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摘要目的：（1）建立正常成年人肱骨远端三维模型及可靠的有限元模型；（2）通过利用医学影像三维重建技术和有限元分析技术比较肱骨远端骨折在不同应力状态下使用平行双钢板固定、垂直双钢板固定及Y型钢板固定的生物力学稳定性差异，明确不同钢板固定方式的应力及位移分布特点，为临床治疗该部位骨折提供相应建议。方法：（1）首先获取1名志愿者的CT原始数据，利用医学影像处理软件MIMICS17.0对数据进行处理，获得肱骨三维模型，利用逆向工程软件GeomagicStudio对肱骨模型进行表面光滑处理，利用有限元前处理软件Hypermesh13.0对肱骨远端模型进行有限元网格划分，随后将模型导回MIMICS17.0进行基于CT灰度值的材料赋值，参照既往文献报道，利用有限元分析软件Abaqus6.14对模型进行相应的生物力学分析，并对该有限元模型的有效性进行验证；（2）利用三维建模软件Solidworks对肱骨远端三维模型进行骨折模型构造，在肱骨髁上构造长度为10mm的骨折缺损，建立平行双钢板、垂直双钢板、Y型钢板固定模型，将3种模型分别与肱骨远端骨折模型依据骨折治疗的AO原则进行装配，利用有限元前处理软件对上述3种装配模型进行四面体网格划分，对肱骨骨折模型进行基于CT灰度值的材料赋值，钢板模型给予均一材料赋值；（3）将3种装配模型导入有限元分析软件Abaqus6.14中进行求解，定义钢板螺钉与肱骨之间的接触关系为绑定，设定肱骨近端在X轴、Y轴、Z轴上完全固定，分别在肱骨远端关节面上施加轴向N、弯曲载荷30N，在肱骨远端外侧髁上施加30N内翻载荷，比较内固定物的应力分布及肱骨远端骨块的位移情况。结果：（1）经过CT临床数据采集、图像三维重建、模型表面处理、划分网格等过程成功地建立了正常成人肱骨远端三维有限元模型，模型在不同轴向载荷下的最大应力情况与既往相关研究的结果具有高度一致性，说明本研究所建立的有限元模型是可靠的，可以在后期相关研究中进行应用；（2）经过肱骨远端骨折模型的构造、内固定模型的建立、骨折模型与内固定模型的装配、网格划分等过程成功地建立了3种骨折固定的有限元模型；（3）在应力分布及最大应力方面，不同力学加载模式下平行双钢板固定应力分布最为均匀，最大应力值最低，垂直双钢板固定次之，Y型钢板固定的应力分布较集中，最大应力值最高；在骨折块位移方面，不同力学加载模式下平行双钢板固定组骨折块位移最小，垂直双钢板固定次之，Y型钢板固定最大。结论：（1）本研究通过利用MIMICS17.0软件、GeomagicStudio软件、Hypermesh13.0软件成功地建立了肱骨远端三维有限元模型，并顺利通过有效性验证。该方法简便可靠，可用于相关生物力学研究；（2）在不同力学加载模式下，平行双钢板的生物力学可靠性及骨折固定的稳定性最优，垂直双钢板次之，Y型钢板最差，这为临床治疗肱骨远端骨折时选择合适的内固定物提供了有力的参考。关键词：肱骨远端骨折内固定平行双钢板垂直双钢板Y型钢板有限元分析

前言

研究现状、成果

肱骨远端骨折主要是发生在肱骨髁上区或涉及肱骨远端关节面的骨折。据统计，肱骨远端骨折的发病率每年约为5.7/[1]，并且骨折年龄呈双峰式分布，第一个发病高峰是12-19岁年轻男性，致病原因主要是高能量创伤，第二个发病高峰是老年骨质疏松女性，致病原因主要是跌落伤，但随着经济社会发展，交通及工业创伤事故的增多，成人肱骨远端骨折的发生率也不断提高。目前，该部位骨折临床最常用的分型是基于AO/OTA分型，在这个分型系统中，A型表示关节外骨折，B型表示涉及部分关节面骨折，C型表示关节内骨折并且关节面完全与肱骨干分离。这3种分型方式又通过数字1，2和3进行亚组分型来表示骨折部位或粉碎程度。Robinson等人的研究发现，在成人肱骨远端骨折中，A型骨折约占38.7%，B型骨折约24.1%，而C型骨折约占37.2%[1]。

成人肱骨远端骨折损伤往往非常复杂，并且对骨折治疗技术要求非常高。该部位骨折病人大多数选择进行手术治疗，但手术过程中会经常遇到视野暴露困难、骨质疏松以及干骺端或关节面区域粉碎骨折严重等问题，所以该部位对手术入路及内固定方式的选择要求非常高。肱骨远端骨折治疗目前在手术入路、内固定方式、尺神经处理及异位骨化预防治疗等方面仍然存在较大争议，这些争议推动着本研究不断地研究寻找最佳的解决方案，以帮助病人早期恢复患肢活动、最大限度保留肢体活动度、减少术后并发症及降低骨折不愈合或延迟愈合的发生率，最终获得满意的治疗效果。

由于内固定方式的选择对骨折断端固定、骨折愈合、患肢早期活动及最终功能结果发挥至关重要的作用，所以许多学者对此做了大量研究。Ulusal等人和Papaioannou等人的研究都比较了双钢板固定与克氏针或单纯螺钉固定治疗肱骨远端骨折的临床效果，结果均显示钢板固定治疗对骨折术后功能改善明显[2,3]。Papaioannou等人的研究还发现，单纯克氏针或螺钉固定治疗肱骨远端骨折的失败率是钢板固定的3倍[3]。Helfet等人的研究对双钢板固定、交叉螺钉固定及单纯Y型板固定进行了生物力学比较，结果显示双钢板固定治疗肱骨远端骨折无论在刚度方面还是疲劳试验方面均优于交叉螺钉固定及单纯Y型板固定[4]。尽管这些研究结果均显示双钢板固定对于治疗该部位骨折的巨大优势，但对钢板放置的位置及方向仍存在较大争议，争议主要集中于钢板是否应该两柱固定及两钢板选择互相垂直放置还是平行放置于内外侧肱骨髁上嵴的问题。Shin等人进行了一项前瞻性的随机对照试验研究，纳入样本35例，比较平行双钢板固定与垂直双钢板固定治疗肱骨远端骨折的临床效果，结果显示两组之间没有明显差异，但垂直固定组有2例发生骨不连，而平行固定组未发生骨不连情况[5]。然而，另一些学者通过构造缺损骨折模型模拟肱骨干骺端粉碎性骨折，结果发现平行双钢板固定在生物力学方面优于垂直双钢板固定[6-8]。

有限元分析技术已经广泛应用于骨科的研究当中，无论是在脊柱或关节方面，还是创伤治疗方面，均可见到有限云分析技术在该领域的研究应用，它极大地促进了骨科新材料、新技术及新思维的发展。由于它具有可行性强、可信度高及成本低等优势，因此，本研究可以利用该技术比较在肱骨远端骨折固定方面平行双钢板、垂直双钢板及Y型钢板的生物力学稳定性差异，这不仅摆脱了传统体外生物力学实验力学加载模式局限及实验材料和设备要求高缺点，而且明显缩短了实验周期，节省了大量人力和物力。

研究目的、方法

本研究通过利用计算机三维重建技术和有限元分析技术比较比较肱骨远端骨折在不同应力状态下使用平行双钢板固定、垂直双钢板固定及Y型钢板固定的生物力学稳定性差异，明确不同钢板固定方式的应力及位移分布特点，为临床治疗该部位骨折提供相应建议。本研究首先获取1名年轻志愿者的上肢的CT数据，然后利用MIMCS17.0、GeomagicStudio、Hypermesh13.0及Abaqus6.14等软件构建肱骨远端三维有限元模型并且对该模型的有效性进行验证。随后，将验证可靠的肱骨远端模型导入Soldwork软件，并完成肱骨远端骨折模型与钢板模型的装配过程，然后再次利用Hypermesh13.0及Abaqus6.14等软件对组装完成后肱骨骨折固定模型进行网格划分及有限元求解，最终获得3种骨折固定模型相应的应力及位移分布结果，并依据该结果为临床治疗肱骨远端骨折提供合理化建议，使该部位骨折病人获得更好的临床预后结局。

一、肱骨远端三维有限元模型的构建及其有效性验证1.1研究资料和设备1.1.1研究资料选取1名年龄31岁的健康女性志愿者，升高cm，体重55Kg。医院医学伦理委员会及志愿者本人同意后，检查志愿者无上肢畸形、恶性肿瘤、骨质疏松、外伤等情况。1.1.2研究设备（1）CT扫描设备：美国通用电气公司生产的64排螺旋CT，扫描参数：X线管电流mA，管电压kV，扫描层厚1.mm，扫描层数层。（2）图形处理工作站：美国DELL公司生产的DELL-T，硬件配置：英特尔E5-V4

2.20GHz2.20GHz处理器，2T硬盘，G固态硬盘，64G内存，HIDKeyboardDevice主板，NVIDIAQuadroM显卡，DELL24英寸显示器。（3）操作系统：美国Microsoft公司开发的Windows7旗舰版软件操作系统。（4）医学影像处理软件：比利时Materialise公司开发的MIMICS17.0软件。（5）逆向工程软件：美国Geomagic公司开发的GeomagicStudio软件。（6）有限元前处理软件：美国Altair公司开发的Hypermesh13.0软件。（7）有限元分析软件：法国DassaultSimulia公司开发的Abaqus6.14软件。1.2研究方法1.2.1临床资料收集本研究使用美国通用电气公司生产的64排螺旋CT对该志愿者颈部以下至髂腰部以上部位进行扫描，扫描电压设置为kV，扫描电流设置为mA，选择骨窗，窗宽px，窗高px，层厚1.mm，层距1.mm，扫描层数层，将扫描获得的CT数据以DICOM格式存储到移动光盘中备用。1.2.2建立肱骨三维模型

将MIMICS17.0软件启动后，打开文件选项，选择新建项目向导，打开DICOM格式存储的目标数据图像并进行图像处理，经该过程可获得冠状位、矢状位及水平位的连续图像窗位，完成二维平面图像向三维立体图像的转换，以便于进一步行图像三维重建。依据DICOM格式存储的CT数据具有保真度高，不已损毁，易传输，并且与MIMICS软件的匹配程度好等优势，是目前医学影像重建最常用的一种图像保留格式,如图1-1。

图1-1MIMICS软件显示肱骨冠状位、矢状位及轴位

通过利用MIMCS17.0进行DICOM格式的原始CT数据处理，初步完成二维平面图像向三维立体图像的转换，为选取本研究所需要的骨骼数据，本研究对图像进行阈值分割，其中骨骼的阈值范围-，通过阈值选取，本研究初步获得双侧锁骨、双侧肩胛骨、双侧肱骨、双侧尺桡骨近端部分、肋骨、胸骨、下颈椎、胸椎及部分腰椎骨骼蒙板图像。为了选取目标肱骨蒙板并消除软组织中点状干扰蒙板，本研究需要利用MIMCS17.0软件中的区域增长功能，利用该功能可快速选取目标骨骼的蒙板，将目标骨骼与其它骨骼及点状干扰蒙板进行分离，从而得到本研究所需要的肱骨蒙板。

由于皮质骨与松质骨的密度差异，所以在CT灰度值上两者存在明显区别，在确定阈值范围时，主要以选取全部皮质骨为主，因此会导致大部分松质骨未被选中，造成目标肱骨蒙板内部存在空洞。通过利用MIMCS17.0软件中的蒙板编辑功能对部分缺失皮质骨进行编辑修复，然后利用空洞填充功能，对缺失松质骨部分蒙板图像进行修复，最终获得蒙板图像完整的目标肱骨，为下一步三维重建工作打下基础。

经过蒙板编辑及空洞填充处理后，本研究可获得完整的肱骨蒙板。随后，本研究利用MIMICS17.0软件中的计算3D蒙板功能将编辑处理后的肱骨蒙板进行三维重建。生成肱骨模型的三维坐标分别为：肱骨内侧髁到外侧髁方向为X轴，肱骨背面至肱骨前面为Y轴，肱骨远端至肱骨近端方向为Z轴，如图1-2。随后，将完成重建的肱骨模型另存为点云数据格式备用。计算3D蒙板功能依据需要可分为低质量、中等质量、高质量、优化质量及其他这5种模式重建质量选择，结合实际需要，本研究选择优化质量重建，该模式下既能保证模型的真实性，又能对模型的细微之处进行一定程度的优化，简化了后期对模型细化处理过程。

1.2.3建立肱骨几何模型

通过使用MIMICS17.0软件，本研究可以初步将CT原始资料转换为三维模型，但该模型表面粗糙，若未进行表面处理，首先会增加后期有限元网格划分难度，其次会增加有限元分析的运算量，因此，将这种粗糙模型转换为表面光滑的几何模型是十分必要的。本研究将MIMICS17.0处理完成后的三维肱骨模型以点云格式保存，随后将模型导入逆向工程软件GeomagicStudio中，先对模型进行删除体外孤点及降噪处理，然后将处理后的肱骨模型进行封装，生成多边形。随后，应用GeomagicStudio软件中的网格医生，并对肱骨多边形模型进行自动修复，经过处理后选择软件的快速光滑功能，对模型表面进行光滑处理。模型表面光滑处理完成后，需要进行曲面片处理，选择软件的精确曲面功能，依次经过自动曲面化、划分轮廓线、生成NURBS曲面，最后将曲面片拟合为完整曲面并保存为IGES格式导出，如图1-3。

1.2.4建立肱骨远端有限元模型

通过使用GeomagicStudio对模型进行表面处理，可获得表面光滑，失真度低的肱骨几何模型。本研究将该模型以IGES格式导入有限元前处理软件Hypermesh13.0中进行肱骨模型网格划分，在该软件中利用实体编辑功能，选取肱骨远端部分进行操作，然后利用软件的2D面网格自动划分功能，对模型进行面网格划分，以便于后期划分大小均匀的体网格，随后利用软件的3D体网格自动划分功能对模型进行四面体网格划分，设置体网格大小为1mm，大小范围0.3-1.5mm。在体网格划分完成后，删除模型面网格，仅保留模型的体网格。将完成网格划分的肱骨远端模型以INP格式保存，如图1-4。

在肱骨远端网格划分完成后，本研究将INP格式保存的肱骨远端模型文件导入MIMICS17.0软件中，对模型进行基于CT的HU值的材料赋值，设置材料

1.2.5验证有限元模型的有效性完成肱骨远端有限元模型材料赋值后，本研究将INP格式保存的模型导入有限元分析软件Abaqus6.14中进行模型有限元力学求解。目前三维有限元模型的有效性验证方法主要有下列3种方式：1)体外生物力学实验验证；2）参照相关文献研究结果进行验证；3）结合临床实际情况进行验证，本研究选择参照相关文献研究结果进行模型有效性的验证。本研究按照肱骨滑车处分配60%载荷，肱骨小头处分配40%载荷的原则[10]，模型近端在X、Y、Z轴完全固定，在肱骨尺桡关节面逐渐给予N、N、N、0N轴向压力，观察模型应力情况并与既往相关研究结果进行对比。1.3结果

1.3.1肱骨远端有限元模型的构建本研究经过CT临床数据采集、图像三维重建、模型表面处理、划分网格等过程成功地建立了正常成人肱骨远端三维有限元模型，其中，四面体网格数，节点数16。

1.3.2肱骨远端有限元模型的有效性验证

本研究建立的肱骨远端三维有限元模型在不同轴向载荷下的最大应力情况与王亚斌等人[11]的相关研究结果具有高度一致性，如图1-6，说明本研究所建立的肱骨远端三维有限元模型是可靠的，可以在后期相关研究中进行应用。

1.4讨论1.4.1有限元分析在骨科研究中的应用

有限元法是一种数值求解算法，它可用于解决数学、物理、工程学、生物学和骨科等领域中各种各样的问题[12]。有限元分析是有限元法的一种应用，它是在计算机模拟中通过代表性几何体在虚拟空间进行评估的研究方法。许多骨科研究和临床实践中的问题单纯用分析方法无法解决，但运用有限元分析就变得非常容易。在计算机有限元分析中，通常以设计、筛选、预测、优化为目的，研究者对大量变量进行高效而准确地评估。例如，设计变量可以包括植入物类型、手术方法、潜在病变、材料性能或强度变化等。另外，有限元分析可用于回顾性分析手术并发症及失败原因，进而调整治疗过程中不合理的安排，提高病人的治疗效果。对某些由物理现象引起的骨科生物及生物力学问题的评估，主要解决以下两个问题：1）物理过程的数学表达；2）数学模型的数值分析。有限元分析在骨科中的应用可能因需解决的问题不同而存在差异，但一般遵循以下过程：1）几何创建；2）划分网格；3）指定材料性能；4）定义边界条件和相互作用；5）施加力或位移；6）模拟过程；7）结果的后处理和可视化；8）有限元分析结果的验证。有限元分析方法可以为骨科研究提供重要的新信息，是临床决策更加有效。

1.4.2肱骨远端有限元模型的构建及其研究意义

肱骨远端是上臂肱骨与前臂尺桡骨重要的连接部位，骨皮质与骨松质在此部位交汇，它的结构呈三角形，由内外侧柱及远端拱形构成。杜玉勇等人[13]构建了儿童肱骨三维有限元模型，探究儿童肱骨髁上骨折及肘内翻的发生机制，证实了骨折易发生于骨形态及皮松质骨交界区。阮世捷等人[14]的研究是构建了儿童肱骨三维有限元模型并进行了有效性验证，发现有限元模型与尸体骨试验结果相近，有限元模型可以很好的模拟人体肱骨的力学性能。刘剑等人[15]建立了成人肱骨远端三维有限元模型，在肱骨远端施加轴向载荷时，研究发现尺侧平均应力要高于桡侧，尺骨作用力施加到肱骨滑车后更易发生肱骨髁上骨折。本研究通过利用MIMICS17.0实现了二维图像向三维模型转换，利用逆向工程软件GeomagicStudio完成了三维模型的表面处理，利用Hypermesh13.0实现了模型有限元网格的划分，最终通过有限元分析软件Abaqus6.14完成了肱骨远端三维有限元模型的有效性验证，通过这一系列软件的应用，保证该模型的可靠性，为后期相关研究顺利进行奠定了基础。

1.4.3本研究的局限性

肱骨远端解剖结构复杂，多条肌肉及肌腱在此处附着，这些肌肉及肌腱对肱骨远端的力学性能有重要影响，同时，前臂尺桡骨在力的传导方面也发挥了重要作用，在肱骨远端骨折时，外力大多沿着尺桡骨向肱骨远端传递，因此前臂尺桡骨与肱骨远端之间的相互关系也对该部位相关研究具有重要作用。本研究考虑到肱骨远端周围肌肉、肌腱、神经、血管等软组织模型重建过程十分复杂，且其材料属性具有各向异性和黏弹性特点，既往相关研究也未对此给予保留，因此，未考虑这些软组织对肱骨远端模型力学性能的影响。另外，前臂尺桡骨与肱骨远端之间相对活动范围较大，力的传递方向不易确定，本研究也将前臂尺桡骨对该模型力学性能的影响给予忽略考虑。由于未忽略了肱骨远端周围软组织及前臂尺桡骨对此部位的力学影响，因而本研究所建立的模型可能与真实状态下肱骨远端在应力分布方面存在一定差异。

1.5小结

本研究通过利用MIMICS17.0软件、GeomagicStudio软件、Hypermesh13.0软件成功地建立了肱骨远端三维有限元模型。该方法快速简便，可行性强，所构建模型能较好地模拟人体肱骨远端的力学性能，可以用于后期相关生物力学研究。

参考文献：略

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