有限元分析在肱骨近端骨折中的應用研究進展

楊芳軍,王富洋,楊存恒,王永澤,王鐵男

大連大學附屬中山醫院骨科,遼寧 大連 116001

有限元分析的核心是空間離散化:將復雜的幾何體劃分為簡單幾何形狀,這些被稱為元素的幾何形狀可以發生形變,通過預測其應力和應變可以計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結構中,從而將實際、復雜的幾何體進行簡化、理想化,進而分析求解。最初有限元創立被應用于航空航天領域,隨著計算方法的快速發展及有限元軟件不斷更新,現在有限元方法已被廣泛應用于各行各業。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,經過不斷發展,目前已被廣泛應用于四肢[3]、脊柱[4]、關節[5]及骨質疏松[6]等各個方面的研究,并且仍在繼續發展。目前,有限元分析在肱骨近端骨折中的應用越來越多,但相關綜述卻較少。因此本文就肱骨近端骨折模型建立、致傷機制、不同植入物的選擇及應用等方面進行綜述。

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行有限元分析的首要步驟,建立的模型與實際情況越接近,得到的實驗結論越可靠。建模的幾何參數是影響建模準確性的主要因素,其參數主要來源于尸體研究[7-8]、解剖圖譜[9]及影像數據[10]。利用尸體進行建模是早期肩關節模型建立的主要方法,其優點是充分的考慮到周圍骨骼、肌肉及韌帶對肩部運動的影響,可以很好地了解肩關節的形態結構功能。但是這種方法不僅復雜、費時耗力而且存在倫理相關問題,目前已較少應用。何仿[9]使用人體肩關節斷層解剖圖譜建立了人體肩關節三維有限元模型,并將該模型應用于探究肱骨骨折機制的研究。該研究認為在肩袖肌群中,岡上肌是影響肩關節外展穩定性的主要因素,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肩關節外展運動的影響,可以減少后期有限元分析的計算量。但是該方法可能因解剖圖譜不精確而與真實數據存在誤差。目前已廣泛利用影像相關數據建立有限元模型,使有限元模型的建立更加方便快捷且精準,但是大多數建立的模型僅考慮骨骼本身,而忽略周圍結構對模型的影響。冷昆鵬等[10]利用CT掃描數據快速建立了肱骨近端模型,通過分析生理狀態下肱骨近端的應力分布,發現肱骨外科頸內下側皮質區(即內側柱)應力分布較集中,明確了重建內側柱在肱骨近端骨折中的重要性。

關于肱骨近端骨折模型的建立,多依據Neer分型定義,兩部分骨折模型多在外科頸處建立一個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上對大結節進行縱向截骨,同理,四部分骨折則在三部分骨折的基礎上對小結節進行截骨。既往在尸體或人工合成肱骨的生物力學實驗中也是按照Neer分型定義對模型進行截骨[11-16],以上模型也代表臨床常見的肱骨近端骨折。肱骨近端骨折模型的建立為后期肱骨近端骨折機制的研究及不同植入物的選擇具有重要意義,也為進一步研究不同植入物材料的生物力學建立了基礎。

2 肱骨近端骨折的致傷機制

何仿等[17]對肱骨干在12個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機制和力學環境,認為肱骨外科頸和肱骨干交接處是應力集中區域,且最大應力集中在其前內側;相對于中立位,肱骨在內旋或外旋位置上承受更大的應力,且在外展外旋60°時最易發生骨折;肩關節30°～90°跌倒時,肱骨外科頸和肱骨近端易發生骨折,且骨折線由斜行逐漸變為橫行。以上結論與臨床觀察到的現象基本一致,也與基礎生物力學研究骨折機制基本吻合,該試驗應用有限元分析的方法對肱骨骨折機制進行測試與分析,證實了實驗生物力學的準確性,進一步加深了對肱骨近端骨折機制的理解,對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用

3.1鎖定鋼板 對于移位較大或不穩定的肱骨近端骨折以手術治療為主,手術方法的選擇以鎖定鋼板應用最多,有限元分析模型也以鎖定鋼板研究最為常見。鎖定鋼板在肱骨近端骨折中的作用主要有兩種優勢,首先為骨折提供適當的機械支撐促進骨折愈合,二是提供足夠的穩定性允許早期活動,但是與鎖定鋼板相關的并發癥一直居高不下,其中以螺釘穿出與螺釘切割最為常見[18]。有限元分析可以通過改進內固定材料和治療策略來減少相關并發癥[19-20]。鎖定鋼板固定肱骨近端骨折穩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、螺釘長度及內側柱的缺失。

3.1.1鋼板放置位置:既往研究多根據指南操作,但是具體操作細節不明確,因此導致許多并發癥。2019年Jabran等[21]通過生物力學研究分析認為大結節頂點下5～8 mm(以防止肩峰撞擊)、結間溝后2～4 mm(以保護血供)處是鋼板放置的最佳位置。Fletcher等[22]應用有限元分析認為鋼板放置位置距離大結節頂點太遠時,可能造成內側支撐螺釘無法置入而降低內固定的穩定性。徐健等[23]建議安放鋼板時應首先考慮內側支撐螺釘的位置,其次考慮鋼板放置位置,但建議鋼板放置不宜過近。

3.1.2近端螺釘分布:Schaer等[24]通過有限元分析評估鎖定鋼板中螺釘方向的角度,認為鎖定螺釘方向優化可以降低并發癥并增加內固定的穩定性。Fletcher等[25]建立有限元模型分析得出結論,螺釘數量的增加及肱骨距螺釘的使用可顯著降低低密度骨折內固定失效的風險。然而,Tilton等[26]研究發現在完全復位的骨折中,螺釘配置的變化對內固定的穩定性影響很小。因此近端螺釘布局對內固定穩定性的影響目前還存在爭議,還需進一步生物力學研究證實近端螺釘布局對肱骨近端骨折穩定性的影響。

3.1.3螺釘長度:Fletcher等[27]通過有限元分析螺釘長度對三部分肱骨近端骨折固定穩定性的影響,發現較長的內側支撐螺釘可以通過降低近端螺釘周圍的應力從而降低螺釘切割的概率。Ciric等[28]通過生物力學研究螺釘尖端到關節面距離對螺釘穿出的生物力學風險和肱骨近端骨折穩定性的影響,發現螺釘尖端距關節面5～8 mm為安全距離,而且在這個范圍內,使用相對較長的螺釘能防止螺釘松動,且不增加螺釘二次穿出的發生率。因此建議手術過程中可以選擇較長的螺釘以增加鎖定鋼板固定的穩定性,但是術中應該透視避免螺釘穿出關節面。

3.1.4內側柱缺失:造成鎖定鋼板內固定失效的另一個主要原因是肱骨近端內側柱的缺失[29- 30],因此重建內側柱對維持骨折穩定及減少術后并發癥是非常必要的。常見重建內側柱的方法包括肱骨距螺釘的使用、雙鋼板的應用及髓腔內植骨等。越來越多的有限元模型被建立起來,以找到重建內側柱的最佳方式。Kim等[31]和Lee等[32]分別建立肱骨近端骨折有限元模型,均證實肱骨距螺釘的使用可以提高三部分骨折的穩定性,同時加強內側柱支撐。Yang等[33]認為內側皮質的連續性和肱骨距螺釘支持都可增強骨折的穩定性,兩者結合可進一步提高其穩定性。He等[34]認為相比于肱骨距螺釘,直接在肱骨內側添加支撐可能是更加有效的策略,通過有限元分析外側鋼板聯合內側鋼板的生物力學特征,內側鋼板的應用為內側柱提供了強大的支持,并增加了骨折周圍區域的穩定性。Chen等[35]通過比較髓內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,觀察到兩者應力、位移分布無明顯差異,從而認為兩者的固定結構的功能結果類似。葛鴻慶等[36]建立有限元模型對以上3種重建內側柱的方法進行比較,聯合內側鋼板的雙鋼板最具生物力學優勢,而鎖定鋼板聯合異體腓骨重建內側柱力學穩定性則優于鎖定鋼板聯合肱骨距螺釘。以上所有生物力學都強調重建內側柱對內固定穩定的重要性,目前3種重建內側柱的方法都已在臨床應用,其中肱骨距螺釘及髓腔內植骨應用較多,雖然外側鋼板聯合內側鋼板可以直接實現內側柱的支撐,但在手術過程中需要過多剝離軟組織,損傷肱骨頭血供,且內側放置鋼板存在損傷肌皮神經及腋神經的可能,因此目前臨床應用較少。以上有限元分析結果都需要進一步生物力學驗證及相關臨床實驗研究驗證。

3.2髓內釘 髓內釘應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(彎曲設計)的髓內釘所觀察到的高并發癥發生率和再次手術率,限制大多數骨科醫師使用。相對于前兩代,第三代髓內釘(直行、鎖定)由于較高的骨折愈合率及較低的并發癥發生率目前已廣泛應用于臨床。但是術后肩袖損傷及慢性肩關節疼痛是常見的并發癥,Schwarz等[37]通過尸體生物力學研究發現,將髓內釘入口點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節慢性疼痛發生率。有限元分析作為力學試驗的有利補充,可以通過分析髓內釘在肱骨近端骨折固定的應力、位移等指標,評估髓內釘固定骨折的穩定性并改進固定方法及材料。Giudice等[38]建立髓內釘固定肱骨近端骨折的有限元模型,通過觀察骨髓腔-髓內釘接觸的應力,他們認為在手術中應該選擇相對較長的髓內釘固定肱骨近端骨折,這樣可以增加固定的穩定性。Feerick等[39]對髓內釘固定肱骨近端骨折模型研究發現,在螺釘固定頂端的皮質骨內區域的應力分布最為集中,肱骨頭皮質骨內的剪切力隨著外展角度的增加而增加。因此建議術后患者盡量避免外展肩關節以減少應力集中導致內固定失效的可能性。Chen等[40]建立有限元模型,通過觀察應力分布,發現骨折塊嵌插增加了骨折的穩定性并降低了植入物和骨骼中的應力峰值,建議在手術過程中盡量復位骨折塊以增加固定的穩定性。由于髓內釘手術技術固定肱骨近端骨折的學習曲線時間較長,且使用范圍較窄,目前在生物力學及臨床研究中應用相對較少。未來需要更多的生物力學試驗及臨床研究評估髓內釘治療肱骨近端骨折的穩定性。應用有限元分析可以為肱骨近端骨折患者選擇合適的髓內釘提供參考,并為改進髓內釘設計提供建議。鎖定鋼板和髓內釘兩種內固定方式的選擇,目前仍存在爭議,仍需進一步的生物力學研究及臨床病例分析比較,來證明最佳的內固定方法。

3.3肩關節置換術 對于破碎嚴重、復位困難及血供破壞嚴重的肱骨近端骨折,肩關節置換術是較為合理的選擇。隨著肩關節置換手術適應證的增加和患者年輕化,術后并發癥的發生率也隨之增加,其推動了肩關節置換相關生物力學的模擬建模和分析的進展。目前有限元分析在肩關節置換術中的應用主要集中在對現有植入物穩定性的評估及新植入物的設計。既往生物力學研究認為下傾斜角度固定的關節盂假體可以提高假體固定的穩定性,但在臨床應用中[41-43],其效果仍然存在爭議。Chae等[44]通過有限元分析對比關節盂中立位和10°下傾斜固定,發現10°下傾斜固定顯示出較大的微動和更高的應力,因此他們認為下傾斜固定可能對反向全肩關節置換術后假體的初始穩定性和使用壽命產生不利影響。Caceres等[45]分析了肩袖缺損的有限元模型,發現肩袖缺陷的程度與肩峰撞擊和肩關節半脫位的發生率有關,大多數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,該試驗闡明肩袖缺損對反向肩關節置換術后的肩部穩定性至關重要,因此可以預測肩袖缺損患者術后并發癥的發生率。Sabesan等[46]創建了2種增強關節盂設計(楔形和階梯)的有限元模型,發現增強楔形設計提供了更好的固定和應力分布,微動更少,對患者長期使用起著重要作用。Sabesan等[47]通過有限元分析大結節愈合對反向肩關節置換術的影響,發現外展或前屈時大結節愈合不影響反肩關節置換術的生物力學,因此在手術過程中不必過度強調大結節愈合對肩關節置換術后的影響。有限元分析在肩關節假體穩定性測試中的應用指導臨床醫師選擇合適的假體及合理的放置位置,并預測置換術后并發癥的發生,Soltanmohammadi等[48]創建了具有代表性的健康、骨質減少和骨質疏松的肱骨有限元模型,對空心假體柄與實心假體柄的結構進行分析,發現使用空心假體柄在骨植入力學方面有相對優勢,并表明骨質疏松患者應用實心假體柄時可能會在一定程度上產生應力遮擋效應,而空心假體柄不僅能保持足夠的強度,還因為更薄的管壁可以進一步減少應力遮擋效應。再進一步開發這些模型后,未來的研究可以針對不同骨質量進行調整優化植入物設計,臨床醫師可以按照患者的具體情況選擇合適的植入物。

4 結論與展望

近年來,復雜的有限元分析軟件已經在各個行業和領域得到完善和驗證。有限元分析使用的計算機模擬試驗具有以科學嚴謹的方式對骨折固定方法進行系統、有效評估的潛力,同時考慮到“生物”變異性[49]。隨著有限元分析方法的改進和相關計算能力的提高,越來越多的學者使用有限元分析方法進行植入物設計、手術決策、患者管理及預測術后并發癥等。未來有限元分析在對肱骨近端骨折固定并發癥發生率的預測、幫助改進相關指南、促進骨科教育、優化植入物設計等方面具有巨大潛力。

作者貢獻聲明：楊芳軍:資料整理,文章撰寫和修改;王富洋:文章修改、審校、撰寫指導;楊存恒、王永澤:整理文獻、數據收集;王鐵男:選題設計、文章修改及審校