髓内钉与锁定钢板治疗肱骨近端骨折的有限元分析

doi:10.12307/2024.085

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

肱骨近端骨折：指发生在肱骨外科颈远端1.0-2.0 cm至肱骨头关节面范围内的骨折。临床主要应用Neer分型，依据肱骨近端4个解剖部分(关节部分、大结节、小结节和肱骨干)的相对角度及相对位移进行分型。当各部分位移≥1 cm或角度≥45°时，骨折被定义为移位性骨折(二部分、三部分或四部分骨折)，未达到上述标准即为一部分骨折。
有限元分析：是将复杂的几何体划分为简单几何形状，通过预测其应力和应变可以计算出代表几何形状模型的力-位移方程，然后将其组装到整个结构中，从而将实际、复杂的几何体进行简化、理想化，进而分析求解。

背景：髓内钉及锁定钢板治疗肱骨近端骨折在临床中应用广泛，但其内固定方式选择尚未达成共识。

目的：通过有限元分析比较髓内钉与锁定钢板治疗两部分及三部分肱骨近端骨折的生物力学稳定性。
方法：收集1名志愿者肱骨CT数据，导入Minics 21.0、Geomagic Wrap、SoildWork 2017及Abaqus 2021中，建立两种内固定方式治疗两部分及三部分骨折的有限元模型，分别为A组(髓内钉固定两部分骨折)、B组(锁定钢板固定两部分骨折)、C组(髓内钉固定三部分骨折)、D组(锁定钢板固定三部分骨折)，对比分析肱骨及内固定物的应力分布、位移程度及其最大值。

结果与结论：①A组模型中肱骨的最大应力及最大位移值最小，D组模型中肱骨的最大应力及最大位移值最大，锁定钢板组应力主要集中在肱骨头内侧下方及螺钉孔区域，而髓内钉组应力主要集中在骨折线周围及肱骨外科颈外侧下方区域，两者位移分布无明显差异，主要集中在肱骨远端；②A组模型中髓内钉的最大应力值最小，D组模型中锁定钢板的最大应力值最大，两种内固定的最大应力均主要集中在肱骨距螺钉及与内固定连接处，锁定钢板的应力云图分布集中，而髓内钉的应力云图分布更均匀；③结果显示，相比于锁定钢板，髓内钉更具有生物力学优势，这种优势在三部分骨折中更明显。

https://orcid.org/0009-0003-3001-1528 (杨芳军)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 肱骨近端骨折, Neer分型, 髓内钉, 锁定钢板, 生物力学, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Intramedullary nails and locking plates are widely used in the treatment of proximal humeral fractures, but there is no consensus on the choice of internal fixation.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical stability of intramedullary nails and locking plates in the treatment of two-part and three-part proximal humeral fractures by finite element analysis.
METHODS: CT data of the humerus of a volunteer were collected and imported into Minics 21.0, Geomagic Wrap, Soildwork 2017, and Abaqus 2021 to establish finite element models of two-part and three-part fractures treated with two internal fixation methods, respectively. Group A: two-part fracture fixed with intramedullary nail model; group B: two-part fracture fixed with locking plate model; group C: three-part fracture fixed with intramedullary nail model; group D: three-part fracture fixed with locking plate model. The stress distribution, displacement degree, and maximum value of the humerus and internal fixation were compared and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum stress and maximum displacement of the humerus were the smallest in the model of group A, and the maximum stress and maximum displacement of the humerus were the largest in the model of group D. The stress of the locking plate group was mainly concentrated in the medial inferior part of the humeral head and the screw hole area, while the stress of the intramedullary nail group was mainly concentrated around the fracture line and the lateral inferior part of the surgical neck of the humerus. There is no significant difference in displacement distribution between the two. It is mainly concentrated in the distal humerus. (2) The maximum stress value of the intramedullary nail was the lowest in the model of group A, and the maximum stress value of the locking plate was the highest in the model of group D. The maximum stress of the two internal fixations was mainly concentrated in the talar screw and the connection with the internal fixation. The stress cloud distribution of the locking steel plate was concentrated, while the stress cloud distribution of the intramedullary nail was more uniform. (3) The results showed that compared with the locking plate, the intramedullary nail had more biomechanical advantages, and this advantage was more obvious in three-part fractures.

Key words: proximal humeral fracture, Neer classification, intramedullary nail, locking plate, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

杨芳军, 王富洋, 苏云, 王永泽, 杨存恒, 王铁男. 髓内钉与锁定钢板治疗肱骨近端骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(21): 3313-3318.

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图/表（结果） 2

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引言

肱骨近端骨折的发生率在所有骨折中占4%-10%不等[1]，其中老年、女性及骨质疏松和骨折的发生密切相关[2]。就损伤暴力而言，以间接暴力导致的低能量损伤最常见，主要发生在老年人群中，而高能量损伤引起的骨折较少见，主要发生在年轻人群中。对于其分型，临床应用最为广泛的是Neer分型，其主要依据肱骨近端4个解剖部分(关节部分、大结节、小结节和肱骨干)的相对角度及相对位移进行分型，与骨折线数量的多少无关。当各部分位移≥1 cm或角度≥45°时，骨折被定义为移位性骨折(二部分、三部分或四部分骨折)，未达到上述标准即为一部分骨折[3]。
对于移位较大或者不稳定的肱骨近端骨折而言，采用手术治疗在临床上达成共识，以髓内钉和锁定钢板的应用最为广泛[4-6]。既往在临床上对锁定钢板及髓内钉固定肱骨近端骨折进行了大量的对比研究[7-10]，希望能找到固定肱骨近端骨折的最佳方式，但其研究结果存在争议。通过对以上两种内固定方法固定肱骨近端骨折进行生物力学分析与比较，可以为肱骨近端骨折内固定方式的选择提供非常有价值的参考。既往大多数生物力学的研究材料来源于尸体或合成骨[11-13]，这不仅会导致巨大的成本及伦理相关问题，而且费时、耗力。有限元分析不仅可以避免以上问题，更加精确地进行生物力学分析研究，而且更加高效且便宜[14-20]。目前尚未有研究应用有限元方法从生物力学角度证明这两种固定方式的特点。
此文主要通过应用有限元分析方法，对比髓内钉和锁定钢板固定两部分及三部分肱骨近端骨折的生物力学稳定性，为该部位两部分及三部分骨折选择合理的内固定方法提供理论依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2023年1-3月在大连大学附属中山医院骨科开展。
1.3 对象收集1名健康男性成年志愿者左肱骨CT数据(年龄25岁，身高171 cm，体质量73 kg)，通过临床体格检查及相关影像学检查排除创伤、畸形、发育不良及其相关的全身系统性疾病等病史。详细告知志愿者研究的实验方案及相关内容后，取得本人知情同意并签订了知情同意书，实验开展符合大连大学附属中山医院的相关伦理要求(医院伦理批件号：KY2023-021-1，审批时间：2023-05-04 )。
1.4 材料
1.4.1 试验设备及软件 64 排螺旋 CT 机 (飞利浦公司)；联想小新Pro16笔记本电脑；操作系统：Windows11 64位操作系统；Mimics 21.0(Materialise公司)；Geomagic Wrap (Geomagic公司 )；SolidWorks 2017及Abaqus 2021(Dassault公司)。
1.4.2 相关内固定物髓内钉(主钉长度180 mm，主钉直径9 mm；近端锁钉：长度36-50 mm，直径4.5 mm；远端锁钉：长度30 mm，直径4 mm)；锁定钢板(钢板长度114 mm，厚度3.7 mm；近端锁钉：长度36-60 mm，直径3.5 mm；远端锁钉：长度30 mm，直径3.5 mm)。以上内固定材质均为钛合金。
1.5 方法
1.5.1 肱骨近端三维模型的建立对志愿者左肱骨进行连续横断面扫描，扫描所获得图像数据以DICOM格式进行保存。将保存的数据导入 Mimics 21.0 软件中，通过应用阈值分割、擦除、填充等功能得到肱骨三维模型，利用切割功能在肱骨髁上方5 cm处进行水平截骨，得到的肱骨近端模型以STL格式保存在指定文件夹。将模型导入Geomagic Wrap软件中，通过重划网格、删除及填充功能完成对模型的优化处理；应用构建格栅、拟合曲面等功能完成对模型的曲面重建过程。
1.5.2 骨折模型的建立按照既往在尸体或合成肱骨的生物力学实验中对模型进行截骨[21-23]，两部分骨折模型在外科颈水平建立无间隙、紧密接触的骨折面(角度与水平面平行)；三部分骨折在上述两部分骨折的基础上对大结节进行纵向截骨(角度与纵轴平行)，得到两部分及三部分骨折模型。

1.5.3 内固定模型的建立与装配在SolidWorks 2017软件中，以肱骨近端为基准面，绘制出与骨折模型相匹配的内固定物模型(髓内钉和锁定钢板)，螺钉及杆用光滑的圆柱替代，省略螺纹。按照内固定原则及手术操作的基本规范，将得到的两部分及三部分骨折模型与两组内固定物在装配界面进行装配，得到4组内固定模型图，如图1所示，将完成装配的4组内固定模型以inp格式分别保存。

1.5.4 材料参数将肱骨及内固定物均设置为各向均质的弹性材料，髓内钉与螺钉、锁定钢板与螺钉、螺钉与骨界面之间以及肱骨皮质骨与松质骨之间设置为绑定关系；锁定钢板与骨界面设定为不接触状态；肱骨与髓内钉、骨折断面之间的接触关系均设置为摩擦，摩擦系数均为0.2[24-25]。具体参数见表1。在Abaqus 2021软件中，对模型采用(C3D4)网格划分，具体数据见表2。

1.5.5 加载负荷与评价标准参考何仿等[26]模拟成人摔倒时确定的肱骨近端骨折力的加载方式，即经肱骨大结节施加50 N水平载荷，并同时在肱骨远端施加200 N轴向载荷(图2)。评价标准定义为在相同力学载荷条件下比较肱骨及内固定物的应力、位移及其最大值。

1.6 主要观察指标各组模型中肱骨及内固定的应力、位移分布及其最大值。

讨论

髓内钉与锁定钢板治疗肱骨近端骨折一直是临床及生物力学研究中的热点，其研究结果一直存在争议。对锁定钢板进行的一项研究表明锁定钢板在肱骨近端骨折复位中具有很高的稳定性[27]，可以从多个角度进行支撑和固定，并且可以防止骨质疏松症患者骨折复位后的骨质流失。JIA等[28]研究发现使用与肱骨生物力学高度符合的髓内钉固定可减少软组织的损伤，有效保护骨折端的血供，减少受损肱骨头的血供破坏。以上2项研究结果表明了2种内固定材料治疗肱骨近端骨折有其各自的优点，但是在临床实际应用过程中却出现各种相关并发症。既往应用尸体或合成骨进行的生物力学研究表明，在锁定钢板和髓内钉之间的比较中，使用不同的变形力和应用方法进行评估，结果存在争议。2项研究显示锁定钢板具有生物力学优势[29-30]，4项研究结果表明髓内钉具有生物力学优势[31-34]，只有HESSMANN等[35]发现两者之间没有区别。由于在以上生物力学研究中，研究材料、研究方法及力的加载方法不同，生物力学研究显示出很大的差异性，上述2种内固定方法哪种更有效还有待确定。在此次研究中采用有限元分析对其进行研究，利用具体的数值及应力位移云图对2种内固定进行对比评价，为临床提供参考。
既往已有大量有限元分析的文章对锁定钢板固定肱骨近端骨折进行了研究。FLETCHER等[36]通过建立锁定钢板固定肱骨近端骨折的有限元模型，研究锁定钢板位置对内固定稳定性的影响，得出适当地向近端移位锁定钢板不仅可以降低周围螺钉应力分布，而且极大地增加了内固定的稳定性。冷昆鹏等[37]通过建立肱骨近端三维有限元模型并进行生物力学分析，明确了肱骨距和肱骨干外侧为应力集中区域，提示内固定治疗肱骨近端骨折时，应注意在保证肱骨干张力侧支持的条件下，注重外科颈内下侧皮质完整的重要性，恢复肱骨距的支撑。KIM等[38]和LEE等[39]分别建立锁定钢板固定肱骨近端骨折的有限元模型，均证实了在应用锁定钢板固定肱骨近端骨折时，肱骨距螺钉的使用可以提高三部分骨折的稳定性，同时加强了内侧柱支撑。临床实际应用中可以借鉴以上有限元分析的结果，通过调整放置钢板的位置、应用肱骨距螺钉及调整近端螺钉布局等增加锁定钢板固定肱骨近端骨折的稳定性。此次实验中的内固定模型也应用了肱骨距螺钉来提高内固定的稳定性，避免因内侧柱的缺失对结果造成影响。
髓内钉固定肱骨近端的有限元模型研究相对较少。FEERICK等[40]重建髓内钉固定肱骨近端骨折的有限元模型发现，应力分布在螺钉固定顶端的皮质骨内区域最集中，肱骨头皮质骨内的剪切力随着外展角度的增加而增加，因此建议患者术后尽量避免肩关节外展以减少应力集中导致内固定失效的可能性。CHEN等[41]应用髓内钉及锁定钢板固定肱骨近端的有限元模型，通过观察应力分布，发现嵌塞骨折增加了骨折的稳定性并降低了植入物和骨骼中的峰值应力。建议在手术过程中尽量复位骨折块以增加固定的稳定性。GIUDICE等[42]构建了髓内钉固定肱骨近端骨折的有限元模型，通过观察骨髓腔-髓内钉接触的应力分布，认为选择相对较长的髓内钉固定肱骨近端骨折可以增加固定的稳定性。以上结果通过基础生物力学实验进行验证后可以为临床选择合适的髓内钉提供理论支持。
由于四部分骨折在闭合复位条件下复位困难，所以目前临床上应用髓内钉治疗四部分肱骨近端骨折较少，此次研究仅对两部分及三部分骨折进行了讨论。与以往生物力学研究不同的是，此次研究首次应用有限元方法对髓内钉与锁定钢板进行对比，比较了在不同骨折类型条件下对内固定稳定性的影响。
对于肱骨的应力及位移分布来说，在相同的力学载荷条件下可以观察到：4组模型中肱骨的应力及位移云图分布差异不显著，这表明髓内钉与锁定钢板对两部分及三部分骨折均有稳定可靠的固定效果，两者均可选择。这与RODERER等[13]在临床中进行的随机对照试验结果相一致，即便该临床研究纳入的年龄标准并没有考虑不同骨质量的影响，但是对于结果而言并没有影响。各组模型中A组肱骨的最大应力及最大位移值最小，D组肱骨的最大应力及最大位移值最大。从图3中观察到，随着骨折复杂程度的增加，肱骨的最大应力及最大位移值增加，这说明相对于三部分骨折，两部分骨折的固定效果更加稳定可靠。在骨折类型相同的条件下，锁定钢板组中肱骨的最大应力及最大位移值均大于髓内钉组，且两者应力分布范围不同，髓内钉组中肱骨的应力主要集中在骨折线周围及肱骨外科颈外侧下方区域，而锁定钢板组中肱骨的应力主要集中在肱骨头内侧下方及螺钉孔区域。由于髓内钉固定肱骨近端骨折时肱骨的应力分布主要集中在骨折线周围，而临床应用髓内钉固定肱骨近端骨折时常为闭合复位，复位过程中可能存在复位不完全甚至复位丢失而导致内固定失效，许多术后相关并发症均与骨折复位不完全有关，因此在应用髓内钉固定骨折时，应重点关注闭合复位的质量；在应用锁定钢板固定肱骨近端骨折时，观察到肱骨近端内侧下方(内侧柱)为应力集中区域，这与临床上观察到的现象相一致，因为此处为皮质骨与松质骨交界区域，骨折时容易导致内侧柱的骨质压缩、丢失，因此在钢板固定肱骨近端骨质时应重点关注内侧柱，注重恢复内侧柱的完整性，避免内侧柱压缩、丢失导致内翻畸形等并发症的出现。
对于内固定材料的应力、位移分布来说，在骨折类型相同的条件下，可以观察到锁定钢板的最大应力值大于髓内钉，两者最大应力的分布范围相似，主要集中在肱骨距螺钉及与内固定接触的区域，通过应用肱骨距螺钉分散内固定物及其他螺钉的应力，使内固定整体应力分布更加均匀，减少了螺钉切割、内翻畸形和二次手术的可能性。锁定钢板的应力云图分布集中，髓内钉的应力云图分布相对更分散，说明相比于锁定钢板，髓内钉更具有生物力学优势，且随着骨质疏松及骨折程度的增加这种优势更加显著。LIN等[15]进行的一项临床研究同样表明相比于锁定钢板，髓内钉临床的结果优于锁定钢板；两者位移云图分布无明显差异，均位于内固定材料远端部分，但由于髓内钉长度更长，所以导致数值较大，其实就整体位移大小来看，位移分布无明显差异。
综上所述，该研究表明相比于锁定钢板，髓内钉固定两部分及三部分肱骨近端骨折更具有生物力学优势，这种优势在三部分骨折中更明显。
有限元方法作为实验力学的有力补充，目前已广泛应用在医学领域，但是有限元分析过程复杂，容易在细节上产生错误，这可能会得到具有误导性的结果。一是大多数研究都对肱骨近端模型进行了简化，忽略周围骨骼、肌肉、韧带等结构的影响，而且大多数研究都没有进行体内验证，仅在体外环境中进行模型验证，因此必须始终谨慎解释结果并需要临床证实。二是大多数模型是按照骨折分类标准建立的骨折，相关数据来源于健康成年人，而不是特定骨折的患者。三是骨骼及其周围组织相关的材料特性与实际情况仍存在一定误差，应该进行更多的研究以获得更真实的数据。大多数的有限元分析仅仅是基础实验研究，而不是临床研究，经过反复验证的、可信度高的生物力学模型应该应用于临床。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程