肩袖損傷修補(bǔ)金屬錨釘置入角度
——有限元分析

包呼日查 齊巖松 陶立元 王永祥 魏寶剛 李筱賀 徐永勝

關(guān)節(jié)鏡下利用帶線錨釘縫合修補(bǔ)損傷肩袖已成為目前肩袖損傷手術(shù)治療的主要方法［1-6］。肩袖修補(bǔ)術(shù)后縫合的肩袖再次撕裂或縫合失敗與諸多因素有關(guān)，其中錨釘固定失敗也是主要的原因。而錨釘固定失敗的原因包括錨釘?shù)乃蓜?、移位、拔出等，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷、疼痛，甚至二次手術(shù)等［7-8］。而錨釘?shù)墓潭◤?qiáng)度與錨釘?shù)脑O(shè)計(jì)、患者骨質(zhì)密度、錨釘插入深度和插入角度等因素相關(guān)［9-13］。

目前，臨床上關(guān)于錨釘合理的置入角度并沒有統(tǒng)一的意見［14-17］。使用帶線錨釘肩袖修復(fù)的完整性依賴于兩個主要界面處的強(qiáng)度，即錨釘與骨之間的強(qiáng)度和縫合線和肌腱之間的強(qiáng)度。關(guān)于錨釘置入技術(shù)，許多骨科醫(yī)生將帶線錨釘置入到與骨表面成45°的角度，以增加由肩袖產(chǎn)生的張力引起的錨釘拉出時(shí)的阻力。Burkhart［15］最早提出關(guān)于帶線錨釘置入角度的“木樁理論”，認(rèn)為置入角度小于45°時(shí)錨釘?shù)目拱纬隽ψ顝?qiáng)。因此，目前在肩袖修補(bǔ)手術(shù)過程中，術(shù)者一般以45°或小于45°置入錨釘。但是該理論的提出最初是基于角柵欄穩(wěn)定系統(tǒng)的類比而建立的，而不是基于任何生物力學(xué)測試數(shù)據(jù)，一些學(xué)者對此存有質(zhì)疑［18］。近年來的研究表明，“木樁理論”不一定表現(xiàn)出帶線錨釘?shù)淖顝?qiáng)拔出強(qiáng)度。Nagamoto等［18］將金屬錨釘以90°和45°置入不同密度的人工骨和豬肱骨大結(jié)節(jié)內(nèi)，進(jìn)行生物力學(xué)拔出力測試，結(jié)果顯示無論骨密度如何，以90°置入骨表面的錨釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度均大于45°。本研究的目的是使用三維有限元方法闡明在不同角度插入的縫合錨釘及周圍骨內(nèi)應(yīng)力分布模式，為術(shù)中置釘角度的選取提供理論依據(jù)。

資料與方法

一、有限元建模

1.分析對象：采用一例肩袖損傷患者（男性，68歲，已簽署知情同意書）右側(cè)肱骨近端薄層CT圖像以及金屬錨釘（TwinfixTM, 5.0 mm，Smith & Nephew）micro-CT數(shù)據(jù)，通過醫(yī)學(xué)斷層圖像處理軟件MIMICS 14.1（比利時(shí)Materialise公司）建立肱骨近端和金屬錨釘?shù)娜S模型。在MIMICS軟件內(nèi)建立直徑為3.0 mm圓柱體，利用波爾運(yùn)算方法在肱骨大結(jié)節(jié)岡上肌肌腱止點(diǎn)足印區(qū)內(nèi)，關(guān)節(jié)軟骨和大結(jié)節(jié)交界位置開口。將錨釘以90°和45°置入，每個錨釘置入相同的位置和深度（金屬錨釘近端與骨表面平齊），使得整個螺紋與肱骨近端骨組織接觸。利用MIMICS軟件的網(wǎng)格功能對三維模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。為了更真實(shí)的模擬金屬錨釘?shù)男螤詈陀?jì)算更精確，錨釘?shù)木W(wǎng)格大小設(shè)為0.06 mm；肱骨近端網(wǎng)格根據(jù)模型的形狀給予梯度網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格大小區(qū)間為0.2～0.06 mm。然后將模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS 6.11，應(yīng)用四面體單元將模型劃分體網(wǎng)格并將各部位進(jìn)行整體組裝（圖1）。

2.材料的力學(xué)參數(shù)：將肱骨近端三維模型導(dǎo)入MIMICS軟件的FEA material 模塊，對其按照灰度值進(jìn)行材料屬性的賦予。根據(jù)軟件提供的肱骨近端參數(shù)［19］：密度與灰度的關(guān)系為 ρ =0.624×HU + 173 ；彈性模量與密度的關(guān)系為E = 0.06×ρ1.57，并將賦予不同梯度材料屬性的肱骨近端模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件，模擬肱骨近端不同部位、不同密度和材料屬性的特點(diǎn)（圖2）。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，金屬鈦合金錨釘?shù)膹椥阅Ａ?E=110 000 MPa，泊松比 V=0.28［20-21］。

圖1 肱骨近端和金屬錨釘?shù)挠邢拊Ｐ?/p>

圖2 按照灰度肱骨近端賦予材料屬性

在本有限元模型中定義了兩個接觸面：錨釘螺紋表面接觸面和肱骨錨釘置入時(shí)產(chǎn)生的螺紋接觸面。關(guān)節(jié)接觸面的定義采用了有限滑移、無摩擦、無穿透的硬接觸。

3.載荷及邊界條件：將肱骨遠(yuǎn)端截骨平面6個自由度完全約束固定，金屬錨釘自由度不受約束。在金屬錨定表面在不同角度（15°、30°、45°、60°、75°、90°）上施加了100 N的拉力載荷［16］，模擬肩袖修補(bǔ)的肩關(guān)節(jié)在各個角度運(yùn)動時(shí)肱骨骨組織和金屬錨釘所受力情況，并計(jì)算不同模擬狀態(tài)下的接觸應(yīng)力情況（圖3）。

二、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用 SPSS16.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。本研究計(jì)算出金屬錨釘和錨釘周圍骨組織內(nèi)等效應(yīng)力的分布。同時(shí)研究了不同角度牽引力下的應(yīng)力分布模式和等效應(yīng)力的最大值，然后錨釘在45°和90°置入之間進(jìn)行比較。使用配對t檢驗(yàn)比較45°和90°錨釘置入之間的等效應(yīng)力的最高值。

圖3 錨釘?shù)闹萌虢嵌群屠Ψ较?/p>

結(jié) 果

在100 N不同角度拉力下，所有的模型中金屬錨釘最大等效應(yīng)力集中在錨釘下方小孔和近端螺紋之間。從15°～75°對錨釘進(jìn)行牽拉時(shí)，45°置入的錨釘所受的最大等效應(yīng)力大于90°置入錨釘所受應(yīng)力；隨著角度的增大，兩個角度置入錨釘之間應(yīng)力差異逐漸減小。90°牽拉載荷時(shí)，90°置入的錨釘所受的應(yīng)力稍大于45°置入錨釘所受應(yīng)力（圖4）。

圖4 在100 N拉力載荷下金屬錨釘?shù)刃?yīng)力分布

在100 N不同角度拉力下，45°置入的金屬錨釘周圍骨組織的最大等效應(yīng)力集中在近端錨釘螺紋和牽引側(cè)的骨組織表面之間；而90°置入的金屬錨釘周圍骨組織最大等效應(yīng)力比較均衡的集中在近端螺紋周圍，隨著牽拉角的增大更加明顯。以100 N的拉力金屬錨釘從15°～90°牽拉載荷時(shí)，45°置入錨釘周圍骨組織所受的應(yīng)力均大于以90°置入錨釘周圍骨組織所受的應(yīng)力（圖5-6）。

圖5 在100 N拉力載荷下錨釘周圍骨組織等效應(yīng)力分布

圖6 在100 N拉力載荷下金屬錨釘和其周圍骨組織等效應(yīng)力分布

統(tǒng)計(jì)學(xué)上，以45°和90°置入金屬錨釘時(shí)釘體和其周圍骨組織等效應(yīng)力的最大值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.244，P=0.319）。然而，觀察到總體上在不同角度拉力下，90°置入金屬錨釘時(shí)釘體和其周圍骨組織等效應(yīng)力小于45°置入（圖7）。

圖7 錨釘以45°和90°置入時(shí)金屬錨釘和其周圍骨組織最大等效應(yīng)力對比

討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，在肱骨大結(jié)節(jié)岡上肌肌腱足印區(qū)內(nèi)用90°和45°置入金屬錨釘時(shí)金屬錨釘和錨釘周圍骨組織所受應(yīng)力有差異。金屬錨釘以90°置入時(shí)與45°置入相比，金屬錨釘和周圍骨組織所受應(yīng)力分布較低。

Benson等［7］對269例用金屬錨釘在關(guān)節(jié)鏡下肩袖手術(shù)的患者進(jìn)行回顧性研究，發(fā)現(xiàn)早期金屬帶線錨釘拔出的總發(fā)生率為2.4%；同時(shí)發(fā)現(xiàn)肩袖撕裂較大的患者錨釘拔出的發(fā)生率明顯高于中、小型肩袖損傷。雖然與其他肩袖修補(bǔ)術(shù)后并發(fā)癥相比錨釘拔出發(fā)生率不高，一旦發(fā)生錨釘拔出，不僅影響肩袖修補(bǔ)愈合的成功率，而且拔出的錨釘在關(guān)節(jié)腔內(nèi)形成異物，對關(guān)節(jié)內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損害。而錨釘?shù)墓潭◤?qiáng)度依賴于錨釘?shù)脑O(shè)計(jì)、骨的密度、插入深度和插入角度等。目前關(guān)于錨釘合理的置入角度沒有統(tǒng)一的意見。1995年，Burkhart［15］介紹了“木樁理論”，提出減少帶線錨釘?shù)闹萌虢嵌?，以及縫線與肩袖的角度可以增加錨釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度，并減少縫線的拉伸張力。然而，木樁理論更多與抵抗肩袖的拉力而不是錨釘本身有關(guān)，這可以解釋根據(jù)木樁理論，45°置入錨釘可能不會顯示出對骨的最強(qiáng)抗拔強(qiáng)度。迄今為止，許多研究已經(jīng)比較了各種縫合錨釘之間的初始抗拔強(qiáng)度［10-12,14,18］。然而，在這些測試研究中，由于一個置入口孔不能重復(fù)用于其他錨釘或不同的測試條件，必須在同一骨骼中制作許多置入孔或使用其他骨骼進(jìn)行重復(fù)測試；特別是對于人類肱骨，即使在同一個肱骨近端骨組織，骨密度也不均勻。因此，置入點(diǎn)的差異可能會影響力學(xué)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究采用計(jì)算機(jī)模擬有限元分析方法，使用計(jì)算機(jī)軟件模擬評估肱骨近端復(fù)雜材料中的應(yīng)力分布情況，具有明顯的優(yōu)勢，可以在任何條件下重復(fù)測試一個置入孔，提供更標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)的數(shù)據(jù)；同時(shí)本研究利用肩袖損傷患者肱骨CT數(shù)據(jù)建立肱骨近端三維解剖模型，能夠更真實(shí)的反映肩袖損傷患者肱骨近端解剖形態(tài)及骨質(zhì)情況。Sano等［16］利用有限元方法闡明在45°和90°兩個不同角度置入的錨釘在不同角度拉力的載荷下錨釘周圍的骨內(nèi)應(yīng)力分布模式。在這項(xiàng)研究中，錨釘置入的骨組織以均質(zhì)立方體模擬，以各向同性彈性材料來替代肱骨近端松質(zhì)骨。而實(shí)際上，肱骨近端骨組織密度有很大差異，有的研究提示骨密度影響著置入錨釘?shù)姆€(wěn)定性和牢固度，同時(shí)肱骨近端的解剖形態(tài)對錨釘?shù)氖芰η闆r也有一定的影響［13,22］。而本研究利用Mimics軟件根據(jù)肱骨近端CT灰度值賦予不同部位不同的材料屬性。Mimics FEA功能基于掃描圖像數(shù)據(jù)為體網(wǎng)格每一個單元計(jì)算出享氏單位灰度值，然后根據(jù)不同灰度范圍定義相應(yīng)材料。軟件根據(jù)不同組織的灰度值對模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的材質(zhì)分配。能夠比較真實(shí)的反映肱骨近端骨組織分布情況，而用這樣的模型模擬錨釘受力情況能夠更真實(shí)地反映錨釘及其周圍骨組織的受力情況。

本研究結(jié)果表明，錨釘?shù)膽?yīng)力集中在錨釘下方小孔和近端螺紋之間，而錨釘周圍骨組織最大應(yīng)力集中在近端錨釘螺紋和周圍的骨組織表面之間，該區(qū)域恰好對應(yīng)肱骨近端松質(zhì)骨。肱骨近端大結(jié)節(jié)皮質(zhì)骨的厚度為1.4～2.5 mm［23-24］，因此作者認(rèn)為大結(jié)節(jié)松質(zhì)骨的質(zhì)量是預(yù)測帶線錨釘置入失敗風(fēng)險(xiǎn)的最重要因素之一。大結(jié)節(jié)松質(zhì)骨的質(zhì)量可能對錨釘置入正確固定起到最大的作用，特別是在骨質(zhì)疏松癥患者中。通過MIMICS軟件的FEA material 模塊功能對肱骨近端骨組織賦材料屬性發(fā)現(xiàn)，90°置入錨釘時(shí)，錨釘螺紋周圍的骨組織密度比較均勻相等的環(huán)形分布在其周圍，而45°置入時(shí)螺紋周圍的骨質(zhì)密度不均勻，螺紋內(nèi)側(cè)骨質(zhì)密度明顯大于螺紋外側(cè)骨質(zhì)密度，這可能與不同角度置入錨釘時(shí)，錨釘及其周圍骨組織產(chǎn)生不同應(yīng)力有關(guān)。本研究還提供了關(guān)于帶線錨釘置入角度的重要信息?！澳緲独碚摗弊畛跏腔诮菛艡诜€(wěn)定系統(tǒng)的類比而建立的，而不是基于任何生物力學(xué)測試數(shù)據(jù)。根據(jù)此理論，多數(shù)學(xué)者及臨床醫(yī)生建議將縫合錨釘以45°置入肩袖足印區(qū)的骨表面，以最大化其初始抗拔出強(qiáng)度。然而只有少數(shù)研究試圖驗(yàn)證這一理論。Liporace等［9］使用12具肩關(guān)節(jié)尸體測試了在 4個不同角度（30°、45°、65°和 90°）置入帶線錨釘?shù)目拱纬鰪?qiáng)度，分析結(jié)果顯示置入角度之間并沒有顯著性差異；Strauss等［25］報(bào)道，在尸體肩袖撕裂模型中，以90°置入的縫合錨釘比45°置入的縫合錨釘能夠提供更好的軟組織固定強(qiáng)度；Sano等［16］使用三維有限元方法模擬錨釘置入后骨內(nèi)的應(yīng)力分布，結(jié)論是與45°置入相比，以90°置入時(shí)錨釘螺紋周圍的應(yīng)力分布較低。根據(jù)這一結(jié)果，他們建議將錨釘以90°置入骨骼表面可以減少錨釘周圍骨組織的應(yīng)力集中，而非45°。本研究顯示，不管牽拉方向如何，與45°置入的錨釘相比，以90°置入骨表面的錨釘和其周圍骨組織顯示出更低的應(yīng)力分布，這一結(jié)果與Sano等［16］的研究類似。

雖然有限元模型已被公認(rèn)為有效的研究方法，具有很大的優(yōu)越性，但仍有一些不足之處。在本研究中的肩關(guān)節(jié)模型中，沒有考慮肩袖等肌肉軟組織結(jié)構(gòu)對錨釘和骨組織應(yīng)力分析的影響，應(yīng)力分析結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定差異；在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對骨組織和金屬錨釘之間的摩擦系數(shù)參數(shù)進(jìn)行了一定程度的簡化和近似處理，將其設(shè)為0.00。因?yàn)槟壳吧形磮?bào)道金屬錨釘?shù)恼鎸?shí)摩擦系數(shù)，而且在簡單的牽拉力下，摩擦似乎沒有顯著改變骨組織內(nèi)部的應(yīng)力集中。本研究基于1例肩袖損傷患者肱骨近端CT數(shù)據(jù)建立肱骨近端有限元模型，因個體差異，不能代表其他肩袖損傷患者的骨組織情況。因此，今后仍需進(jìn)一步對本模型進(jìn)行完善與改進(jìn)，增加樣本量，使其更加適用于肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)的真實(shí)狀態(tài)，將尸體實(shí)驗(yàn)和數(shù)字模型進(jìn)一步相結(jié)合，使其更接近真實(shí)情況。

綜上所述，根據(jù)有限元分析結(jié)果，在肩袖足印區(qū)的骨表面以90°置入金屬錨釘時(shí)，錨釘及其周圍骨組織所受的應(yīng)力較45°時(shí)更小，作者建議在臨床進(jìn)行肩袖修補(bǔ)手術(shù)中以90°置入金屬錨釘，以避免出現(xiàn)早期術(shù)后錨釘固定失敗。