楊芳軍,王富洋,楊存恒,王永澤,王鐵男

大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科,遼寧 大連 116001

有限元分析的核心是空間離散化:將復(fù)雜的幾何體劃分為簡(jiǎn)單幾何形狀,這些被稱(chēng)為元素的幾何形狀可以發(fā)生形變,通過(guò)預(yù)測(cè)其應(yīng)力和應(yīng)變可以計(jì)算出代表幾何形狀模型的力-位移方程,然后將其組裝到整個(gè)結(jié)構(gòu)中,從而將實(shí)際、復(fù)雜的幾何體進(jìn)行簡(jiǎn)化、理想化,進(jìn)而分析求解。最初有限元?jiǎng)?chuàng)立被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,隨著計(jì)算方法的快速發(fā)展及有限元軟件不斷更新,現(xiàn)在有限元方法已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。1972年Rybicki等[1]和Brekelmans等[2]首次將有限元分析用于骨的生物力學(xué),經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展,目前已被廣泛應(yīng)用于四肢[3]、脊柱[4]、關(guān)節(jié)[5]及骨質(zhì)疏松[6]等各個(gè)方面的研究,并且仍在繼續(xù)發(fā)展。目前,有限元分析在肱骨近端骨折中的應(yīng)用越來(lái)越多,但相關(guān)綜述卻較少。因此本文就肱骨近端骨折模型建立、致傷機(jī)制、不同植入物的選擇及應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述。

1 肱骨近端骨折有限元模型的建立

肱骨近端骨折模型的建立是進(jìn)行有限元分析的首要步驟,建立的模型與實(shí)際情況越接近,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論越可靠。建模的幾何參數(shù)是影響建模準(zhǔn)確性的主要因素,其參數(shù)主要來(lái)源于尸體研究[7-8]、解剖圖譜[9]及影像數(shù)據(jù)[10]。利用尸體進(jìn)行建模是早期肩關(guān)節(jié)模型建立的主要方法,其優(yōu)點(diǎn)是充分的考慮到周?chē)趋馈⒓∪饧绊g帶對(duì)肩部運(yùn)動(dòng)的影響,可以很好地了解肩關(guān)節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)功能。但是這種方法不僅復(fù)雜、費(fèi)時(shí)耗力而且存在倫理相關(guān)問(wèn)題,目前已較少應(yīng)用。何仿[9]使用人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖譜建立了人體肩關(guān)節(jié)三維有限元模型,并將該模型應(yīng)用于探究肱骨骨折機(jī)制的研究。該研究認(rèn)為在肩袖肌群中,岡上肌是影響肩關(guān)節(jié)外展穩(wěn)定性的主要因素,岡下肌、小圓肌與肩胛下肌為平衡力肌群,因此僅考慮岡上肌對(duì)肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)的影響,可以減少后期有限元分析的計(jì)算量。但是該方法可能因解剖圖譜不精確而與真實(shí)數(shù)據(jù)存在誤差。目前已廣泛利用影像相關(guān)數(shù)據(jù)建立有限元模型,使有限元模型的建立更加方便快捷且精準(zhǔn),但是大多數(shù)建立的模型僅考慮骨骼本身,而忽略周?chē)Y(jié)構(gòu)對(duì)模型的影響。冷昆鵬等[10]利用CT掃描數(shù)據(jù)快速建立了肱骨近端模型,通過(guò)分析生理狀態(tài)下肱骨近端的應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)肱骨外科頸內(nèi)下側(cè)皮質(zhì)區(qū)(即內(nèi)側(cè)柱)應(yīng)力分布較集中,明確了重建內(nèi)側(cè)柱在肱骨近端骨折中的重要性。

關(guān)于肱骨近端骨折模型的建立,多依據(jù)Neer分型定義,兩部分骨折模型多在外科頸處建立一個(gè)楔形間隙或在外科頸水平建立10 mm水平間隙;三部分骨折在兩部分骨折的基礎(chǔ)上對(duì)大結(jié)節(jié)進(jìn)行縱向截骨,同理,四部分骨折則在三部分骨折的基礎(chǔ)上對(duì)小結(jié)節(jié)進(jìn)行截骨。既往在尸體或人工合成肱骨的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中也是按照Neer分型定義對(duì)模型進(jìn)行截骨[11-16],以上模型也代表臨床常見(jiàn)的肱骨近端骨折。肱骨近端骨折模型的建立為后期肱骨近端骨折機(jī)制的研究及不同植入物的選擇具有重要意義,也為進(jìn)一步研究不同植入物材料的生物力學(xué)建立了基礎(chǔ)。

2 肱骨近端骨折的致傷機(jī)制

何仿等[17]對(duì)肱骨干在12個(gè)不同功能位置上施加載荷,研究間接暴力所致肱骨骨折的受傷力學(xué)機(jī)制和力學(xué)環(huán)境,認(rèn)為肱骨外科頸和肱骨干交接處是應(yīng)力集中區(qū)域,且最大應(yīng)力集中在其前內(nèi)側(cè);相對(duì)于中立位,肱骨在內(nèi)旋或外旋位置上承受更大的應(yīng)力,且在外展外旋60°時(shí)最易發(fā)生骨折;肩關(guān)節(jié)30°～90°跌倒時(shí),肱骨外科頸和肱骨近端易發(fā)生骨折,且骨折線由斜行逐漸變?yōu)闄M行。以上結(jié)論與臨床觀察到的現(xiàn)象基本一致,也與基礎(chǔ)生物力學(xué)研究骨折機(jī)制基本吻合,該試驗(yàn)應(yīng)用有限元分析的方法對(duì)肱骨骨折機(jī)制進(jìn)行測(cè)試與分析,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步加深了對(duì)肱骨近端骨折機(jī)制的理解,對(duì)肱骨近端骨折植入物的選擇及安放位置具有重要參考意義。

3 肱骨近端骨折植入物選擇的應(yīng)用

3.1鎖定鋼板 對(duì)于移位較大或不穩(wěn)定的肱骨近端骨折以手術(shù)治療為主,手術(shù)方法的選擇以鎖定鋼板應(yīng)用最多,有限元分析模型也以鎖定鋼板研究最為常見(jiàn)。鎖定鋼板在肱骨近端骨折中的作用主要有兩種優(yōu)勢(shì),首先為骨折提供適當(dāng)?shù)臋C(jī)械支撐促進(jìn)骨折愈合,二是提供足夠的穩(wěn)定性允許早期活動(dòng),但是與鎖定鋼板相關(guān)的并發(fā)癥一直居高不下,其中以螺釘穿出與螺釘切割最為常見(jiàn)[18]。有限元分析可以通過(guò)改進(jìn)內(nèi)固定材料和治療策略來(lái)減少相關(guān)并發(fā)癥[19-20]。鎖定鋼板固定肱骨近端骨折穩(wěn)定性的影響因素較多,主要包括近端螺釘分布、鋼板放置位置、螺釘長(zhǎng)度及內(nèi)側(cè)柱的缺失。

3.1.1鋼板放置位置:既往研究多根據(jù)指南操作,但是具體操作細(xì)節(jié)不明確,因此導(dǎo)致許多并發(fā)癥。2019年Jabran等[21]通過(guò)生物力學(xué)研究分析認(rèn)為大結(jié)節(jié)頂點(diǎn)下5～8 mm(以防止肩峰撞擊)、結(jié)間溝后2～4 mm(以保護(hù)血供)處是鋼板放置的最佳位置。Fletcher等[22]應(yīng)用有限元分析認(rèn)為鋼板放置位置距離大結(jié)節(jié)頂點(diǎn)太遠(yuǎn)時(shí),可能造成內(nèi)側(cè)支撐螺釘無(wú)法置入而降低內(nèi)固定的穩(wěn)定性。徐健等[23]建議安放鋼板時(shí)應(yīng)首先考慮內(nèi)側(cè)支撐螺釘?shù)奈恢?其次考慮鋼板放置位置,但建議鋼板放置不宜過(guò)近。

3.1.2近端螺釘分布:Schaer等[24]通過(guò)有限元分析評(píng)估鎖定鋼板中螺釘方向的角度,認(rèn)為鎖定螺釘方向優(yōu)化可以降低并發(fā)癥并增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性。Fletcher等[25]建立有限元模型分析得出結(jié)論,螺釘數(shù)量的增加及肱骨距螺釘?shù)氖褂每娠@著降低低密度骨折內(nèi)固定失效的風(fēng)險(xiǎn)。然而,Tilton等[26]研究發(fā)現(xiàn)在完全復(fù)位的骨折中,螺釘配置的變化對(duì)內(nèi)固定的穩(wěn)定性影響很小。因此近端螺釘布局對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定性的影響目前還存在爭(zhēng)議,還需進(jìn)一步生物力學(xué)研究證實(shí)近端螺釘布局對(duì)肱骨近端骨折穩(wěn)定性的影響。

3.1.3螺釘長(zhǎng)度:Fletcher等[27]通過(guò)有限元分析螺釘長(zhǎng)度對(duì)三部分肱骨近端骨折固定穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)的內(nèi)側(cè)支撐螺釘可以通過(guò)降低近端螺釘周?chē)膽?yīng)力從而降低螺釘切割的概率。Ciric等[28]通過(guò)生物力學(xué)研究螺釘尖端到關(guān)節(jié)面距離對(duì)螺釘穿出的生物力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)和肱骨近端骨折穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)螺釘尖端距關(guān)節(jié)面5～8 mm為安全距離,而且在這個(gè)范圍內(nèi),使用相對(duì)較長(zhǎng)的螺釘能防止螺釘松動(dòng),且不增加螺釘二次穿出的發(fā)生率。因此建議手術(shù)過(guò)程中可以選擇較長(zhǎng)的螺釘以增加鎖定鋼板固定的穩(wěn)定性,但是術(shù)中應(yīng)該透視避免螺釘穿出關(guān)節(jié)面。

3.1.4內(nèi)側(cè)柱缺失:造成鎖定鋼板內(nèi)固定失效的另一個(gè)主要原因是肱骨近端內(nèi)側(cè)柱的缺失[29- 30],因此重建內(nèi)側(cè)柱對(duì)維持骨折穩(wěn)定及減少術(shù)后并發(fā)癥是非常必要的。常見(jiàn)重建內(nèi)側(cè)柱的方法包括肱骨距螺釘?shù)氖褂?、雙鋼板的應(yīng)用及髓腔內(nèi)植骨等。越來(lái)越多的有限元模型被建立起來(lái),以找到重建內(nèi)側(cè)柱的最佳方式。Kim等[31]和Lee等[32]分別建立肱骨近端骨折有限元模型,均證實(shí)肱骨距螺釘?shù)氖褂每梢蕴岣呷糠止钦鄣姆€(wěn)定性,同時(shí)加強(qiáng)內(nèi)側(cè)柱支撐。Yang等[33]認(rèn)為內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的連續(xù)性和肱骨距螺釘支持都可增強(qiáng)骨折的穩(wěn)定性,兩者結(jié)合可進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性。He等[34]認(rèn)為相比于肱骨距螺釘,直接在肱骨內(nèi)側(cè)添加支撐可能是更加有效的策略,通過(guò)有限元分析外側(cè)鋼板聯(lián)合內(nèi)側(cè)鋼板的生物力學(xué)特征,內(nèi)側(cè)鋼板的應(yīng)用為內(nèi)側(cè)柱提供了強(qiáng)大的支持,并增加了骨折周?chē)鷧^(qū)域的穩(wěn)定性。Chen等[35]通過(guò)比較髓內(nèi)植骨的鎖定鋼板與雙鋼板固定肱骨近端骨折的有限元模型,觀察到兩者應(yīng)力、位移分布無(wú)明顯差異,從而認(rèn)為兩者的固定結(jié)構(gòu)的功能結(jié)果類(lèi)似。葛鴻慶等[36]建立有限元模型對(duì)以上3種重建內(nèi)側(cè)柱的方法進(jìn)行比較,聯(lián)合內(nèi)側(cè)鋼板的雙鋼板最具生物力學(xué)優(yōu)勢(shì),而鎖定鋼板聯(lián)合異體腓骨重建內(nèi)側(cè)柱力學(xué)穩(wěn)定性則優(yōu)于鎖定鋼板聯(lián)合肱骨距螺釘。以上所有生物力學(xué)都強(qiáng)調(diào)重建內(nèi)側(cè)柱對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定的重要性,目前3種重建內(nèi)側(cè)柱的方法都已在臨床應(yīng)用,其中肱骨距螺釘及髓腔內(nèi)植骨應(yīng)用較多,雖然外側(cè)鋼板聯(lián)合內(nèi)側(cè)鋼板可以直接實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)柱的支撐,但在手術(shù)過(guò)程中需要過(guò)多剝離軟組織,損傷肱骨頭血供,且內(nèi)側(cè)放置鋼板存在損傷肌皮神經(jīng)及腋神經(jīng)的可能,因此目前臨床應(yīng)用較少。以上有限元分析結(jié)果都需要進(jìn)一步生物力學(xué)驗(yàn)證及相關(guān)臨床實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證。

3.2髓內(nèi)釘 髓內(nèi)釘應(yīng)用于肱骨近端骨折的歷史已更迭三代,第一代(未鎖定)和第二代(彎曲設(shè)計(jì))的髓內(nèi)釘所觀察到的高并發(fā)癥發(fā)生率和再次手術(shù)率,限制大多數(shù)骨科醫(yī)師使用。相對(duì)于前兩代,第三代髓內(nèi)釘(直行、鎖定)由于較高的骨折愈合率及較低的并發(fā)癥發(fā)生率目前已廣泛應(yīng)用于臨床。但是術(shù)后肩袖損傷及慢性肩關(guān)節(jié)疼痛是常見(jiàn)的并發(fā)癥,Schwarz等[37]通過(guò)尸體生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),將髓內(nèi)釘入口點(diǎn)選擇放置在與肱骨干軸線成一直線處,但仍位于軟骨處,可以顯著降低由肌腱損傷引起的肩關(guān)節(jié)慢性疼痛發(fā)生率。有限元分析作為力學(xué)試驗(yàn)的有利補(bǔ)充,可以通過(guò)分析髓內(nèi)釘在肱骨近端骨折固定的應(yīng)力、位移等指標(biāo),評(píng)估髓內(nèi)釘固定骨折的穩(wěn)定性并改進(jìn)固定方法及材料。Giudice等[38]建立髓內(nèi)釘固定肱骨近端骨折的有限元模型,通過(guò)觀察骨髓腔-髓內(nèi)釘接觸的應(yīng)力,他們認(rèn)為在手術(shù)中應(yīng)該選擇相對(duì)較長(zhǎng)的髓內(nèi)釘固定肱骨近端骨折,這樣可以增加固定的穩(wěn)定性。Feerick等[39]對(duì)髓內(nèi)釘固定肱骨近端骨折模型研究發(fā)現(xiàn),在螺釘固定頂端的皮質(zhì)骨內(nèi)區(qū)域的應(yīng)力分布最為集中,肱骨頭皮質(zhì)骨內(nèi)的剪切力隨著外展角度的增加而增加。因此建議術(shù)后患者盡量避免外展肩關(guān)節(jié)以減少應(yīng)力集中導(dǎo)致內(nèi)固定失效的可能性。Chen等[40]建立有限元模型,通過(guò)觀察應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)骨折塊嵌插增加了骨折的穩(wěn)定性并降低了植入物和骨骼中的應(yīng)力峰值,建議在手術(shù)過(guò)程中盡量復(fù)位骨折塊以增加固定的穩(wěn)定性。由于髓內(nèi)釘手術(shù)技術(shù)固定肱骨近端骨折的學(xué)習(xí)曲線時(shí)間較長(zhǎng),且使用范圍較窄,目前在生物力學(xué)及臨床研究中應(yīng)用相對(duì)較少。未來(lái)需要更多的生物力學(xué)試驗(yàn)及臨床研究評(píng)估髓內(nèi)釘治療肱骨近端骨折的穩(wěn)定性。應(yīng)用有限元分析可以為肱骨近端骨折患者選擇合適的髓內(nèi)釘提供參考,并為改進(jìn)髓內(nèi)釘設(shè)計(jì)提供建議。鎖定鋼板和髓內(nèi)釘兩種內(nèi)固定方式的選擇,目前仍存在爭(zhēng)議,仍需進(jìn)一步的生物力學(xué)研究及臨床病例分析比較,來(lái)證明最佳的內(nèi)固定方法。

3.3肩關(guān)節(jié)置換術(shù) 對(duì)于破碎嚴(yán)重、復(fù)位困難及血供破壞嚴(yán)重的肱骨近端骨折,肩關(guān)節(jié)置換術(shù)是較為合理的選擇。隨著肩關(guān)節(jié)置換手術(shù)適應(yīng)證的增加和患者年輕化,術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率也隨之增加,其推動(dòng)了肩關(guān)節(jié)置換相關(guān)生物力學(xué)的模擬建模和分析的進(jìn)展。目前有限元分析在肩關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用主要集中在對(duì)現(xiàn)有植入物穩(wěn)定性的評(píng)估及新植入物的設(shè)計(jì)。既往生物力學(xué)研究認(rèn)為下傾斜角度固定的關(guān)節(jié)盂假體可以提高假體固定的穩(wěn)定性,但在臨床應(yīng)用中[41-43],其效果仍然存在爭(zhēng)議。Chae等[44]通過(guò)有限元分析對(duì)比關(guān)節(jié)盂中立位和10°下傾斜固定,發(fā)現(xiàn)10°下傾斜固定顯示出較大的微動(dòng)和更高的應(yīng)力,因此他們認(rèn)為下傾斜固定可能對(duì)反向全肩關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體的初始穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。Caceres等[45]分析了肩袖缺損的有限元模型,發(fā)現(xiàn)肩袖缺陷的程度與肩峰撞擊和肩關(guān)節(jié)半脫位的發(fā)生率有關(guān),大多數(shù)的岡下肌缺損模型都存在后半脫位,而肩胛下肌缺損的模型都存在前半脫位,該試驗(yàn)闡明肩袖缺損對(duì)反向肩關(guān)節(jié)置換術(shù)后的肩部穩(wěn)定性至關(guān)重要,因此可以預(yù)測(cè)肩袖缺損患者術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。Sabesan等[46]創(chuàng)建了2種增強(qiáng)關(guān)節(jié)盂設(shè)計(jì)(楔形和階梯)的有限元模型,發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)楔形設(shè)計(jì)提供了更好的固定和應(yīng)力分布,微動(dòng)更少,對(duì)患者長(zhǎng)期使用起著重要作用。Sabesan等[47]通過(guò)有限元分析大結(jié)節(jié)愈合對(duì)反向肩關(guān)節(jié)置換術(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)外展或前屈時(shí)大結(jié)節(jié)愈合不影響反肩關(guān)節(jié)置換術(shù)的生物力學(xué),因此在手術(shù)過(guò)程中不必過(guò)度強(qiáng)調(diào)大結(jié)節(jié)愈合對(duì)肩關(guān)節(jié)置換術(shù)后的影響。有限元分析在肩關(guān)節(jié)假體穩(wěn)定性測(cè)試中的應(yīng)用指導(dǎo)臨床醫(yī)師選擇合適的假體及合理的放置位置,并預(yù)測(cè)置換術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生,Soltanmohammadi等[48]創(chuàng)建了具有代表性的健康、骨質(zhì)減少和骨質(zhì)疏松的肱骨有限元模型,對(duì)空心假體柄與實(shí)心假體柄的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)使用空心假體柄在骨植入力學(xué)方面有相對(duì)優(yōu)勢(shì),并表明骨質(zhì)疏松患者應(yīng)用實(shí)心假體柄時(shí)可能會(huì)在一定程度上產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng),而空心假體柄不僅能保持足夠的強(qiáng)度,還因?yàn)楦〉墓鼙诳梢赃M(jìn)一步減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)。再進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些模型后,未來(lái)的研究可以針對(duì)不同骨質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化植入物設(shè)計(jì),臨床醫(yī)師可以按照患者的具體情況選擇合適的植入物。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái),復(fù)雜的有限元分析軟件已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域得到完善和驗(yàn)證。有限元分析使用的計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)具有以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞綄?duì)骨折固定方法進(jìn)行系統(tǒng)、有效評(píng)估的潛力,同時(shí)考慮到“生物”變異性[49]。隨著有限元分析方法的改進(jìn)和相關(guān)計(jì)算能力的提高,越來(lái)越多的學(xué)者使用有限元分析方法進(jìn)行植入物設(shè)計(jì)、手術(shù)決策、患者管理及預(yù)測(cè)術(shù)后并發(fā)癥等。未來(lái)有限元分析在對(duì)肱骨近端骨折固定并發(fā)癥發(fā)生率的預(yù)測(cè)、幫助改進(jìn)相關(guān)指南、促進(jìn)骨科教育、優(yōu)化植入物設(shè)計(jì)等方面具有巨大潛力。

作者貢獻(xiàn)聲明：楊芳軍:資料整理,文章撰寫(xiě)和修改;王富洋:文章修改、審校、撰寫(xiě)指導(dǎo);楊存恒、王永澤:整理文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)收集;王鐵男:選題設(shè)計(jì)、文章修改及審校