鎖骨中段骨折三種固定的有限元分析△

熊 川，李 錦，陳李偉

（武警四川省總隊(duì)醫(yī)院，四川樂(lè)山 614000）

鎖骨中段骨折約占鎖骨骨折的80%～85%［1］，這主要與該部位為近段圓形向遠(yuǎn)段寬扁形的移行區(qū)域，同時(shí)該部位缺少肌肉組織附著，不能夠有效的分散暴力載荷有關(guān)。Allman分型依據(jù)骨折的移位程度將鎖骨中段分為無(wú)移位骨折（Ia）、移位骨折（Ib）、移位粉碎骨折（Ic）。目前對(duì)Ia型和Ic型骨折的治療認(rèn)識(shí)較為統(tǒng)一，而對(duì)Ib型骨折的治療仍存在不同的爭(zhēng)議。Wang［2］薈萃分析959例移位鎖骨中段骨折，結(jié)果表明手術(shù)治療后的不愈合率（1.7%）、畸形愈合率（1.8%）顯著低于保守治療的14%和20%。

鎖骨中段骨折的手術(shù)方式包括鋼板內(nèi)固定、髓內(nèi)針內(nèi)固定及外固定架等［3］，其中以鎖定鋼板臨床上最為常用，但手術(shù)創(chuàng)傷較大，術(shù)后并發(fā)癥多，如內(nèi)固定松動(dòng)、感染、內(nèi)固定物刺激皮膚形成瘢痕、內(nèi)固定取出后再骨折等等［4］。髓內(nèi)釘固定技術(shù)手術(shù)切口小、術(shù)中能夠有效的保護(hù)骨膜，更有利于術(shù)后骨折愈合，并且降低了術(shù)后切口巨大瘢痕和再骨折風(fēng)險(xiǎn)，逐步獲得臨床醫(yī)師的認(rèn)可。目前，鎖骨髓內(nèi)釘?shù)脑O(shè)計(jì)方案較多，如AO彈性髓內(nèi)釘、螺紋彈性髓內(nèi)釘?shù)鹊龋?，6］。本文應(yīng)用有限元分析的方法，研究上述兩種髓內(nèi)釘固定鎖骨中段骨折，對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變分布情況的影響，并與正常鎖骨及鎖定鋼板固定進(jìn)行比較，為臨床螺紋彈性髓內(nèi)固定治療鎖骨中段骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 鎖骨中段骨折模型的構(gòu)建

選取1名符合納入標(biāo)準(zhǔn)的32歲健康成年男性志愿者為研究對(duì)象，肩鎖部無(wú)畸形、無(wú)外傷及手術(shù)史。采用64排螺旋CT掃描頸胸部（包括上側(cè)肩鎖部），層厚0.625 mm，獲得志愿者右側(cè)鎖骨的CT薄層圖像，并導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 14.0中，利用Thresholding功能，根據(jù)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的灰度值分割重建完整的鎖骨模型的點(diǎn)云文件，導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio10.0將點(diǎn)云文件進(jìn)行封裝、柵格化，擬合出鎖骨的NUBERS實(shí)體模型。在鎖骨中1/3切除1mm寬的骨質(zhì)，體現(xiàn)骨折后局部骨質(zhì)不連續(xù)。并將切除骨質(zhì)角度不同，創(chuàng)建出橫斷、斜形，兩種鎖骨中段骨折的計(jì)算機(jī)模型。

1.2 內(nèi)固定模型構(gòu)建

在CAD設(shè)計(jì)軟件Creo4.0中參照各種內(nèi)固定的參數(shù)，分別設(shè)計(jì)6孔3.5 mm鎖定鋼板及螺釘（lock?ing plate,LP）；2.5 mm彈性髓內(nèi)釘（elastic stable in?tramedullary nail,ESIN）；以及2.5 mm螺紋彈性髓內(nèi)釘（threaded intramedullary nail,TIN），其頭端為正圓錐體，螺紋高度0.5 mm，螺紋分別位于髓內(nèi)釘近端和骨折斷端以遠(yuǎn)。

上述模型分別導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 13.0進(jìn)行裝配和劃分網(wǎng)格。本研究每組內(nèi)固定模型中，建立斜形骨折、橫形骨折兩種骨折類(lèi)型，骨折間隙為1 mm。其中LP組骨折斷端遠(yuǎn)近端各3枚鎖定螺釘固定。ESIN組參照鎖骨髓腔形態(tài)，呈“S”逆行置入，髓內(nèi)釘頭部置入鎖骨遠(yuǎn)端，釘尾部位于鎖骨胸骨端并折彎。螺紋髓內(nèi)釘為直釘，髓內(nèi)釘頭部置于胸鎖關(guān)節(jié)端，釘尾置于鎖骨遠(yuǎn)端后方。裝配完成后對(duì)模型各組件劃分網(wǎng)格單元，并賦予材料的力學(xué)參數(shù)［7］，見(jiàn)表1。

表1 模型各組件賦予材料的力學(xué)參數(shù)

1.3 測(cè)試方法

在Abaqus 6.14軟件中構(gòu)建各模型的接觸關(guān)系。LP組，在鋼板與螺釘之間、螺釘與鎖骨之間建立綁定約束。ESIN組，在骨隧道與髓內(nèi)釘之間建立滑動(dòng)接觸。TIN組，近端與中段螺紋處建立綁定接觸，其余部位的髓內(nèi)釘與骨髓道之間為滑動(dòng)接觸。將鎖骨近端設(shè)置為邊界條件，約束其旋轉(zhuǎn)和平移自由度。本研究在鎖骨遠(yuǎn)端15 mm表面節(jié)點(diǎn)添加250 N的軸向和垂直方向的載荷，模擬人體正常上肢重量和摔倒時(shí)肩部撞擊暴力，其中垂直載荷垂直于鎖骨縱軸，軸向載荷平行于鎖骨縱軸，模型見(jiàn)圖1。

圖1 本研究建立的鎖骨骨折三維有限元模型 1a:橫形骨折LP內(nèi)固定模型 1b:橫形骨折ESIN模型 1c:橫形骨折TIN固定模型 1d:斜形骨折LP內(nèi)固定模型 1e:斜形骨折ESIN固定模型 1f:斜形骨折TIN固定模型

1.4 測(cè)量指標(biāo)

測(cè)量不同載荷中鎖骨遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的平均位移量、骨折端節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移量。內(nèi)固定在鎖骨近端、骨折端及鎖骨遠(yuǎn)端的平均Von Mises應(yīng)力。

2 結(jié) 果

2.1 模型的有效性驗(yàn)證

本研究建立的鎖骨骨折模型共7 409節(jié)點(diǎn)26 809單元。橫形骨折中，LP組鎖骨遠(yuǎn)端平均位移量，軸向載荷工況為（0.15±0.08）mm，垂直載荷工況為（2.73±0.42）mm。ESIN 組分別為（0.38±0.06）mm和（4.76±0.58）mm。該數(shù)據(jù)范圍與曾浪清等［7］研究基本符合。但既往研究均為鎖骨橫形骨折，本研究在此基礎(chǔ)上建立了斜形骨折。研究顯示與橫形骨折比較，ESIN組鎖骨遠(yuǎn)端的位移量顯著增加，分別為（0.46±0.08）mm 和（5.18±0.43）mm，分布規(guī)律符合髓內(nèi)釘固定的規(guī)律，斜形骨折時(shí)，髓內(nèi)釘接觸面積減小，骨折更趨向不穩(wěn)定。上述結(jié)果提示本研究建立的鎖骨骨折模型在外觀及力學(xué)參數(shù)設(shè)置符合人體真實(shí)情況。

2.2 軸向載荷測(cè)量結(jié)果

軸向載荷下測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。兩種骨折類(lèi)型骨折端位移和鎖骨骨遠(yuǎn)端位移量由高至低均依次為：ESIN>TIN>LP，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；三種固定下斜形骨折的骨折端位移和鎖骨骨遠(yuǎn)端位移量均大于橫形骨折（P<0.05）。其中，鎖骨遠(yuǎn)端位移量比較，ESIN組與TIN組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），但前兩組均顯著大于LP組（P<0.05）。

表2 軸向載荷下各模型的位移量及Von Mises應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果（n=30，±s）與比較

表2 軸向載荷下各模型的位移量及Von Mises應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果（n=30，±s）與比較

images/BZ_57_205_2197_734_2263.pngimages/BZ_57_205_2329_734_2396.pngimages/BZ_57_734_2197_980_2263.pngimages/BZ_57_734_2329_980_2396.pngimages/BZ_57_980_2197_1259_2263.pngimages/BZ_57_980_2329_1259_2396.pngimages/BZ_57_1259_2197_1605_2263.pngimages/BZ_57_1259_2329_1605_2396.pngimages/BZ_57_1605_2197_1975_2263.pngimages/BZ_57_1605_2329_1975_2396.png骨折端位移（mm） 橫形骨折0.11±0.040.29±0.070.18±0.03<0.001images/BZ_57_1975_2197_2276_2263.pngimages/BZ_57_1975_2329_2276_2396.pngimages/BZ_57_205_2462_734_2529.pngimages/BZ_57_734_2462_980_2529.pngimages/BZ_57_980_2462_1259_2529.pngimages/BZ_57_1259_2462_1605_2529.pngimages/BZ_57_1605_2462_1975_2529.pngimages/BZ_57_1975_2462_2276_2529.png<0.001images/BZ_57_205_2595_734_2661.pngimages/BZ_57_734_2595_980_2661.pngimages/BZ_57_980_2595_1259_2661.pngimages/BZ_57_1259_2595_1605_2661.pngimages/BZ_57_1605_2595_1975_2661.pngimages/BZ_57_1975_2595_2276_2661.png鎖骨近端應(yīng)力（MPa）images/BZ_57_205_2728_734_2794.pngimages/BZ_57_734_2728_980_2794.pngimages/BZ_57_980_2728_1259_2794.pngimages/BZ_57_1259_2728_1605_2794.pngimages/BZ_57_1605_2728_1975_2794.pngimages/BZ_57_1975_2728_2276_2794.pngimages/BZ_57_734_2860_980_2927.pngimages/BZ_57_205_2860_734_2927.pngimages/BZ_57_980_2860_1259_2927.pngimages/BZ_57_1259_2860_1605_2927.pngimages/BZ_57_1605_2860_1975_2927.pngimages/BZ_57_1975_2860_2276_2927.png<0.001images/BZ_57_205_2993_734_3060.pngimages/BZ_57_734_2993_980_3060.pngimages/BZ_57_980_2993_1259_3060.pngimages/BZ_57_1605_2993_1975_3060.pngimages/BZ_57_1975_2993_2276_3060.png鎖骨遠(yuǎn)端應(yīng)力（MPa）images/BZ_57_205_3126_734_3192.pngimages/BZ_57_734_3126_980_3192.pngP值斜形骨折橫形骨折P值斜形骨折橫形骨折P值images/BZ_57_980_3126_1259_3192.png<0.001 0.24±0.05 46.17±8.11<0.001 72.33±5.96 40.41±6.49<0.001images/BZ_57_1605_3126_1975_3192.pngimages/BZ_57_1259_2993_1605_3060.pngimages/BZ_57_1259_3126_1605_3192.png<0.001 0.46±0.08 55.59±8.06<0.001 118.79±18.44 32.94±4.92<0.001<0.001 0.43±0.04 56.52±7.68<0.001 103.81±16.18 33.28±4.38<0.001<0.001images/BZ_57_1975_3126_2276_3192.png<0.001

兩種骨折類(lèi)型的鎖骨近端應(yīng)力由高至低均依次為：TIN>ESIN>LP，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），ESIN組與TIN組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），但前兩組均顯著大于LP組（P<0.05）。三種固定下斜形骨折的鎖骨近端應(yīng)力均大于橫形骨折（P<0.05）。兩種骨折類(lèi)型的骨折端應(yīng)力由高至低均依次為：ESIN>TIN>LP，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），ESIN組與TIN組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），但前兩組均顯著大于LP組（P<0.05）。三種固定下斜形骨折的骨折端應(yīng)力均大于橫形骨折（P<0.05）。兩種骨折類(lèi)型的鎖骨遠(yuǎn)端應(yīng)力由高至低均依次為：LP>TIN>ESIN，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），ESIN組與TIN組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），但前兩組均顯著小于LP組（P<0.05）。三種固定下斜形骨折的鎖骨遠(yuǎn)端應(yīng)力均大于橫形骨折（P<0.05）。

在三種固定模式和兩種骨折類(lèi)型下，三個(gè)測(cè)量應(yīng)力位置間應(yīng)力大小由高至低均依次為：骨折端>鎖骨近端>鎖骨遠(yuǎn)端，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

2.3 垂直載荷下，各模型的位移量及Von Mises應(yīng)力比較

垂直載荷下，各模型的位移量和內(nèi)固定應(yīng)力均顯著大于軸向載荷，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。垂直載荷下各模型位移與應(yīng)力特點(diǎn)與軸向載荷類(lèi)似。詳見(jiàn)表3。

表3 垂直載荷下各模型的位移量及Von Mises應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果（n=30，±s）與比較

表3 垂直載荷下各模型的位移量及Von Mises應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果（n=30，±s）與比較

images/BZ_58_204_869_717_936.pngimages/BZ_58_717_869_980_936.pngimages/BZ_58_980_869_1246_936.pngimages/BZ_58_1246_869_1637_936.pngimages/BZ_58_1637_869_1986_936.png骨折端位移（mm） 橫形骨折0.17±0.053.43±0.520.43±0.16<0.001images/BZ_58_204_736_717_803.pngimages/BZ_58_717_736_980_803.pngimages/BZ_58_980_736_1246_803.pngimages/BZ_58_1246_736_1637_803.pngimages/BZ_58_1637_736_1986_803.pngimages/BZ_58_1986_736_2276_803.pngimages/BZ_58_1986_869_2276_936.pngimages/BZ_58_204_1002_717_1068.pngimages/BZ_58_717_1002_980_1068.pngimages/BZ_58_980_1002_1246_1068.pngimages/BZ_58_1637_1002_1986_1068.pngimages/BZ_58_1986_1002_2276_1068.png<0.001images/BZ_58_717_1135_980_1201.pngimages/BZ_58_204_1135_717_1201.pngimages/BZ_58_1246_1135_1637_1201.pngimages/BZ_58_1246_1002_1637_1068.pngimages/BZ_58_980_1135_1246_1201.pngimages/BZ_58_1637_1135_1986_1201.pngimages/BZ_58_1986_1135_2276_1201.png鎖骨近端應(yīng)力（MPa）images/BZ_58_204_1267_717_1334.pngimages/BZ_58_717_1267_980_1334.pngimages/BZ_58_980_1267_1246_1334.pngimages/BZ_58_1246_1267_1637_1334.pngimages/BZ_58_1637_1267_1986_1334.pngimages/BZ_58_1986_1267_2276_1334.pngimages/BZ_58_717_1400_980_1467.pngimages/BZ_58_980_1400_1246_1467.pngimages/BZ_58_204_1400_717_1467.pngimages/BZ_58_1246_1400_1637_1467.pngP值斜形骨折橫形骨折P值斜形骨折橫形骨折images/BZ_58_1637_1400_1986_1467.pngimages/BZ_58_1986_1400_2276_1467.png<0.001images/BZ_58_204_1533_717_1599.pngimages/BZ_58_717_1533_980_1599.pngimages/BZ_58_980_1533_1246_1599.pngimages/BZ_58_1637_1533_1986_1599.png<0.001 5.25±0.64 441.82±11.07<0.001 771.92±24.89 336.92±11.39<0.001 3.12±0.51 492.71±14.29<0.001 682.71±19.82 428.51±15.85images/BZ_58_1246_1533_1637_1599.pngimages/BZ_58_1986_1533_2276_1599.png<0.001鎖骨遠(yuǎn)端應(yīng)力（MPa）<0.001 5.18±0.43 439.76±10.92<0.001 852.16±26.94 338.78±15.72<0.001 P值<0.001<0.001<0.001images/BZ_58_204_1666_717_1732.pngimages/BZ_58_717_1666_980_1732.pngimages/BZ_58_980_1666_1246_1732.pngimages/BZ_58_1246_1666_1637_1732.pngimages/BZ_58_1637_1666_1986_1732.pngimages/BZ_58_1986_1666_2276_1732.png

圖2 兩種載荷下斜形骨折應(yīng)力云紋圖 2a:軸向載荷鎖骨遠(yuǎn)端應(yīng)力分布云圖，由上而下依次為L(zhǎng)P模型、ESIN模型和TIN模型 2b:垂直載荷鎖骨的應(yīng)力分布云圖，由上而下依次為L(zhǎng)P模型、ESIN模型和TIN模型

3 討論

鎖骨中段骨折為形態(tài)不規(guī)則的管狀骨骨折，常用內(nèi)固定裝置可分為髓外鋼板固定和髓內(nèi)固定。髓外固定的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效控制骨折端的旋轉(zhuǎn)、成角等移位，維持骨折穩(wěn)定。但缺點(diǎn)亦比較多，如手術(shù)切口大、骨膜剝離廣泛，術(shù)后局部會(huì)形成明顯的鋼板凸起和手術(shù)瘢痕，影響患者的外觀等等。髓內(nèi)固定多數(shù)情況能夠經(jīng)皮完成，即使輔助切口亦只需在骨折端切取2 cm左右的切口，即可完成骨折的復(fù)位和內(nèi)固定置入。Zhang等［8］對(duì)鎖骨鋼板和髓內(nèi)針固定治療鎖骨骨折的薈萃分析顯示髓內(nèi)針手術(shù)時(shí)間、骨折愈合、術(shù)后6個(gè)月功能優(yōu)于鋼板固定，而術(shù)后并發(fā)癥方面無(wú)顯著差異。鎖骨髓內(nèi)固定是由克氏針發(fā)展而來(lái)，但傳統(tǒng)克氏針可塑性差，直行置入后軸向穩(wěn)定不易控制，術(shù)后隨著鎖骨軸向旋轉(zhuǎn)，容易滑移進(jìn)入胸腔［9］。后逐漸發(fā)展出AO彈性髓內(nèi)釘、螺紋彈性髓內(nèi)釘?shù)?。曾浪清等?］有限元分析結(jié)果顯示彈性髓內(nèi)固定后，鎖骨應(yīng)力分布與正常鎖骨接近，但在承受重力時(shí)，髓內(nèi)釘承受的應(yīng)力可能大于其屈服強(qiáng)度。

本研究通過(guò)有限元分析對(duì)鎖定鋼板、彈性髓內(nèi)釘和螺紋髓內(nèi)釘固定鎖骨中段骨折進(jìn)行力學(xué)研究，結(jié)果顯示：（1）兩種載荷下，ESIN組和TIN組的鎖骨遠(yuǎn)端位移量顯著大于LP組，而兩髓內(nèi)釘組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但骨折端位移量比較，以L(fǎng)P組最小、其次為T(mén)IN組和ESIN組。該結(jié)果提示鎖定鋼板固定可有效的控制鎖骨遠(yuǎn)端的軸向和垂直穩(wěn)定，術(shù)后可逐步進(jìn)行功能鍛煉，而兩種髓內(nèi)釘均不能有效的控制鎖骨遠(yuǎn)端的穩(wěn)定，術(shù)后必須注意對(duì)患肢進(jìn)行懸吊制動(dòng)。在控制骨折端穩(wěn)定方面，螺紋髓內(nèi)釘要優(yōu)于彈性髓內(nèi)釘，這主要因螺紋髓內(nèi)釘在鎖骨近端和骨折線(xiàn)遠(yuǎn)端均設(shè)置螺紋與髓腔內(nèi)壁固定，在承受載荷時(shí)能夠發(fā)揮制動(dòng)作用，有利于骨折端的穩(wěn)定；（2）兩種載荷下，三種內(nèi)固定應(yīng)力均以骨折端最大，其中ESIN組最大，其次為T(mén)IN組、而LP組最小。筆者認(rèn)為這主要是因彈性髓內(nèi)釘與髓腔之間為滑動(dòng)接觸，在鎖骨遠(yuǎn)端承受外力載荷時(shí)，鎖骨遠(yuǎn)端會(huì)以骨折端為支點(diǎn)發(fā)生“搖擺運(yùn)動(dòng)”，導(dǎo)致局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。而TIN組，因螺紋髓內(nèi)釘與鎖骨遠(yuǎn)折端之間存在綁定約束，有利于減小這種“搖擺運(yùn)動(dòng)”，分散髓內(nèi)釘?shù)膽?yīng)力。同樣LP組，因骨折遠(yuǎn)近端通過(guò)鎖定鋼板進(jìn)行橋接固定，應(yīng)力遮擋效應(yīng)明顯；（3）垂直載荷作用下，內(nèi)固定遠(yuǎn)近端應(yīng)力比較顯示兩組髓內(nèi)釘鎖骨近端的應(yīng)力顯著大于鎖骨遠(yuǎn)端，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但筆者認(rèn)為該結(jié)果不僅與內(nèi)固定方式有關(guān)，而且與手術(shù)方式相關(guān)。ESIN組為逆行置入，鎖骨近端不僅髓內(nèi)釘接觸面積較長(zhǎng)，而且保留較長(zhǎng)的針尾。而TIN組為順行置入，鎖骨近端為螺紋固定。在承受垂直載荷時(shí)，髓內(nèi)釘不能有效的分散應(yīng)力，因此在釘尾處會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，這也是髓內(nèi)固定容易失敗的原因；（4）本研究建立了橫形和斜形骨折兩種骨折模型，結(jié)果顯示無(wú)論是軸向載荷，還是垂直載荷，斜形骨折的鎖骨遠(yuǎn)端位移量和內(nèi)固定應(yīng)力均顯著大于橫形骨折。

上述結(jié)果顯示，螺紋彈性髓內(nèi)釘固定治療鎖骨中段骨折在維持骨折穩(wěn)定方面優(yōu)于彈性髓內(nèi)釘。但髓內(nèi)釘固定存在其先天缺點(diǎn)，特別是對(duì)鎖骨遠(yuǎn)端的控制，術(shù)后應(yīng)注意避免上肢的負(fù)重和鍛煉。本研究的不足之處在于，未對(duì)各種內(nèi)固定的屈服強(qiáng)度進(jìn)行分析，特別是鎖定鋼板，因其應(yīng)力遮擋越大、術(shù)后內(nèi)固定斷裂和松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)越大，這些有待進(jìn)一步完善。