不同術(shù)式治療肩鎖關(guān)節(jié)完全脫位的生物力學(xué)研究

葉福生 洪俊毅 王偉 童培建 葉家寬

肩鎖關(guān)節(jié)脫位是一種常見的損傷，大多是由暴力導(dǎo)致鎖骨與肩胛骨聯(lián)系中斷而產(chǎn)生的肩鎖關(guān)節(jié)脫位。肩鎖關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率為3.2%，約占肩部損傷脫位的12%。目前此類疾病大多采用手術(shù)治療，如克氏針加張力帶固定、喙鎖拉力螺釘固定、鎖骨的鋼板固定、Weaver-Dune手術(shù)固定治療等［1］，但療效及術(shù)后并發(fā)癥爭議頗大，比如斷針、退釘、松動、疼痛、再脫位、肩關(guān)節(jié)活動受限等［2］。本研究對采取聯(lián)合手術(shù)方式的肩鎖關(guān)節(jié)標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)測試，篩選出最接近人體正常生物力學(xué)的肩鎖關(guān)節(jié)完全脫位的手術(shù)治療方式，以最大限度改善患者的上肢功能，解除患者痛苦，恢復(fù)正常工作與生活。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本制備與分組 采集成人肩關(guān)節(jié)標(biāo)本18具，由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供。X線攝片顯示無任何損傷或骨折，肩關(guān)節(jié)無病變，完整無損。標(biāo)本提供者年齡43～72（54±9）歲，身高平均1.68 m，體重平均70 kg。肩關(guān)節(jié)兩端用特殊夾具固定，并依次編號、測量、封裝在塑料袋中，存放于-40 ℃冰箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)時予以逐級解凍。將肩鎖關(guān)節(jié)造成脫位后，采用6種方式模擬臨床手術(shù)予以解剖學(xué)固定，聯(lián)合術(shù)式作為A組，鎖骨鉤鋼板內(nèi)固定作為B組，Double Endo-button鋼板重建喙鎖韌帶作為C組，同種異體肌腱重建喙鎖韌帶作為D組，縫合鉚技術(shù)重建喙鎖韌帶作為E組，縫合鉚技術(shù)重建喙鎖韌帶加克氏針固定作為F組。

1.2 聯(lián)合術(shù)式手術(shù)方法 在肩部作一倒U形切口，切開皮膚后，暴露鎖骨遠(yuǎn)端，根據(jù)Weaver-Dunn手術(shù)要求，切除鎖骨遠(yuǎn)端約0.5～1 cm的骨質(zhì)，利用喙鎖韌帶在鎖骨上的解剖生理附著點(diǎn)，使用3.5 mm動力系統(tǒng)在鎖骨上做前后位的2處骨孔，一枚5.0 mm帶線鉚釘鉚入喙突，骨膜剝離子或其他平頭工具在鎖骨上用力復(fù)位肩鎖關(guān)節(jié)的前后和上下移位，一根異體肌腱8字形繞過喙突連同帶線鉚釘線穿越所鉆骨孔，收緊韌帶并編織縫合固定，鉚釘線打節(jié)復(fù)位固定肩鎖關(guān)節(jié)，達(dá)到初期穩(wěn)定。在鎖骨遠(yuǎn)端鉆2個骨孔，由喙肩韌帶分離出兩束韌帶纖維，分別編織后分別繞入所鉆骨孔編織縫合。

1.3 實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型需在結(jié)構(gòu)、載荷、力學(xué)性質(zhì)上盡量保持一致，以確保實(shí)驗(yàn)精度和受載均度［1］。根據(jù)標(biāo)本的生理運(yùn)動工況和受力狀態(tài)施加生理載荷1,000 N分級加載，在加載過程中標(biāo)本維持新鮮濕潤狀態(tài)，在試驗(yàn)前先進(jìn)行小量程預(yù)載，以消除骨的時間效應(yīng)影響、松弛、蠕變，然后進(jìn)行加載正式實(shí)驗(yàn)，并采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)反復(fù)多次，加載速率控制在1.5 mm/min。所有試驗(yàn)的肩鎖關(guān)節(jié)標(biāo)本，應(yīng)變測量均以試驗(yàn)力學(xué)來要求，嚴(yán)格貼片過程，保證試驗(yàn)精度。對于人體喙鎖韌帶、同種異體肌腱、Double Endo-button縫合鉚等軟組織材料試驗(yàn)采用相匹配的彈性模量相似的應(yīng)變式傳感器行單軸拉伸試驗(yàn)，加載速率e．=0.04S-1，分級加載，直至拉斷為止，測量載荷-位移曲線。幾種喙鎖韌帶修復(fù)方式的組織，在相同力學(xué)條件下比較試驗(yàn)。同樣在新鮮濕潤環(huán)境下反復(fù)試驗(yàn)幾次，去除流變學(xué)影響，然后正式試驗(yàn)，觀察其組織拉伸變形、撕裂和斷裂情況。

1.4 觀察指標(biāo) （1）比較分析優(yōu)化六種手術(shù)方式，測量各組的生物力學(xué)性能與參數(shù)。（2）測量肩鎖關(guān)節(jié)骨上的應(yīng)變、位移、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度等數(shù)據(jù)，先對偶然誤差進(jìn)行處理，以得到比較滿意的價值和置位區(qū)間。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件。計量資料符合正態(tài)分布以（±s）表示，組間比較采用t檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 正常新鮮肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的力學(xué)性能 主要包括鎖骨的彎曲力學(xué)強(qiáng)度（σb）和剛度（EI），扭轉(zhuǎn)力學(xué)的強(qiáng)度和（τb）和剛度（GIP）以及鎖骨的壓縮強(qiáng)度（σc）和剛度（EA）。見表1。

表1 正常新鮮肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的力學(xué)性能（±s）

表1 正常新鮮肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的力學(xué)性能（±s）

σb（MPa） EI（N.CM/deg）τb（MPa）GIP（N.CM/deg）σc（MPa）EA（N/mm）11.24±1.22 98.16±9.24 9.01±0.82 194.25±17.21 6.04±0.58 40.82±3.76

2.2 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的σb和EI 同種肩鎖關(guān)節(jié)脫位采用不同術(shù)式內(nèi)固定后，進(jìn)行彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，結(jié)果表明聯(lián)合術(shù)式組的σb最高，優(yōu)于其它各組，彎曲力學(xué)性能十分優(yōu)越，它與正常原始肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的σb相當(dāng)接近，或與縫合錨+克氏針固定十分相近，兩者均相差7%，統(tǒng)計學(xué)上無顯著性差異（t=1.889，P＞0.05）；聯(lián)合術(shù)式組的σb與采用Double Endo-button雙重鋼板固定或縫合錨再加克氏針固定內(nèi)固定的σb也十分接近，僅相差7%～9%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=1.976，P＞0.05），說明Double Endo-button雙重鋼板內(nèi)固定或縫合錨再加克氏針固定也是一種不錯的內(nèi)固定方式；聯(lián)合術(shù)式組的σb與其它內(nèi)固定術(shù)式如同種異體肌腱、單純縫合錨固定產(chǎn)生的σb比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.032，P＜0.05）；還發(fā)現(xiàn)鎖骨鉤鋼板的σb最差，相較具有明顯差異（t=2.311，P＜0.05）。EI是指鎖骨骨折固定后抵抗彎曲變形能力的大小，根據(jù)測量得到的結(jié)果（見表2），表明EI的變化規(guī)律與σb十分類似，說明聯(lián)合術(shù)式組的EI優(yōu)于其它各組，具有比較好的彎曲力學(xué)特性。

表2 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的σb和EI（±s）

表2 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的σb和EI（±s）

項(xiàng)目 A組 B組 C組 D組 E組 F組σb（MPa） 10.61±1.25 7.19±0.58 9.55±0.76 8.93±0.77 8.16±0.73 9.83±0.72 EI（N.CM/deg）94.18±8.4 67.15±5.7885.99±7.31 81.88±6.95 72.02±6.1284.52±6.41

2.3 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的τb和GIP肩鎖關(guān)節(jié)脫位后，采用6種不同術(shù)式內(nèi)固定后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果見表3。聯(lián)合術(shù)式組的τb最高，均優(yōu)于其它不同術(shù)式的試驗(yàn)結(jié)果，說明聯(lián)合術(shù)式在抗扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能方面比較優(yōu)越，更接近正常人體生物力學(xué)，兩者僅相差5%，統(tǒng)計學(xué)上無明顯差異（t=1.867，P＞0.05）；聯(lián)合術(shù)式組的τb與縫合錨固定+克氏針固定，或者采用Double Endobutton鋼板固定的剪切強(qiáng)度，兩者相接近，相差僅9%，統(tǒng)計學(xué)上無明顯差異（t=1.934，P＞0.05）；同種異體肌腱重建喙鎖韌帶或者單用縫合錨固定時，剪切強(qiáng)度相對較低，與聯(lián)合術(shù)式組的τb相差甚遠(yuǎn)（16%～24%），兩者差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.022，P＜0.05）；采用鎖骨鉤鋼板固定，由于鉤鋼板固定不牢，發(fā)生松動或滑動，剪切強(qiáng)度極低，兩者相差26%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.134，P＜0.05）。肩鎖關(guān)節(jié)中鎖骨的抗扭剛度是指導(dǎo)鎖骨抵抗轉(zhuǎn)變形的能力大小，稱為鎖骨的抗扭GIP。各類術(shù)式鎖骨的抗扭剛度的變化規(guī)律與抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律基本相似，聯(lián)合術(shù)式和雙鋼板內(nèi)固定在抗扭剛度中占有比較大的優(yōu)勢。

表3 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的τb和GIP（±s）

表3 肩鎖骨不同術(shù)式內(nèi)固定的τb和GIP（±s）

項(xiàng)目 A組 B組 C組 D組 E組 F組τb（MPa） 8.55±0.76 6.31±0.40 7.36±0.44 7.17±0.48 6.48±0.42 7.76±0.44 GIP（N.M/deg）186.09±14.54136.36±14.30 185.11±13.24 158.22±14.23 149.25±12.76 172.40±10.78

2.4 肩鎖骨的σc與EA 肩鎖關(guān)節(jié)脫位，采用6種不同術(shù)式內(nèi)固定后進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，測量鎖骨壓縮時的最大σc和EA，結(jié)果見表4。聯(lián)合術(shù)式組的軸向σc最大，剛度最高，固定最牢固；聯(lián)合術(shù)式與Double Endobutton雙重鋼板固定和縫合錨+克氏針固定的σc和EA也基本接近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.078，P＞0.05），兩者軸向穩(wěn)定性比較好，強(qiáng)度比較大；采用同種異體肌腱重建喙鎖韌帶和單用縫合錨固定的鎖骨的抗壓強(qiáng)度和剛度同聯(lián)合術(shù)式相比較，軸向σc和EA相差甚遠(yuǎn)，兩者存在顯著性差異（t=2.086，P＜0.05）；鎖骨鉤鋼板在鎖骨壓縮實(shí)驗(yàn)中，由于鉤釘接觸較差，產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，其σc和EA相差＞26%，兩者呈顯著性差異（t=2.778，P＜0.05）。上述肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的σb和EI、τb和GIP、σc和EA的試驗(yàn)結(jié)果都有一個共同的特點(diǎn)，聯(lián)合術(shù)式的強(qiáng)度和剛度均比其它術(shù)式占有優(yōu)勢，不但穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，而且與正常原始標(biāo)本的力學(xué)性質(zhì)相接近；其次優(yōu)于Double Endo-button雙重鋼板固定和縫合錨+克氏針固定；再次優(yōu)于同種異體肌腱重建與單純縫合錨固定；鎖骨鉤鋼板固定力學(xué)性能顯示最差。

表4 肩鎖骨壓縮試驗(yàn)σc和EA（±s）

表4 肩鎖骨壓縮試驗(yàn)σc和EA（±s）

項(xiàng)目 A組 B組 C組 D組 E組 F組σc（MPa）5.61±0.43 3.95±0.26 5.01±0.36 4.84±0.31 4.59±0.31 5.73±0.36 EA（N/mm）37.76±3.2328.21±2.4034.98±3.0432.86±2.7630.12±2.6038.20±2.68

2.5 幾類人工喙鎖韌帶修復(fù)的力學(xué)性質(zhì) 肩鎖關(guān)節(jié)中喙鎖韌帶的斷裂，導(dǎo)致肩鎖關(guān)節(jié)聯(lián)系中斷而產(chǎn)生肩鎖關(guān)節(jié)的脫位，因此各種修復(fù)喙鎖韌帶方法應(yīng)運(yùn)而生，用同種異體肌腱重建或用人工韌帶替代，以維持肩關(guān)節(jié)的力學(xué)功能平衡。正是如上所述人體喙鎖韌帶是屬于人體的軟組織，它顯示復(fù)雜的流變學(xué)特性，在單軸拉伸試驗(yàn)中就可發(fā)現(xiàn)它的非線性力學(xué)行為，各類韌帶纖維排列、幾何結(jié)構(gòu)尺寸直接影響它的力學(xué)性質(zhì)。單軸拉伸試驗(yàn)的曲線頂點(diǎn)為韌帶的抗拉強(qiáng)度，曲線的斜率為韌帶的剛度。各類韌帶單軸拉伸試驗(yàn)曲線及其它的力學(xué)性質(zhì)，將新鮮正常人體喙鎖韌帶（A）與Double Endo-button（B）、同種異體肌腱（C）、縫合錨高強(qiáng)線（D）在相同力學(xué)環(huán)境、相同速率下（=0.04S-1）的單軸拉伸時試驗(yàn)，各自的力學(xué)性質(zhì)見表5。單軸拉伸試驗(yàn)曲線結(jié)果顯示，Double Endo-button拉伸強(qiáng)度最高，最大載荷達(dá)到（1,494±140）N，其次是新鮮喙鎖韌帶和同種異體肌腱承載能力也較大，而縫合錨替代人工韌帶由于縫合錨螺釘松動拔出而導(dǎo)致失效，相對較低，相應(yīng)的極限應(yīng)變、位移和斷裂能耗的變化規(guī)律也基本相似。值得注意的是韌帶試驗(yàn)曲線中的力學(xué)性質(zhì)與骨的固定方式方法極為密切相關(guān)，必須真實(shí)模擬實(shí)際生理受載工況相一致。為了避免各類韌帶的結(jié)構(gòu)尺寸大小的不同以及固定方式上的差異，為此將各類韌帶的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化、模型化，即用數(shù)學(xué)擬合法給出韌帶的本構(gòu)方程，從本構(gòu)方程中得到韌帶歸一化的力學(xué)性質(zhì)，見表6。σb為韌帶的拉伸強(qiáng)度，在試驗(yàn)中正常新鮮喙鎖韌帶的拉伸強(qiáng)度為（21.48±1.96）MPa，而Double Endo-button雙重鋼板縫線的拉伸強(qiáng)度最高（23.64±2.66）MPa，比正常新鮮喙鎖韌帶高9%，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=1.778，P＞0.05）；同種異體肌腱組拉伸強(qiáng)度比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=1.913，P＞0.05），而縫合錨進(jìn)行拉伸時拉伸強(qiáng)度為（18.86±1.46）MPa，與正常喙鎖韌帶比較相差12%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.024，P＜0.05）。E為韌帶的彈性模量，與正常標(biāo)本比較分別相差5%、10%、14%，差異性與拉伸強(qiáng)度相類似，考慮到韌帶拉伸的非線性，以線性拉伸剛度（EF）來表達(dá)，各類韌帶的拉伸剛度分別相差9%、7%、13%，同樣與韌帶拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律性相似。δ為韌帶相對伸長延伸率的大小，新鮮喙鎖韌帶和同種異體肌腱的延伸率比較大、彈性比較好，而Double Endo-button縫線與縫合錨縫線的延伸率比較差，依次兩兩比較分別相差22%、16%、21%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.678，P＜0.05），各組之間彈性互不相同。從軟組織角度來考慮，具有較好的彈性能夠充分發(fā)揮組織之間的力學(xué)功能，結(jié)構(gòu)之間協(xié)調(diào)比較好。

表5 各類人工韌帶單軸拉伸試驗(yàn)曲線的力學(xué)性質(zhì)（±s）

表5 各類人工韌帶單軸拉伸試驗(yàn)曲線的力學(xué)性質(zhì)（±s）

力學(xué)性質(zhì) A組 B組 C組 D組最大載荷P（N） 1,372±120 1,494±140 1,368±138 1,204±124極限應(yīng)變（με） 117±12 121±14 118±12 106±12最大位移（mm） 5.80±0.46 7.08±0.32 7.24±0.30 7.10±0.34斷裂能耗（J） 2.91±0.20 3.12±0.31 3.78±0.22 2.58±0.22

表6 韌帶本構(gòu)方程的力學(xué)性質(zhì)（±s）

表6 韌帶本構(gòu)方程的力學(xué)性質(zhì)（±s）

項(xiàng)目 A組 B組 C組 D組σb（MPa） 21.48±1.96 23.64±2.66 19.35±1.68 18.86±1.46 E（MPa） 748.72±70.22 788.69±72.36 668.16±62.42 647.36±58.26 EF （N/mm） 414.36±38.42 464.42±42.34 386.76±34.36 362.48±32.34 δ（%） 10.14±0.98 7.86±0.78 11.78±1.12 7.97±0.76

3 討論

肩鎖關(guān)節(jié)脫位是臨床常見病、多發(fā)病，由于肩鎖關(guān)節(jié)損傷后發(fā)生不同程度的移位，造成肩關(guān)節(jié)疼痛、功能障礙。筆者前期的臨床回顧性研究，通過比較聯(lián)合術(shù)式與鎖骨鉤鋼板治療肩鎖關(guān)節(jié)完全脫位的療效發(fā)現(xiàn)，鎖骨鉤鋼板的設(shè)計者利用肩鎖關(guān)節(jié)局部的解剖特點(diǎn)和生物力學(xué)特性，固定牢固又可保留肩鎖關(guān)節(jié)的部分微動，既減少了內(nèi)固定所帶來的剪切力，又降低了鋼板螺釘斷裂的風(fēng)險，但是臨床使用中卻因?yàn)榧绶逑鹿逃锌臻g有限，再加上鋼板在肩峰下關(guān)節(jié)囊外不斷摩擦產(chǎn)生的炎性物質(zhì)刺激，使患肩產(chǎn)生異物感及疼痛，從而限制肩關(guān)節(jié)活動。但聯(lián)合術(shù)式利用生物學(xué)、解剖學(xué)方面的重建，再次穩(wěn)定了肩鎖關(guān)節(jié)，臨床上具有明顯的早期優(yōu)勢［4］。

在力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，鎖骨的σb和EI較其它力學(xué)功能更重要，承受彎曲力矩亦較大，而壓縮功能狀態(tài)較小。在新鮮喙鎖韌帶顯示流變學(xué)特性，非線性力學(xué)行為十分明顯。韌帶纖維排列、幾何結(jié)構(gòu)尺寸直接影響其力學(xué)性質(zhì)，韌帶在單軸拉伸的力學(xué)狀態(tài)，受載荷的增加而增加，直到撕裂、破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，喙鎖韌帶在最大載荷下斷裂大多為撕裂狀態(tài)，且與骨接觸部位的根部斷裂占多數(shù)，而拉伸變形為典型的非線性曲線，同其他軟組織結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)十分相似。聯(lián)合術(shù)式中切除鎖骨遠(yuǎn)端1 cm的意義來源于Weaver-Dunn手術(shù)，此手術(shù)解決了鎖骨鉤鋼板的弊端，即引起鎖骨遠(yuǎn)端疼痛、功能活動障礙。而Weaver-Dunn手術(shù)重建了喙鎖韌帶，但也有學(xué)者認(rèn)為Weaver-Dunn手術(shù)破壞了三角肌和斜方肌的附著點(diǎn)，使肩關(guān)節(jié)的外展肌力減弱，故有學(xué)者發(fā)明了聯(lián)合腱部分轉(zhuǎn)位重建喙鎖韌帶，再用鋼絲固定初期穩(wěn)定肩鎖關(guān)節(jié)脫位，然而在肩關(guān)節(jié)活動中鋼絲容易造成喙突切割，從而造成手術(shù)失敗，所以就有了Endobutton技術(shù)重建喙鎖韌帶［5-7］，但Endobutton技術(shù)并不能達(dá)到肌腱的骨腱愈合，隨著時間的推移，遠(yuǎn)期會造成手術(shù)失敗。

筆者提出假說，改良后的聯(lián)合術(shù)式在生物力學(xué)性能優(yōu)于目前主流的幾種術(shù)式。本研究一系列的生物力學(xué)數(shù)據(jù)證明，聯(lián)合術(shù)式的彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮試驗(yàn)強(qiáng)度和剛度均接近正常肩鎖關(guān)節(jié)鎖骨的強(qiáng)度和剛度，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；聯(lián)合術(shù)式優(yōu)于Double Endo-button雙重鋼板固定或縫合鉚+克氏針內(nèi)固定，但兩者差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；與同種異體肌腱、單純縫合鉚重建喙鎖韌帶和鎖骨鉤鋼板固定相比，具有明顯優(yōu)勢，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。聯(lián)合術(shù)式具有優(yōu)越的生物力學(xué)性能，符合人體正常生理功能要求，主要是得益于使用喙肩韌帶轉(zhuǎn)位固定鎖骨遠(yuǎn)端防止鎖骨遠(yuǎn)端向后移位，并使用同種異體肌腱解剖重建修復(fù)喙鎖韌帶，采用帶線錨釘加強(qiáng)固定維持即刻穩(wěn)定性，不僅強(qiáng)度高，而且延展性和彈性均較好，接近于正常喙鎖韌帶對肩鎖關(guān)節(jié)的力學(xué)性能，同時切除了鎖骨遠(yuǎn)端則可以避免后期肩鎖關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，提高了治愈率與康復(fù)率。