肱骨近端骨折中不同腓骨支撑方式重建内侧柱的有限元分析

摘    要：

背景：腓骨支撑重建肱骨近端骨折内侧柱已逐渐在临床中广泛应用，而腓骨在髓腔内最佳支撑位点仍存在争议，需要通过生物力学的方法研究其稳定性。目的：采用有限元分析方法，探讨腓骨在肱骨髓腔中心、前内侧、前外侧、后内侧、后外侧5个位置联合锁定钢板治疗肱骨近端内侧柱缺失型骨折的生物力学稳定性。方法：获取1名老年骨质疏松女性患者肱骨近端CT数据，通过Mimics 19.0软件及Geomagic Wrap软件建模，在Soildworks 2017软件中按照肱骨解剖颈下5 mm截骨，建立肱骨近端内侧柱缺失型骨折模型，根据腓骨在髓腔内的位置分为5组：F-C组(腓骨位于髓腔中心)、F-AL组(腓骨位于髓腔前外侧)、F-AM组(腓骨位于髓腔前内侧)、F-PL组(腓骨位于髓腔后外侧)、F-PM组(腓骨位于髓腔后内侧)，将数据导入Ansys 2019软件模拟间接暴力状态下不同分组模型的生物力学稳定性。结果与结论：(1)在600 N轴向载荷下，肱骨应力：F-PL组(49.706 MPa)<F-C组(57.980 MPa)<F-AL组(58.519 MPa)<F-PM组(61.868 MPa)<F-AM组(63.886 MPa)，内固定应力：F-AM组(106.310 MPa)<F-PM组(110.030 MPa)<F-C组(111.940 MPa)<F-PL组(114.320 MPa)<F-AL组(122.98 MPa)；(2)在600 N轴向载荷下，肱骨位移：F-PM组(0.352 mm)<F-PL组(0.416 mm)<F-C组(0.431 mm)<F-AM组(0.549 mm)<F-AL组(0.574 mm)，内固定位移：F-PM组(0.127 mm)<F-PL组(0.187 mm)<F-C组(0.191 mm)<F-AM组(0.272 mm)<F-AL组(0.290 mm)；(3)骨折端相对位移：F-PM组(0.048 mm)约是F-PL组(0.088 mm)、F-AM组(0.088 mm)的0.54倍，F-C组、F-AL组分别为0.067,0.103 mm；(4)研究结果表明，F-PM组位移最小，应力较分散，说明将腓骨置于后内侧的生物力学稳定性优于腓骨置于髓腔中心，腓骨置于髓腔外侧的生物力学稳定性最差。

关键词：肱骨近端骨折;肱骨近端内固定系统;植骨;有限元分析;生物力学;

0引言Introduction

肱骨近端骨折常好发于老年骨质疏松患者，老年患者占肱骨近端骨折总发病人数的70%，在成人骨折中发病率为4%-10%。目前，肱骨近端骨折的手术治疗方式多样，其中以锁定钢板在临床中应用最广泛，然而老年骨质疏松患者因肱骨近端内侧柱为松质骨与皮质骨过渡区，骨小梁薄弱，骨折时易导致内侧柱的压缩、丢失，单独应用锁定钢板易出现复位丢失、螺钉切出甚至肱骨头坏死等并发症；其中，肱骨头内翻为复位丢失中最常见、最严重的并发症之一。GARDNER等提出应用锁定钢板联合异体腓骨为内侧柱提供支撑来治疗内侧柱缺失型肱骨近端骨折。近年来，此种方法不断被临床所认可。

目前，利用腓骨支撑重建内侧柱时腓骨在髓腔内的位置仍无统一标准，临床应用时常凭主刀医生的经验放置。GARDNER等曾主张将腓骨推挤固定于肱骨的内侧，使髓腔内的腓骨与肱骨紧密贴服。沈施耘等通过体外生物力学研究认为竖直放置与内侧倾斜放置无显著力学稳定性差异。为探讨腓骨在肱骨髓腔内最佳生物力学位置，该研究应用有限元分析方法，模拟腓骨置于髓腔内不同位置，比较其内固定的生物力学差异，探讨最佳的手术内固定方式。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 设计

三维有限元生物力学分析。

1.2 时间及地点

2020年3-8月在广东省中医院芳村骨科完成。

1.3 对象

选择1名老年女性骨质疏松志愿者为研究对象，65岁，体质量58 kg，身高160 cm，排除肩部外伤、肿瘤、畸形等异常情况，签订知情同意书，且得到广东省中医院伦理委员会批准(BF2020-004-01)。

1.4 实验仪器及相关软件

样本采集设备Light Speed 64排螺旋CT；医学影像处理软件Mimics 19.0(Materialise公司，比利时)；逆向工程软件：Geomagic Wrap(Geomagic，美国)；三维结构优化软件Solidworks 2017(Dassault Systems，美国)；力学分析软件ANSYS Workbench 2019(ANSYS公司，美国)。

1.5 方法

1.5.1 数据获取及模型建立

CT扫描志愿者右肩关节获取肱骨影像学资料，以DICOM格式进行保存。将数据导入Mimics 19.0软件，经阈值分割，骨皮质灰度值范围为450-3 000 Hu，骨松质灰度值范围为150-450 Hu，获取肱骨皮质骨大致轮廓，复 制并得到一份实心肱骨蒙版，利用“逻辑非”功能得到实心肱骨、髓腔模型。得到的模型导入Geomagic Wrap软件中，行表面光滑、划分网格、探测轮廓线及拟合曲面等处理后导入Soildworks 2017软件，进行装配组合得到肱骨中空模型，并在肱骨外科颈处模拟宽度为5 mm的骨质缺损肱骨近端骨折模型。骨折近端模拟实心松质骨结构，利用删除面功能、填充、组合得到近端松质骨区域模型。见图1A。

1.5.2 内固定系统建模

将模型以stp格式导入Solidworks软件中，同时按照肱骨近端锁定钢板(PHILOS)(美国De Puy Synthes公司)1∶1建立钢板及锁定钉模型，螺钉省略螺纹以简化计算过程；腓骨按照临床常用同种异体腓骨规格建立长60 mm、直径9 mm实心圆柱体。将上述肱骨及钢板模型按照肱骨近端骨折治疗原则进行组合，钢板放置于肱骨外侧，上端距大结节顶点5 mm，内侧距结节间沟外侧5 mm，装配组合螺钉，将远、近端所有螺钉全部置入模型，近端9枚锁定螺钉均打入肱骨头，但不能穿破肱骨头关节面。见图1B。

1.5.3模型分组

将腓骨模型置入肱骨髓腔，腓骨最远端位于髓腔最狭窄处，腓骨近端在肱骨小结节平面。在肱骨小结节横断面，以髓腔中心为原点，肱骨冠状面和矢状面将肱骨髓腔划分为四象限。根据腓骨在髓腔内的位置，将小结节横断面的髓腔平面分为5个区域，即四象限与原点。以冠状面和矢状面为参考面设定两互相垂直基准面，调整腓骨近端的位置在两基准面四象限的夹角内，分别对4个象限的腓骨进行微调整。利用Solidworks软件上的“干涉”功能，允许腓骨与肱骨内侧壁相交，避免其与内侧壁重合。比较4个位置腓骨与髓腔中轴线最小夹角，此夹角位置即为腓骨在4个区域中的位置；原点位置的腓骨则与肱骨中轴线重合。根据腓骨在髓腔内的位置分为5组：F-C组(腓骨位于髓腔中心)、F-AL组(腓骨位于髓腔前外侧)、F-AM组(腓骨位于髓腔前内侧)、F-PL组(腓骨位于髓腔后外侧)、F-PM组(腓骨位于髓腔后内侧)。见图1C,

1.5.4 材料属性设置及网格划分

将上述5种肱骨近端骨折固定模型导入有限元处理软件Ansys 2019中。首先对骨折固定模型中各材料进行赋值，肱骨近端骨折多见于骨质疏松患者，骨质疏松人群发病率是无骨质疏松人群的2.6倍，该研究纳入的是骨质疏松老年志愿者，根据相关有限元研究改变骨组织弹性模量的方式建立骨质疏松性骨模型使之与临床更加接近，各材料弹性模量及泊松比见表1。肱骨、钢板、螺钉及腓骨均采用10节点4面体单元(C3D4)，不同模型节点及单元见表2。

1.5.5 约束条件及载荷

在Ansys 2019中定义肱骨模型与钢板及腓骨模型间的相互作用关系，锁定螺钉被设定为固定在锁定钢板和肱骨皮质中，部分螺钉与腓骨接触，若螺钉埋入腓骨超过50%则设定为绑定，少于50%设定为摩擦，摩擦系数为0.2；腓骨与肱骨近端松质骨接触条件设为摩擦，摩擦系数为0.2，余所有接触均设定为绑定；所有的联系元素都被定义为可变形的元素。在软件的载荷模块，对肱骨上端盂肱关节处行约束设置，并限制肱骨在轴向、冠状及矢状面3个方向的位移。根据何仿模拟人摔倒时肱骨受到的间接暴力确定加载点，模拟体质量为60 kg的成人经肱骨大结节施加50 N水平载荷，同时在肱骨远端加载600 N轴向载荷，见图2。

1.6 主要观察指标

观察5组内固定模型在加约束条件及载荷后肱骨及内固定的Von Mises应力分布和最大位移，其中骨折端相对位移可直接反映内固定的稳定性，为主要结局指标，肱骨应力为次要结局指标。分别评价5种内固定方式固定的力学稳定性。

2 结果Results

2.1 不同内固定应力分布情况

600 N轴向载荷下，5种固定方式的肱骨模型应力云图分布情况无明显差异：F-PL组(49.706 MPa)<F-C组(57.980 MPa)<F-AL组(58.519 MPa)<F-PM组(61.868 MPa)<F-AM组(63.886 MPa),5组内固定模型肱骨最大等效应力均出现在骨折端外侧皮质连续处，观察5组云图应力分布情况，组间未见明显分布差异，肱骨最大应力为F-AM组，最小应力为F-PL组，见图3。

5种内固定最大等效应力及应力云图分布情况：F-AM组(106.310 MPa)<F-PM组(110.030 MPa)<F-C组(111.940 MPa)<F-PL组(114.320 MPa)<F-AL组(122.980 MPa)。F-C组内固定应力主要集中于近折端腓骨与螺钉固定处，余4组应力主要集中于远折端腓骨与螺钉固定处，应力最小为F-AM组，最大为F-AL组，见图4。

2.2 不同内固定位移分布情况

观察5种固定方式下肱骨位移云图结果，见图5。5组模型中，肱骨位移：F-PM组(0.352 mm)<F-PL组(0.416 mm)<F-C组(0.431 mm)<F-AM组(0.549 mm)<F-AL组(0.574 mm)。F-PM组肱骨位移最小，其肱骨位移为0.352 mm,F-AL组肱骨位移最大，其位移为0.574 mm;5组模型的肱骨位移量均由肱骨近端向远端逐渐递增，最大位移出现在骨折远端。

不同内固定模型应力分布云图：F-PM组(0.127 mm)<F-PL组(0.187 mm)<F-C组(0.191 mm)<F-AM组(0.272 mm)<F-AL组(0.290 mm)。F-PM组位移最小，其位移为0.127 mm,F-AL组位移最大，其位移为0.290 mm;5组内固定的位移均由近端向远端逐渐增加，通过位移云图分布可见F-C、F-PL、F-PM组钢板位移量较分散；F-AL、F-AM组位移量则主要集中于钢板远端，表明F-AL、F-AM组较容易产生屈服变形，见图6。

2.3 不同内固定肱骨骨折端相对位移情况

肱骨骨折端相对位移即为骨折远折端与近折端截面骨位移之差，通过比较骨折端相对位移可反映骨折端稳定性。不同内固定模型应力及位移情况见表3。通过计算及比较：F-PM组(0.048 mm)<F-C组(0.067 mm)<F-AM组(0.088 mm)=F-PL组(0.088 mm)<F-AL组(0.103 mm)，其中F-PM组(0.048 mm)约是F-PL组(0.088 mm)、F-AM组(0.088 mm)的0.54倍，F-PM组相对位移最小，F-AL组相对位移最大。

3 讨论Discussion

肱骨近端骨折多为老年骨质疏松骨折，多为粉碎性骨折，当内侧皮质断裂同时合并肱骨头骨量丢失，则内固定失败的风险将显著增加。临床中常用的锁定钢板为PHILOS肱骨近端锁定内固定系统，其近端螺钉分布兼顾内聚和外展，具有良好的角稳定性，对骨质疏松的肱骨头有较好的把持力。但锁定钢板常置于肱骨外侧，无法兼顾内侧的力学稳定性；因此当内侧骨质粉碎，良好的内侧柱重建可减少肱骨近端内固定失效的发生。

同种异体腓骨髓内支撑已成为临床应用最成熟、最广泛的内侧柱重建方式，其腓骨放置于髓腔内，属结构性增强固定物，可实现对肱骨内侧柱的直接支撑和重建。GARDNER等利用螺钉的滑移挤压将同种异体腓骨推向髓腔内侧，以复位内侧皮质和重建力学稳定性。JANG等在体外生物力学实验中证实同种异体腓骨可提高锁定钢板最大失效载荷。然而，随着大量的临床研究报道，PANCHAL等利用锁定钢板联合同种异体腓骨髓内支撑治疗36例老年肱骨近端骨折，术后13.89%患者颈干角恢复欠佳，2例肱骨头内翻畸形。CUI等将腓骨置于肱骨髓腔中心治疗25例老年肱骨近端骨折，术后1例螺钉切出、2例肱骨头缺血性坏死。CHEN等对同种异体腓骨头进行修剪，获得解剖型髓内腓骨支撑，术后7例患者临床疗效满意。

此次研究将腓骨置于髓腔中心、前内、前外、后内、后外5个不同位置，通过有限元分析其不同生物力学特点。在相同骨折模型及同等加载条件下，若肱骨及内固定最大应力越小，则内固定模型受力越分散。同时，肱骨与内固定的最大应力由于应力遮挡原因常不能反映其真实力学特性，而骨折端相对位移直接反映了肱骨的稳定性，故设置其为主要观察指标，肱骨应力为次要观察指标。5组内固定模型中，F-PM组的骨折端相对位移最小，且其肱骨及内固定应力分布云图较分散，故而认为内固生物力学稳定性最优为F-PM组。同理分析，其次为F-C组、F-AM组，生物力学稳定性最差为F-PL组、F-AL组。作者认为腓骨置于髓腔后内侧的内固定模型在内侧柱缺失型肱骨近端骨折中应力最优，其次可将腓骨置于髓腔中心。另外，在相同的加载条件下，腓骨在髓腔不同位置固定的最大应力均远小于内固定屈服强度，说明5种内固定方式均可保证骨折早期的稳定性。

通过此次研究，作者认为内侧柱缺失型肱骨近端骨折因内侧柱缺乏支撑，腓骨置于后内侧、前内侧所形成的力臂最小，与锁定钢板形成斜“三角固定”，生物力学稳定性最佳。而腓骨置于髓腔中心，在一定程度上达到髓腔压配稳定的效果，同时腓骨与肱骨头紧密接触，使肱骨头和腓骨条成为一个整体，可形成较好的支撑作用。腓骨置于髓腔前内侧虽同样存在斜“三角固定”，但其支撑点偏向肱骨小结节，小结节因其相对体积偏小，应力面积会相对集中，其力学稳定性稍差于将腓骨置于髓腔内侧，而将腓骨置于髓腔外侧其力臂最短，生物力学稳定性最差。

该研究基于有限元分析，研究过程中使用肱骨近端间接暴力骨折简化模型，忽略了周围肌肉及韧带对骨折稳定性的影响，肩关节为人体最大活动关节，未能实现多个方向的加载以及扭转实验，分析结果与实际情况存在一定偏差，因此常需结合体外生物力学实验进行验证。沈施耘等纳入6例尸体标本行生物力学研究，结果提示倾斜放置与垂直放置腓骨无明显差异，而PANCHAL等、CUI等的临床研究均出现内固定失效的并发症，其临床研究也未按腓骨在髓腔的位置分组。故而小样本的体外生物力学实验并不具有广泛的代表意义，需进一步按髓腔位置分组进行下一步临床研究或大样本量的体外生物力学研究。

综上所述，该研究通过有限元分析在内侧柱缺失型肱骨近端骨折后将腓骨置入髓腔中心、前内、前外、后内、后外5个不同位置重建内侧柱的力学稳定性。有限元分析提示，将腓骨置于后内侧是最优的内固定方式，其次为髓腔中心。而在临床应用中，受到患者髓腔大小、异体腓骨形状大小、骨折类型等限制常无法按理想化的位置放置腓骨，具体应用时可视术中具体情况，择优选择合适的腓骨置入方案。

作者贡献：第一作者负责实验设计、实施、分析、文章撰写，第二作者(通讯作者)负责实验设计、评估、校审，第三作者负责实验设计、评估，第四作者负责资料收集、实验分析，第五、第六作者负责数据处理、实验分析。

利益冲突：文章的全部作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。

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参考文献：[1]刘炎,葛鸿庆,陈文治等.肱骨近端骨折中不同腓骨支撑方式重建内侧柱的有限元分析[J].中国组织工程研究,2023,27(18):2804-2808.

来源：人体模拟及其器械仿真解决方案