孙丽颖，郭　阳，荣起国，田光磊△

(1. 北京积水潭医院手外科，北京　100035； 2. 北京大学工学院力学与工程科学系，北京　100871)



·短篇论著·

舟骨骨折术后康复治疗的有限元分析

孙丽颖1，郭阳1，荣起国2，田光磊1△

(1. 北京积水潭医院手外科，北京100035； 2. 北京大学工学院力学与工程科学系，北京100871)

舟骨；骨折固定术，内；康复；有限元分析

腕舟骨骨折是手部常见损伤，多见于青年男性，其中75%为舟骨腰部骨折[1]。新鲜舟骨腰部骨折的治疗多采用经皮螺钉加压固定，但是患者术后常因制动时间长，缺乏及时、有效的康复治疗而出现腕关节僵硬、手指屈伸受限、废用性骨质疏松等，给患者工作、生活带来不便，且术后康复训练目前多为经验性治疗，缺乏生物力学、运动生理学等方面的实验数据支持。本研究通过建立舟骨腰部骨折螺钉固定的有限元分析模型，分别模拟腕中立握拳及腕背伸桡偏两种常见体位，施加较小的载荷，观察舟骨骨折的稳定性，以期科学指导术后的康复治疗。

1　资料与方法

1.1有限元分析模型的建立

于门诊选取1例手外伤患者(男性，30岁)，行双侧腕关节螺旋CT扫描(64排，日本东芝公司，AquilionTsx-101A)，扫描范围以月骨为中心，包括腕骨、腕关节及前臂远端1/3。扫描条件：电压120kV，电流100mA，扫描层厚0.5mm，螺距0.938，矩阵512×512，滤过参数为30(骨算法)，重建层厚0.5mm，层距0.5mm。使用Mimics10.0软件(比利时Matefialise公司)处理健侧DICOM格式数据，行腕关节三维影像表面重建，后将其导入ANSYS10.0软件(美国ANSYS公司)建立有限元分析模型(图1)。

由于软骨轮廓于CT中难以清晰显示，故根据解剖学研究，在各骨的几何面中人工选择适当的单元面作为软骨基准面，其余单元面为骨基准面，设定软骨层厚度为1mm[2]。采用线性连杆模型模拟腕关节主要韧带[3-4]，包括：桡舟头韧带、长桡月韧带、桡舟月韧带、舟头韧带、舟大小多角骨韧带、舟月掌侧韧带、钩三角掌侧韧带、头月掌侧韧带、大多角三角韧带、大多角舟骨韧带、舟月背侧韧带、钩三角背侧韧带、头月背侧韧带。每条韧带设定的连杆数量及起始位置均依据解剖学研究[5]，再对整个模型依次进行单元交叉测试、节点融合处理以及局部网格优化，获得腕关节三维有限元模型。

模拟舟骨腰部斜形骨折(Herbert分型)及两种置钉方式(图2)：(1)螺钉位于骨折面中心且与之垂直，(2)螺钉位于舟骨中央区[6-7](螺钉与骨折面成角70°)。螺钉模型为直径3mm的无头空心螺钉。

1.2材料属性

设定骨、软骨、韧带及螺钉为各向同性的线弹性材料，其杨氏模量分别为10 000MPa、10MPa、500MPa、150GPa，泊松比分别为0.3、0.4、0.48、0.3[3-4, 8]。考虑骨折面间的摩擦情况，摩擦系数μ=0.4[2]。

1.3载荷设置

模拟投飞镖动作[9-10](dartthrowingmotion，DTM)的一个体位——腕背伸桡偏位，自桡侧腕伸肌腱止点施加载荷，方向大致与前臂平行，因术后早期活动负荷不宜过大，故载荷大小设为50N。模拟腕中立握拳位[11]，自第三掌骨远端向近端施加载荷，大小同前。

1.4数据记录分析

记录螺钉应力、骨折面间的压应力及骨折面间位移。

2　结果

螺钉垂直骨折面固定，腕背伸桡偏及腕中立握拳的骨折面间移位均为4.0×10-3mm，骨折无明显移位；当螺钉居中固定时，两种体位下骨折面的位移分别为4.1×10-3mm和4.0×10-3mm，亦无明显移位，而螺钉应力及作用于骨折面间的压应力均是腕背伸桡偏时更大(图3)，且与螺钉固定方式无关(表1)。

A, palmer side; B, dorsal side.
图1有限元分析模型
Figure 1Finite element model

A, the screw was placed perpendicular and centrally to the fracture plane; B, the screw located centrally along the long axis of the scaphoid.
图2两种螺钉固定方式
Figure 2Two kinds of fixation

A, perpendicular fixation with wrist extension radial deviation; B, centrally fixation with wrist extension radial deviation; C, perpendicular fixation with wrist neutral and making a fist; D, centrally fixation with wrist neutral and making a fist.
图3骨折面间应力分布
Figure 3Stress between two fracture fragments

3　讨论

以空心螺钉固定舟骨骨折已日渐盛行，其可缩短制动时间，提高骨愈合率，但术后康复仍多为经验性治疗，尚缺乏生物力学、运动生理学等实验数据的支持。临床常有患者因缺乏科学、系统、完整的康复治疗而导致腕关节功能障碍，因此，制定一套科学、系统的康复计划甚为重要。

骨折稳定固定是康复治疗尽早开始的保证。对于舟骨空心螺钉如何固定骨折最为稳定，目前仍存争议，有学者认为将螺钉放置于舟骨内居中最为重要[12]，也有学者认为舟骨螺钉与骨折线垂直更有意义[8, 13]。本研究分别采用了目前临床常用的两种置钉方式：(1)螺钉位于骨折面中心且与之垂直，(2)螺钉位于舟骨中央区，依次模拟腕背伸桡偏及腕中立握拳两种体位，前者源于腕关节最主要的运动模式，后者是术后康复最多采用的训练方法。

腕背伸桡偏是DTM的重要体位之一，而DTM是腕关节由背伸桡偏向屈曲尺偏的运动过程，是腕关节日常活动中最主要的运动形式[9]。舟骨骨折螺钉固定的目的就在于骨折早愈合，腕关节尽早使用，因此模拟腕关节生理载荷模式比以往有限元分析中自腕部垂直施加载荷更具有合理性。本研究显示，在腕背伸桡偏施加50N载荷时，无论骨折是垂直还是居中固定，骨折面间均无明显位移，骨折面间的压应力在二者间也无明显差异，而骨折垂直固定中作用于螺钉上的应力略小，结果提示稳定固定的舟骨骨折术后可早期开始腕部轻微活动,术后1～2周待软组织肿胀减轻后即可逐步进行被动DTM训练。舟骨骨折术后的掌指关节、指间关节早期屈伸活动有助于患肢消肿，这也是目前临床常用的康复方式之一，但是握拳后骨折面、螺钉局部应力的变化以及对骨折稳定性的影响尚未见报道。本研究显示，当施加载荷50 N时，两种固定方式的骨折面间均无明显移位，且骨折面间的压应力及螺钉应力均小于腕背伸桡偏时，上述结果也提示，若骨折牢固固定，术后可即刻开始指间关节、掌指关节主动屈伸，促进消肿，防止关节僵直，待软组织肿胀逐渐消退后可逐步开始DTM，尽早恢复手功能。

表1　不同固定方式及体位的骨折稳定性

Smax, short for the maximum strain of the screw; Smin, short for minimum stain of the screw; P, the stress between two fracture fragments; D, the relative displacement of the fracture surface.

舟骨骨折术后的康复治疗需要多学科合作，手外科医生与康复科医生、理疗师之间需要密切沟通，康复科医生需要及时、准确地了解骨折固定的稳定性及骨折愈合程度，制定有针对性的康复计划。目前康复治疗多以经验性为主，尚缺乏生物力学等实验科学数据的支持。本研究尝试通过有限元模型分析，为康复治疗提供初步、客观的实验数据支持。本研究尚存不足，其一是骨折线单一，需进一步模拟不同的骨折类型，以检验其在不同运动模式下的稳定程度；其二是腕关节有限元模型建立时对骨、软骨、韧带均假设为各向同性的线弹性材料，较生理条件有一定的差距。

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(2016-01-18 收稿)

(本文编辑：任英慧)

首都医学发展科研专项基金(2014-4-2073)资助SupportedbytheCapitalFoundationforMedicalResearchandDevelopment(2014-4-2073)

R683.41

A

1671-167X(2016)04-0751-03

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.04.037

△Correspondingauthor’se-mail,tiangl57@163.com

网络出版时间：2016-5-1213：38：18网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160512.1338.032.html