肱骨投擲骨折致傷機(jī)制及不同內(nèi)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(yùn)動(dòng)或臂力較量等活動(dòng)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?？砂l(fā)生于士兵投彈訓(xùn)練，標(biāo)槍、鉛球、鏈球等投擲項(xiàng)目，以及棒球、壘球、冰球、網(wǎng)球等球類項(xiàng)目中。其確切的致傷機(jī)制尚不清楚，可能與以下因素有關(guān):(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(xué)上薄弱點(diǎn)，為骨折的好發(fā)部位;(2)投擲過程中由于肌群間不協(xié)調(diào)，形成了不平衡的拮抗作用;(3)過度訓(xùn)練

2、，肌肉疲勞，手臂疼痛，訓(xùn)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(shù)治療，可取得較好的治療效果。近年來隨著技術(shù)層面的不斷發(fā)展，以及患者對(duì)快速?gòu)?fù)位和減輕疼痛的要求，越來越多的學(xué)者主張采取手術(shù)治療。與非手術(shù)治療相比，采用手術(shù)治療可使骨折復(fù)位更加牢固，并能早期鍛煉，從而盡早恢復(fù)患肢功能，減輕患者疼痛，提高生活質(zhì)量。但也有增加感染率、醫(yī)源性橈神經(jīng)損傷、內(nèi)固定失敗等缺點(diǎn)。
　　肱骨投擲骨折的內(nèi)固定手術(shù)方式主要有

3、拉力螺釘、髓內(nèi)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(jiǎn)單、手術(shù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是術(shù)后易出現(xiàn)復(fù)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(yīng)用。目前使用較多的髓內(nèi)釘系統(tǒng)包括改良的Küntscher釘、Gross-Kempf釘、Seidel釘以及帶鎖髓內(nèi)釘?shù)?，髓?nèi)釘具有應(yīng)力遮擋效應(yīng)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(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，但平均愈合時(shí)間及手術(shù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。鋼板螺釘系統(tǒng)主要包括

4、動(dòng)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(zhuǎn)，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(yùn)和應(yīng)力遮擋，應(yīng)用不當(dāng)時(shí)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(shù)內(nèi)置物的選擇目前仍有爭(zhēng)議，如髓內(nèi)釘與鋼板的選擇、順行與逆行髓內(nèi)釘?shù)倪x擇、鎖定加壓鋼板與動(dòng)力加壓鋼板的選擇、動(dòng)力加壓鋼板是否應(yīng)常規(guī)加用拉力螺釘?shù)?，正確掌握手術(shù)適應(yīng)證至關(guān)重要。
　　與鋼板固定相比，髓內(nèi)釘具

5、有應(yīng)力遮擋效應(yīng)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(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，臨床上常被應(yīng)用于治療肱骨中下段骨折。對(duì)于肱骨中下段骨折，應(yīng)首選順行還是逆行髓內(nèi)釘固定，目前仍無統(tǒng)一觀點(diǎn)。采用順行髓內(nèi)釘技術(shù)易造成肩袖損傷，可引起肩關(guān)節(jié)功能障礙。逆行髓內(nèi)釘技術(shù)能有效避免肩袖損傷，但鷹嘴窩上方為堅(jiān)硬的皮質(zhì)骨，術(shù)中操作易造成肱骨遠(yuǎn)端劈裂。
　　前外側(cè)和后側(cè)入路是治療肱骨中下段骨折最常用的兩種手術(shù)入路，鋼板分別放置于肱骨前外側(cè)柱和后側(cè)柱。

6、治療肱骨中下段骨折首選何種手術(shù)入路以及鋼板最佳放置位置尚有爭(zhēng)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(cè)柱時(shí)需游離顯露橈神經(jīng)，故在手術(shù)游離、骨折復(fù)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(cè)面為扁平狀骨面，可提供一個(gè)較平坦的骨折內(nèi)固定條件，手術(shù)操作簡(jiǎn)單且不需游離橈神經(jīng)。但也有研究指出:采用后側(cè)入路需要劈開肱三頭肌，易造成術(shù)后疤痕粘連，導(dǎo)致肘關(guān)節(jié)伸直受限。對(duì)于鋼板放置的位置哪個(gè)更好？尚無統(tǒng)一觀點(diǎn)。
　　使用動(dòng)

7、力加壓鋼板和拉力螺釘技術(shù)治療肱骨螺旋形骨折時(shí)應(yīng)遵循AO原則，解剖復(fù)位，保護(hù)骨折斷端血供，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，早期功能鍛煉。加用拉力螺釘技術(shù)，可以簡(jiǎn)化操作，并減少?gòu)?fù)位后骨折斷端存在的剪切力，減小骨折塊之間的距離，增強(qiáng)骨折斷端加壓作用。但對(duì)于肱骨中下段螺旋形骨折，是否應(yīng)常規(guī)加用拉力螺釘，目前仍無統(tǒng)一觀點(diǎn)。
　　隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)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(yīng)用于骨科的生物力學(xué)研究。通過分別建立不同內(nèi)固定方式固定肱骨投擲骨折

8、的三維模型，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析，可以比較不同內(nèi)固定方式在完成不同動(dòng)作時(shí)的生物力學(xué)特點(diǎn)，有利于術(shù)者對(duì)不同手術(shù)固定方式進(jìn)行選擇，同時(shí)為術(shù)后康復(fù)工作提供理論參考。
　　本研究就針對(duì)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(duì)鎖定加壓鋼板(LCP)和動(dòng)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(nèi)釘固定，動(dòng)力加壓鋼板加用和不加用拉力螺釘?shù)牧W(xué)特性進(jìn)行相關(guān)分析，并探討其臨床生物力學(xué)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(jī)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(nèi)釘內(nèi)固定肱骨投擲骨折的生物力學(xué)特性;
　　3.通過有限元分析法分析經(jīng)前外側(cè)和后側(cè)手術(shù)入路，鋼板不同放置位置生物力學(xué)特性。
　　4.分析動(dòng)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(xué)差異。
　　方法：
　　1.對(duì)健康成年志愿者的肱骨進(jìn)行螺旋CT掃描，

10、并通過相關(guān)建模軟件構(gòu)建肱骨以及肱骨投擲骨折模型，應(yīng)用Solidwork2013軟件的裝配和布爾運(yùn)算功能，模擬骨折復(fù)位，完成肱骨螺旋形骨折與內(nèi)固定模型的裝配，分別予以鎖定加壓鋼板和動(dòng)力加壓鋼板置于肱骨前外側(cè)和后側(cè)固定肱骨投擲骨折，相同的加載和約束條件下模擬側(cè)方摔倒肘部著地、上臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)活動(dòng)以及遭受直接暴力打擊三種工況，評(píng)價(jià)各種工況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、骨折斷端最大綜合位移及最大等效應(yīng)力。
　　2.

11、分別予以逆行和順行髓內(nèi)釘固定肱骨投擲骨折，相同的加載和約束條件下模擬側(cè)方摔倒肘部著地、上臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)活動(dòng)以及遭受直接暴力打擊三種工況，評(píng)價(jià)各種工況下不同內(nèi)固定方式及不同放置位置的最大等效應(yīng)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(yīng)力。
　　3.分別予以動(dòng)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(cè)方摔倒肘部著地、上臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)活動(dòng)以及遭受直接暴力打擊三種工況，評(píng)價(jià)各種工況下不同內(nèi)固定

12、方式及不同放置位置的最大等效應(yīng)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(yīng)力。
　　結(jié)果：
　　1.我們構(gòu)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(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及臨床觀察現(xiàn)象相比較，證實(shí)是有效的、合理的。
　　2.肱骨投擲骨折的具體機(jī)制尚未能被闡明，一般認(rèn)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(dǎo)致骨折的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)，在肱骨施加一個(gè)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(diǎn)相關(guān);
　　3.鎖定加壓鋼板置于肱骨前外側(cè)和后側(cè)，逆行和順行交鎖髓內(nèi)釘固定肱骨投擲骨折的有限元分析結(jié)果:(1)內(nèi)固定最大等效應(yīng)力:鎖定加壓鋼板置于前外側(cè)較后側(cè)最大應(yīng)力值小;逆行較順行髓內(nèi)釘在壓縮工況最大應(yīng)力值更大，扭轉(zhuǎn)和彎曲工況較小;(2)骨折塊最大綜合位移:髓內(nèi)釘較鎖定加壓鋼板組大，鎖定加壓鋼板置于前外側(cè)較后側(cè)大，順行髓內(nèi)釘較逆行髓內(nèi)釘大;(3)骨折斷端最大等效應(yīng)

14、力:鎖定加壓鋼板較髓內(nèi)釘組骨折斷端最大應(yīng)力大且應(yīng)力分布均勻。
　　4.動(dòng)力加壓鋼板、動(dòng)力加壓鋼板加用拉力螺釘置于肱骨前外側(cè)和后側(cè)固定肱骨投擲骨折的有限元分析結(jié)果:在壓縮和彎曲工況下，前外側(cè)較后側(cè)內(nèi)固定物最大應(yīng)力及骨折塊最大位移較大，扭轉(zhuǎn)工況則相反。使用較不使用拉力螺釘在三種工況內(nèi)固定物的最大應(yīng)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(zhuǎn)工況，最大位移值則較小。各組模型骨折斷端應(yīng)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(jié)論：
　　1.本實(shí)驗(yàn)成功地構(gòu)建了一個(gè)能真實(shí)反應(yīng)肱骨以及肱骨投擲骨折生物力學(xué)特性的三維有限元模型，較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法具有可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn);
　　2.由于肱骨自身解剖特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)外力作用下產(chǎn)生中下段螺旋形受力帶，可能是導(dǎo)致骨折的致傷機(jī)制之一;
　　3.應(yīng)用鎖定加壓鋼板較髓內(nèi)釘治療肱骨投擲骨折更加穩(wěn)定且應(yīng)力均勻;逆行髓內(nèi)釘穩(wěn)定性優(yōu)于順行髓內(nèi)釘;
　　4.鎖定加壓鋼板