喙锁韧带不同重建方法治疗肩锁关节脱位的有限元分析

摘    要：

目的：建立喙锁韧带单束重建、双束解剖重建及双束完全解剖重建有限元模型，比较其位移及受力情况，为喙锁韧带完全解剖重建临床应用提供理论依据。方法：选取1位志愿者，年龄27岁，身高178 cm，体重75 kg，行肩关节CT扫描，运用Mimics17.0、Geomagic studio 2012、UG NX 10.0、Hypermesh14.0、Abaqus 6.14软件建立喙锁韧带单束重建、双束解剖重建及双束完全解剖重建三维有限元模型，各模型分别向前载荷、向后载荷及向上载荷的载荷，记录并比较在主要受力方向上锁骨远端中点的最大位移以及不同载荷情况下重建装置的最大等效应力。结果：施加向前载荷、向后载荷，双束完全解剖重建锁骨远端中点的向前最大位移及向后最大位移最低，分别为7.76 mm和7.27 mm；施加向上载荷，双束解剖重建锁骨远端中点向上最大位移最低，为5.12 mm；施加向前、向后及向上3种不同载荷，双束重建的重建装置最大等效应力均低于单束重建；双束完全解剖重建斜方韧带重建装置最大等效应力较双束解剖重建低，为73.29 MPa，但锥状韧带重建装置的最大等效应力高于双束解剖重建。结论：喙锁韧带双束完全解剖重建能够提高肩锁关节的水平稳定性，降低斜方韧带重建装置的应力，可作为治疗肩锁关节脱位的较好方法。

关键词：肩锁关节脱位;韧带;完全解剖重建;有限元分析;

肩锁关节脱位是肩关节损伤中的常见损伤之一，约占整个肩部损伤的9%[1]。高分型的肩锁关节损伤（RockwoodⅣ-Ⅵ）常伴随肩锁关节囊韧带、喙锁韧带及三角肌筋膜的断裂，通常需要手术治疗[2,3]。喙锁韧带重建是目前治疗肩锁关节脱位的最常用的技术。采用骨隧道重建的方法主要分为单束重建和双束重建两大类。文献[2,4]报道无论是单束重建还是双束重建，虽然是解剖的重建技术，仍存在较高的并发症。大多数重建技术没有将斜方韧带和锥状韧带独立重建或没有完全解剖重建，并且常规的锁骨、喙突钻孔技术也很难与斜方韧带及锥状韧带的解剖位置一致[5]。完全解剖重建喙锁韧带是指根据斜方韧带及锥状韧带止点的足印区中心分别建立锁骨及喙突隧道，重建装置通过骨隧道固定于锁骨及喙突，该方法已初步应用于临床[6]。但目前这种完全解剖重建喙锁韧带技术尚无生物力学方面的评估。

近年来，有限元法广泛应用于骨与关节的生物力学研究[7,8,9]。本试验用有限元法分析喙锁韧带单束重建、喙锁韧带双束解剖重建及喙锁韧带双束完全解剖重建3种重建方式治疗肩锁关节脱位的生物力学影响，为完全解剖重建喙锁韧带治疗肩锁关节脱位提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取一健康男性志愿者为研究对象，年龄27岁，身高178 cm，体重75 kg，无肩关节外伤史，肩关节X线检查排查肩关节疾患。用GE Light Speed 16排螺旋CT对患者右侧肩关节进行薄层CT扫描，扫描层厚0.625 mm。扫描后的横断面的连续CT原始数据，以DICOM格式保存并输出。

1.2 研究方法

1.2.1 锁骨肩胛骨三维实体模型的建立

将肩关节DICOM格式数据导入Mimics17.0软件，通过设置皮质骨阈值、区域增长、编辑蒙灶以及布尔运算等功能，建立锁骨、肩胛骨及松质骨表面模型，以stl格式存储并导入Geomagic studio 2012软件，经简化多边形、删除钉状物、松弛、填充孔、拟合成NURBS曲面等处理，曲面以．igs格式输出并保存。将NURBS曲面模型导入UG NX 10.0，分别将锁骨、肩胛骨以及松质骨表面片体缝合成为实体。在此生成的锁骨及肩胛骨实体，需与各自对应的松质骨模型布尔运算，生成真正的锁骨皮质骨及肩胛骨皮质骨，为便于有限元模型间的相互作用关系的处理，此步骤在有限元前处理软件Hypermesh14.0中操作。

1.2.2 喙锁韧带不同重建方法的三维实体模型的建立

单束重建（single-bundle reconstruction,SB):参考STRUHL等[10]采用的喙锁韧带单束重建的方法，从锁骨上表面向喙突钻孔，锁骨上进针点为距离锁骨远端中点35 mm、锁骨前后缘的中点，指向喙突基底部正中，方向略前倾。双束解剖重建（doublebundle anatomic reconstruction,DBar）：参考WALZ等[11]采用的喙锁韧带双束解剖重建的方法，在锁骨上表面斜方韧带隧道入口位于距离锁骨远端中点25 mm处，锥状韧带隧道入口位于距离锁骨远端中点45 mm处，锥状韧带喙突隧道位置距离位于喙突后内方，距离喙突内缘5 mm，斜方韧带隧道位置位于锥状韧带隧道前方10 mm处，喙突外缘内侧5 mm，锥状韧带喙突隧道与斜方韧带喙突隧道之间的骨桥至少10 mm。双束完全解剖重建（doublebundle truly anatomic reconstruction,DBtar）：参考XUE等[6]采用的喙锁韧带双束完全解剖重建的方法，首先根据文献[12]确定斜方韧带及锥状韧带分别在锁骨及喙突止点足印区中心，斜方韧带及锥状韧带分别在锁骨止点足印区中心在锁骨上表面的投影点为锁骨隧道入口，斜方韧带及锥状韧带分别在锁骨止点足印区中心为锁骨隧道出口。斜方韧带及锥状韧带在喙突止点足印区中心分别为喙突隧道入口，本试验将喙突隧道出口定义为在喙突根部喙突下表面内外缘中点，斜方韧带隧道在喙突韧带隧道的前外方，两隧道间的骨桥至少10 mm。3种重建方法在UG NX 10.0软件中模拟，重建装置模拟为直径为3 mm的圆柱状结构，锁骨、肩胛骨的皮质骨及松质骨与圆柱状结构布尔减运算形成骨隧道（图1）。

1.2.3材料属性

本模型中的材料参数均来自文献[13,14]，材料属性做了一定简化。骨骼包括肩胛骨、锁骨的皮质骨及松质骨、简化为均匀连续分布、各向同性线弹性材料，皮质骨的弹性模量11 000 MPa，松质骨的弹性模量1 100 MPa，泊松比0.3。将重建装置模拟为超弹性材料[15]。移植物的剪切模量（μ0）和体积模量（K0）由弹性模量和泊松比获得。

移植物模拟为超弹性材料，分别使用体积模量和剪切模量计算Neo-Hookean系数C10和D1。

用上述描述计算得到C10为19.37 MPa,D1为0.023 83 MPa-1。

在Hypermesh软件中，锁骨皮质骨及松质骨、肩胛骨皮质骨及松质骨采用C3D4单元划分网格，重建装置采用C3D4H单元。

1.2.4 边界条件及加载

建立与文献[16]中施加载荷一致的坐标系。首先建立关节盂平面坐标，基于关节盂曲面建立曲线，在曲线上建立点集，将点集拟合椭圆，坐标Y轴与椭圆长轴方向一致指向上方，X轴垂直与椭圆所在平面向前，Z轴垂直于X轴及Y轴方向向外，坐标原点在椭圆圆心。

边界条件：约束锁骨近端表面中心及肩胛骨肩峰端旋转和平移6个自由度。

载荷情况：参考相关文献中体外尸体试验时的载荷[16]，在关节盂局部坐标系下，作用点在锁骨远端10 cm处前后缘中点，分3个工况。工况1:Y轴方向5 N的向上的载荷，使肩锁关节在垂直方向上保持一定张力，沿X轴正方向70 N的载荷，模拟施加向前载荷。工况2:Y轴方向5 N的向上的载荷，使肩锁关节在垂直方向上保持一定张力，沿X轴负方向70 N的载荷，模拟施加向后载荷。工况3:Y轴方向向上70 N的力，模拟施加向上载荷。

1.2.5 观察指标

本试验观察喙锁韧带3种不同重建方法后肩锁关节及重建装置应力位移情况，通过以下指标进行综合分析：（1）在3种不同工况下，主要受力方向上锁骨远端中点最大位移。（2）在3种不同工况下，3种重建模型重建装置的最大等效应力。（3）在3种不同工况下，双束重建模型斜方韧带重建装置和锥状韧带重建装置最大等效应力。

2 结果

2.1 位移分析

不同工况下主要受力方向上锁骨远端中点最大位移见表1，位移分布云图见图2。结果显示，施加向前载荷，3种重建模型锁骨远端中点位移从小到大依次为DBtar (7.76 mm)<DBar (8.17 mm)<SB(11.15 mm）；施加向后载荷，锁骨远端中点位移从小到大依次为DBtar (7.27 mm)<DBar (7.59 mm)<SB(10.38 mm）；施加向上载荷，锁骨远端中点位移从小到大依次为DBar (5.12 mm)<DBtar (6.27 mm)<SB(6.79 mm）。

2.2 重建装置的应力分布

2.2.1 3种重建模型装置的最大等效应力

最大等效应力见表2，应力分布云图见图3。结果显示，各工况下双束重建重建装置的最大等效应力均小于单束重建。施加向前载荷，重建装置的最大等效应力从低到高依次为DBar (93.99 MPa)<DBtar(98.13 MPa)<SB(134.80 MPa）；施加向后载荷，重建装置的最大等效应力从低到高依次为DBar(85.92 MPa)<DBtar (92.71 MPa)<SB (119.20 MPa）；施加向上载荷，DBar (74.48 MPa)<DBtar (116.60MPa)<SB(117.70 MPa）。

2.2.2 双束重建中斜方韧带装置的最大等效应力

双束解剖重建、双束完全解剖重建中斜方韧带重建装置的最大等效应力见表3，应力分布云图见图4。结果显示，不同工况下斜方韧带重建装置最大等效应力DBtar小于DBar。施加向前载荷，斜方韧带重建装置的最大等效应力DBtar (73.29 MPa)<DBar(76.31 MPa）；施加向后载荷，斜方韧带重建装置的最大等效应力DBtar(67.53 MPa)<DBar(70.76MPa）；施加向上载荷，斜方韧带重建装置的最大等效应力DBtar(43.54 MPa)<DBar(56.91 MPa）。

2.2.3 双束重建中荷锥状韧带重建装置的最大等效应力

双束解剖重建、双束完全重建中锥状韧带重建装置的最大等效应力见表4，应力分布云图见图5。结果显示，施加不同载荷锥状韧带重建装置最大等效应力DBtar大于DBar。施加向前载荷，锥状韧带重建装置的最大等效应力DBtar (98.13MPa)>DBar (93.99 MPa）；施加向后载荷，锥状韧带重建装置的最大等效应力DBtar (92.73 MPa)>DBar(85.92 MPa）；施加向上载荷，锥状韧带重建装置的最大等效应力DBtar(116.60 MPa)>DBar(74.48 MPa）。

3 讨论

3.1 喙锁韧带完全解剖重建的意义

喙锁韧带由斜方韧带和锥状韧带两束韧带构成，两束韧带的共同作用对肩锁关节正常功能的维持起重要的作用。斜方韧带主要起到了抵抗向后的作用力，而锥状韧带主要起到了抵抗向前、向上的作用力[17]。因此，在重建喙锁韧带时，应该将喙锁韧带的两束组成韧带分开重建，而并不是将两束韧带视为一束韧带重建。COSTIC等[18]也认为应该重视斜方韧带及锥状韧带每一韧带在肩锁关节稳定性上所起到作用，建议分别重建锥状韧带和斜方韧带，才能从冠状面和矢状面恢复肩锁关节的持续稳定性。锁骨-喙突钻孔技术即锁骨隧道轴线和喙突隧道轴线共线的钻孔技术是喙锁韧带重建的常用技术，该方法的优点是可以通过微创的方法同时建立锁骨和喙突隧道。但这种钻孔方式不但难以获得斜方韧带、锥状韧带的解剖的隧道位置，而且会增加喙突骨折的风险[5]。因此，为了获得斜方韧带、锥状韧带解剖的隧道位置，并且降低喙突骨折的风险，可以独立建立锁骨隧道和喙突隧道，即锁骨隧道与喙突隧道的轴线非共线，从而达到完全解剖重建喙锁韧带[19]。本研究将使锁骨隧道下端及喙突隧道上端分别与各自韧带止点足印区中心一致，斜方韧带、锥状韧带的锁骨、喙突隧道分开建立，从而达到喙锁韧带的完全解剖重建。

3.2 喙锁韧带重建的对肩锁关节稳定性影响

肩锁关节垂直稳定性的研究是以往生物力学研究的重点，绝大多数的喙锁韧带重建技术能够提高肩锁关节的垂直稳定性[3,20]。目前对喙锁韧带重建技术在水平方向的稳定性也逐渐引起重视[21]。双束重建比单束重建能够更好的恢复肩锁关节的垂直稳定性以及水平稳定性。这与HOU等[22]的研究结果一致，认为双束重建能够恢复斜方韧带及锥状韧带的功能，垂直稳定性及水平稳定性均优于单束重建。SCH魻BEL等[21]比较喙锁韧带双束解剖重建与非解剖重建肩锁关节的稳定性，认为喙锁韧带解剖重建能够明显提高肩锁关节的水平稳定性。核磁共振对肩锁关节进行运动学分析认为切除肩锁关节囊，斜方韧带主要限制锁骨向后的位移，锥状韧带主要起到限制锁骨向前的位移[23]。因此，不同方向喙锁韧带重建可能影响肩锁关节水平稳定性。本试验双束完全解剖重建在水平稳定性方面要优于双束解剖重建。这可能与喙锁韧带完全解剖重建的双束重建装置在矢状面上更接近正常喙锁韧带的解剖结构有关。但完全解剖重建喙锁韧带的肩锁关节垂直稳定性较双束解剖重建差。分析原因可能与完全解剖重建的双束重建装置在冠状面上分布不完全符合喙锁韧带的“V”形形态有关。

3.3 喙锁韧带重建对重建装置等效应力的影响

骨隧道增宽、喙突骨折等是喙锁韧带重建的主要并发症[2]。重建装置较高的应力会增加骨隧道增宽、喙突骨折的风险。本研究发现不同工况下双束重建重建装置最大等效应力均低于单束重建。临床研究也发现喙锁韧带双束重建比单束重建能够减少骨侵蚀、喙突骨折以及肩锁关节再脱位的风险[24]。本试验发现各工况下双束完全解剖重建斜方韧带重建装置的最大等效应力低于双束解重建，但是双束完全解剖重建锥状韧带的最大等效应力高于双束解剖重建。提示完全解剖重建喙锁韧带能够减降低斜方韧带骨隧道扩大或喙突骨折的风险，但就锥状韧带重建装置的最大等效应力而言，完全解剖重建较解剖重建并无明确优势。分析原因可能是锥状韧带喙突骨隧道与重建装置之间的角度过大引起，不同隧道的角度可能会对重建装置的应力产生不同影响，这有使骨隧道增大的风险。SEO等[25]研究单束重建喙锁韧带时喙突隧道与锁骨隧道角度与复位丢失的关系，喙突锁骨隧道间的角度越大，复位丢失约严重，并且锁骨隧道增宽，认为喙突隧道应尽量垂直。FERREIRA等[26]研究肩锁关节脱位修复中喙突隧道位置对固定失效载荷的生物力学影响，研究中将喙突分为3等分，根据不同的隧道入口及出口确定隧道的方向，认为中心-中心、内侧-中心的方向具有较高的峰值失效载荷，因此可能会降低喙突骨折的风险。

3.4 本试验存在的不足

本试验存在一定缺点：（1）本研究加载方式只分析了向前、向后及向上的载荷，即只分析力垂直及水平稳定性，为对锁骨、肩胛固定旋转运动未进行分析。（2）不同喙突隧道角度以及锁骨隧道角度对肩锁关节的稳定性以及重建装置的应力可能会产生一定影响，本试验并未对不同角度的隧道进行分析。（3）本试验并未对具体哪一种重建材料进行精确模拟，只是研究哪种重建方式更有效，将来需进一步研究不同重建装置如Endobutton系统、Tightrope系统、和肌腱等。

总之，通过以上研究，笔者认为，喙锁韧带完全解剖重建能够提高肩锁关节的水平稳定性，降低斜方韧带重建装置的应力，可作为治疗肩锁关节脱位的较好的方法。

参考文献：[1]陈浩,方加虎,殷国勇.喙锁韧带不同重建方法治疗肩锁关节脱位的有限元分析[J].中国骨伤,2023,36(06):543-549.

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