锁骨中段骨折三种固定的有限元分析△

熊 川，李 锦，陈李伟

（武警四川省总队医院，四川乐山 614000）

锁骨中段骨折约占锁骨骨折的80%～85%［1］，这主要与该部位为近段圆形向远段宽扁形的移行区域，同时该部位缺少肌肉组织附着，不能够有效的分散暴力载荷有关。Allman分型依据骨折的移位程度将锁骨中段分为无移位骨折（Ia）、移位骨折（Ib）、移位粉碎骨折（Ic）。目前对Ia型和Ic型骨折的治疗认识较为统一，而对Ib型骨折的治疗仍存在不同的争议。Wang［2］荟萃分析959例移位锁骨中段骨折，结果表明手术治疗后的不愈合率（1.7%）、畸形愈合率（1.8%）显著低于保守治疗的14%和20%。

锁骨中段骨折的手术方式包括钢板内固定、髓内针内固定及外固定架等［3］，其中以锁定钢板临床上最为常用，但手术创伤较大，术后并发症多，如内固定松动、感染、内固定物刺激皮肤形成瘢痕、内固定取出后再骨折等等［4］。髓内钉固定技术手术切口小、术中能够有效的保护骨膜，更有利于术后骨折愈合，并且降低了术后切口巨大瘢痕和再骨折风险，逐步获得临床医师的认可。目前，锁骨髓内钉的设计方案较多，如AO弹性髓内钉、螺纹弹性髓内钉等等［5，6］。本文应用有限元分析的方法，研究上述两种髓内钉固定锁骨中段骨折，对应力、应变分布情况的影响，并与正常锁骨及锁定钢板固定进行比较，为临床螺纹弹性髓内固定治疗锁骨中段骨折提供生物力学依据。

1 材料与方法

1.1 锁骨中段骨折模型的构建

选取1名符合纳入标准的32岁健康成年男性志愿者为研究对象，肩锁部无畸形、无外伤及手术史。采用64排螺旋CT扫描颈胸部（包括上侧肩锁部），层厚0.625 mm，获得志愿者右侧锁骨的CT薄层图像，并导入医学图像处理软件Mimics 14.0中，利用Thresholding功能，根据皮质骨和松质骨的灰度值分割重建完整的锁骨模型的点云文件，导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0将点云文件进行封装、栅格化，拟合出锁骨的NUBERS实体模型。在锁骨中1/3切除1mm宽的骨质，体现骨折后局部骨质不连续。并将切除骨质角度不同，创建出横断、斜形，两种锁骨中段骨折的计算机模型。

1.2 内固定模型构建

在CAD设计软件Creo4.0中参照各种内固定的参数，分别设计6孔3.5 mm锁定钢板及螺钉（lock⁃ing plate,LP）；2.5 mm弹性髓内钉（elastic stable in⁃tramedullary nail,ESIN）；以及2.5 mm螺纹弹性髓内钉（threaded intramedullary nail,TIN），其头端为正圆锥体，螺纹高度0.5 mm，螺纹分别位于髓内钉近端和骨折断端以远。

上述模型分别导入有限元前处理软件Hypermesh 13.0进行装配和划分网格。本研究每组内固定模型中，建立斜形骨折、横形骨折两种骨折类型，骨折间隙为1 mm。其中LP组骨折断端远近端各3枚锁定螺钉固定。ESIN组参照锁骨髓腔形态，呈“S”逆行置入，髓内钉头部置入锁骨远端，钉尾部位于锁骨胸骨端并折弯。螺纹髓内钉为直钉，髓内钉头部置于胸锁关节端，钉尾置于锁骨远端后方。装配完成后对模型各组件划分网格单元，并赋予材料的力学参数［7］，见表1。

表1 模型各组件赋予材料的力学参数

1.3 测试方法

在Abaqus 6.14软件中构建各模型的接触关系。LP组，在钢板与螺钉之间、螺钉与锁骨之间建立绑定约束。ESIN组，在骨隧道与髓内钉之间建立滑动接触。TIN组，近端与中段螺纹处建立绑定接触，其余部位的髓内钉与骨髓道之间为滑动接触。将锁骨近端设置为边界条件，约束其旋转和平移自由度。本研究在锁骨远端15 mm表面节点添加250 N的轴向和垂直方向的载荷，模拟人体正常上肢重量和摔倒时肩部撞击暴力，其中垂直载荷垂直于锁骨纵轴，轴向载荷平行于锁骨纵轴，模型见图1。

图1 本研究建立的锁骨骨折三维有限元模型 1a:横形骨折LP内固定模型 1b:横形骨折ESIN模型 1c:横形骨折TIN固定模型 1d:斜形骨折LP内固定模型 1e:斜形骨折ESIN固定模型 1f:斜形骨折TIN固定模型

1.4 测量指标

测量不同载荷中锁骨远端节点的平均位移量、骨折端节点的相对位移量。内固定在锁骨近端、骨折端及锁骨远端的平均Von Mises应力。

2 结 果

2.1 模型的有效性验证

本研究建立的锁骨骨折模型共7 409节点26 809单元。横形骨折中，LP组锁骨远端平均位移量，轴向载荷工况为（0.15±0.08）mm，垂直载荷工况为（2.73±0.42）mm。ESIN 组分别为（0.38±0.06）mm和（4.76±0.58）mm。该数据范围与曾浪清等［7］研究基本符合。但既往研究均为锁骨横形骨折，本研究在此基础上建立了斜形骨折。研究显示与横形骨折比较，ESIN组锁骨远端的位移量显著增加，分别为（0.46±0.08）mm 和（5.18±0.43）mm，分布规律符合髓内钉固定的规律，斜形骨折时，髓内钉接触面积减小，骨折更趋向不稳定。上述结果提示本研究建立的锁骨骨折模型在外观及力学参数设置符合人体真实情况。

2.2 轴向载荷测量结果

轴向载荷下测量结果见表2。两种骨折类型骨折端位移和锁骨骨远端位移量由高至低均依次为：ESIN>TIN>LP，差异有统计学意义（P<0.05）；三种固定下斜形骨折的骨折端位移和锁骨骨远端位移量均大于横形骨折（P<0.05）。其中，锁骨远端位移量比较，ESIN组与TIN组间差异无统计学意义（P>0.05），但前两组均显著大于LP组（P<0.05）。

表2 轴向载荷下各模型的位移量及Von Mises应力检测结果（n=30，±s）与比较

表2 轴向载荷下各模型的位移量及Von Mises应力检测结果（n=30，±s）与比较

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） 横形骨折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锁骨近端应力（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锁骨远端应力（MPa）images/BZ_57_205_3126_734_3192.pngimages/BZ_57_734_3126_980_3192.pngP值斜形骨折横形骨折P值斜形骨折横形骨折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

两种骨折类型的锁骨近端应力由高至低均依次为：TIN>ESIN>LP，差异有统计学意义（P<0.05），ESIN组与TIN组间差异无统计学意义（P>0.05），但前两组均显著大于LP组（P<0.05）。三种固定下斜形骨折的锁骨近端应力均大于横形骨折（P<0.05）。两种骨折类型的骨折端应力由高至低均依次为：ESIN>TIN>LP，差异有统计学意义（P<0.05），ESIN组与TIN组间差异无统计学意义（P>0.05），但前两组均显著大于LP组（P<0.05）。三种固定下斜形骨折的骨折端应力均大于横形骨折（P<0.05）。两种骨折类型的锁骨远端应力由高至低均依次为：LP>TIN>ESIN，差异有统计学意义（P<0.05），ESIN组与TIN组间差异无统计学意义（P>0.05），但前两组均显著小于LP组（P<0.05）。三种固定下斜形骨折的锁骨远端应力均大于横形骨折（P<0.05）。

在三种固定模式和两种骨折类型下，三个测量应力位置间应力大小由高至低均依次为：骨折端>锁骨近端>锁骨远端，差异均有统计学意义（P<0.05）。

2.3 垂直载荷下，各模型的位移量及Von Mises应力比较

垂直载荷下，各模型的位移量和内固定应力均显著大于轴向载荷，差异有统计学意义（P<0.05）。垂直载荷下各模型位移与应力特点与轴向载荷类似。详见表3。

表3 垂直载荷下各模型的位移量及Von Mises应力检测结果（n=30，±s）与比较

表3 垂直载荷下各模型的位移量及Von Mises应力检测结果（n=30，±s）与比较

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） 横形骨折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锁骨近端应力（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值斜形骨折横形骨折P值斜形骨折横形骨折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锁骨远端应力（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

图2 两种载荷下斜形骨折应力云纹图 2a:轴向载荷锁骨远端应力分布云图，由上而下依次为LP模型、ESIN模型和TIN模型 2b:垂直载荷锁骨的应力分布云图，由上而下依次为LP模型、ESIN模型和TIN模型

3 讨论

锁骨中段骨折为形态不规则的管状骨骨折，常用内固定装置可分为髓外钢板固定和髓内固定。髓外固定的优点在于能够有效控制骨折端的旋转、成角等移位，维持骨折稳定。但缺点亦比较多，如手术切口大、骨膜剥离广泛，术后局部会形成明显的钢板凸起和手术瘢痕，影响患者的外观等等。髓内固定多数情况能够经皮完成，即使辅助切口亦只需在骨折端切取2 cm左右的切口，即可完成骨折的复位和内固定置入。Zhang等［8］对锁骨钢板和髓内针固定治疗锁骨骨折的荟萃分析显示髓内针手术时间、骨折愈合、术后6个月功能优于钢板固定，而术后并发症方面无显著差异。锁骨髓内固定是由克氏针发展而来，但传统克氏针可塑性差，直行置入后轴向稳定不易控制，术后随着锁骨轴向旋转，容易滑移进入胸腔［9］。后逐渐发展出AO弹性髓内钉、螺纹弹性髓内钉等。曾浪清等［7］有限元分析结果显示弹性髓内固定后，锁骨应力分布与正常锁骨接近，但在承受重力时，髓内钉承受的应力可能大于其屈服强度。

本研究通过有限元分析对锁定钢板、弹性髓内钉和螺纹髓内钉固定锁骨中段骨折进行力学研究，结果显示：（1）两种载荷下，ESIN组和TIN组的锁骨远端位移量显著大于LP组，而两髓内钉组之间差异无统计学意义。但骨折端位移量比较，以LP组最小、其次为TIN组和ESIN组。该结果提示锁定钢板固定可有效的控制锁骨远端的轴向和垂直稳定，术后可逐步进行功能锻炼，而两种髓内钉均不能有效的控制锁骨远端的稳定，术后必须注意对患肢进行悬吊制动。在控制骨折端稳定方面，螺纹髓内钉要优于弹性髓内钉，这主要因螺纹髓内钉在锁骨近端和骨折线远端均设置螺纹与髓腔内壁固定，在承受载荷时能够发挥制动作用，有利于骨折端的稳定；（2）两种载荷下，三种内固定应力均以骨折端最大，其中ESIN组最大，其次为TIN组、而LP组最小。笔者认为这主要是因弹性髓内钉与髓腔之间为滑动接触，在锁骨远端承受外力载荷时，锁骨远端会以骨折端为支点发生“摇摆运动”，导致局部产生较大的应力集中。而TIN组，因螺纹髓内钉与锁骨远折端之间存在绑定约束，有利于减小这种“摇摆运动”，分散髓内钉的应力。同样LP组，因骨折远近端通过锁定钢板进行桥接固定，应力遮挡效应明显；（3）垂直载荷作用下，内固定远近端应力比较显示两组髓内钉锁骨近端的应力显著大于锁骨远端，差异有统计学意义。但笔者认为该结果不仅与内固定方式有关，而且与手术方式相关。ESIN组为逆行置入，锁骨近端不仅髓内钉接触面积较长，而且保留较长的针尾。而TIN组为顺行置入，锁骨近端为螺纹固定。在承受垂直载荷时，髓内钉不能有效的分散应力，因此在钉尾处会出现较大的应力集中，这也是髓内固定容易失败的原因；（4）本研究建立了横形和斜形骨折两种骨折模型，结果显示无论是轴向载荷，还是垂直载荷，斜形骨折的锁骨远端位移量和内固定应力均显著大于横形骨折。

上述结果显示，螺纹弹性髓内钉固定治疗锁骨中段骨折在维持骨折稳定方面优于弹性髓内钉。但髓内钉固定存在其先天缺点，特别是对锁骨远端的控制，术后应注意避免上肢的负重和锻炼。本研究的不足之处在于，未对各种内固定的屈服强度进行分析，特别是锁定钢板，因其应力遮挡越大、术后内固定断裂和松动的风险越大，这些有待进一步完善。