三种新型内固定方式治疗胫骨...双髁四象限骨折的有限元研究_刘晨东

?

·骨与关节修复重建·

三种新型内固定方式治疗胫骨平台双髁

四象限骨折的有限元研究

刘晨东，胡孙君，张世民

同济大学附属杨浦医院骨科（上海 ?200090）

【摘要】 ? 目的 ? ? 通过有限元分析比较3种新型内固定方式治疗胫骨平台双髁四象限骨折的生物力学差异，

探讨最符合力学原理的内固定方式。方法 ? ? 利用1名健康男性志愿者胫骨平台CT图像数据，采用有限元分析软

件建立胫骨平台双髁四象限骨折模型。在此基础上，建立3组内固定有限元模型。其中，A、B、C组前外侧均为

倒L形解剖锁定钢板固定；A组前内侧、后内侧重建钢板纵向固定，后外侧重建钢板斜向固定；B、C组内侧胫骨

近端T形钢板固定后，重建钢板分别纵向固定后内侧、斜向固定后外侧。于胫骨平台施加1 200 N轴向载荷（模

拟体质量60 kg成年人生理步态下行走情况），观测3组骨折块整体发生的最大位移和胫骨、骨折缝、内植物的最

大 Von-Mises 应力。结果 ? ? 有限元分析示各组胫骨应力集中分布于骨折缝及螺纹连接处，内植物应力集中分布

于骨折块部位螺钉连接处。施加1 200 N 轴向载荷时，3组模型骨折块最大位移相近，其中A组最大（0.74 mm），

B组最小（0.65 mm）。内植物承受的最大Von-Mises应力C组最小（95.49 MPa），B组最大（177.96 MPa）；胫骨承

受的最大Von-Mises应力C组最小（43.35 MPa），B组最大（120.50 MPa）；骨折缝承受的最大Von-Mises应力

A组最小（42.60 MPa），B组最大（120.50 MPa）。结论 ? ? 对于胫骨平台双髁四象限骨折，内侧使用1块T形钢板

固定相较前内侧、后内侧使用2块重建钢板固定具有更强的支撑效应，应作为主力钢板使用。发挥辅助作用的重

建钢板，在后内侧纵向固定比后外侧斜向固定有利于对后侧柱移位骨折块实现抗滑固定，建立更为稳定的生物力

学结构。

【关键词】 ?胫骨平台骨折；双髁四象限；内固定；有限元分析

Finite element study of three novel internal fixation modes for bicondylar four-

quadrant fractures of tibial plateau

LIU Chendong, HU Sunjun, CHANG Shimin

Department of Orthopaedics, Yangpu Hospital, Tongji University, Shanghai, 200090, P. R. China

Corresponding author: HU Sunjun, Email: [e-mail]

【Abstract】 Objective ? ? To compare the biomechanical differences among the three novel internal fixation modes

in treatment of bicondylar four-quadrant fractures of the tibial plateau through finite-element technique, and find an

internal fixation modes which was the most consistent with mechanical principles. Methods ? ? Based on the CT image

data of the tibial plateau of a healthy male volunteer, a bicondylar four-quadrant fracture model of the tibial plateau and

three experimental internal fixation modes were established by using finite element analysis software. The anterolateral

tibial plateaus of groups A, B, and C were fixed with inverted L-shaped anatomic locking plates. In group A, the

anteromedial and posteromedial plateaus were longitudinally fixed with reconstruction plates, and the posterolateral

plateau was obliquely fixed with reconstruction plate. In groups B and C, the medial proximal tibia was fixed with T-

shaped plate, and the posteromedial plateau was longitudinally fixed with the reconstruction plate or posterolateral plateau

was obliquely fixed with the reconstruction plate, respectively. An axial load of 1 200 N was applied to the tibial plateau (a

simulation of a 60 kg adult walking with physiological gait), and the maximum displacement of fracture and maximum

Von-Mises stress of the tibia, implants, and fracture line were calculated in 3 groups. Results ? ? Finite element analysis

showed that the stress concentration area of tibia in each group was distributed at the intersection between the fracture line

?







?

??

DOI：10.7507/1002-1892.202211095

基金项目：国家自然科学基金面上项目（81873989）；上海市卫生与健康委员会面上项目（202140231）

通信作者：胡孙君，Email：[e-mail]

? 290 ? Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, Mar. 2023, Vol. 37, No.3

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and screw thread, and the stress concentration area of the implant was distributed at the joint of screws and the fracture

fragments. When axial load of 1 200 N was applied, the maximum displacement of fracture fragments in the 3 groups was

similar, and group A had the largest displacement (0.74 mm) and group B had the smallest displacement (0.65 mm). The

maximum Von-Mises stress of implant in group C was the smallest (95.49 MPa), while that in group B was the largest

(177.96 MPa). The maximum Von-Mises stress of tibia in group C was the smallest (43.35 MPa), and that in group B was

the largest (120.50 MPa). The maximum Von-Mises stress of fracture line in group A was the smallest (42.60 MPa), and

that in group B was the largest (120.50 MPa). Conclusion ? ? For the bicondylar four-quadrant fracture of the tibial plateau,

a T-shaped plate fixed in medial tibial plateau has a stronger supporting effect than the use of two reconstruction plates

fixed in the anteromedial and posteromedial plateaus, which should be served as the main plate. The reconstruction plate,

which plays an auxiliary role, is easier to achieve anti-glide effect when it is longitudinally fixed in posteromedial plateau

than obliquely fixed in posterolateral plateau, which contributes to the establishment of a more stable biomechanical

structure.

【Key words】 Tibial plateau fracture; bicondylar four-quadrant; internal fixation; finite element analysis

Foundation items: National Natural Science Foundation of China (81873989); Project of Shanghai Municipal

Health Commission (202140231)

?

胫骨平台双髁四象限骨折是在胫骨平台“三

柱分型”[1-2]的基础上，由张世民教授团队提出的一

种复杂胫骨平台骨折类型[3-4]。该类型骨折通常由

高能量暴力导致，不仅骨折粉碎严重，膝关节周围

的软组织也多遭到严重破坏。因此，如何选择合适

的内固定方式，一直是创伤骨科医生的难题[5-7]。针

对复杂胫骨平台骨折，双切口联合入路植入双钢板

是既往常用手术方式，但对于累及双髁四象限的骨

折，双钢板固定效果往往不够理想，特别是对于后

侧柱劈裂并伴有冠状面骨折的患者，其后侧内、外

二柱多呈分离移位分布，容易形成尖齿。在这种情

况下，只能兼顾内、外侧平台的双钢板往往覆盖范

围不够大，难以解决后侧柱移位问题。此时可以对

骨折形成的尖齿进行抗滑固定，以增强骨块稳定

性，同时降低骨折复位难度。

近年来，针对复杂胫骨平台骨折，有学者提出

外侧解剖锁定钢板固定、内侧多块重建钢板或1块

T形钢板固定，并获得满意疗效[3, 8-9]。通过临床实

践，我们发现使用倒L形解剖锁定钢板联合T形钢

板以及重建钢板的“围栏式”内固定模式，具备骨

折固定牢靠、切口并发症较少、固定失败率较低等

特点，有一定临床意义和应用价值[7]。对于胫骨平

台双髁四象限骨折，外侧选择倒L形解剖锁定钢板

作为主力支撑钢板，可以牢固固定前外侧和后外侧

两个象限的骨折块；内侧、后侧可选用1块T形钢

板或多块重建钢板，T形钢板可以兼顾前内侧、后

内侧骨折块，把持效果显著；重建钢板体积小且塑

形容易，常作为辅助钢板使用，可以分别固定前内

侧、后内侧、后外侧骨折平台，具有抗滑固定效

果。为进一步探究这种囊括了L形钢板、T形钢板

和重建钢板的新型“围栏式”内固定模式的生物

力学特点，找出一种生物力学稳定性最佳的内固定

方式，我们进行了有限元分析研究。报告如下。?

1 ? ?材料与方法

?

1.1 ? ?研究对象及软件

选择1名健康男性志愿者，年龄51岁，身高

168 cm，无骨折、骨质疏松、骨关节炎等病史。采

用Philips 64排螺旋CT（Philips公司，荷兰）对其下

肢（膝关节至踝关节）进行扫描。扫描参数：电压

120 kV，电流300 mA，层厚0.625 mm，层间距

0.625 mm。共获得图像308层，均以Dicom格式保

存。图像处理以及数据分析采用Mimics19.0软件

（Materialise公司，比利时）、Geomagic Studio软件

（Geomagic公司，美国）、Solidworks2017软件

（Dassault Systemes 公司，美国）、Ansys workbench

17.0软件（Ansys公司，美国）。?

1.2 ? ?胫骨平台双髁四象限骨折三维模型建立

将提取的CT扫描图像数据导入Mimics19.0

软件，设置视图方向，分别定义矢状面、冠状面和

横截面，在界面中得到包括骨组织、肌肉等软组织

和背景在内的灰度图像。通过对图像进行预处理，

提高其分辨率和平滑度，特别是针对骨髓腔，需要

去除内部不连续区域，利用软件中的选择工具进行

骨髓腔规则化处理。根据不同密度组织在图像上

的灰度值不同，提取胫骨影像数据并以STL格式导

出。将STL文件导入Geomagic Studio软件进行三

角面片细分、降噪、光顺化处理，并通过精确曲面

等过程对其进行曲面化，生成正常三维实体骨模

型，以STP格式导入Solidworks2017软件。在该软

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件中根据典型胫骨平台双髁四象限骨折形态绘制

骨折线，最终形成胫骨平台双髁四象限骨折三维

模型。?

1.3 ? ?内固定模型构建及分组

在Soildworks2017软件中，根据厂家提供的参

数制作钢板和螺钉模型，本研究均采用临床胫骨平

台骨折内固定常用钢板以及直径3.5 mm的皮质骨

螺钉、锁定螺钉。将生成的胫骨平台双髁四象限骨

折三维模型分别采用3种内固定方式进行装配。

A组：前外侧倒L形解剖锁定钢板固定，前内侧、

后内侧2块重建钢板纵向固定，后外侧重建钢板斜

向固定；B组：前外侧倒L形解剖锁定钢板固定，

内侧胫骨近端T形钢板固定，后内侧重建钢板纵向

固定；C组：前外侧倒L形解剖锁定钢板固定，内

侧胫骨近端T形钢板固定，后外侧重建钢板斜向固

定。其中，重建钢板覆盖骨折线的位置不植入螺

钉，以保证抗滑固定，将骨折面之间以及皮质骨和

钢板之间的摩擦系数设置为0.2，螺钉与钢板、皮质

骨、松质骨之间的接触关系均设置为完全绑定[10-11]。

钢板及螺钉材料属性均按实际模拟为钛合金。3种

内固定方式的有限元模型见图1，材料参数[12-13]见

表1。最后，在Ansys workbench17.0软件中进行有

限元网格处理。?

1.4 ? ?载荷加载及观测

将各组模型底面固定，胫骨矢状面与横截面相

交线定为x轴，冠状面与横截面相交线定为y轴，

冠状面与矢状面相交线定为z轴。其中，z轴为胫

骨近端关节面中心至远端关节面中心连线，于其顶

面加载自重载荷。通过Ansys workbench17.0软件

进行自动网格划分，将胫骨网格、螺钉网格进行适

当加密。各组单元类型以及单元数量、节点数量见

表2。

本研究中对每侧胫骨平台施加1 200 N轴向载

荷，以模拟体质量60 kg成年人在生理步态行走时

膝关节所承受压应力[14]。分析3种内固定模型在轴

向（z轴）加载至1 200 N时，骨折块整体发生的最

大位移和胫骨、骨折缝、内植物的最大Von-Mises

应力。?

2 ? ?结果

本研究所采用的单元均为Solid186（10节点

4面体单元），胫骨有限元模型轮廓（图1）和外形

与相关文献[15]基本一致，可认为模型拟合可。此

外，在施加1 200 N轴向载荷时，胫骨应力主要集

中在胫骨下端1/3，胫骨最大等效应力、平均等效应

力也与相关文献相近或符合不同载荷下的变化趋

势[15-16]，故可认为模型有效。

表 1 ? ?三维有限元模型材料参数

Tab.1 ? ?Material parameters of the three-dimensional finite

element models

材料

Material

弹性模量（ MPa）

Elastic modulus (MPa)

泊松比

Poisson’s ratio

皮质骨

Cortical bone

??17 000 0.33

松质骨

Cancellous bone

????5 000 0.33

固定钢板

Plate

110 000 0.30

螺钉

Screw

110 000 0.30

表 2 ? ?各组单元数量、节点数量及单元类型

Tab.2 ? ?Number of units and nodes and the unit type for the

three-dimensional finite element models

组别

Group

单元数量

Number of units

单元类型

Unit type

节点数量

Number of nodes

A 224 152 Solid186 383 434

B 386 984 Solid186 606 351

C 193 131 Solid186 328 923

?

?

图 1 ? ? 各组三维有限元模型 ? ? a. A组；b. B组；c. C组

Fig.1 ? Three-dimensional finite element models of each group ? ?

a. Group A; ? b. Group B; ? c. Group C

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有限元分析示各组胫骨应力集中分布于骨折

缝及螺纹连接处，内植物应力集中分布于骨折块部

位的螺钉连接处。施加1 200 N轴向载荷时，3组

模型骨折块整体最大位移相近，其中A组最大，

B组最小；B组胫骨、内植物、骨折缝承受的最大

Von-Mises应力均最大，C组胫骨、内植物承受的应

力最小，A组骨折缝承受的应力最小。见表3及图2。?

3 ? ?讨论

目前，临床上已有多钢板内固定模式固定胫骨

平台双髁骨折的报道。查琨等[17]报道了28例胫骨

平台双髁四象限骨折患者，后内侧采用重建钢板

或T形钢板、后外侧采用T形或L形锁定钢板、前

外侧采用解剖锁定钢板治疗。内固定术后平均随

访28.5个月，患者膝关节功能评分优良率达96%，

无内固定失败发生。他们认为该内固定方式具有

解剖复位、固定牢靠的优势。2013年，本课题组收

治16例胫骨平台双髁四象限骨折患者，外侧使用

解剖锁定钢板固定，前内侧、后内侧分别采用1块

重建钢板或内侧共用1块T形钢板固定，后外侧使

用重建钢板斜向固定。术后患者获随访平均21个

月，膝关节活动度达平均98°，膝关节功能评分

（HSS）平均87.7分，肌肉骨骼功能评分（SMFA）平

均21.3分，患者完全负重时间为21周，总体取得

了满意疗效[9]。但该研究纳入病例相对较少，随访

时间也较短，内固定方式的优越性还需进一步印

证。近年来，我们继续延用多钢板内固定模式，通

过前外侧入路联合后内侧倒L形入路植入1块或

多块重建钢板（本研究采用的3种内固定方式），

发现在胫骨平台双髁四象限骨折中，体积较小、塑

形容易的重建钢板可以对难以覆盖的后侧平台劈

裂骨折进行有效支撑。这种结合重建钢板的内固

定方式具有骨折坚强固定、减少软组织破坏以及切

口并发症发生等优势。

目前，胫骨平台双髁骨折内固定方式多基于

“三柱分型”理论，即采用双切口联合入路植入双

钢板，对骨折平台的内侧和外侧分别进行固定。但

对于累及双髁四象限的特殊类型骨折，后侧柱有两

个骨折块，二者多呈前后分布，不能被1块钢板完

全支撑，因此需要对后内侧、后外侧骨块分别进行

固定[2, 8, 18-20]。而传统双钢板模式固定范围有限，基

于此考虑，我们在外侧解剖锁定钢板基础上植入重

建钢板，以此对后侧尖齿进行抗滑固定，同时也增

加了固定范围和强度。

骨折块和内植物之间发生的相对位移是衡量

内固定方式是否稳定的关键指标，轴向载荷下发生

的相对位移越大，内固定失败可能性就越大。本有

限元研究发现，B组骨折块整体发生位移最小，A、

C组较为接近，提示从发生相对位移而言，B组内

固定方式最稳定，骨折块之间更紧凑，内固定失败

可能性最小。

Von-Mises应力是评价内植物稳定性的重要标

准，其大小及分布反映了内植物失效的潜在风险，

骨折块和内植物之间Von-Mises应力越大，内植物

越容易松动，最终导致内固定失效。本有限元研究

显示，从胫骨和内植物承受的最大Von-Mises应力

而言，C组内植物稳定性最佳，内固定失败潜在风

险最小，A组与C组相近，而B组稍差。有文献报

道钛合金材质的内植物承受的Von-Mises 应力达

450 MPa时可发生不可逆形变，超过600 MPa时有

断裂可能[21]。而上述3组模型内植物所承受的

Von-Mises 应力都在可接受范围，因此相差较小的

内植物应力数值不纳入本研究首要考量因素，故综

合来看B组内固定方式最稳定。

本研究中，A组采用了前内侧、后内侧2块重

建钢板纵向固定，后外侧1块重建钢板斜向固定模

式，其优势在于：① 对于前内侧、后内侧和后外侧

呈劈裂分布的骨折块，重建钢板可以有效覆盖骨折

尖端，达到抗滑固定效果；② 斜向固定的后外侧

重建钢板可以协助构建稳定的后外侧壁，实现对后

外侧骨折块的加强支撑；③ 重建钢板相较胫骨近

端T形钢板塑形更容易，有利于减少手术时间；

④ 重建钢板所占体积小，可以有效减少对软组织

的剥离；⑤ 前内、后内、前外、后外四周环抱加

强，这种牢靠的“围栏式”内固定方式使得骨折块

之间更紧凑，增加内固定整体稳定性。B、C组均采

用了前外侧倒L形解剖锁定钢板、内侧胫骨近端

T形钢板固定，唯一不同的是B组后内侧采用1块

重建钢板纵向固定，而C组则为后外侧斜向固定。

研究结果显示，B组骨折块整体发生位移小于

C组，但内植物承受的最大 Von-Mises应力却大于

表 3 ? ?各组模型最大位移和最大Von-Mises 应力

Tab.3 ? ?The maximum displacement and the maximum Von-

Mises stress of the models in each group

组别

Group

最 大 Von-Mises应力（ MPa）

Maximum Von-Mises stress (MPa) 骨折块最大位移（ mm）

Maximum displacement

of fracture (mm)胫骨Tibial 内植物Implant

骨折缝

Fracture

line

A ??72.12 137.38 ??42.60 0.74

B 120.50 177.96 120.50 0.65

C ??43.35 ??95.49 ??43.35 0.73

中国修复重建外科杂志 2023 年 3 月第 37 卷第 3 期 ? 293 ?

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C组，说明在前外侧倒L形解剖锁定钢板、内侧胫

骨近端T形钢板固定基础上，重建钢板纵向固定于

后内侧平台可使骨折整体稳定性增加，而于后外侧

平台斜向固定时会降低内植物应力，因此在内植物

稳定性上C组优于B组，后期钢板螺钉不容易松

动，内固定失效潜在风险也更小，对于双髁四象限

骨折尤为适用。与A组相比，B、C组均使用了

T形钢板，在1 200 N轴向载荷下，B、C组骨折块

整体位移均小于A组，说明T形钢板总体把持效

果优于重建钢板，在胫骨平台双髁四象限骨折中应

将其作为主力钢板使用，重建钢板宜作为辅助钢

板，必要时能对劈裂的后侧平台实现支撑复位和抗

滑固定。

本研究通过有限元分析方法模拟了在施加

1 200 N轴向载荷的条件下，胫骨平台双髁四象限

骨折模型骨折块发生的位移、应力分布及内植物承

受应力的情况。但在实际情况下，骨折块还受到肌

肉、韧带等软组织的牵拉，受力情况更复杂，且每

个人的骨骼存在差异，通过对材料进行赋值模拟得

到的结果始终存在误差[22-23]。此外，选择的材料与

?

?

图 2 ? ? 各组各部位Von-Mises应力和骨折块整体位移 ? ? 从左至右分别为A、B、C组　a. 胫骨各部位所承受的Von-Mises应力；b. 骨折

块整体位移；c. 内植物所承受的Von-Mises应力；d. 骨折缝所承受的Von-Mises应力

Fig.2 ? Von-Mises stress distribution in each structure and total displacement of models under the static loading in each group ? ? From left to

right for groups A, B, and C, respectively　a. Von-Mises stress of tibia; ? b. Total displacement of fractures; ? c. Von-Mises stress of implants; ? d.

Von-Mises stress of fracture line

? 294 ? Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, Mar. 2023, Vol. 37, No.3

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实体组织也存在偏差，通常生物组织在不同载荷作

用下的应力-应变关系具有非线性和超弹性的特

点，属于各向异性的非线性物体，但此类组织材料

的基础研究难度大，力学试验不易获得精确参数，

所以目前生物力学有限元仿真分析大多建立在各

向同性、均质连续的线弹性体假设前提上，本研究

也不例外。本研究有限元分析还存在人为划分单

元、选择节点、规定载荷及边界条件等情况，与实

体数据存在一定差别。因此，本研究结论还需要进

一步在新鲜尸体标本上研究明确。最后，本研究所

得出的结论是基于重建钢板和T形钢板之间的内

固定方式对比，着重讨论了在L形解剖锁定钢板固

定基础上，重建钢板放置位置和使用数量不同所带

来的生物力学差异，并没有与其他传统内固定模式

作横向对比，还不能说明本研究所采用的新型内固

定方式相比其他传统内固定方式的生物力学特性

更佳，仍需要对它们开展进一步生物力学分析。

综上述，对于胫骨平台双髁四象限骨折，在前外

侧L形解剖锁定钢板内固定基础上，内侧使用1块

T形钢板固定相较前内侧、后内侧使用2块重建钢

板具有更强的支撑效应，应作为主力钢板使用。发

挥辅助作用的重建钢板，在后内侧纵向固定比后外

侧斜向固定在后侧柱移位骨折块抗滑固定方面更

具优势，有助于建立更为稳定的生物力学结构。



利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲

突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的

统计分析及其报道

伦理声明　研究方案经同济大学附属杨浦医院伦理委员会

批准（LL-2018-ZRKX-024）

作者贡献声明　刘晨东：文章撰写、数据分析；胡孙君：

参与课题总设计、数据分析、文章撰写以及观点形成；张

世民：参与课题设计、观点形成、文章审阅

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收稿日期：2022-11-24 ? ?修回日期：2023-01-25

本文编辑：刘丹

中国修复重建外科杂志 2023 年 3 月第 37 卷第 3 期 ? 295 ?

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