前置远端单螺钉钢板治疗NeerⅡ型锁骨远端骨折的有限元分析*

李庆博 张义君

1 内蒙古科技大学包头医学院研究生院,内蒙古包头市 014000; 2 包头医学院第一附属医院关节与运动医学二科

锁骨远端骨折占所有锁骨骨折的12%～30%,据学者统计,有30%～45%的锁骨骨折后骨不连病例发生在锁骨远端[1]。其中锁骨远端NeerⅡ型骨折为喙锁韧带内侧骨折,这种骨折大多为不稳定骨折、常发生移位。目前临床上有多种针对此类型骨折的手术方法在应用,每种方法均有优劣且目前尚没有明确的金标准,但大多数学者认为应及时手术治疗[2]。锁骨远端解剖钢板是目前治疗锁骨远端骨折的常用手术方式,将锁骨远端用多枚锁定钉固定,可以对骨折部位进行早期的坚强内固定[3-4];但一般认为有效的固定需要足够的骨量和螺钉数量支撑,对于一些远端骨折块过小、粉碎比较严重的病例,解剖钢板的使用会受到限制[5]。前置远端单螺钉钢板系统利用了锁骨远端前后径较大的优势,使用前置钢板在远骨折端植入单枚螺钉,在远端骨块过小或靠近远端时也可进行坚强的固定,但应用较少,缺乏理论支持。有限元分析是一种准确有效的计算分析手段,近年来在骨科医学中的应用也得到了广泛认可[6-7]。本文应用三维有限元分析的方法,研究前置远端单枚螺钉钢板及解剖型锁定钢板两种固定方式固定锁骨远端NeerⅡ型骨折,评估两种固定方式在轴向压缩、三点弯曲、扭矩旋转的加载条件下的骨折最大位移和最大等效应力,对数据结果进行对比,评价前置远端单螺钉钢板固定是否具有生物力学方面的优势,为临床治疗提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 锁骨远端骨折模型的构建及装配植入物 选取一名35岁的健康男性志愿者,志愿者锁骨无先天畸形,无锁骨外伤史及骨质疏松、骨肿瘤等疾病。通过64排螺旋CT扫描其胸颈部获得志愿者右侧锁骨的CT图像DCM文件,将文件导入Mimics19.0软件,设置合适的阈值,经过软件分离出完整的右侧锁骨后,生成锁骨独立的3D模型并进行锁骨的补孔和光滑表面处理,生成STL文件。后将文件导入Geomagic Studio 2013软件进一步优化光滑处理,编辑轮廓、再构造格栅并拟合曲面;得到锁骨的STP格式几何模型。将处理好的模型模拟锁骨远端骨折,骨折线设计为偏远骨折端,骨折间隙为1mm。

1.2 建立有限元模型及材料赋值情况 使用Solidworks 2017软件分割锁骨皮松质骨并装配;参照内固定厂商说明数据,设计厚度为4.5mm的锁骨远端前置位钢板、等厚的锁骨远端解剖锁定钢板及直径3.5mm螺钉模型,根据要求分别装配,前置钢板模型远骨折端植入单枚3.5mm螺钉,解剖锁定钢板模型远骨折端植入两枚2.5mm螺钉,钢板贴附锁骨,两组模型远骨折端均植入同数量同规格的螺钉,螺钉均为双皮质固定;得到前置远端单螺钉钢板装配模型和解剖锁定钢板装配模型两组模型。将以上两组模型导入ANSYS17软件进行划分网格,前置远端单螺钉钢板模型单元数为15 422,节点数为29 816(见图1a);解剖锁定钢板模型单元数为17 006,节点数为32 676(见图1b);将螺钉与钢板、螺钉与骨设置为绑定接触,并对材料赋予力学参数[8-9],详见表1。

图1 模型网格划分

表1 材料数据

1.3 试验方法与边界条件 设置两组模型为前置远端单螺钉钢板模型组和解剖锁定钢板模型组,两组在相同边界条件约束下,分别进行下列4组试验。(1)轴向压缩:模拟肩部受到横向冲击,固定锁骨胸锁端,分别沿锁骨长轴施加压力为200N、300N、400N的载荷。(2)三点弯曲:模拟锁骨受到暴力打击的情况,固定锁骨近端及远端,与于骨折线处对内固定物分别施加压力为400N、500N、600N的载荷。(3)顺时针及逆时针旋转:模拟肩关节旋转、前屈后伸活动时的情况,固定锁骨胸骨端,以顺、逆时针沿锁骨长轴分别施加1N·m、2N·m、3N·m的旋转扭矩。

对两组模型分别进行以上试验,记录并分析骨折端的位移情况及模型的应力情况,对所得的数据结果使用t检验比较分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 轴向压缩载荷测量结果 在轴向压缩载荷情况下,前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体最大等效应力比较差异无统计学意义(P>0.05),前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体骨折最大位移比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 轴向压缩载荷测量结果

2.2 三点弯曲载荷下测量结果 在三点弯曲测试中,前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体最大等效应力差异无统计学意义(P>0.05),前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体骨折最大位移比较差异有统计学意义(P<0.05)。表示在三点弯曲载荷试验中,前置远端单螺钉钢板模型组的骨折块最大位移小于解剖锁定钢板组,前者的骨折位移更小,固定更为坚固,两者的整体最大等效应力相当,应力主要集中在内固定物和骨折线处。见表3。

表3 三点弯曲载荷下测量结果

2.3 顺时针旋转扭矩载荷下测量结果 在予以顺时针扭矩载荷情况下,前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体最大等效应力比较差异无统计学意义(P>0.05),前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体骨折最大位移比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。

表4 顺时针旋转扭矩载荷下测量结果

2.4 逆时针旋转扭矩载荷下测量结果 在予以逆时针扭矩载荷情况下,前置远端单螺钉钢板模型组与解剖锁定钢板模型组的整体最大等效应力比较有统计学差异(P<0.05),前置远端单螺钉钢板模型组的骨折最大位移与解剖锁定钢板模型组的整体骨折最大位移之间的差异无统计学意义(P>0.05)。表示在逆时针扭矩旋转下,前置远端螺钉模型组的整体最大等效应力大于解剖锁定钢板组,前者更容易出现应力集中现象,但两种模型组的骨折块最大移位距离相当,都能提供较为牢靠的固定。见表5。

表5 逆时针旋转扭矩载荷下测量结果

2.5 模型应力分布情况及骨折位移情况 在不同约束条件的情况下,两组模型均存在一定的应力集中现象,应力主要集中在钢板及螺钉上,且骨折线处往往应力最为集中,以载荷400N三点弯曲试验为例;从骨折块的最大位移水平来看,两组钢板模型的骨折位移主要发生于骨断端处。见图2。

图2 400N载荷下三点弯曲试验云图

3 讨论

锁骨骨折是最常见的骨折之一,占所有骨折的2.6%～4.0%;其中锁骨远端骨折是指骨折线位喙突基底中心垂线的外侧,距肩锁关节2cm以内的骨折,占所有锁骨骨折的12%～30%,且发生骨不愈合的概率较高[1]。NeerⅡ型锁骨远端骨折为喙锁韧带内侧骨折,其由于肌肉牵拉及上肢重力的影响,通常形成发生移位的不稳定型骨折,这也是影响骨愈合的原因之一[10]。其治疗方式多种,且一直备受争议,尚无统一的金标准[11]。锁骨远端骨折的治疗方式通常取决于以下几个因素:骨折是否有移位、移位的大小及是否涉及喙锁韧带导致肩关节不稳;目前认为,治疗锁骨远端NeerⅡ型骨折应该针对骨折的具体情况制定合理的手术方案。当前的手术方式主要为固定骨折端、固定喙锁间和两者联合固定;如克氏针、锁骨钩钢板、锁骨远端解剖型锁定钢板、缝合锚、喙锁螺钉、纽扣钢板等[12-15]。各种手术方法在固定强度、后期肩关节功能恢复、并发症发病率等方面均各有优缺点;常见的术后并发症有:肩关节疼痛、肩峰溶解、撞击综合征、骨不连等[16]。

在目前应用的手术方法中,解剖锁定钢板的固定效果较好,术后并发症发病率相对较低,患者依从性也较好,但若远骨折端的骨块较小,无法植入足够的螺钉,可能会导致固定失败[3-4];前置远端单螺钉钢板系统利用了锁骨远端前后径较大的特点,使用前置钢板在远骨折端植入单枚螺钉,在远端骨块过小或靠近远端时也可进行较为坚强的固定,作为一种新的尝试,需要一定的生物力学研究支持。从有限元分析结果来看,在轴向压缩加载模式下,前侧远端单螺钉钢板模型组和解剖锁定钢板模型组的整体最大等效应力和整体骨折最大位移基本相同(P>0.05),两组钢板均能在模拟肩关节横向冲击的情况下牢固地固定骨折;在三点弯曲加载模式下,两组模型的整体最大等效应力大致相同(P>0.05),前置钢板组的整体骨折最大位移要小于解剖锁定钢板组(P<0.05),表示在模拟对锁骨直接暴力的情况下,前置钢板组的固定更为坚固;在顺时针扭矩加载模式下,两组的整体最大等效应力和整体骨折最大位移无明显差异(P>0.05);在逆时针扭矩加载模式下,解剖锁定钢板组的整体最大等效应力相比前置钢板组更小(P<0.05),应力分布更加平均,可能由于钢板前置直接接触锁骨的面积更小导致了应力集中,但两组模型的整体骨折最大位移结果无明显差异(P>0.05),两组钢板都能提供坚强的内固定。分析以上试验结果和应力、位移云图,可以看出,前置远端单螺钉钢板系统虽然在模拟肩关节活动的情况下较易发生应力集中的现象,但也可以提供与解剖锁定钢板相同牢靠的内固定,在模拟锁骨正面撞击的情况下甚至优于解剖锁定钢板;在有些锁骨远端骨折块较小不能应用锁定解剖钢板的情况下,使用前置远端单螺钉钢板可以坚强地固定骨折,为治疗一些复杂特殊的NeerⅡ锁骨远端骨折提供了新的思路。

有限元分析使用了标准的锁骨钢板系统进行固定黏合,模型较为理想,具有一定的局限性,并且在加载条件下施加了恒定的单向力,而骨骼在人体中的活动受力更为复杂,但是这项研究分析对评估内固定物的生物力学性能也是有价值的,可以作为应用前期的参考,帮助医生更加合理地分析手术方式方法。治疗锁骨远端骨折的方式多种多样,关节镜技术也愈发普及,在治疗骨折的同时可以修复喙锁韧带[14];固定骨折联合修复喙锁韧带的手术方式也更多被应用[15];孙晋客等人使用了闭合复位弹性髓内钉治疗锁骨远端骨折,微创手术的同时也起到了良好的治疗效果[17]。笔者认为,在众多学者们的研究中,以后可以得到有临床数据支持的、更安全可靠的、接受度更高的手术方式作为参考。