鎖骨骨折不同固定方式生物力學(xué)特性的有限元分析.pdf

1、背景：鎖骨骨折是臨床上較常見的骨折，主要是由創(chuàng)傷引起，好發(fā)于年輕男性。結(jié)合病史、查體及X線或CT檢查一般可明確診斷。鎖骨骨折約占成年人骨折的2％～5％，占兒童骨折的10％～15％。在青少年及成年人中的發(fā)病率約為29～64/10萬，低于30歲的年輕男性和大于70歲的老年人為鎖骨骨折的兩個高發(fā)人群。鎖骨骨折好發(fā)于鎖骨干中段，相比鎖骨內(nèi)、外段更易發(fā)生移位。鎖骨中段骨折通常是指喙鎖韌帶內(nèi)側(cè)界和肋鎖韌帶外側(cè)界之間的骨折，其好發(fā)的原因可能與下列因素

2、有關(guān)：首先從解剖外觀來看，無論是在彎曲還是在橫切面解剖上，鎖骨的中1/3段都是處于過渡區(qū)，也使其成為力學(xué)上的薄弱部位；鎖骨的中1/3段比較薄、比較窄;而且是整個鎖骨唯一沒有被韌帶或肌肉附著所支持的部位。鎖骨骨折的治療方法較多，有非手術(shù)治療和手術(shù)治療兩大塊，各自又包含多種治療手段，既往相關(guān)文獻也報道較多，但至今尚無結(jié)論性的數(shù)據(jù)說明各種方法的孰優(yōu)孰劣。隨著近年來各種內(nèi)固定材料的更新及設(shè)計的改進和完善，越來越多的鎖骨骨折采用手術(shù)治療，尤其是內(nèi)

3、固定手術(shù)。內(nèi)固定手術(shù)方式主要有髓內(nèi)固定系統(tǒng)和鋼板螺釘系統(tǒng)，前者包括Knowles針、Herbert釘、彈性髓內(nèi)釘?shù)?但后者仍然是手術(shù)治療鎖骨骨折的金標(biāo)準(zhǔn)。鋼板固定不僅具有張力帶效果、還固定可靠、可抗旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性好，而且無髓內(nèi)固定針向內(nèi)側(cè)遷移損傷鄰近重要組織的風(fēng)險。但鋼板固定也存在骨折斷端骨膜剝離范圍大，破壞血運和應(yīng)力遮擋，應(yīng)用不當(dāng)時可能出現(xiàn)鋼板斷裂骨不連或鋼板取出后再骨折等問題。重建鋼板因其較好的韌性、可根據(jù)骨骼的形狀進行多軸向的折彎，

4、臨床上較多的應(yīng)用于鎖骨中段骨折的治療。鋼板放置于鎖骨上方的手術(shù)操作相對簡單方便，但有學(xué)者認(rèn)為重建鋼板前置具有更容易塑形、緊貼骨面，螺釘自前向后置入，可降低鎖骨下神經(jīng)血管及胸膜損傷的風(fēng)險，手術(shù)操作相對更安全等優(yōu)點。對于鋼板放置的位置哪個更好？尚無統(tǒng)一觀點。對于一些老年骨質(zhì)疏松性鎖骨骨折或者嚴(yán)重粉碎的骨折，鎖定鋼板可以發(fā)揮其更穩(wěn)定固定的優(yōu)勢。對于鎖骨骨折的切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)，大多數(shù)術(shù)者是采用鋼板放置于鎖骨上方的手術(shù)入路，但鎖骨下方有臂叢神經(jīng)

5、分支和鎖骨下動靜脈走行，如術(shù)中操作不當(dāng)往往可引起這些血管神經(jīng)的損傷，術(shù)后出現(xiàn)相應(yīng)的并發(fā)癥可能。為了減少術(shù)中置釘對其損傷的風(fēng)險，能否使用鎖定鋼板單皮質(zhì)進行固定？另外，對于開放性的鎖骨骨折或者慢性骨髓炎及骨不連的病例，外固定手術(shù)治療也是其備選方案之一。但傳統(tǒng)的外固定支架往往存在輪廓較大，外觀構(gòu)造上有尖銳的邊緣影響穿衣，甚至對患者和醫(yī)護人員造成傷害，患者主觀滿意度也不高。有臨床研究發(fā)現(xiàn)，鎖定加壓鋼板因其置釘時的角度穩(wěn)定性，可采用外置技術(shù)替代傳

6、統(tǒng)的外固定支架應(yīng)用于脛骨多段骨折、開放性骨折的治療，臨床效果較好。鎖定加壓鋼板外置能否應(yīng)用于鎖骨開放性骨折或者骨不連的治療呢？有待證實。近年來隨著計算機圖像處理，數(shù)字化技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，三維仿真技術(shù)和有限元分析方法也越來越多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，這也極大的促進了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。尤其像骨科生物力學(xué)的研究，往常多局限于尸體標(biāo)本的生物力學(xué)實驗分析，而三維仿真有限元的出現(xiàn)為生物力學(xué)的研究提供了新方法和新手段，這也讓我們對以往的實驗結(jié)果提出了

7、新的看法。常見的內(nèi)固定器械、康復(fù)器材等醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計都是以骨骼的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)進行的，而有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，為更加精確快速的進行人體骨骼三維仿真模擬和數(shù)據(jù)分析計算、科學(xué)設(shè)計醫(yī)療器械等提供了有力的工具。本研究就針對上述臨床問題，結(jié)合三維有限元分析方法，從力學(xué)角度出發(fā)對重建鋼板治療鎖骨中段骨折不同放置位置、鎖定鋼板內(nèi)固定不同皮質(zhì)層數(shù)鎖定，鎖定鋼板替代傳統(tǒng)外固定支架治療鎖骨開放骨折或骨不連的力學(xué)特性進行相關(guān)分析，并探討其臨床生物力學(xué)意義。

8、
　　 目的：⑴構(gòu)建鎖骨三維有限元模型；⑵通過三維有限元法對重建鋼板前置和上置固定鎖骨中段斜行骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性進行比較；⑶對鎖定鋼板雙層皮質(zhì)鎖定、單層皮質(zhì)鎖定，普通重建鋼板雙皮質(zhì)固定三種方式固定鎖骨骨折的生物力學(xué)特性進行有限元分析，為臨床應(yīng)用提供理論參考；⑷從生物力學(xué)的角度探討鎖定加壓鋼板能否替代外圍定架用于鎖骨慢性骨髓炎和鎖骨骨不連的治療。
　　 方法：①利用鎖骨的二維連續(xù)斷層CT數(shù)據(jù)，通過Mimics10.0軟件

9、，Solidworks2010軟件以及有限元分析軟件ANSYS13.0構(gòu)建鎖骨的三維有限元模型，并分析單純鎖骨的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。并根據(jù)以往文獻報道結(jié)果和臨床觀察現(xiàn)象對模型進行有效性驗證。②對6名健康成年志愿者的鎖骨進行螺旋CT掃描，并通過相關(guān)建模軟件構(gòu)建鎖骨中段斜行骨折分別予以重建鋼板前置位固定和上置位固定的三維有限元模型兩組，相同的加載和約束條件下模擬肩峰撞擊、肩關(guān)節(jié)順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)活動以及遭受直接暴力打擊四種工況，評價各種工況

10、下鋼板不同放置位置的最大等效應(yīng)力、骨折塊的最大綜合位移。③通過Solidworks2010軟件裝配分別予以鎖定鋼板雙皮質(zhì)固定和單皮質(zhì)固定以及普通重建鋼板雙皮質(zhì)固定鎖骨中段骨折的三維有限元模型，模擬軸向壓縮、順時針扭轉(zhuǎn)、逆時針扭轉(zhuǎn)和三點彎曲四種工況，評價三種不同固定方式的最大等效應(yīng)力、骨折塊的最大綜合位移。④在前述模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建鎖骨中段骨折術(shù)后骨不連予以鎖定加壓鋼板外置固定和傳統(tǒng)外固定支架固定的有限元模型。相同的加載和約束條件下模擬軸

11、向壓縮、順時針扭轉(zhuǎn)、逆時針扭轉(zhuǎn)三種工況，評價兩種外固定方式的最大等效應(yīng)力、骨折塊的最大綜合位移。
　　 結(jié)果：⑴我們構(gòu)建的鎖骨三維有限元模型經(jīng)過與傳統(tǒng)生物力學(xué)實驗結(jié)果及臨床觀察現(xiàn)象相比較，證實是有效的、合理的。⑵壓縮工況下前置位和上置位各評價指標(biāo)無統(tǒng)計學(xué)差異;⑶在順時針扭轉(zhuǎn)和彎曲時，前置位內(nèi)固定裝置的最大應(yīng)力明顯大于上置位，但骨折塊的最大綜合位移差別不大;在逆時針扭轉(zhuǎn)工況下，上置位固定的各個指標(biāo)數(shù)值和前置位無明顯差異。(3)彎曲

12、工況下兩種固定的位移情況無明顯差異，但前置位固定的內(nèi)固定應(yīng)力和骨折斷端的應(yīng)力均大于上置位固定，應(yīng)力集中效應(yīng)更明顯。⑷四種載荷下，三種固定方式都可出現(xiàn)一定的內(nèi)固定應(yīng)力集中，但四種工況下單層皮質(zhì)固定的最大應(yīng)力均明顯高于其他兩種方式;⑸位移情況:壓縮工況二者無差別;扭轉(zhuǎn)工況下，單層皮質(zhì)固定的位移大于雙皮質(zhì)固定;彎曲試驗中雙層皮質(zhì)固定大于單皮質(zhì)鎖定。⑹壓縮工況:鋼板螺釘外固定的最大應(yīng)力出現(xiàn)在外側(cè)最遠(yuǎn)端螺釘;傳統(tǒng)外固定支架固定的最大應(yīng)力出現(xiàn)于外側(cè)

13、第1個鋼針;不管是骨折塊的最大綜合位移還是外固定裝置的最大等效應(yīng)力，統(tǒng)計學(xué)分析二者均無明顯差異。⑺肩關(guān)節(jié)順時針扭轉(zhuǎn)工況和逆時針旋轉(zhuǎn)工況:鎖定加壓鋼板外固定和傳統(tǒng)外固定支架均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力主要是集中于外固定鋼板和鋼針上，但應(yīng)力的大小和最大等效位移情況無明顯差異。
　　 結(jié)論：①本實驗成功地構(gòu)建了一個能真實反應(yīng)鎖骨幾何外形又可模擬鎖骨生物力學(xué)特性的三維有限元模型，較傳統(tǒng)的實驗力學(xué)方法具有可重復(fù)使用的優(yōu)點。②對于重建鋼板固

14、定鎖骨中段斜行骨折，前置位固定比上置位更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，提示上置位固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于前置位。③應(yīng)用鎖定鋼板固定鎖骨中段骨折時，單層皮質(zhì)鎖定比雙層皮質(zhì)鎖定和普通重建鋼板雙皮質(zhì)固定更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，提示在臨床應(yīng)用并且條件允許時應(yīng)該雙層皮質(zhì)固定。④本研究采用三維有限元方法分析了鎖定加壓鋼板外置技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)外固定支架治療鎖骨骨折的生物力學(xué)特性，經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析得知兩者固定的應(yīng)力分布情況無明顯差異，而鎖定加壓鋼板外置相比傳統(tǒng)的外固定支架具有