前置遠端單螺釘鋼板治療NeerⅡ型鎖骨遠端骨折的有限元分析*

李慶博 張義君

1 內蒙古科技大學包頭醫學院研究生院,內蒙古包頭市 014000; 2 包頭醫學院第一附屬醫院關節與運動醫學二科

鎖骨遠端骨折占所有鎖骨骨折的12%～30%,據學者統計,有30%～45%的鎖骨骨折后骨不連病例發生在鎖骨遠端[1]。其中鎖骨遠端NeerⅡ型骨折為喙鎖韌帶內側骨折,這種骨折大多為不穩定骨折、常發生移位。目前臨床上有多種針對此類型骨折的手術方法在應用,每種方法均有優劣且目前尚沒有明確的金標準,但大多數學者認為應及時手術治療[2]。鎖骨遠端解剖鋼板是目前治療鎖骨遠端骨折的常用手術方式,將鎖骨遠端用多枚鎖定釘固定,可以對骨折部位進行早期的堅強內固定[3-4];但一般認為有效的固定需要足夠的骨量和螺釘數量支撐,對于一些遠端骨折塊過小、粉碎比較嚴重的病例,解剖鋼板的使用會受到限制[5]。前置遠端單螺釘鋼板系統利用了鎖骨遠端前后徑較大的優勢,使用前置鋼板在遠骨折端植入單枚螺釘,在遠端骨塊過小或靠近遠端時也可進行堅強的固定,但應用較少,缺乏理論支持。有限元分析是一種準確有效的計算分析手段,近年來在骨科醫學中的應用也得到了廣泛認可[6-7]。本文應用三維有限元分析的方法,研究前置遠端單枚螺釘鋼板及解剖型鎖定鋼板兩種固定方式固定鎖骨遠端NeerⅡ型骨折,評估兩種固定方式在軸向壓縮、三點彎曲、扭矩旋轉的加載條件下的骨折最大位移和最大等效應力,對數據結果進行對比,評價前置遠端單螺釘鋼板固定是否具有生物力學方面的優勢,為臨床治療提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 鎖骨遠端骨折模型的構建及裝配植入物 選取一名35歲的健康男性志愿者,志愿者鎖骨無先天畸形,無鎖骨外傷史及骨質疏松、骨腫瘤等疾病。通過64排螺旋CT掃描其胸頸部獲得志愿者右側鎖骨的CT圖像DCM文件,將文件導入Mimics19.0軟件,設置合適的閾值,經過軟件分離出完整的右側鎖骨后,生成鎖骨獨立的3D模型并進行鎖骨的補孔和光滑表面處理,生成STL文件。后將文件導入Geomagic Studio 2013軟件進一步優化光滑處理,編輯輪廓、再構造格柵并擬合曲面;得到鎖骨的STP格式幾何模型。將處理好的模型模擬鎖骨遠端骨折,骨折線設計為偏遠骨折端,骨折間隙為1mm。

1.2 建立有限元模型及材料賦值情況 使用Solidworks 2017軟件分割鎖骨皮松質骨并裝配;參照內固定廠商說明數據,設計厚度為4.5mm的鎖骨遠端前置位鋼板、等厚的鎖骨遠端解剖鎖定鋼板及直徑3.5mm螺釘模型,根據要求分別裝配,前置鋼板模型遠骨折端植入單枚3.5mm螺釘,解剖鎖定鋼板模型遠骨折端植入兩枚2.5mm螺釘,鋼板貼附鎖骨,兩組模型遠骨折端均植入同數量同規格的螺釘,螺釘均為雙皮質固定;得到前置遠端單螺釘鋼板裝配模型和解剖鎖定鋼板裝配模型兩組模型。將以上兩組模型導入ANSYS17軟件進行劃分網格,前置遠端單螺釘鋼板模型單元數為15 422,節點數為29 816(見圖1a);解剖鎖定鋼板模型單元數為17 006,節點數為32 676(見圖1b);將螺釘與鋼板、螺釘與骨設置為綁定接觸,并對材料賦予力學參數[8-9],詳見表1。

圖1 模型網格劃分

表1 材料數據

1.3 試驗方法與邊界條件 設置兩組模型為前置遠端單螺釘鋼板模型組和解剖鎖定鋼板模型組,兩組在相同邊界條件約束下,分別進行下列4組試驗。(1)軸向壓縮:模擬肩部受到橫向沖擊,固定鎖骨胸鎖端,分別沿鎖骨長軸施加壓力為200N、300N、400N的載荷。(2)三點彎曲:模擬鎖骨受到暴力打擊的情況,固定鎖骨近端及遠端,與于骨折線處對內固定物分別施加壓力為400N、500N、600N的載荷。(3)順時針及逆時針旋轉:模擬肩關節旋轉、前屈后伸活動時的情況,固定鎖骨胸骨端,以順、逆時針沿鎖骨長軸分別施加1N·m、2N·m、3N·m的旋轉扭矩。

對兩組模型分別進行以上試驗,記錄并分析骨折端的位移情況及模型的應力情況,對所得的數據結果使用t檢驗比較分析,P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 軸向壓縮載荷測量結果 在軸向壓縮載荷情況下,前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體最大等效應力比較差異無統計學意義(P>0.05),前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體骨折最大位移比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 軸向壓縮載荷測量結果

2.2 三點彎曲載荷下測量結果 在三點彎曲測試中,前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體最大等效應力差異無統計學意義(P>0.05),前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體骨折最大位移比較差異有統計學意義(P<0.05)。表示在三點彎曲載荷試驗中,前置遠端單螺釘鋼板模型組的骨折塊最大位移小于解剖鎖定鋼板組,前者的骨折位移更小,固定更為堅固,兩者的整體最大等效應力相當,應力主要集中在內固定物和骨折線處。見表3。

表3 三點彎曲載荷下測量結果

2.3 順時針旋轉扭矩載荷下測量結果 在予以順時針扭矩載荷情況下,前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體最大等效應力比較差異無統計學意義(P>0.05),前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體骨折最大位移比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表4。

表4 順時針旋轉扭矩載荷下測量結果

2.4 逆時針旋轉扭矩載荷下測量結果 在予以逆時針扭矩載荷情況下,前置遠端單螺釘鋼板模型組與解剖鎖定鋼板模型組的整體最大等效應力比較有統計學差異(P<0.05),前置遠端單螺釘鋼板模型組的骨折最大位移與解剖鎖定鋼板模型組的整體骨折最大位移之間的差異無統計學意義(P>0.05)。表示在逆時針扭矩旋轉下,前置遠端螺釘模型組的整體最大等效應力大于解剖鎖定鋼板組,前者更容易出現應力集中現象,但兩種模型組的骨折塊最大移位距離相當,都能提供較為牢靠的固定。見表5。

表5 逆時針旋轉扭矩載荷下測量結果

2.5 模型應力分布情況及骨折位移情況 在不同約束條件的情況下,兩組模型均存在一定的應力集中現象,應力主要集中在鋼板及螺釘上,且骨折線處往往應力最為集中,以載荷400N三點彎曲試驗為例;從骨折塊的最大位移水平來看,兩組鋼板模型的骨折位移主要發生于骨斷端處。見圖2。

圖2 400N載荷下三點彎曲試驗云圖

3 討論

鎖骨骨折是最常見的骨折之一,占所有骨折的2.6%～4.0%;其中鎖骨遠端骨折是指骨折線位喙突基底中心垂線的外側,距肩鎖關節2cm以內的骨折,占所有鎖骨骨折的12%～30%,且發生骨不愈合的概率較高[1]。NeerⅡ型鎖骨遠端骨折為喙鎖韌帶內側骨折,其由于肌肉牽拉及上肢重力的影響,通常形成發生移位的不穩定型骨折,這也是影響骨愈合的原因之一[10]。其治療方式多種,且一直備受爭議,尚無統一的金標準[11]。鎖骨遠端骨折的治療方式通常取決于以下幾個因素:骨折是否有移位、移位的大小及是否涉及喙鎖韌帶導致肩關節不穩;目前認為,治療鎖骨遠端NeerⅡ型骨折應該針對骨折的具體情況制定合理的手術方案。當前的手術方式主要為固定骨折端、固定喙鎖間和兩者聯合固定;如克氏針、鎖骨鉤鋼板、鎖骨遠端解剖型鎖定鋼板、縫合錨、喙鎖螺釘、紐扣鋼板等[12-15]。各種手術方法在固定強度、后期肩關節功能恢復、并發癥發病率等方面均各有優缺點;常見的術后并發癥有:肩關節疼痛、肩峰溶解、撞擊綜合征、骨不連等[16]。

在目前應用的手術方法中,解剖鎖定鋼板的固定效果較好,術后并發癥發病率相對較低,患者依從性也較好,但若遠骨折端的骨塊較小,無法植入足夠的螺釘,可能會導致固定失敗[3-4];前置遠端單螺釘鋼板系統利用了鎖骨遠端前后徑較大的特點,使用前置鋼板在遠骨折端植入單枚螺釘,在遠端骨塊過小或靠近遠端時也可進行較為堅強的固定,作為一種新的嘗試,需要一定的生物力學研究支持。從有限元分析結果來看,在軸向壓縮加載模式下,前側遠端單螺釘鋼板模型組和解剖鎖定鋼板模型組的整體最大等效應力和整體骨折最大位移基本相同(P>0.05),兩組鋼板均能在模擬肩關節橫向沖擊的情況下牢固地固定骨折;在三點彎曲加載模式下,兩組模型的整體最大等效應力大致相同(P>0.05),前置鋼板組的整體骨折最大位移要小于解剖鎖定鋼板組(P<0.05),表示在模擬對鎖骨直接暴力的情況下,前置鋼板組的固定更為堅固;在順時針扭矩加載模式下,兩組的整體最大等效應力和整體骨折最大位移無明顯差異(P>0.05);在逆時針扭矩加載模式下,解剖鎖定鋼板組的整體最大等效應力相比前置鋼板組更小(P<0.05),應力分布更加平均,可能由于鋼板前置直接接觸鎖骨的面積更小導致了應力集中,但兩組模型的整體骨折最大位移結果無明顯差異(P>0.05),兩組鋼板都能提供堅強的內固定。分析以上試驗結果和應力、位移云圖,可以看出,前置遠端單螺釘鋼板系統雖然在模擬肩關節活動的情況下較易發生應力集中的現象,但也可以提供與解剖鎖定鋼板相同牢靠的內固定,在模擬鎖骨正面撞擊的情況下甚至優于解剖鎖定鋼板;在有些鎖骨遠端骨折塊較小不能應用鎖定解剖鋼板的情況下,使用前置遠端單螺釘鋼板可以堅強地固定骨折,為治療一些復雜特殊的NeerⅡ鎖骨遠端骨折提供了新的思路。

有限元分析使用了標準的鎖骨鋼板系統進行固定黏合,模型較為理想,具有一定的局限性,并且在加載條件下施加了恒定的單向力,而骨骼在人體中的活動受力更為復雜,但是這項研究分析對評估內固定物的生物力學性能也是有價值的,可以作為應用前期的參考,幫助醫生更加合理地分析手術方式方法。治療鎖骨遠端骨折的方式多種多樣,關節鏡技術也愈發普及,在治療骨折的同時可以修復喙鎖韌帶[14];固定骨折聯合修復喙鎖韌帶的手術方式也更多被應用[15];孫晉客等人使用了閉合復位彈性髓內釘治療鎖骨遠端骨折,微創手術的同時也起到了良好的治療效果[17]。筆者認為,在眾多學者們的研究中,以后可以得到有臨床數據支持的、更安全可靠的、接受度更高的手術方式作為參考。