肱骨投擲骨折致傷機制及不同內固定方式的三維有限元分析.pdf

1、背景：
　　肱骨投擲骨折一般指因投擲運動或臂力較量等活動引起的肱骨干骨折。典型的肱骨投擲骨折通常為肱骨中下段螺旋形不穩(wěn)定骨折。可發(fā)生于士兵投彈訓練，標槍、鉛球、鏈球等投擲項目，以及棒球、壘球、冰球、網(wǎng)球等球類項目中。其確切的致傷機制尚不清楚，可能與以下因素有關:(1)首先從解剖外觀來看，肱骨中下段為圓柱形與三角形之交界處，是肱骨力學上薄弱點，為骨折的好發(fā)部位;(2)投擲過程中由于肌群間不協(xié)調，形成了不平衡的拮抗作用;(3)過度訓練

2、，肌肉疲勞，手臂疼痛，訓練技能不足等。
　　肱骨投擲骨折的治療方式多種多樣，以往多采用非手術治療，可取得較好的治療效果。近年來隨著技術層面的不斷發(fā)展，以及患者對快速復位和減輕疼痛的要求，越來越多的學者主張采取手術治療。與非手術治療相比，采用手術治療可使骨折復位更加牢固，并能早期鍛煉，從而盡早恢復患肢功能，減輕患者疼痛，提高生活質量。但也有增加感染率、醫(yī)源性橈神經(jīng)損傷、內固定失敗等缺點。
　　肱骨投擲骨折的內固定手術方式主要有

3、拉力螺釘、髓內固定系統(tǒng)和鋼板螺釘系統(tǒng)等，采用多枚拉力螺釘固定具有微創(chuàng)、操作簡單、手術時間短等優(yōu)點，但缺點是術后易出現(xiàn)復位丟失，不利于早期功能鍛煉，目前多傾向與鋼板螺釘系統(tǒng)聯(lián)合應用。目前使用較多的髓內釘系統(tǒng)包括改良的Küntscher釘、Gross-Kempf釘、Seidel釘以及帶鎖髓內釘?shù)?，髓內釘具有應力遮擋效應小、骨膜剝離少、神經(jīng)血管損傷發(fā)生率低、軸心固定符合生物力學特性等優(yōu)點，但平均愈合時間及手術時間相對較長。鋼板螺釘系統(tǒng)主要包括

4、動力加壓鋼板(DCP)和鎖定加壓鋼板(LCP)等，鋼板固定不僅具有張力帶效果、還固定可靠、可抗旋轉，穩(wěn)定性好，但鋼板固定也存在骨折斷端骨膜剝離范圍大，破壞血運和應力遮擋，應用不當時可能出現(xiàn)鋼板斷裂骨不連或鋼板取出后再骨折等問題。手術內置物的選擇目前仍有爭議，如髓內釘與鋼板的選擇、順行與逆行髓內釘?shù)倪x擇、鎖定加壓鋼板與動力加壓鋼板的選擇、動力加壓鋼板是否應常規(guī)加用拉力螺釘?shù)?，正確掌握手術適應證至關重要。
　　與鋼板固定相比，髓內釘具

5、有應力遮擋效應小、骨膜剝離少、神經(jīng)血管損傷發(fā)生率低、軸心固定符合生物力學特性等優(yōu)點，臨床上常被應用于治療肱骨中下段骨折。對于肱骨中下段骨折，應首選順行還是逆行髓內釘固定，目前仍無統(tǒng)一觀點。采用順行髓內釘技術易造成肩袖損傷，可引起肩關節(jié)功能障礙。逆行髓內釘技術能有效避免肩袖損傷，但鷹嘴窩上方為堅硬的皮質骨，術中操作易造成肱骨遠端劈裂。
　　前外側和后側入路是治療肱骨中下段骨折最常用的兩種手術入路，鋼板分別放置于肱骨前外側柱和后側柱。

6、治療肱骨中下段骨折首選何種手術入路以及鋼板最佳放置位置尚有爭議。由于橈神經(jīng)斜跨骨折部位并緊貼骨面，鋼板放置于前外側柱時需游離顯露橈神經(jīng)，故在手術游離、骨折復位操作及鋼板固定過程中易造成橈神經(jīng)醫(yī)源性損傷。由于肱骨后側面為扁平狀骨面，可提供一個較平坦的骨折內固定條件，手術操作簡單且不需游離橈神經(jīng)。但也有研究指出:采用后側入路需要劈開肱三頭肌，易造成術后疤痕粘連，導致肘關節(jié)伸直受限。對于鋼板放置的位置哪個更好？尚無統(tǒng)一觀點。
　　使用動

7、力加壓鋼板和拉力螺釘技術治療肱骨螺旋形骨折時應遵循AO原則，解剖復位，保護骨折斷端血供，堅強內固定，早期功能鍛煉。加用拉力螺釘技術，可以簡化操作，并減少復位后骨折斷端存在的剪切力，減小骨折塊之間的距離，增強骨折斷端加壓作用。但對于肱骨中下段螺旋形骨折，是否應常規(guī)加用拉力螺釘，目前仍無統(tǒng)一觀點。
　　隨著數(shù)字醫(yī)學技術的發(fā)展，三維有限元方法作為一種較新的研究手段，逐漸應用于骨科的生物力學研究。通過分別建立不同內固定方式固定肱骨投擲骨折

8、的三維模型，應用有限元方法進行力學分析，可以比較不同內固定方式在完成不同動作時的生物力學特點，有利于術者對不同手術固定方式進行選擇，同時為術后康復工作提供理論參考。
　　本研究就針對上述臨床問題，結合三維有限元分析方法，從力學角度出發(fā)對鎖定加壓鋼板(LCP)和動力加壓鋼板(DCP)治療肱骨投擲骨折不同放置位置、逆行和順行髓內釘固定，動力加壓鋼板加用和不加用拉力螺釘?shù)牧W特性進行相關分析，并探討其臨床生物力學意義。
　　目的：

9、
　　1.采用有限元分析法模擬肱骨投擲骨折的發(fā)生過程，探索肱骨投擲骨折的致傷機制;
　　2.通過有限元分析法分析鎖定加壓鋼板、順行和逆行交鎖髓內釘內固定肱骨投擲骨折的生物力學特性;
　　3.通過有限元分析法分析經(jīng)前外側和后側手術入路，鋼板不同放置位置生物力學特性。
　　4.分析動力加壓鋼板加用和不加用拉力螺釘固定肱骨投擲骨折的生物力學差異。
　　方法：
　　1.對健康成年志愿者的肱骨進行螺旋CT掃描，

10、并通過相關建模軟件構建肱骨以及肱骨投擲骨折模型，應用Solidwork2013軟件的裝配和布爾運算功能，模擬骨折復位，完成肱骨螺旋形骨折與內固定模型的裝配，分別予以鎖定加壓鋼板和動力加壓鋼板置于肱骨前外側和后側固定肱骨投擲骨折，相同的加載和約束條件下模擬側方摔倒肘部著地、上臂逆時針旋轉活動以及遭受直接暴力打擊三種工況，評價各種工況下鋼板不同放置位置的最大等效應力、骨折塊的最大綜合位移、骨折斷端最大綜合位移及最大等效應力。
　　2.

11、分別予以逆行和順行髓內釘固定肱骨投擲骨折，相同的加載和約束條件下模擬側方摔倒肘部著地、上臂逆時針旋轉活動以及遭受直接暴力打擊三種工況，評價各種工況下不同內固定方式及不同放置位置的最大等效應力、骨折塊的最大綜合位移、骨折斷端最大綜合位移及最大等效應力。
　　3.分別予以動力加壓鋼板加用和不加用拉力螺釘固定肱骨投擲骨折，相同的加載和約束條件下模擬側方摔倒肘部著地、上臂逆時針旋轉活動以及遭受直接暴力打擊三種工況，評價各種工況下不同內固定

12、方式及不同放置位置的最大等效應力、骨折塊的最大綜合位移、骨折斷端最大綜合位移及最大等效應力。
　　結果：
　　1.我們構建的肱骨投擲骨折三維有限元模型經(jīng)過與傳統(tǒng)生物力學實驗結果及臨床觀察現(xiàn)象相比較，證實是有效的、合理的。
　　2.肱骨投擲骨折的具體機制尚未能被闡明，一般認為投擲過程中三角肌和肱肌二者形成了不平衡的拮抗作用是導致骨折的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)，在肱骨施加一個向內旋轉作用力，肱骨中下段出現(xiàn)螺旋形受力集中帶，與肱

13、骨投擲骨折的好發(fā)部位重疊，提示該類骨折的發(fā)生可能與肱骨自身解剖特點相關;
　　3.鎖定加壓鋼板置于肱骨前外側和后側，逆行和順行交鎖髓內釘固定肱骨投擲骨折的有限元分析結果:(1)內固定最大等效應力:鎖定加壓鋼板置于前外側較后側最大應力值小;逆行較順行髓內釘在壓縮工況最大應力值更大，扭轉和彎曲工況較小;(2)骨折塊最大綜合位移:髓內釘較鎖定加壓鋼板組大，鎖定加壓鋼板置于前外側較后側大，順行髓內釘較逆行髓內釘大;(3)骨折斷端最大等效應

14、力:鎖定加壓鋼板較髓內釘組骨折斷端最大應力大且應力分布均勻。
　　4.動力加壓鋼板、動力加壓鋼板加用拉力螺釘置于肱骨前外側和后側固定肱骨投擲骨折的有限元分析結果:在壓縮和彎曲工況下，前外側較后側內固定物最大應力及骨折塊最大位移較大，扭轉工況則相反。使用較不使用拉力螺釘在三種工況內固定物的最大應力值小，且分布均勻。壓縮工況下，使用拉力螺釘較不使用骨折塊的最大位移值較大，彎曲和扭轉工況，最大位移值則較小。各組模型骨折斷端應力分布基本相

15、似，加用拉力螺釘可減小骨折面最大位移。
　　結論：
　　1.本實驗成功地構建了一個能真實反應肱骨以及肱骨投擲骨折生物力學特性的三維有限元模型，較傳統(tǒng)的實驗力學方法具有可重復使用的優(yōu)點;
　　2.由于肱骨自身解剖特點，在旋轉外力作用下產(chǎn)生中下段螺旋形受力帶，可能是導致骨折的致傷機制之一;
　　3.應用鎖定加壓鋼板較髓內釘治療肱骨投擲骨折更加穩(wěn)定且應力均勻;逆行髓內釘穩(wěn)定性優(yōu)于順行髓內釘;
　　4.鎖定加壓鋼板