改良线袢法Latarjet术后早期移植骨块微动的生物力学机制：有限元分析

梁新枝 覃其煌，2 梁达强 邓桢翰 李瑛 丘志河 李盛 吴冰 李皓 柳海峰 陆伟，2

1 深圳大学第一附属医院（深圳市第二人民医院）运动医学科（广东深圳518035）

2 汕头大学医学院（广东汕头515041）

人体肩关节运动仅通过65%肱骨头便可完成，该关节同时相对缺少骨约束，因此肩关节稳定与否一直以来都是个困扰临床医生的问题[1-2]。目前Latarjet 手术是解决复发性肩关节脱位最有效的术式之一，其喙突转位治疗伴有明显骨质缺损的肩关节复发性脱位效果良好，复发率低[11]。自1954年由Latarjet 开创以来，该术式得到不断改良[3-8]。已有文献报道螺钉固定Latarjet 术后存在喙突骨块的吸收和不愈合，从而导致再发脱位等诸多并发症[9-10]。而采用非坚强内固定的线袢法固定方式的既往研究发现，经过1年左右的塑形，骨块最终与关节面平行融合，恢复了关节盂的“正梨形”形态，形成与肱骨头运动轨迹相符的弧形关节面，而且3年随访盂肱关节并未出现撞击性退变[11]。但目前尚缺乏该技术中长期疗效的研究报道，也缺乏有力证据解释改良线袢固定后塑形的生物力学机制。

以往涉及盂肱关节的研究多建立于临床随访过程中的影像数据，以及利用动物或尸体作为研究模型来探究术后塑形的生物力学机制，但由于肩关节本身的复杂程度，所得结果多用于评估术后疗效以及对所得良好塑形的机制进行合理猜测。在这种情况下，基于肌肉骨骼模型的有限元分析可以估算在不同载荷条件下盂肱关节周围的生物力学行为[12-13]，如Piyush 等[14]利用有限元模型研究肱骨缺损及关节盂缺损两者病理状态共同存在时对盂肱关节稳定性的影响，而Nazmi等[15]也通过有限元技术来分析传统螺钉固定Latarjet 术后肩关节外旋过程中骨块的生物力学分布，这些发现均为肱骨头和关节盂骨缺损时盂肱关节稳定性的生物力学行为提供了理论依据。

鉴于此，本研究通过有限元分析方法探究改良线袢法Latarjet 术后喙突骨块塑形的生物力学机制，为该术式改良提供一定理论支持。

1 研究方法

1.1 建模及网格划分

使用美国虚拟人网站（Visible Hum）提供的男性人体（亚洲）离体标本断层解剖图像，作为肩关节实体几何重建的数据源。通过三维建模软件Simpleware6.0进行三维建模，降断层解剖图像建立成STL 三维模型。通过Geomagic Studio 软件对模型进行逆向处理，包括模型的切割、光滑，曲面化等。使用Hypermesh 软件对曲面化模型进行网格划分，并设置材料属性及部分有限元前处理工作。通过Abaqus 有限元分析软件对模型进行有限元相关属性的设置，并进行有限元分析。使用相关数据处理软件对数据结果进行整理分析，并制作数据图。

1.2 建模及网格划分

1.2.1 有限元模型建立

在人体肩关节断层解剖图上选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面共380 层的断层图像，层厚1 mm。在Simpleware中导入包含肩部的断层扫描数据，选取合适的灰度值，设定分割阈值生成蒙板。对蒙板进行修正、缩减、光滑、开闭等操作，使肩关节各个部分能明显区分，将模型导出为STL模型（图1）。再将该STL模型导入逆向处理软件GeomagicStudio2013中进行逆向处理，按照手术要求切割喙突前段约2 cm骨块，并将其装配到以关节盂为中心的近似圆的3:30 位置，并偏外突出于关节盂面约4 mm（图2）。由于本次实验主要探究骨与骨之间的关系，故省略肩袖肌肉等软组织做简化模型。同时在Geomagic Studio 2013 中对模型进行曲面光滑处理，构造曲面片并构建格栅。生成CAD模型，并进行布尔运算，导出为IGS格式文件（图3）。

图1 Simpleware中导入包含肩部的断层扫描数据，选取合适的灰度值，设定分割阈值生成蒙板。对蒙板进行修正、缩减、光滑、开闭等操作，使肩关节各个部分能明显区分，将模型导出为STL模型

图2 于Geomagic Studio 2013中进行逆向处理后的STL模型

图3 于Geomagic Studio 2013中进行曲面光滑处理并进行布尔运算，导出为IGS格式文件

1.2.2 赋值及网格划分

完成模型的曲面化之后，将IGS 模型导入Hyper⁃mesh14.0 中进行网格划分（图4）。肩关节的三维实体建模完成后，根据前人实验以及考虑材料特性的不同，需要对模型不同部分进行分类，分别定义各自的材料力学参数（表1）[16]。本次选取的材料力学参数为杨氏模量及泊松比：泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数；根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，以上力学参数大小仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。为了在网格化中精确再现肩关节的结构，本研究选用10节点的四面体单元对肱骨和肩胛骨进行网格划分，以适应人体肩关节不规则的几何形状，该四面体每个节点具有6 个方向的自由度（表2）。

表2 模型网格情况

图4 IGS模型于Hypermesh14.0中进行网格划分后的模型情况

表1 材料力学参数

1.3 约束及载荷

1.3.1 约束情况

使用Abaqus中的面-面接触算法模拟关节与软骨之间的接触，肱骨与骨块以及肩胛骨与骨块的接触。骨块与肩胛骨使用弹簧单元进行弹性连接。使用了ABAQUS中的STRING单元作为弹性连接元件，特性为只能在两个连接点形成随距离变化的弹力（拉力）。固定连接是在两个连接点产生全方向的力和力矩，并保持骨块不能移动。实际手术中由于绳索的连接固定骨块，外旋过程时肱骨挤压骨块，故仿真中采取骨块靠中间的位置设立一排弹簧单元，以模拟其被绳索固定的力学特性（图5A、5B）。选取肩胛骨末端小部分表面网格6个自由度完全约束（图5C）。选取肱骨头正中心一参考点，并选取肱骨外表面部分节点设置Coupling（图5D）。

图5 有限元模型约束情况

1.3.2 载荷情况

对该参考点施加旋转位移模拟肱骨外旋动作。在仿真开始前，通过调试肱骨初始位置，将肱骨旋转到即将与骨块碰撞位置，以提高运算速度，以及省去没有意义的结果数据。实际仿真中，发现在肱骨从接触骨块到外旋24°后，骨块将脱离与肱骨的接触，往后的仿真失效，取前24度的数据作为仿真结果（图6）。

图6 仿真动态外旋过程

1.4 有限元数据收集

将完成所有有限元前处理后的模型导出为INP 文件，整个动态碰撞求解过程在Abaqus 显示求解器中完成，耗时2 h。求解完成之后进入Abaqus 可视化结果处理页面，对结果进行分析。通过预设好的Step 分析及Output输出文件，得到所需要的数据结果，截取相关的Von mises应力图片及位移图片。

2 结果

2.1 肱骨应力

在仿真过程中，自肱骨与骨块撞击开始，肱骨上的最大应力点（转位喙突对肱骨的反作用力）始终出现在与骨块的接触区域，并且总应力分布状况沿撞击中心向四周类同心圆样扩散分布，应力大小呈阶梯状由内到外层层递减（图7）。在整个外旋模拟的过程中，最大应力值呈现渐渐增长的趋势（图8）。

图7 肱骨上的最大应力点（转位喙突对肱骨的反作用力）始终出现在与骨块的接触区域，并且总应力分布状况沿撞击中心向四周类同心圆样扩散分布，应力大小呈阶梯状由内到外层层递减

图8 肱骨外旋角度-最大应力曲线图

2.2 骨块应力

在仿真结果中，我们发现从撞击开始早期，移植骨块上所承受的撞击应力主要由弹性元件所产生的弹力所抵消。但随着肱骨的外旋角度渐渐增大，骨块的应力集中点不再产生在弹性元件连接处，而是表现为上下延展、四周扩散分布（图9A、9B）。

图9 骨块应力分布图

2.3 移植骨块随肱骨外旋产生位移

在仿真结果中，随着肱骨的外旋角度增大，移植骨块位置由起初相对于关节盂面偏外放置4 mm 位置逐渐向内产生位移。随着肱骨外旋角度增加，骨块位移具有相应增加的趋势（图10）。若将具体位移细化，以骨块中心为基点设置X（骨块沿肩胛骨左侧滑行方向）、Y（骨块向肩胛骨下方滑行方向）、Z（骨块向外运动方向）3个方向，随着肱骨的外旋角度增大，移植骨块在被撞击过程中于不同方向产生位移。大致可以分为两个阶段：肱骨外旋角度为0.00°～10.89°时，Z方向位移几乎没有（小于0.2且增值较小），该阶段可以看出骨块主要向肩胛骨左下位移，其X 方向位移最大值为2.05 mm，其Y 向位移最大值为0.50 mm；肱骨外旋角度为10.89°～24.00°时，Z方向的位移不断增加直至2.22 mm，骨块沿X方向位移直至2.89 mm，但该阶段X方向的位移相对于上一阶段减少；而骨块沿Y 向的位移不再增加，保持在0.40 mm左右。此时骨块的运动以向外侧翻转为主，附带向X方向的小量滑移（图11、图12）。

图10 移植骨块随肱骨外旋产生位移图

图11 骨块位移方向细化X、Y、Z示意图

图12 肱骨外旋过程中各方向位移数据图

3 讨论

Latarjet 手术自创立以来，经Lafose 和Neyton 等人改良，该术式更加规范[3-8]。由Boileau 等进行的线袢法关节镜下Latarjet手术，不仅使关节镜下Latarjet手术的骨块定位更准确、愈合率更高，而且避免了困扰人们已久的固定螺钉并发症[9-10]。本研究通过有限元分析对改良线袢法Latarjet 进行模拟，并通过分析其中的变量如肱骨外旋角度、肱骨及转位喙突应力分布等数据来探讨既往术后骨块重塑潜在的生物力学机制——骨块微动塑形。在我们既往的随访研究中，通过关节盂En-face面观察：所有骨块均出现了不同程度的骨吸收现象，表现出关节盂正梨形圆之“圆外吸收”现象。动态观察全部移植骨块，骨质存在向上、下、内、外延伸爬行塑形现象，即辐射状扩散塑形。此外，骨质逐渐填充其间的空隙，最后塑形成与正常肩胛盂相近的正梨形、与肱骨头同圆的三维球窝状关节盂外形，且全部病例均未出现肩关节盂退变情况[11]。通过本次有限元模型与既往随访结果相对照，我们发现一个现象：有限元模型中肱骨及骨块的应力呈向四周类同心圆样扩散分布，应力大小呈阶梯状由内到外层层递减，与术后随访3年动态观察过程中的移植骨块向上、下、内、外延伸爬行塑形现象一致。本次有限元所分析的是术后即刻状态，可见从改良线袢法Latarjet 完成开始，早期康复外旋动作所形成的骨块应力分布便与既往塑形方向相似，值得深思。

Boileau等[9-10]的研究显示，线袢固定的Latarjet固定强度是足够的，且弹性固定的骨块在受到肱骨头挤压时，产生微动；鉴于wolff 效应（机械应力对骨结构的影响），骨愈合过程中会产生较多骨痂，骨痂最终塑形成骨质，这可能是骨块在塑形过程中会向四周伸展的原因[11，17-18]。在本次实验过程中我们也发现，肱骨外旋-回复的反复的动态过程实际上就是骨块与关节盂之间来回分离-接触的微动过程，主要体现为在接触面上的位移改变。在这种微动过程中，总应力分布状况呈接触面均匀扩散分布，应力大小呈阶梯状由内到外层层递减；而在我们的改良线袢法Latarjet 术后的随访中，则发现肱骨头同心圆内骨痂产生较多，骨质吸收较少，这是wolff 效应在该术式中的良好体现。Nazmi 等[15]为探讨移植物骨溶解的潜在原因，同样通过有限元分析螺钉固定Latarjet 手术与喙突移植骨溶解之间的潜在相关性，发现螺钉固定上半部分应力较下半部分小，且吸收更多。这与Haeni、Zhu、Kee 等[19-21]的研究发现一致，可见骨块吸收情况与螺钉固定应力分布存在一定的关联。螺钉固定强度足够满足肩关节稳定性，但该术式导致骨块与接触面的位移丧失以及相对不合理的应力分布均有可能导致骨溶解吸收而产生手术并发症。

在仿真结果中，我们发现在整个撞击过程中，骨块上应力表现由集中在以弹性元件模拟的绳索轴线上，到表现为类似肱骨沿撞击中心呈向四周类同心圆样扩散分布，且应力大小呈阶梯状由内到外层层递减。根据Nazmi等[15]的研究结果，应力多集中于固定骨块的刚性固定元件周围，呈环绕螺钉的同心圆应力分布，而他们的实验力学分布结果与本研究早期骨块应力集中于线袢附近的力学分布结果相类似，但在本研究中这种现象没有长期维持，主要维持在早期肱骨外旋角度较小的情况下。因线袢固定时，骨块力矩会随肱骨外旋发生变化，包括：肩胛骨对骨块的反作用力产生的力矩越来越大；骨块位移随着外旋过程逐渐增大，线袢被拉长产生的弹力逐渐增加；这些力使得骨块受力力矩方向得以重新分布，而形成前文所述的扩散分布现象，且应力分布更加均匀。但受到极大暴力时，这种平衡有可能被打破。当暴力超出所能承受的范围时，便会导致脱位甚至是骨块碎裂。此外，由实验结果可见，无论是经典还是线袢固定Latarjet 早期均会产生外旋角度的减小；当进行关节囊修复时，外旋相对减少更多[22-26]。

根据移植骨块随肱骨外旋产生位移图显示，移植骨块在被撞击过程中其位置由稍外于肩胛盂关节面4 mm，逐渐向内靠近。由于弹性固定元件本身特性，早期外旋过程由于骨块产生位移较多，线袢可变范围较大，韧性缓冲作用较大，因此早期肱骨应力上升缓慢；而后期，位移减少，韧性缓冲作用减小，相应肱骨应力增大。建模时发现，在使用弹性物体对骨块进行固定时，骨块受到的撞击力度与弹性系数成正比。这也许有利于减少术后肩关节活动中的肱骨头磨损，可能成为早期避免关节退变的重要因素。既往研究显示，术后18月时移植骨块已完成塑形，关节盂在塑形过程中会渐渐符合术后肱骨的活动轨迹，最终二者达成与正常生理情况相近的力学平衡，从而有效预防了术后骨关节炎并发症的发生，所以我们猜测手术后18 个月骨块完成塑形，如果这个时候没有肱骨头退变，以后也不会发生退变[11]。

本研究存在的不足之处：1）本研究有限元模型为根据美国人体数据库模拟而得，所得数据结果与国人实际模拟结果存在偏差；但可通过国人术后CT 或是MRI 数据建模来改善。2）有限元模型非实体模型，且建模过程中存在简化，省略了周围软组织而集中观察骨性结构之间的生物力学，因此必将导致一定程度的失真。软组织通常需要利用MRI、非线性描述进行建模[27-30]。3）本实验虽由经验丰富的临床医生和工程师一起设计实施，但其中具体细化的力学分布结果仍未得到深入的分析。

4 结论

改良线袢固定法Latarjet 的弹性固定方法使移植骨块在肩关节外旋过程中产生微动，即在关节盂接触面上由外向内滑行的反复运动。且肱骨与移植骨块的接触区始终为最大应力区，并且总应力分布状况沿撞击中心向四周类同心圆样扩散分布，应力大小呈阶梯状由内到外层层递减，使偏外放置的骨块始终受到肱骨头较大的应力；根据既往研究塑形结果与wolff定律，该实验结果对骨块塑形有一定参考意义。