摘????要：

背景：腓骨支撐重建肱骨近端骨折內(nèi)側(cè)柱已逐漸在臨床中廣泛應(yīng)用，而腓骨在髓腔內(nèi)最佳支撐位點仍存在爭議，需要通過生物力學(xué)的方法研究其穩(wěn)定性。

目的：采用有限元分析方法，探討腓骨在肱骨髓腔中心、前內(nèi)側(cè)、前外側(cè)、后內(nèi)側(cè)、后外側(cè)5個位置聯(lián)合鎖定鋼板治療肱骨近端內(nèi)側(cè)柱缺失型骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

方法：獲取1名老年骨質(zhì)疏松女性患者肱骨近端CT數(shù)據(jù)，通過Mimics 19.0軟件及Geomagic Wrap軟件建模，在Soildworks 2017軟件中按照肱骨解剖頸下5 mm截骨，建立肱骨近端內(nèi)側(cè)柱缺失型骨折模型，根據(jù)腓骨在髓腔內(nèi)的位置分為5組：F-C組(腓骨位于髓腔中心)、F-AL組(腓骨位于髓腔前外側(cè))、F-AM組(腓骨位于髓腔前內(nèi)側(cè))、F-PL組(腓骨位于髓腔后外側(cè))、F-PM組(腓骨位于髓腔后內(nèi)側(cè))，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys 2019軟件模擬間接暴力狀態(tài)下不同分組模型的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)果與結(jié)論：(1)在600 N軸向載荷下，肱骨應(yīng)力：F-PL組(49.706 MPa)<F-C組(57.980 MPa)<F-AL組(58.519 MPa)<F-PM組(61.868 MPa)<F-AM組(63.886 MPa)，內(nèi)固定應(yīng)力：F-AM組(106.310 MPa)<F-PM組(110.030 MPa)<F-C組(111.940 MPa)<F-PL組(114.320 MPa)<F-AL組(122.98 MPa)；(2)在600 N軸向載荷下，肱骨位移：F-PM組(0.352 mm)<F-PL組(0.416 mm)<F-C組(0.431 mm)<F-AM組(0.549 mm)<F-AL組(0.574 mm)，內(nèi)固定位移：F-PM組(0.127 mm)<F-PL組(0.187 mm)<F-C組(0.191 mm)<F-AM組(0.272 mm)<F-AL組(0.290 mm)；(3)骨折端相對位移：F-PM組(0.048 mm)約是F-PL組(0.088 mm)、F-AM組(0.088 mm)的0.54倍，F(xiàn)-C組、F-AL組分別為0.067,0.103 mm；(4)研究結(jié)果表明，F(xiàn)-PM組位移最小，應(yīng)力較分散，說明將腓骨置于后內(nèi)側(cè)的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于腓骨置于髓腔中心，腓骨置于髓腔外側(cè)的生物力學(xué)穩(wěn)定性最差。

關(guān)鍵詞：肱骨近端骨折;肱骨近端內(nèi)固定系統(tǒng);植骨;有限元分析;生物力學(xué);

0引言Introduction

肱骨近端骨折常好發(fā)于老年骨質(zhì)疏松患者，老年患者占肱骨近端骨折總發(fā)病人數(shù)的70%[1]，在成人骨折中發(fā)病率為4%-10%[2]。目前，肱骨近端骨折的手術(shù)治療方式多樣，其中以鎖定鋼板在臨床中應(yīng)用最廣泛[3]，然而老年骨質(zhì)疏松患者因肱骨近端內(nèi)側(cè)柱為松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨過渡區(qū)，骨小梁薄弱，骨折時易導(dǎo)致內(nèi)側(cè)柱的壓縮、丟失，單獨應(yīng)用鎖定鋼板易出現(xiàn)復(fù)位丟失、螺釘切出甚至肱骨頭壞死等并發(fā)癥[4,5,6]；其中，肱骨頭內(nèi)翻為復(fù)位丟失中最常見、最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一[7]。GARDNER等[8]提出應(yīng)用鎖定鋼板聯(lián)合異體腓骨為內(nèi)側(cè)柱提供支撐來治療內(nèi)側(cè)柱缺失型肱骨近端骨折。近年來，此種方法不斷被臨床所認(rèn)可[9,10,11]。

目前，利用腓骨支撐重建內(nèi)側(cè)柱時腓骨在髓腔內(nèi)的位置仍無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，臨床應(yīng)用時常憑主刀醫(yī)生的經(jīng)驗放置。GARDNER等[8]曾主張將腓骨推擠固定于肱骨的內(nèi)側(cè)，使髓腔內(nèi)的腓骨與肱骨緊密貼服。沈施耘等[12]通過體外生物力學(xué)研究認(rèn)為豎直放置與內(nèi)側(cè)傾斜放置無顯著力學(xué)穩(wěn)定性差異。為探討腓骨在肱骨髓腔內(nèi)最佳生物力學(xué)位置，該研究應(yīng)用有限元分析方法，模擬腓骨置于髓腔內(nèi)不同位置，比較其內(nèi)固定的生物力學(xué)差異，探討最佳的手術(shù)內(nèi)固定方式。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 設(shè)計

三維有限元生物力學(xué)分析。

1.2 時間及地點

2020年3-8月在廣東省中醫(yī)院芳村骨科完成。

1.3 對象

選擇1名老年女性骨質(zhì)疏松志愿者為研究對象，65歲，體質(zhì)量58 kg，身高160 cm，排除肩部外傷、腫瘤、畸形等異常情況，簽訂知情同意書，且得到廣東省中醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(BF2020-004-01)。

1.4 實驗儀器及相關(guān)軟件

樣本采集設(shè)備Light Speed 64排螺旋CT；醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics 19.0(Materialise公司，比利時)；逆向工程軟件：Geomagic Wrap(Geomagic，美國)；三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件Solidworks 2017(Dassault Systems，美國)；力學(xué)分析軟件ANSYS Workbench 2019(ANSYS公司，美國)。

1.5 方法

1.5.1 數(shù)據(jù)獲取及模型建立

CT掃描志愿者右肩關(guān)節(jié)獲取肱骨影像學(xué)資料，以DICOM格式進(jìn)行保存。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0軟件，經(jīng)閾值分割，骨皮質(zhì)灰度值范圍為450-3 000 Hu，骨松質(zhì)灰度值范圍為150-450 Hu[13,14]，獲取肱骨皮質(zhì)骨大致輪廓，復(fù)制并得到一份實心肱骨蒙版，利用“邏輯非”功能得到實心肱骨、髓腔模型。得到的模型導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中，行表面光滑、劃分網(wǎng)格、探測輪廓線及擬合曲面等處理后導(dǎo)入Soildworks 2017軟件，進(jìn)行裝配組合得到肱骨中空模型，并在肱骨外科頸處模擬寬度為5 mm的骨質(zhì)缺損肱骨近端骨折模型。骨折近端模擬實心松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，利用刪除面功能、填充、組合得到近端松質(zhì)骨區(qū)域模型。見圖1A。

1.5.2 內(nèi)固定系統(tǒng)建模

將模型以stp格式導(dǎo)入Solidworks軟件中，同時按照肱骨近端鎖定鋼板(PHILOS)(美國De Puy Synthes公司)1∶1建立鋼板及鎖定釘模型，螺釘省略螺紋以簡化計算過程；腓骨按照臨床常用同種異體腓骨規(guī)格建立長60 mm、直徑9 mm實心圓柱體。將上述肱骨及鋼板模型按照肱骨近端骨折治療原則進(jìn)行組合，鋼板放置于肱骨外側(cè)，上端距大結(jié)節(jié)頂點5 mm，內(nèi)側(cè)距結(jié)節(jié)間溝外側(cè)5 mm，裝配組合螺釘，將遠(yuǎn)、近端所有螺釘全部置入模型，近端9枚鎖定螺釘均打入肱骨頭，但不能穿破肱骨頭關(guān)節(jié)面。見圖1B。

1.5.3模型分組

將腓骨模型置入肱骨髓腔，腓骨最遠(yuǎn)端位于髓腔最狹窄處，腓骨近端在肱骨小結(jié)節(jié)平面。在肱骨小結(jié)節(jié)橫斷面，以髓腔中心為原點，肱骨冠狀面和矢狀面將肱骨髓腔劃分為四象限。根據(jù)腓骨在髓腔內(nèi)的位置，將小結(jié)節(jié)橫斷面的髓腔平面分為5個區(qū)域，即四象限與原點。以冠狀面和矢狀面為參考面設(shè)定兩互相垂直基準(zhǔn)面，調(diào)整腓骨近端的位置在兩基準(zhǔn)面四象限的夾角內(nèi)，分別對4個象限的腓骨進(jìn)行微調(diào)整。利用Solidworks軟件上的“干涉”功能，允許腓骨與肱骨內(nèi)側(cè)壁相交，避免其與內(nèi)側(cè)壁重合。比較4個位置腓骨與髓腔中軸線最小夾角，此夾角位置即為腓骨在4個區(qū)域中的位置；原點位置的腓骨則與肱骨中軸線重合。根據(jù)腓骨在髓腔內(nèi)的位置分為5組：F-C組(腓骨位于髓腔中心)、F-AL組(腓骨位于髓腔前外側(cè))、F-AM組(腓骨位于髓腔前內(nèi)側(cè))、F-PL組(腓骨位于髓腔后外側(cè))、F-PM組(腓骨位于髓腔后內(nèi)側(cè))。見圖1C,

1.5.4 材料屬性設(shè)置及網(wǎng)格劃分

將上述5種肱骨近端骨折固定模型導(dǎo)入有限元處理軟件Ansys 2019中。首先對骨折固定模型中各材料進(jìn)行賦值，肱骨近端骨折多見于骨質(zhì)疏松患者，骨質(zhì)疏松人群發(fā)病率是無骨質(zhì)疏松人群的2.6倍[15]，該研究納入的是骨質(zhì)疏松老年志愿者，根據(jù)相關(guān)有限元研究改變骨組織彈性模量的方式建立骨質(zhì)疏松性骨模型使之與臨床更加接近，各材料彈性模量及泊松比見表1[16,17]。肱骨、鋼板、螺釘及腓骨均采用10節(jié)點4面體單元(C3D4)，不同模型節(jié)點及單元見表2。

1.5.5 約束條件及載荷

在Ansys 2019中定義肱骨模型與鋼板及腓骨模型間的相互作用關(guān)系，鎖定螺釘被設(shè)定為固定在鎖定鋼板和肱骨皮質(zhì)中，部分螺釘與腓骨接觸，若螺釘埋入腓骨超過50%則設(shè)定為綁定，少于50%設(shè)定為摩擦，摩擦系數(shù)為0.2；腓骨與肱骨近端松質(zhì)骨接觸條件設(shè)為摩擦，摩擦系數(shù)為0.2，余所有接觸均設(shè)定為綁定；所有的聯(lián)系元素都被定義為可變形的元素。在軟件的載荷模塊，對肱骨上端盂肱關(guān)節(jié)處行約束設(shè)置，并限制肱骨在軸向、冠狀及矢狀面3個方向的位移。根據(jù)何仿[18]模擬人摔倒時肱骨受到的間接暴力確定加載點，模擬體質(zhì)量為60 kg的成人經(jīng)肱骨大結(jié)節(jié)施加50 N水平載荷，同時在肱骨遠(yuǎn)端加載600 N軸向載荷，見圖2。

1.6 主要觀察指標(biāo)

觀察5組內(nèi)固定模型在加約束條件及載荷后肱骨及內(nèi)固定的Von Mises應(yīng)力分布和最大位移，其中骨折端相對位移可直接反映內(nèi)固定的穩(wěn)定性，為主要結(jié)局指標(biāo)，肱骨應(yīng)力為次要結(jié)局指標(biāo)。分別評價5種內(nèi)固定方式固定的力學(xué)穩(wěn)定性。

2 結(jié)果Results

2.1 不同內(nèi)固定應(yīng)力分布情況

600 N軸向載荷下，5種固定方式的肱骨模型應(yīng)力云圖分布情況無明顯差異：F-PL組(49.706 MPa)<F-C組(57.980 MPa)<F-AL組(58.519 MPa)<F-PM組(61.868 MPa)<F-AM組(63.886 MPa),5組內(nèi)固定模型肱骨最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在骨折端外側(cè)皮質(zhì)連續(xù)處，觀察5組云圖應(yīng)力分布情況，組間未見明顯分布差異，肱骨最大應(yīng)力為F-AM組，最小應(yīng)力為F-PL組，見圖3。

5種內(nèi)固定最大等效應(yīng)力及應(yīng)力云圖分布情況：F-AM組(106.310 MPa)<F-PM組(110.030 MPa)<F-C組(111.940 MPa)<F-PL組(114.320 MPa)<F-AL組(122.980 MPa)。F-C組內(nèi)固定應(yīng)力主要集中于近折端腓骨與螺釘固定處，余4組應(yīng)力主要集中于遠(yuǎn)折端腓骨與螺釘固定處，應(yīng)力最小為F-AM組，最大為F-AL組，見圖4。

2.2 不同內(nèi)固定位移分布情況

觀察5種固定方式下肱骨位移云圖結(jié)果，見圖5。5組模型中，肱骨位移：F-PM組(0.352 mm)<F-PL組(0.416 mm)<F-C組(0.431 mm)<F-AM組(0.549 mm)<F-AL組(0.574 mm)。F-PM組肱骨位移最小，其肱骨位移為0.352 mm,F-AL組肱骨位移最大，其位移為0.574 mm;5組模型的肱骨位移量均由肱骨近端向遠(yuǎn)端逐漸遞增，最大位移出現(xiàn)在骨折遠(yuǎn)端。

不同內(nèi)固定模型應(yīng)力分布云圖：F-PM組(0.127 mm)<F-PL組(0.187 mm)<F-C組(0.191 mm)<F-AM組(0.272 mm)<F-AL組(0.290 mm)。F-PM組位移最小，其位移為0.127 mm,F-AL組位移最大，其位移為0.290 mm;5組內(nèi)固定的位移均由近端向遠(yuǎn)端逐漸增加，通過位移云圖分布可見F-C、F-PL、F-PM組鋼板位移量較分散；F-AL、F-AM組位移量則主要集中于鋼板遠(yuǎn)端，表明F-AL、F-AM組較容易產(chǎn)生屈服變形，見圖6。

2.3 不同內(nèi)固定肱骨骨折端相對位移情況

肱骨骨折端相對位移即為骨折遠(yuǎn)折端與近折端截面骨位移之差，通過比較骨折端相對位移可反映骨折端穩(wěn)定性。不同內(nèi)固定模型應(yīng)力及位移情況見表3。通過計算及比較：F-PM組(0.048 mm)<F-C組(0.067 mm)<F-AM組(0.088 mm)=F-PL組(0.088 mm)<F-AL組(0.103 mm)，其中F-PM組(0.048 mm)約是F-PL組(0.088 mm)、F-AM組(0.088 mm)的0.54倍，F(xiàn)-PM組相對位移最小，F(xiàn)-AL組相對位移最大。

3 討論Discussion

肱骨近端骨折多為老年骨質(zhì)疏松骨折，多為粉碎性骨折，當(dāng)內(nèi)側(cè)皮質(zhì)斷裂同時合并肱骨頭骨量丟失，則內(nèi)固定失敗的風(fēng)險將顯著增加[19]。臨床中常用的鎖定鋼板為PHILOS肱骨近端鎖定內(nèi)固定系統(tǒng)，其近端螺釘分布兼顧內(nèi)聚和外展，具有良好的角穩(wěn)定性，對骨質(zhì)疏松的肱骨頭有較好的把持力。但鎖定鋼板常置于肱骨外側(cè)，無法兼顧內(nèi)側(cè)的力學(xué)穩(wěn)定性；因此當(dāng)內(nèi)側(cè)骨質(zhì)粉碎，良好的內(nèi)側(cè)柱重建可減少肱骨近端內(nèi)固定失效的發(fā)生[20,21,22]。

同種異體腓骨髓內(nèi)支撐已成為臨床應(yīng)用最成熟、最廣泛的內(nèi)側(cè)柱重建方式，其腓骨放置于髓腔內(nèi)，屬結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)固定物，可實現(xiàn)對肱骨內(nèi)側(cè)柱的直接支撐和重建。GARDNER等[8]利用螺釘?shù)幕茢D壓將同種異體腓骨推向髓腔內(nèi)側(cè)，以復(fù)位內(nèi)側(cè)皮質(zhì)和重建力學(xué)穩(wěn)定性。JANG等[23]在體外生物力學(xué)實驗中證實同種異體腓骨可提高鎖定鋼板最大失效載荷。然而，隨著大量的臨床研究報道，PANCHAL等[24]利用鎖定鋼板聯(lián)合同種異體腓骨髓內(nèi)支撐治療36例老年肱骨近端骨折，術(shù)后13.89%患者頸干角恢復(fù)欠佳，2例肱骨頭內(nèi)翻畸形。CUI等[25]將腓骨置于肱骨髓腔中心治療25例老年肱骨近端骨折，術(shù)后1例螺釘切出、2例肱骨頭缺血性壞死。CHEN等[22]對同種異體腓骨頭進(jìn)行修剪，獲得解剖型髓內(nèi)腓骨支撐，術(shù)后7例患者臨床療效滿意。

此次研究將腓骨置于髓腔中心、前內(nèi)、前外、后內(nèi)、后外5個不同位置，通過有限元分析其不同生物力學(xué)特點。在相同骨折模型及同等加載條件下，若肱骨及內(nèi)固定最大應(yīng)力越小，則內(nèi)固定模型受力越分散。同時，肱骨與內(nèi)固定的最大應(yīng)力由于應(yīng)力遮擋原因常不能反映其真實力學(xué)特性，而骨折端相對位移直接反映了肱骨的穩(wěn)定性，故設(shè)置其為主要觀察指標(biāo)，肱骨應(yīng)力為次要觀察指標(biāo)。5組內(nèi)固定模型中，F(xiàn)-PM組的骨折端相對位移最小，且其肱骨及內(nèi)固定應(yīng)力分布云圖較分散，故而認(rèn)為內(nèi)固生物力學(xué)穩(wěn)定性最優(yōu)為F-PM組。同理分析，其次為F-C組、F-AM組，生物力學(xué)穩(wěn)定性最差為F-PL組、F-AL組。作者認(rèn)為腓骨置于髓腔后內(nèi)側(cè)的內(nèi)固定模型在內(nèi)側(cè)柱缺失型肱骨近端骨折中應(yīng)力最優(yōu)，其次可將腓骨置于髓腔中心。另外，在相同的加載條件下，腓骨在髓腔不同位置固定的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于內(nèi)固定屈服強(qiáng)度，說明5種內(nèi)固定方式均可保證骨折早期的穩(wěn)定性。

通過此次研究，作者認(rèn)為內(nèi)側(cè)柱缺失型肱骨近端骨折因內(nèi)側(cè)柱缺乏支撐，腓骨置于后內(nèi)側(cè)、前內(nèi)側(cè)所形成的力臂最小，與鎖定鋼板形成斜“三角固定”，生物力學(xué)穩(wěn)定性最佳。而腓骨置于髓腔中心，在一定程度上達(dá)到髓腔壓配穩(wěn)定的效果，同時腓骨與肱骨頭緊密接觸，使肱骨頭和腓骨條成為一個整體，可形成較好的支撐作用。腓骨置于髓腔前內(nèi)側(cè)雖同樣存在斜“三角固定”，但其支撐點偏向肱骨小結(jié)節(jié)，小結(jié)節(jié)因其相對體積偏小，應(yīng)力面積會相對集中，其力學(xué)穩(wěn)定性稍差于將腓骨置于髓腔內(nèi)側(cè)，而將腓骨置于髓腔外側(cè)其力臂最短，生物力學(xué)穩(wěn)定性最差。

該研究基于有限元分析，研究過程中使用肱骨近端間接暴力骨折簡化模型，忽略了周圍肌肉及韌帶對骨折穩(wěn)定性的影響，肩關(guān)節(jié)為人體最大活動關(guān)節(jié)，未能實現(xiàn)多個方向的加載以及扭轉(zhuǎn)實驗，分析結(jié)果與實際情況存在一定偏差，因此常需結(jié)合體外生物力學(xué)實驗進(jìn)行驗證。沈施耘等[12]納入6例尸體標(biāo)本行生物力學(xué)研究，結(jié)果提示傾斜放置與垂直放置腓骨無明顯差異，而PANCHAL等[24]、CUI等[25]的臨床研究均出現(xiàn)內(nèi)固定失效的并發(fā)癥，其臨床研究也未按腓骨在髓腔的位置分組。故而小樣本的體外生物力學(xué)實驗并不具有廣泛的代表意義，需進(jìn)一步按髓腔位置分組進(jìn)行下一步臨床研究或大樣本量的體外生物力學(xué)研究。

綜上所述，該研究通過有限元分析在內(nèi)側(cè)柱缺失型肱骨近端骨折后將腓骨置入髓腔中心、前內(nèi)、前外、后內(nèi)、后外5個不同位置重建內(nèi)側(cè)柱的力學(xué)穩(wěn)定性。有限元分析提示，將腓骨置于后內(nèi)側(cè)是最優(yōu)的內(nèi)固定方式，其次為髓腔中心。而在臨床應(yīng)用中，受到患者髓腔大小、異體腓骨形狀大小、骨折類型等限制常無法按理想化的位置放置腓骨，具體應(yīng)用時可視術(shù)中具體情況，擇優(yōu)選擇合適的腓骨置入方案。

參考文獻(xiàn)：略
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PART? 01

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