鎖定鋼板固定治療肱骨近端骨折的解剖學(xué)研究及有限元分析.pdf

1、研究背景:
　　肱骨近端骨折是三大常見骨折之一，發(fā)生率僅次于髖部及橈骨遠端骨折，居第三位，占全身骨折的4％-5％。隨著社會老齡化，尤其是絕經(jīng)后婦女的數(shù)量有增多的趨勢，人群骨質(zhì)疏松發(fā)病率增高，肱骨近端骨折發(fā)生率也有逐年升高的趨勢。在遭受同等能量損傷的情況下，老年人更容易發(fā)生肱骨近端骨折，且骨折類型更為復(fù)雜。臨床工作中，累及肱骨距的復(fù)雜及不穩(wěn)定骨折在所有肱骨近端骨折病例中所占比例較高，目前手術(shù)治療此類骨折仍然具有挑戰(zhàn)性。
　　手

2、術(shù)內(nèi)固定肱骨近端骨折的方式很多，如張力帶鋼絲、接骨板、經(jīng)皮螺釘、髓內(nèi)釘及鎖定鋼板固定等，各種內(nèi)植入物及手術(shù)固定方式都有其相應(yīng)的優(yōu)缺點和適應(yīng)證。近年來，文獻報道鎖定鋼板固定治療肱骨近端骨折尤其是復(fù)雜粉碎的肱骨近端骨折取得了滿意的臨床效果。目前對于復(fù)雜不穩(wěn)定的肱骨近端骨折，行切開復(fù)位內(nèi)固定(Open Reduction and Internal Fixation，ORIF)治療時，多選擇外側(cè)鎖定鋼板(Lateral Locking Plat

3、e，LLP)進行固定。
　　然而，術(shù)后以內(nèi)翻畸形為主的多種并發(fā)癥，讓國內(nèi)外學(xué)者開始對外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定復(fù)雜不穩(wěn)定的肱骨近端骨折進行重新評估及改進。目前生物力學(xué)等研究認為:恢復(fù)肱骨距區(qū)域內(nèi)側(cè)皮質(zhì)（或稱內(nèi)側(cè)柱）的完整性及支撐強度成為外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定治療肱骨近端骨折成敗的關(guān)鍵。
　　對于外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定治療肱骨近端骨折時如何恢復(fù)肱骨近端的內(nèi)側(cè)柱支撐，很多方式方法被探索及應(yīng)用。具體包括:在外側(cè)鎖定鋼板(L

4、LP)上放置肱骨矩鎖定螺釘;于內(nèi)側(cè)骨質(zhì)缺損處填充磷酸鈣與骨水泥;術(shù)中重視肱骨距區(qū)域的骨折復(fù)位;固定同時行異體骨或自體骨的內(nèi)側(cè)支撐植骨等。各種方法的臨床應(yīng)用效果及優(yōu)缺點被學(xué)者在文獻中報道及討論。有部分學(xué)者認為，對于復(fù)雜不穩(wěn)定的肱骨近端骨折，除切開復(fù)位內(nèi)固定外，還可一期行人工肩關(guān)節(jié)置換治療。然而，就臨床肩關(guān)節(jié)置換應(yīng)用而言，目前還尚不如人工髖、膝關(guān)節(jié)置換技術(shù)成熟及應(yīng)用普遍，其存在手術(shù)難度大，術(shù)后功能欠佳及使用壽命等尚需進一步解決的問題，所以，

5、目前一期人工肩關(guān)節(jié)置換僅被用于少部分肱骨近端骨折的治療，切開復(fù)位內(nèi)固定(ORIF)仍然是大部分復(fù)雜不穩(wěn)定的肱骨近端骨折的主要治療手段。
　　目前國內(nèi)外對于復(fù)雜不穩(wěn)定的肱骨近端骨折治療的共識:切開復(fù)位內(nèi)固定(ORIF)時盡可能選擇外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定為主，尤其是對于骨折疏松患者，重視對肱骨頭血運的保護，強調(diào)對內(nèi)側(cè)柱的完整性及支撐強度的恢復(fù)，術(shù)后早期進行功能鍛煉，減少并發(fā)癥的發(fā)生。
　　如何恢復(fù)內(nèi)側(cè)柱的完整性及支撐強度降低

6、外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定后內(nèi)翻畸形的發(fā)生風(fēng)險？我們研究在外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定時輔以專門設(shè)計的肱骨近端內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(Medial Locking Plate，MLP)同時行內(nèi)側(cè)復(fù)位固定，依靠內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(Lateral locking plate and Medial Locking Plate，L-MLP)的雙重支撐，恢復(fù)肱骨距區(qū)域內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的完整性及支撐強度，允許術(shù)后早期進行功能鍛煉，減少術(shù)后內(nèi)翻畸形及內(nèi)固定失敗的風(fēng)險，促進

7、骨折的順利愈合。
　　本研究第一部分通過對肱骨近端四項解剖參數(shù)的三維測量為肱骨近端骨折的手術(shù)復(fù)位及內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)的安放提供應(yīng)用解剖依據(jù)。第二、三部分的骨科生物力學(xué)研究，我們應(yīng)用有限元分析法，分別對單外側(cè)鎖定鋼板(LLP)及內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)定的肱骨近端骨折的三維模型進行生物力學(xué)研究，對比分析各模型在模擬肩關(guān)節(jié)不同運動狀態(tài)及載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況，驗證內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定對恢復(fù)肱

8、骨近端內(nèi)側(cè)柱支撐的有效性，提供生物力學(xué)依據(jù)。三部分研究更詳細摘要如下:
　　第一部分:肱骨近端的三維測量及內(nèi)側(cè)鎖定鋼板固定的應(yīng)用解剖研究
　　目的:
　　通過對30例（男15例，女15例，共60肩）成年人肩關(guān)節(jié)CT(ComputedTomography)掃描圖像經(jīng)Mimics軟件重建而來的三維肱骨模型進行觀察與測量，對測量指標進行統(tǒng)計分析，為肱骨近端骨折的手術(shù)復(fù)位及內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)的選擇與安放提供應(yīng)用解剖依據(jù)。<

9、br>　　方法:
　　自山東省立醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科同一CT工作站，選取30例（男15例，女15例，共60肩）健康成人肩關(guān)節(jié)CT掃描圖像，要求CT掃描層厚為1.0mm，圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式進行保存后由CT工作站導(dǎo)出刻盤備用。應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像交互軟件Mimicsl6.0軟件建立數(shù)字化三維可視模型，標定相關(guān)解剖及位置標志，測量肱骨頭內(nèi)傾角(Medial inclination angle，MIA)、肱骨頭后傾角(Retroinclinati

10、onangle，RA)、肱骨距上表面距離(Superior surface distance，SSD)、肱骨距下表面距離(Inferior surface distance，ISD)四項解剖參數(shù)。
　　結(jié)果:
　　男性組:
　　肱骨頭內(nèi)傾角(MIA):左側(cè):134.23±2.36°，右側(cè):134.44±2.50°;肱骨頭后傾角(RA):左側(cè):27.00±2.26°，右側(cè):26.73±2.66°;肱骨距上表面距離(SSD

11、):左側(cè):53.57±1.33 mm，右側(cè):53.65±1.37mm;肱骨距下表面距離(ISD):左側(cè):32.82±1.04mm，右側(cè):32.98±1.01mm。
　　女性組:
　　肱骨頭內(nèi)傾角(MIA):左側(cè):133.51±1.86°，右側(cè):133.72±2.58°;肱骨頭后傾角(RA):左側(cè):25.78±2.31°，右側(cè):25.88±2.36°;肱骨距上表面距離(SSD):左側(cè):51.95±1.24mm，右側(cè):51.79

12、±1.20mm;肱骨距下表面距離(ISD):左側(cè):31.62±0.84mm;右側(cè):31.80±0.59mm。
　　男女組內(nèi)，每項參數(shù)分別做左右側(cè)的配對t檢驗，P值均＞0.05。同一個體MIA、RA、SSD及ISD四項解剖參數(shù)的測量值在左右側(cè)無統(tǒng)計學(xué)差別。
　　結(jié)論:
　　1、CT掃描圖像導(dǎo)入Mimics軟件重建出的肱骨三維可視化模型，形態(tài)真實，邊界清晰，能準確識別肱骨相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)，滿足相關(guān)參數(shù)的個體化數(shù)字測量，簡便、

13、實用。
　　2、同一個體肱骨近端的MIA、RA、SSD及ISD四項參數(shù)在左右側(cè)無統(tǒng)計學(xué)差別，對于單側(cè)肱骨近端骨折患者，可利用對側(cè)的測量數(shù)據(jù)來指導(dǎo)該側(cè)骨折的復(fù)位與固定，臨床實用性強。
　　3、內(nèi)側(cè)入路安放內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)以肱骨距上、下層面各自距離小結(jié)節(jié)后方1/2表面距離的兩點連線與內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)長軸中心線重合安放合適，經(jīng)骨骼標本及實際手術(shù)應(yīng)用驗證，按該參考值安放內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)可行，固定位置滿意，后面進一步

14、的有限元分析模型中內(nèi)側(cè)鎖定鋼板(MLP)也按此位置裝配。
　　第二部分:外側(cè)鎖定鋼板固定肱骨近端骨折的三維有限元分析
　　目的:
　　建立外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)定的肱骨近端骨折的三維模型，對模型進行有限元分析，分析模型在模擬肩關(guān)節(jié)不同運動狀態(tài)及載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況測試，并為進一步內(nèi)外側(cè)雙鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)定的肱骨近端骨折的三維有限元分析提供模型及生物力學(xué)特性結(jié)果的比較基礎(chǔ)。
　

15、　方法:
　　本研究進行前獲得納入實驗研究者本人的知情同意以及山東省立醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準同意。對1名健康成年女性，應(yīng)用螺旋CT對其肱骨進行掃描，設(shè)定掃描層厚為1.0mm，獲取一系列的連續(xù)斷層圖像，導(dǎo)入Mimics中重建出正常的肱骨三維模型。于解剖頸下方制造10mm厚度的骨折缺損模擬內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折，經(jīng)Geomagic Studio軟件優(yōu)化處理后，導(dǎo)入Abaqus中，依據(jù)正常骨質(zhì)與骨質(zhì)疏松條件下骨的彈性模量不同，對皮質(zhì)

16、骨與松質(zhì)骨的彈性模量分別賦值，模擬正常骨質(zhì)組與骨質(zhì)疏松組。再將將外側(cè)鎖定鋼板(LLP)及螺釘?shù)娜S模型按標準手術(shù)方式分別裝配于模型中。經(jīng)網(wǎng)格化、處理接觸等處理后，建立外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定后的三維有限元模型。對模型施加軸向壓縮及水平旋轉(zhuǎn)載荷來模擬肩關(guān)節(jié)的外展、內(nèi)收、前屈、后伸、軸向壓縮、內(nèi)旋與外旋7種運動。選取骨折間隙遠端內(nèi)側(cè)(a)前方(b)外側(cè)(c)后方(d)四點測量位移變化。通過骨折間隙的位移來評估固定后骨折區(qū)域的穩(wěn)定性。通過模

17、擬試驗中測得剛度(stifness)數(shù)值評估外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定后整體構(gòu)造的穩(wěn)定性。測量不同肩關(guān)節(jié)運動及載荷條件下，內(nèi)植入物的馮米斯應(yīng)力分布(von Mises stressdistribution)及外側(cè)鎖定鋼板(LLP)上的最大應(yīng)力值。
　　結(jié)果:
　　應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)定的肱骨近端骨折，正常骨質(zhì)組的整體構(gòu)造強度在軸向壓縮及旋轉(zhuǎn)載荷下均高于骨質(zhì)疏松組，在旋轉(zhuǎn)載荷下尤為明顯。而外側(cè)鎖定鋼板(LL

18、P)的最大馮米斯應(yīng)力(von Mises stress)值，在肩關(guān)節(jié)外展、內(nèi)收、前屈、后伸、軸向壓縮、內(nèi)旋及外旋運動時，骨質(zhì)疏松組均高于正常骨質(zhì)組。馮米斯應(yīng)力分布(von Mises stress distribution)，在肩關(guān)節(jié)外展或內(nèi)收時，應(yīng)力集中于外側(cè)鎖定鋼板(LLP)由寬變窄的變形區(qū)域中。在肩關(guān)節(jié)前屈或后伸時，最大應(yīng)力出現(xiàn)于遠近兩端的鎖定螺釘上。在軸向壓縮載荷下，最大應(yīng)力出現(xiàn)于外側(cè)鎖定鋼板(LLP)由寬變窄的變形區(qū)域以及遠近

19、兩端的鎖定螺釘上。在肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋或外旋時，外側(cè)鎖定鋼板(LLP)應(yīng)力是最小的。在前屈、后伸、軸向壓縮3種條件下，骨質(zhì)疏松組在a、b、c、d四點測得的位移量均大于正常骨質(zhì)組。整體上，骨質(zhì)疏松組，應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定后，骨折的穩(wěn)定性較正常骨質(zhì)組降低。
　　結(jié)論:
　　利用肩關(guān)節(jié)CT平掃重建肱骨近端三維模型，成功建立外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定的三維有限元分析模型，分析測試不同載荷條件下的生物力學(xué)特性，分析結(jié)果顯示:應(yīng)用外側(cè)

20、鎖定鋼板(LLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)定的肱骨近端骨折時，內(nèi)側(cè)柱支撐僅靠LLP及螺釘間接提供，外側(cè)鎖定鋼板(LLP)存在應(yīng)力集中的風(fēng)險。結(jié)果與臨床觀察的表象相符合，模型的有效性得到了驗證。進一步的研究中我們將對內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定伴有內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折進行有限元分析，兩者結(jié)果進行比較分析。
　　第三部分:內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板固定肱骨近端骨折的三維有限元分析
　　目的:
　　通過對正常骨質(zhì)及骨質(zhì)疏松條件下內(nèi)側(cè)柱

21、不穩(wěn)的肱骨近端骨折應(yīng)用內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定后，對模型在不同肩關(guān)節(jié)功能及載荷條件下的生物力學(xué)特性進行有限元分析，分析結(jié)果與單應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定時的有限元分析結(jié)果進行比較及評價。
　　方法:
　　在應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折的三維有限元分析的實驗基礎(chǔ)上，在Abaqus中，將內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)及螺釘三維模型按標準及我們推薦的手術(shù)方式裝配到模型中，再經(jīng)賦值、網(wǎng)格化、處

22、理接觸等處理后，分別建立正常骨質(zhì)內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定，骨質(zhì)疏松內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)2組模型。在模擬肩關(guān)節(jié)外展、內(nèi)收、前屈、后伸、軸向壓縮、內(nèi)旋與外旋7種運動時，分別對各組模型施加軸向壓縮及水平旋轉(zhuǎn)載荷進行測試，具體測試方法同僅應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定時三維有限元分析中所應(yīng)用的方法。測量剛度值評估固定后整體構(gòu)造的穩(wěn)定性，不同功能及載荷條件下，測量骨折間隙的位移量來評估骨折區(qū)域的穩(wěn)定性，記錄內(nèi)植入物的馮米斯應(yīng)力

23、分布(von Mises stress distribution)及外側(cè)鎖定鋼板(LLP)最大應(yīng)力值。
　　結(jié)果:
　　分析獲取并記錄正常骨質(zhì)及骨質(zhì)疏松時應(yīng)用內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定模型在不同載荷下:整體構(gòu)造的剛度(stiffness);內(nèi)植入物的馮米斯應(yīng)力分布(von Mises stress distribution)及外側(cè)鎖定鋼板(LLP)上的最大應(yīng)力值;a、b、c、d四點的骨折位移量。
　　內(nèi)外側(cè)雙鎖

24、定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折后所測得剛度值，無論是在軸向載荷還是在旋轉(zhuǎn)載荷下，正常骨質(zhì)組均明顯高于骨質(zhì)疏松組。無論是在正常骨質(zhì)還是骨質(zhì)疏松組:內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折后整體構(gòu)造的剛度均大于僅用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定，尤其是在旋轉(zhuǎn)載荷下，內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定后整體構(gòu)造的剛度明顯高于外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定。即內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折

25、后整體構(gòu)造的穩(wěn)定性更好。對比僅用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定，內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折在不同載荷條件下測得外側(cè)鎖定鋼板(LLP)的最大馮米斯應(yīng)力(von Mises stress)減少50％以上。骨質(zhì)疏松組中應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定較內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折時外側(cè)鎖定鋼板(LLP)的最大馮米斯應(yīng)力(vonMises stress)明顯增加?？傮w上，內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(

26、L-MLP)固定時較僅外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定時的骨折位移量明顯縮小。但是，骨質(zhì)疏松組在外展及內(nèi)收運動中，應(yīng)用內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折時，b，c，d，三處測得的位移量卻增大。骨質(zhì)疏松組，無論應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定還是應(yīng)用內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定，骨折的穩(wěn)定性均較正常骨質(zhì)組降低。
　　結(jié)論:
　　在正常骨質(zhì)及骨質(zhì)疏松情況下，內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨

27、近端骨折均能通過內(nèi)外側(cè)的雙重支撐減少了外側(cè)鎖定鋼板(LLP)的應(yīng)力及骨折區(qū)域的微動。與此相反，僅應(yīng)用外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定時因缺乏對肱骨近端內(nèi)側(cè)柱的直接支撐而致外側(cè)鎖定鋼板(LLP)應(yīng)力增加，長期應(yīng)力增加易導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。在骨質(zhì)疏松組，外側(cè)鎖定鋼板(LLP)固定較內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定更容易導(dǎo)致手術(shù)固定的失敗。
　　應(yīng)用內(nèi)外側(cè)雙鎖定鋼板(L-MLP)固定內(nèi)側(cè)柱不穩(wěn)的肱骨近端骨折可對肱骨近端內(nèi)側(cè)柱提供更直接充分地支撐