固定方式和螺釘數量不同等原因外，也可能與本模型選擇的上下極約束區域面積與文獻不同有關。根據我們的經驗，約束區域選擇范圍越大（韌帶附著點越寬），模型和內固定的最大等效應力值越低。由于髕骨表面的不規則性，雖經軟件反復折彎模擬，鎖定板與髕骨表面輪廓仍難以完全服貼，這些間隙難免導致骨折塊分離，應力不能均勻分布到鎖定板上，這也導致了個別螺釘上會出現較大應力集中，極端情況下會接近甚至超過骨皮質的屈服強度，造成螺釘的拔出、松動等后果。臨床上通過在實體上調整或使用拉力釘加壓等方法使鎖定板貼服于骨面，可進一步減少螺釘應力；在多骨折塊骨折康復過程中，患者多被囑咐采用關節被動彎曲的方法，或使用如鉸鏈支具、CPM 機等循序漸進的方法，以減少螺釘應力集中。通過以上限制，生理條件下的實際應力還會小于測試應力。值得說明的是，針對鋼板和螺釘固定進行有限元研究，多采用忽略螺紋的方式[12-13]，因為在接觸面設定時，可將骨-螺釘接觸關系設定為“不分離（No separate）”，這是種面線性接觸邊界條件，意味著接觸面不能在法線上移動，但可在切線上作少許移動，這就模擬了螺釘在骨骼中的相對位移情況，不需要再另外設置螺紋。
綜上述，我們從數學模型上模擬驗證了鈦合金花瓣狀多軸鎖定板及 9 枚螺釘固定簡單髕骨 Y 形骨折的力學性能，為臨床進一步應用提供了依據。但本研究還存在以下局限性：① 對螺釘和鎖定板通過布爾運算合為一個整體，可將復雜的多軸鎖定模型簡單處理，減少了運算量，類似于“焊接”關系，但此結構難以完全模擬真實的螺釘鎖定板通過螺紋或切割方式進行鎖定的關系，這種螺紋或切割鎖定的力學特性有待進一步標本實驗模擬驗證。② 髕骨 Y 形骨折屬于多骨折塊型骨折中較簡單的類型，骨折塊大，較容易固定。而臨床上的粉碎骨折更復雜（例如下極粉碎以及關節面冠狀分層移位的患者），更難以固定。③ 本研究缺乏對照設計，證據等級較低，無法驗證與拉力釘固定、鋼絲環扎等主流固定方式的優劣。因花瓣狀鎖定板固定髕骨 Y 形骨折模型尚屬首創，沒有完全一樣的模型可橫向驗證，下一步擬將鎖定板進行改進并委托器械公司生產，并設計實物模型予以對比，以驗證本次實驗效果。
志謝：第二軍醫大學長征醫院骨創傷科林浩東教授、楊鵬博士、影像科李華醫師提供有限元軟件指導；常州康宇醫療器械有限公司梁文魁工程師提供鎖定板建模指導
粉碎性髕骨骨折發生率居髕骨各類型骨折發生率的第 2 位[1-2]。目前對多骨折塊型髕骨骨折尚無標準固定方法[3-5]。鎖定板具有釘板一體、可保護骨膜血運的優點，我們在前期研究中使用進口 4 孔鎖定板固定二部分髕骨骨折，但強度仍不夠，需加用胸骨縫線環扎加固[6]。基于此，我們設計出一種花瓣狀多軸鎖定板（專利號 201420516258.2），通過建立該鎖定板及 9 枚螺釘固定治療髕骨 Y 形骨折三維有限元模型，驗證該模型的生物力學特性，為臨床上固定簡單的多部分髕骨骨折提供新的固定方法及實驗依據。報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象及主要儀器、軟件
隨機選取 1 名健康男性志愿者，年齡 33 歲，身高 180 cm，體質量 85 kg。自訴體健，膝關節無外傷、手術及骨關節炎病史。本研究獲醫院倫理委員會批準，志愿者知情同意。
ACER 4750G 筆記本電腦（Inter i5-2410M 處理器，1 GB 獨立顯存，8 GB DDR3 內存，500 GB 硬盤，Windows 7 操作系統）；Philips 64 排螺旋 CT（Philips 公司，荷蘭）。
有限元軟件 ANSYS Workbench 16.0（ANSYS 公司，美國）；醫學圖像處理軟件 Mimics 19.0、正逆向繪圖軟件 3-Matic 11.0（Materialise 公司，比利時）；繪圖軟件 Rhino 5.0（Robert McNeel 公司，美國）。
1.2 研究方法
1.2.1 髕骨 Y 形骨折模型建立
志愿者平躺于 CT 掃描平臺，對其右膝行螺旋 CT 掃描，所得數據導入 Mimics 19.0 及 3-Matic 11.0 軟件。用閾值分割、區域增長、多層編輯、模擬截骨等功能制作髕骨 Y 形骨折塊模型（對每一部分骨折塊使用布爾運算，將其分成皮質骨和松質骨兩部分），以 STL 格式導出備用。見圖 1a。
圖1
建模及網格劃分
a. Mimics 19.0 及 3-Matic 11.0 軟件建立髕骨 Y 形骨折模型；b. Rhino 5.0 軟件建立花瓣狀多軸鎖定板模型及螺釘；c. 軟件中網格劃分后花瓣狀多軸鎖定板固定髕骨 Y 形骨折模型
Figure1. The creation of three-dimensional model and meshinga. The three-dimensional model of the Y-shaped patellar fracture was created by software Mimics 19.0 and 3-Matic 11.0; b. The three-dimensional model of petal-shaped poly-axial locking plate was created by software Rhino 5.0; c. The meshed model of Y-shaped patellar fracture fixed with titanium-alloy petal-shaped poly-axial locking plate under software
1.2.2 鎖定板和螺釘的建模及塑形
在 Rhino 5.0 軟件中生成鎖定板和螺釘的三維模型并按髕骨輪廓折彎，鎖定板為梅花瓣狀，厚度 1 mm。花瓣尖及花瓣體分布 11 枚外徑 6 mm、內徑 5 mm 的螺孔。螺釘直徑為 2.7 mm，釘帽直徑 6 mm，長度 16～24 mm。將上述鎖定板及螺釘模型保存為 STL 格式備用。見圖 1b。
1.2.3 模型裝配和網格劃分
在 3-Matic 11.0 軟件中，將上述皮質骨、松質骨骨折塊、螺釘及折彎后的鎖定板模型導入。其中長度為 18 mm 的螺釘 2 枚，20 mm 4 枚，22 mm 3 枚。植釘原則：每一骨折塊使用 3 枚螺釘固定；螺釘盡可能長；螺釘不穿透關節面且不橫過骨折端[7-8]。通過布爾運算將鎖定板和螺釘連接為一體，反復復制這一復合體并與上述骨折塊進行布爾減運算，可生成含螺釘孔道的骨折塊。使用 Remesh 功能劃分面網格和體網格，將所得三維模型以 Ansys 模式（.cdb）導出。花瓣狀多軸鎖定板固定髕骨 Y 形骨折三維有限元模型建模成功，并有效劃分網格。模型節點個數和網格個數分別為 456 839 和 245 449。見圖 1c、表 1。
表1
各模型節點數和網格數
Table1.
The number of the nodes and elements of the models
1.2.4 建立有限元最終模型及分析
打開有限元軟件 ANSYS Workbench 16.0，導入上述模型。設置以下參數后進行有限元分析：① 材料屬性設定：皮質骨、松質骨、鈦合金材料的彈性模量分別設置為 24 100、2 410、110 000 MPa；泊松比分別設置為 0.28、0.20、0.30[9-11]。② 接觸設定：皮質骨與松質骨之間關系設置為綁定（Bonded），骨折線兩端骨塊設置為粗糙（Rough），其余關系設置為不分離（No Separation）[7, 12-13]。③ 邊界條件設定：對髕骨上下極施行約束，同時在髕股關節面施加壓力。當膝關節屈膝 20、45、90° 時，對髕股關節面下 1/3、中 1/3、上 1/3 施加垂直關節面的壓應力分別為 2.0、3.5、4.4 MPa[14-15]。運行軟件，計算各狀態下最大等效應力及位移值，等效應力、位移分布情況以云圖形式顯示。
2 結果
屈膝 20° 時，模型最大等效應力為 68.97 MPa，出現在位于近水平面的骨折線附近螺釘與骨皮質結合處。整個模型最大位移值為 0.090 2 mm，出現在髕骨下極，總體上髕骨下極骨塊移位明顯大于上極。矢狀面觀察，髕骨上下極約束點附近可見局部應力集中，下極骨塊受到的應力大于上極骨塊，骨折線附近鎖定板應力集中明顯，近水平面骨折線附近螺釘與骨皮質交界處出現較大應力集中。見圖 2。
圖2
屈膝20°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure2. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 20°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
屈膝 45° 時，隨著髕股關節面接觸部位的上移和壓力增加，模型的最大等效應力較屈膝 20° 時明顯增加，達到 110.38 MPa，最大等效應力出現在髕骨上極的螺釘與皮質骨接觸處。整個模型最大位移值為 0.092 8 mm，出現在螺釘位置較稀疏的髕骨左上極近水平骨折線周圍（以 x 軸正向為右）。矢狀面觀察，鎖定板與骨皮質未完全服帖，螺釘與皮質骨交界處有明顯應力集中，見圖 3。隨著髕骨接觸面上移，整個模型的上極應力大于下極；約束點周圍、近骨折線處螺釘及鎖定板附近可見局部應力集中。
圖3
屈膝45°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure3. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 45°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
屈膝 90° 時，鎖定板與髕骨有部分間隙，模型的最大等效應力升至 151.48 MPa，最大等效應力出現在近水平面骨折線附近的螺釘與鎖定板結合處。整個模型最大位移值為 0.063 2 mm，出現在螺釘位置較稀疏的髕骨左上極近左下骨折線處，上極骨塊移位大于下極。矢狀面觀察，約束點周圍、近骨折線處螺釘及鎖定板附近可見局部應力集中。見圖 4。
圖4
屈膝90°模型等效應力及位移云圖
a～c. 模型等效應力云圖正、側位觀；d. 模型位移云圖
Figure4. The distribution of Von-Mises stress and displacement under condition simulating the knee joint flexion of 90°a-c. Anterior and lateral views of Von-Mises stress distribution of the model; d. The displacement distribution of the model
3 討論
髕骨多骨折塊型骨折發生率僅次于髕骨橫形骨折，屬髕骨骨折第 2 常見的類型[1-2]。目前臨床上常用的克氏針張力帶方法是固定橫形骨折的金標準，但對多骨折塊型骨折的固定力學效果并非最佳。鎖定板具有釘板一體、操作簡便的特點。我們在前期研究中使用 4 孔鎖定板固定髕骨橫形骨折，牢固性欠佳，需加用胸骨縫線環扎加固。對于多骨折塊型髕骨骨折，4 孔鎖定板難以固定。鑒于此，我們設計了一種 11 孔花瓣狀髕骨鎖定板，其厚度 1 mm，采用醫用鈦合金制成，具有貼合髕骨解剖弧度的設計；交錯設置的鎖定釘可提高把持力；多軸設定的螺釘方向可提高對復雜骨折塊的抓持能力；鎖定板周邊設計了縫合孔，可對粉碎嚴重的骨塊進行骨膜縫合加固。本鎖定板的研制有望為簡單的多骨折塊型髕骨骨折治療提供新的固定選擇。
在新器械設計運用于人體前，需進行力學性能測試，但在活體上進行各種苛刻的生物力學模擬幾乎無法實現。有限元方法已廣泛運用于生物力學的各研究領域[16-19]，較其他傳統力學模型具有時間短、可重復、成本低的優點[20]。在髕骨骨折三維有限元分析方面，徐洪璋等[21]首次建立了髕骨骨折 AO 張力帶內固定有限元模型，克服了既往建模鋼絲與髕骨表面不匹配的難題，驗證了 AO 張力帶固定下屈膝時橫形骨折塊間存在加壓等經典理論。何澤陽[7]建立了微型鎖定板固定髕骨分層骨折的有限元模型，驗證了 2 塊微型鎖定板固定這一類型骨折的生物力學性能。他認為在緩慢伸膝過程中，股四頭肌拉力、髕韌帶拉力和股骨對髕骨關節面的壓應力這 3 種力處于平衡狀態；在數學模擬時，可將模型受力簡化為對髕骨上下極約束，在髕股接觸面上施加不同的壓應力。故本研究也采用了這一力學上近似等效的模擬方式，可減少運算量，達到將復雜問題等效簡化處理的目的。
本研究建立了鈦合金花瓣狀髕骨多軸鎖定鎖定板固定髕骨 Y 形骨折的三維有限元模型，通過對屈膝 20、45、90° 3 個生理狀況下進行力學分析，發現隨著屈膝角度增大，模型最大等效應力不斷增加（由 68.97 MPa 升至 151.48 MPa），但小于鈦合金的最小屈服強度 215～816 MPa[11]，也小于髕骨的壓縮強度（約 185 MPa）[22]；骨折塊的最大位移分別為 0.090 2、0.092 8、0.063 2 mm，小于臨床上要求關節面臺階<2 mm 的要求。鎖定板應力分布、骨折塊移位程度與骨折線類型、螺釘疏密、髕骨關節面受力部位有關。最大等效應力和最大位移值分布在水平骨折線周圍及螺釘較疏的部位。以上發現可為臨床進一步應用提供理論參考。
另外本研究發現，類似負荷條件下，本模型的最大等效應力和最大位移與文獻報道不盡相同。除了各研究參與測試的志愿者髕骨大小不同、三部分骨折模型具體類型不同、固定方式和螺釘數量不同等原因外，也可能與本模型選擇的上下極約束區域面積與文獻不同有關。根據我們的經驗，約束區域選擇范圍越大（韌帶附著點越寬），模型和內固定的最大等效應力值越低。由于髕骨表面的不規則性，雖經軟件反復折彎模擬，鎖定板與髕骨表面輪廓仍難以完全服貼，這些間隙難免導致骨折塊分離，應力不能均勻分布到鎖定板上，這也導致了個別螺釘上會出現較大應力集中，極端情況下會接近甚至超過骨皮質的屈服強度，造成螺釘的拔出、松動等后果。臨床上通過在實體上調整或使用拉力釘加壓等方法使鎖定板貼服于骨面，可進一步減少螺釘應力；在多骨折塊骨折康復過程中，患者多被囑咐采用關節被動彎曲的方法，或使用如鉸鏈支具、CPM 機等循序漸進的方法，以減少螺釘應力集中。通過以上限制，生理條件下的實際應力還會小于測試應力。值得說明的是，針對鋼板和螺釘固定進行有限元研究，多采用忽略螺紋的方式[12-13]，因為在接觸面設定時，可將骨-螺釘接觸關系設定為“不分離（No separate）”，這是種面線性接觸邊界條件，意味著接觸面不能在法線上移動，但可在切線上作少許移動，這就模擬了螺釘在骨骼中的相對位移情況，不需要再另外設置螺紋。
綜上述，我們從數學模型上模擬驗證了鈦合金花瓣狀多軸鎖定板及 9 枚螺釘固定簡單髕骨 Y 形骨折的力學性能，為臨床進一步應用提供了依據。但本研究還存在以下局限性：① 對螺釘和鎖定板通過布爾運算合為一個整體，可將復雜的多軸鎖定模型簡單處理，減少了運算量，類似于“焊接”關系，但此結構難以完全模擬真實的螺釘鎖定板通過螺紋或切割方式進行鎖定的關系，這種螺紋或切割鎖定的力學特性有待進一步標本實驗模擬驗證。② 髕骨 Y 形骨折屬于多骨折塊型骨折中較簡單的類型，骨折塊大，較容易固定。而臨床上的粉碎骨折更復雜（例如下極粉碎以及關節面冠狀分層移位的患者），更難以固定。③ 本研究缺乏對照設計，證據等級較低，無法驗證與拉力釘固定、鋼絲環扎等主流固定方式的優劣。因花瓣狀鎖定板固定髕骨 Y 形骨折模型尚屬首創，沒有完全一樣的模型可橫向驗證，下一步擬將鎖定板進行改進并委托器械公司生產，并設計實物模型予以對比，以驗證本次實驗效果。
志謝：第二軍醫大學長征醫院骨創傷科林浩東教授、楊鵬博士、影像科李華醫師提供有限元軟件指導；常州康宇醫療器械有限公司梁文魁工程師提供鎖定板建模指導
