Multiloc 髓內(nèi)釘與PHILOS 鋼板治療肱骨近端三部分骨折的有限元分析比較研究

高遠(yuǎn) 張長(zhǎng)青 陶詩(shī)聰

肱骨近端骨折是臨床上最常見(jiàn)的骨折之一，占所有成人骨折的5%～6%[1-2]，在老年人中較為常見(jiàn)。由于全球人口預(yù)期壽命延長(zhǎng)和老齡人群骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率上升，近年來(lái)肱骨近端骨折的發(fā)病率呈不斷上升趨勢(shì)，尤其是在60 歲以上的老年人群中[3-4]。

對(duì)于無(wú)移位或微小移位的肱骨近端骨折，保守治療效果良好。但在所有肱骨近端骨折中，約有近一半的骨折會(huì)發(fā)生移位，其中大部分移位發(fā)生在肱骨外科頸處(77%)[5]。對(duì)于存在明顯移位或不穩(wěn)定的肱骨近端骨折，保守治療往往難以達(dá)到治療目標(biāo)，可能會(huì)出現(xiàn)畸形愈合、肩關(guān)節(jié)僵硬等并發(fā)癥，此時(shí)需要進(jìn)行手術(shù)治療，以達(dá)到解剖復(fù)位、穩(wěn)定固定和早期活動(dòng)的目的[6]。

肱骨近端三部分骨折最初由Neer 描述并且分型[7]。在臨床實(shí)踐中，這種骨折往往需要手術(shù)治療以達(dá)到最佳的預(yù)后效果。該骨折的手術(shù)治療方式包括各種閉合復(fù)位內(nèi)固定、切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定和肩關(guān)節(jié)置換術(shù)。可供選擇的內(nèi)固定方法較多，但目前尚無(wú)適用于所有肱骨近端三部分骨折的通用治療方法。臨床上選擇肱骨近端三部分骨折的治療方案常需要考慮多種因素，且內(nèi)固定治療成功與否主要受患者年齡、骨密度和骨質(zhì)量等健康狀況，以及骨折穩(wěn)定性、伴隨損傷、固定方法和術(shù)者技術(shù)等影響[8]。許多肱骨近端骨折的內(nèi)固定策略中僅肱骨頭軟骨下骨能為內(nèi)固定物提供把持力。因此，對(duì)于老年骨質(zhì)疏松患者，實(shí)現(xiàn)有效的內(nèi)固定十分困難[9-10]。而肩關(guān)節(jié)置換術(shù)的費(fèi)用通常較高，且即使肩關(guān)節(jié)置換術(shù)順利完成，術(shù)后也可能出現(xiàn)假體松動(dòng)、關(guān)節(jié)不穩(wěn)、異位骨化等問(wèn)題，而若出現(xiàn)術(shù)后感染，后果將是災(zāi)難性的[11-12]。

對(duì)于肱骨近端三部分骨折，應(yīng)用傳統(tǒng)內(nèi)固定物進(jìn)行內(nèi)固定的效果往往差強(qiáng)人意，且失效風(fēng)險(xiǎn)很高[13-14]。近年來(lái),肱骨近端內(nèi)固定鎖定鋼板系統(tǒng)（PHILOS）和髓內(nèi)釘系統(tǒng)已常用于臨床，而對(duì)第三代肱骨近端髓內(nèi)釘系統(tǒng)Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)纳锪W(xué)有限元模擬研究還較為少見(jiàn)。

本研究旨在通過(guò)有限元模擬方法來(lái)研究對(duì)比臨床上常用于肱骨近端三部分骨折的PHILOS 鋼板系統(tǒng)與Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)的生物力學(xué)性能差異。

1 材料與方法

1.1 骨折模型制作

參照前期研究[15-16]，制作肱骨近端三部分骨折數(shù)字模型：首先使用1 臺(tái)計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT；層厚度0.625 mm；SOMATOM Definition AS1；西門子，德國(guó)）掃描1 例完整人工合成右肱骨(5010 型；Synbone，瑞士)，得到CT 影像數(shù)據(jù)，然后將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件建立數(shù)字肱骨。在3-matic 軟件上對(duì)數(shù)字肱骨進(jìn)行模擬截骨，得到肱骨近端三部分骨折模型。

1.2 建模及網(wǎng)格化與計(jì)算

參考PHILOS 鋼板系統(tǒng)和Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)（DePuy Synthes，美國(guó)），使用SolidWorks 進(jìn)行建模。為了簡(jiǎn)化模型，省略皮質(zhì)螺釘、鎖定螺釘、Multiloc 螺釘、距螺釘?shù)穆菁y及Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)尼斆盵14-15]。然后在SolidWorks 中進(jìn)行內(nèi)固定物與骨折模型的裝配：依據(jù)PHILOS 鋼板的手術(shù)技術(shù)手冊(cè)，將PHILOS 鋼板置于數(shù)字肱骨三部分骨折模型中的預(yù)期位置。依據(jù)Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)氖中g(shù)技術(shù)手冊(cè)[17]，使用1 枚專為肱骨近端設(shè)計(jì)的直徑 9.5 mm 的Multiloc 髓內(nèi)釘，在數(shù)字肱骨三部分骨折模型的預(yù)期位置置入髓內(nèi)釘。

參照前期研究的設(shè)置[15]，裝配好后的所有模型均使用Hypermesh 14.0 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，骨的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，PHILOS 鋼板的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.3 mm，Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)木W(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 mm；每個(gè)模型由約180 萬(wàn)個(gè)元素和38 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

由于Multiloc 髓內(nèi)釘、PHILOS 鋼板、螺釘均為鈦合金材料，故將其彈性模量和泊松比分別設(shè)置為105 000 Mpa 和0.3；跟據(jù)Sabalic 等[18]的方法，假設(shè)肱骨為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，設(shè)定人工肱骨在軸位時(shí)彈性模量為8 200 MPa，外展20°時(shí)彈性模量為16 500 MPa，內(nèi)收20°時(shí)彈性模量為21 000 MPa，泊松比均為0.4（表1）。

表1 不同材料彈性模量及泊松比

設(shè)定骨塊之間的接觸相互作用為摩擦，摩擦系數(shù)為0.4。設(shè)定骨與PHILOS 鋼板之間、骨與Multiloc 髓內(nèi)釘之間的接觸相互作用為摩擦，系數(shù)分別為骨0.4，PHILOS 鋼板0.1 和Multiloc 髓內(nèi)釘主釘0.1；設(shè)定PHILOS 鋼板與其皮質(zhì)釘接觸相互作用為摩擦，摩擦系數(shù)為0.3。此外，設(shè)定PHILOS鋼板與其鎖定螺釘、Multiloc 主釘與其鎖定螺釘?shù)慕佑|相互作用為綁定，設(shè)定各螺釘與皮質(zhì)骨/松質(zhì)骨的接觸相互作用為綁定[19]。

參照以往實(shí)驗(yàn)[15]，建立模擬的邊界條件，如圖1 所示，分別在軸向、外展20°和內(nèi)收20°的3 種邊界條件下進(jìn)行模擬計(jì)算。采用Abaqus 6.13 軟件計(jì)算馮米塞斯應(yīng)力（VMS）與位移。

圖1 各組邊界條件及載荷方向示意圖

2 結(jié)果

2.1 肱骨近端VMS 分布及最大VMS

不同邊界條件下，肱骨近端VMS 集中在肱骨頭不同部位；而在4 種內(nèi)固定方案下，內(nèi)收20°時(shí)肱骨最大VMS 均明顯高于軸向和外展20°時(shí)肱骨最大VMS（表2）。

表2 各邊界條件下肱骨及內(nèi)固定物VMS 與位移

對(duì)于PHILOS 鋼板系統(tǒng)，不采用距螺釘時(shí)，外展20°時(shí)其應(yīng)力分布集中于骨折線附近（圖2a，紅色箭頭）；軸向和外展20°時(shí)骨折線附近VMS 也較高。而PHILOS 鋼板加上距螺釘后，VMS 分布得到了改善，但骨折線附近區(qū)域VMS 仍較高。

圖2 4 種內(nèi)固定方案下肱骨VMS 與位移結(jié)果圖示

對(duì)于Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)，無(wú)論是否采用距螺釘，軸向、外展20°和內(nèi)收20°時(shí)肱骨最大VMS均在髓內(nèi)釘最遠(yuǎn)端的鎖定螺釘附近（圖2a）；使用Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)碾殴荲MS 分布均優(yōu)于采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板，即沒(méi)有在骨折線附近出現(xiàn)VMS 集中的現(xiàn)象，VMS 主要集中于與髓內(nèi)釘主釘接觸的肱骨內(nèi)部，說(shuō)明Multiloc 髓內(nèi)釘可起到良好的力學(xué)傳導(dǎo)作用，對(duì)骨折復(fù)位后的肱骨近端起到堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的作用。

2.2 肱骨位移

對(duì)于不采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)，肱骨近端骨折的骨最大位移和二、三部分之間位移數(shù)值明顯高于其他內(nèi)固定方案，且在內(nèi)收時(shí)位移分布在骨折線附近（圖2b，紅色箭頭），因此可能出現(xiàn)失穩(wěn)，不利于骨折愈合。而PHILOS 鋼板系統(tǒng)加上距螺釘后，其最大位移數(shù)值在軸向和外展20°時(shí)明顯減小，分別為軸向時(shí)由1.835 00 mm減少至0.119 70 mm，外展20°時(shí)由3.471 00 mm 減少至0.796 50 mm；而在內(nèi)收20°條件下，其肱骨最大移位數(shù)值從0.519 00 mm 增加至0.566 10 mm。（表2）。

2.3 內(nèi)固定物VMS 分布及最大VMS

對(duì)采用或不采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)，在軸向、外展20°和內(nèi)收20°時(shí)最大VMS 都集中于中部螺釘處（圖2a），且距螺釘?shù)募尤氩⑽唇档蚉HILOS 鋼板系統(tǒng)最大VMS，兩者數(shù)值相差較小，說(shuō)明距螺釘?shù)募尤肽軐?duì)肱骨起到內(nèi)側(cè)支撐的作用，但并未優(yōu)化PHILOS 鋼板系統(tǒng)的VMS 分布，且采用或不采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)最大VMS 均遠(yuǎn)超材料的屈服強(qiáng)度[20]，可達(dá)到其3 倍左右。

對(duì)于Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)，無(wú)論是采用或不采用距螺釘，其VMS 均遠(yuǎn)小于PHILOS 鋼板系統(tǒng)（表2）；在軸向、外展20°和內(nèi)收20°時(shí)，Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)的最大VMS 僅是PHILOS 鋼板系統(tǒng)最大VMS 的1/4～1/3（表2），證明其具有更可靠的性能，在某些極端情況下較PHILOS 鋼板系統(tǒng)更加安全。而Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)的最大VMS 主要集中在髓內(nèi)釘最遠(yuǎn)端的鎖定螺釘位置（圖3a）。

圖3 4 種內(nèi)固定方案下內(nèi)固定物VMS 與位移結(jié)果圖示

2.4 內(nèi)固定物位移情況

對(duì)于PHILOS 鋼板系統(tǒng)，不采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)最大位移遠(yuǎn)超其他3 種內(nèi)固定方案；加入距螺釘后，PHILOS 鋼板系統(tǒng)的最大位移數(shù)值明顯減小，但是位移區(qū)域則更加集中在最上部螺釘，因此加入距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板內(nèi)固定螺釘穿出的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，尤其是最上部螺釘（圖3b,紅色箭頭）。

對(duì)于Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)，無(wú)論采用或不采用距螺釘，內(nèi)固定物最大位移數(shù)值均小于PHILOS 鋼板系統(tǒng)（表2），同時(shí)距螺釘對(duì)Multiloc 髓內(nèi)釘?shù)淖畲笪灰朴绊懞苄。▓D3b），進(jìn)一步說(shuō)明了很多情況下不采用距螺釘?shù)腗ultiloc 髓內(nèi)釘也可起到很好的固定作用。

3 討論

對(duì)于肱骨近端骨折，髓內(nèi)釘與PHILOS 鋼板內(nèi)固定治療各有利弊。理論上，PHILOS 鋼板內(nèi)固定可以提供角度和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，但該技術(shù)手術(shù)創(chuàng)傷較嚴(yán)重，且可能出現(xiàn)復(fù)位失效和內(nèi)翻塌陷等，其術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率依然較高。研究表明，內(nèi)側(cè)支撐對(duì)于防止PHILOS 鋼板固定后內(nèi)翻塌陷十分重要[21-23]，而距螺釘則廣泛用于輔助PHILOS 鋼板的內(nèi)側(cè)支撐[24]。與鎖定鋼板相比，各種髓內(nèi)釘?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)是手術(shù)創(chuàng)傷較小，且能實(shí)現(xiàn)較好的生物力學(xué)性能。從設(shè)計(jì)原理上看，根據(jù)生物力學(xué)設(shè)計(jì)的髓內(nèi)釘插入髓腔后沿肱骨干力學(xué)軸的方向固定，其各螺釘?shù)牧Ρ坌∮谄墓潭ǖ匿摪迓葆?，同時(shí)髓內(nèi)釘通過(guò)小切口來(lái)間接復(fù)位骨折，術(shù)中剝離軟組織少，且如果定位準(zhǔn)確，肩峰下撞擊發(fā)生的可能性遠(yuǎn)小于鋼板[25]。而傳統(tǒng)髓內(nèi)釘主要的缺點(diǎn)是其手術(shù)入路需要切開(kāi)肩袖，若術(shù)者對(duì)肩袖切口處理不當(dāng)，則可能引發(fā)各種肩袖與肌腱損傷并發(fā)癥，導(dǎo)致肩部疼痛延長(zhǎng)和活動(dòng)受限。這些問(wèn)題使得傳統(tǒng)髓內(nèi)釘在治療肱骨近端骨折的應(yīng)用上存在一些爭(zhēng)議[6]。而Multiloc 髓內(nèi)釘是用于治療肱骨近端骨折的新一代直形髓內(nèi)釘。相比傳統(tǒng)髓內(nèi)釘，Multiloc 髓內(nèi)釘通過(guò)更靠?jī)?nèi)側(cè)的進(jìn)針點(diǎn)來(lái)大幅降低肩袖損傷的風(fēng)險(xiǎn)[8,17]。同時(shí)它近端的3 枚Multiloc 螺釘可通過(guò)多個(gè)維度進(jìn)行固定，遠(yuǎn)端的2 枚鎖定螺釘可以在不同平面完成交鎖，以減少內(nèi)植物擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好的力學(xué)穩(wěn)定性[14]。

距螺釘一般應(yīng)放置在肱骨頭下側(cè)，沿肱骨距穿過(guò)骨折線，以起到內(nèi)側(cè)支撐的作用[26]。由于每位患者個(gè)體獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)，并不是所有患者都能實(shí)現(xiàn)距螺釘?shù)恼_定位[27]。臨床上為了克服這個(gè)問(wèn)題，鋼板通常會(huì)被放置在肱骨更近端的位置。然而，即使是這樣，距螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位仍然較難，同時(shí)還增加了腋神經(jīng)損傷和肩峰下撞擊的風(fēng)險(xiǎn)[28]。

此外，由于臨床上可能出現(xiàn)各種復(fù)雜的創(chuàng)傷情況，距螺釘放置與否也影響內(nèi)固定物生物力學(xué)性能和患者術(shù)后早期恢復(fù)等。因此，本研究對(duì)采用或不采用距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)和采用或不采用距螺釘?shù)腗ultiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)4 組方案的有限元模擬結(jié)果進(jìn)行生物力學(xué)的比較。

根據(jù)本研究所得結(jié)果，距螺釘能顯著減小PHILOS 鋼板系統(tǒng)在外展20°和軸向條件下肱骨最大位移和各部分之間位移，并且加入距螺釘后，肱骨在3 種條件下最大位移和主要位移區(qū)域皆會(huì)轉(zhuǎn)移至肱骨頭頂部位置，說(shuō)明距螺釘可較好地輔助PHILOS 鋼板系統(tǒng)在肱骨近端骨折中起到內(nèi)側(cè)支撐的作用。而對(duì)于Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)，如表2 所示，采用或不采用距螺釘，其在3 個(gè)條件下肱骨最大位移和肱骨各部分之間位移都較小，且肱骨位移區(qū)域都主要分布在肱骨頭頂部而非骨折處（圖2b），在最大位移數(shù)值上十分接近甚至優(yōu)于帶距螺釘?shù)腜HILOS 鋼板系統(tǒng)，說(shuō)明不論是否采用距螺釘，Multiloc髓內(nèi)釘系統(tǒng)都能達(dá)到比較理想的固定作用，可替代帶距螺釘?shù)腜HILOS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效內(nèi)固定。

而在實(shí)際的臨床應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也通過(guò)各種臨床研究對(duì)髓內(nèi)釘與PHILOS 鋼板系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。Gradl 等[29]通過(guò)一項(xiàng)包含152 例肱骨近端骨折的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，髓內(nèi)釘對(duì)于治療肱骨近端兩部分和三部分骨折的患者有潛在的改善肩部功能的作用。而在Zhu 等[30]和Konrad 等[31]的前瞻性研究中也認(rèn)為，相比于鎖定鋼板，髓內(nèi)釘在術(shù)中出血量明顯更少，且術(shù)后功能恢復(fù)更快。與這些結(jié)論一致，本研究中的有限元模擬結(jié)果可能解釋了這些臨床研究的結(jié)果：首先，相比PHILOS鋼板系統(tǒng)，Multiloc 髓內(nèi)釘手術(shù)切口更小、手術(shù)過(guò)程出血更少，因此術(shù)后骨折和傷口恢復(fù)也會(huì)更好；其次，根據(jù)生物力學(xué)設(shè)計(jì)的Multiloc 髓內(nèi)釘力學(xué)更加穩(wěn)定，不容易失穩(wěn)，患者術(shù)后可早期活動(dòng)的安全范圍更大，因此可能實(shí)現(xiàn)更好的預(yù)后結(jié)果。

本研究也有一些局限性。首先，選用人工合成骨而非尸體骨進(jìn)行掃描、建模和有限元模擬研究，這是由于本研究主要是為了對(duì)比4 種內(nèi)固定策略之間的性能差異，需要排除肱骨畸形、關(guān)節(jié)炎改變或骨密度等方面的影響，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的肱骨人工合成骨，使用其制作了肱骨近端三部分骨折的數(shù)字模型。但是，在臨床實(shí)際工作中會(huì)存在患者個(gè)體解剖差異等問(wèn)題，而這對(duì)于本研究的結(jié)論影響較小，在后續(xù)的研究中可以加入骨質(zhì)疏松模型的研究。其次，對(duì)于研究所選的邊界條件和指標(biāo)方面，選取的3 種邊界條件為有限元模擬和生物力學(xué)常用、符合早期功能鍛煉的條件和指標(biāo)[15,18]，而在患者術(shù)后恢復(fù)中，這些邊界條件并不能代表所有情況，因此在后續(xù)的研究中可以對(duì)模擬的邊界條件進(jìn)行優(yōu)化和豐富。在指標(biāo)上選擇的VMS 是有限元模擬生物力學(xué)研究中常用的指標(biāo)，可以體現(xiàn)出有代表性的危險(xiǎn)區(qū)，即在極端條件下內(nèi)固定物可能發(fā)生疲勞和形變的位置[32]，而平均位移這一指標(biāo)可用可視化的形式體現(xiàn)出術(shù)后內(nèi)固定可能出現(xiàn)失穩(wěn)的部分和肱骨固定不穩(wěn)的部分[18]，這些指標(biāo)都為臨床醫(yī)師提供了重要參考。隨著研究的深入，選用的指標(biāo)可能不足以涵蓋臨床上復(fù)雜的狀況，因此在后續(xù)的研究中也可加入生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。最后，有限元模擬的結(jié)果顯示，各種邊界條件下，Multiloc 髓內(nèi)釘出現(xiàn)最大VMS 的位置都處于最遠(yuǎn)端鎖定螺釘部位。針對(duì)此問(wèn)題，廠商提供了一種解決方案，即用角度穩(wěn)定鎖定螺釘系統(tǒng)（ASLS）來(lái)提高角度穩(wěn)定性。ASLS 由三重外徑的鎖定螺釘與可吸收套筒組成，在鎖定過(guò)程中，可吸收套筒會(huì)膨脹而徑向擴(kuò)展，從而提供了鎖定螺釘?shù)慕嵌确€(wěn)定性。ASLS 結(jié)合了角度穩(wěn)定與微創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，加入后可能有分散VMS 的功能。本研究并未將其納入，在后續(xù)的研究中可以將ASLS 加入到髓內(nèi)釘系統(tǒng)內(nèi)，探討ASLS 的加入是否會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化Multiloc 髓內(nèi)釘系統(tǒng)遠(yuǎn)端鎖定螺釘?shù)腣MS 分布。