钢板前置位及上置位固定锁骨骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.016

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

应力遮挡：在骨折的手术治疗中，固定物要切实可靠，应力遮挡在骨折后期对于骨折的恢复会产生不良影响，使骨折愈合过程中骨痂的生长缺少应力作用而导致骨重建的负平衡作用，从而导致骨结构紊乱、骨质疏松。

锁骨骨折并发症：包括感染、不愈合、畸形愈合、疼痛、肩关节活动受限、排异反应和局部触痛等，选择合适的修复方式以及合适的固定位置可以减少术后并发症的发生。

摘要

背景：不少学者对锁骨中段骨折钢板固定进行了生物力学研究，但有关钢板放置位置的研究不多。

目的：采用三维有限元模型观察钢板前置位及上置位固定锁骨骨折的生物力学特点。

方法：建立锁骨骨折重建钢板前置位固定和上置位固定的三维有限元模型，分析评价钢板上置位和前置位固定后的应力情况，在压缩、扭转和三点弯曲状况下观察钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况。

结果与结论：①在压缩状况下：钢板螺钉上置位组外固定的最大应力和骨折最大位移与钢板螺钉前置位组基本相同(P > 0.05)；②顺时扭转状况下：钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和骨折最大位移均小于前置位组(P < 0.05)；③逆时扭转状况下：钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力、骨折最大位移与前置位组基本一致(P > 0.05)；④三点弯曲状况下：钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力与前置位组基本相同(P > 0.05)；钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移大于前置位组(P < 0.05)；⑤结果表明：锁骨骨折重建钢板上置位固定比前置位固定更具优势。

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

ORCID: 0000-0001-9988-3744(王建明)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 锁骨骨折, 钢板, 内固定, 前置位, 上置位, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Many scholars researched the biomechanics of middle clavicle fracture plate fixation, but little researched the plate position.

OBJECTIVE: To observe the biomechanical characteristics of anterior and superior plates for clavicle fracture with three-dimensional finite element models.

METHODS: Three-dimensional finite element models of clavicle fracture with anterior and superior plates were established. The stress after anterior and superior plate fixation was analyzed. The maximum stress and displacement of plate fixation for clavicular fracture were observed under compression, torsion and three-point bending.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the compressed condition, the maximum stress and maximum fracture displacement were similar between the superior and anterior plate fixation (P > 0.05). (2) Under clockwise twist condition, the maximum stress and maximum fracture displacement were smaller in the superior plate fixation group than in the anterior plate fixation group (P < 0.05). (3) Under counterclockwise twist condition, the maximum stress and maximum fracture displacement were similar between the anterior and superior plate fixation groups (P > 0.05). (4) Under three-point bending condition, the maximum stress was similar between the superior and anterior plate fixation groups (P > 0.05). The maximum fracture displacement was bigger in the superior plate fixation group than in the anterior plate fixation group (P < 0.05). (5) These findings suggest that superior fixation of clavicle fracture reconstruction plate has more advantages than the anterior plate fixation.

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

Key words: Clavicle, Fractures, Bone, Internal Fixators, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘栋，王建明，张德刚，张锴，杜刚强. 钢板前置位及上置位固定锁骨骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(26): 3903-3908.

Liu Dong, Wang Jian-ming, Zhang De-gang, Zhang Kai, Du Gang-qiang. Finite element analysis of clavicle fracture with superior and anterior plate fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(26): 3903-3908.

图/表（结果） 4

2.1 钢板固定后的应力情况 正常锁骨的应力分布比较均匀，钢板固定后的锁骨出现一定的应力集中现象，钢板和螺钉是主要应力集中部位。

2.2 压缩状况下钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况 在压缩状况下，钢板螺钉上置位组的外固定最大应力和钢板螺钉前置位组的外固定最大应力比较，两者之间差异无显著性意义(P > 0.05)；钢板螺钉上置位组的外固定骨折最大位移和钢板螺钉前置位组的外固定骨折最大位移比较，两者之间差异亦无显著性意义(P > 0.05)，见表2。

2.3 顺时扭转状况下钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况 顺时扭转状况下，钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力低于前置位组的外固定最大应力，两者比较差异有显著性意义(P < 0.05)；钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移低于前置位组的骨折最大位移，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3。

2.4 逆时扭转状况下钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况 逆时扭转状况下，钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和前置位组的外固定最大应力比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移和前置位组的骨折最大位移比较，差异无显著性意义(P > 0.05)。表明逆时扭转状况下，钢板固定锁骨骨折前置位内固定和上置位内固定相比应力集中及骨折的最大位移相当，见表4。

2.5 三点弯曲状况下钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况 三点弯曲状况下，钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和前置位组的外固定最大应力比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移高于前置位组的骨折最大位移，两者之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。表明三点弯曲状况下，钢板固定锁骨骨折前置位内固定和上置位内固定相比外固定应力集中相当，但上置位组的骨折最大位移大于前置位，见表5。

参考文献

[1] 周淑平,石承瓒,范伟杰．锁骨骨折的治疗进展[J]．中外医学研究,2013,11(1): 152-153．
[2] Lazarus MD,Seon C.Fractures of the clavicle.//Rkwood CA Jr,Green DP.Fractures in adults.6th ed.Philadelphia: Lippincott,2006: 1213-1255.
[3] van der Meijden OA,Gaskill TR,et al.Treatment of clavicle fractures: Current concepts review.J Shoulder Elbow Surg. 2012;21(3):423-429.
[4] Toogood P,Horst P,Samagh S,et al. Clavicle fractures:a review of the literature and update on treatment.Phys Sportsmed. 2011;39(3):142-150.
[5] Robertson C,Celestre P,Mahar A,et al.Reconstruction plates for stabilization of mid-shaft clavicle fractures: Differences between nonlocked and locked plates in two different positions.J Shoulder Elbow Surg. 2009; 18(2):204-209.
[6] Kontautas E,Pijadin A,Vilkauskas A,et al.Biomechanical aspects of locking reconstruction plate positioning in osteosynthesis of transverse clavicle fracture. Medicina (Kaunas). 2012;48(2): 80-83.
[7] Little KJ,Riches PE,Fazzi UG.Biomechanical analysis of locked and non-locked plate fixation of the clavicle. Injury. 2012;43(6): 921-925.
[8] 元东铎,谭军.锁骨中段骨折保守治疗的长期疗效[J].中国矫形外科杂志,2010,18(16):1394.
[9] Canadian Orthopaedics Trauma Society.Nonoperative treatment compared with plate fixation of displaced midshaft clavicular fractures.A multicenter,randomized clinical trial.J Bone Joint Surg Am. 2010;8: 1866.
[10] 王远航,牛小林.锁骨折治疗的研究进展[J].中国煤炭工业医学杂志,2010,13(1):168-169.
[11] 马斌,叶高力.锁骨骨折几种内固定的比较与分析[J].国际医药卫生导报, 2011,17(9):1089-1091.
[12] 连学全,黄世民,庄耀明,等.克氏针固定锁骨的生物力学试验和临床疗效[J].中华骨科杂志,1994,14(3):163-164.
[13] Zlowodzki M,Zelle BA,Cole PA, et al. Treatment of acute midshaft clavicle fractures: systematic review of 2144 fractures: on behalf of the Evidence - Based Orthopaedic Trauma Working Group.J Orthop Trauma. 2009;7: 504-507.
[14] 刘明伟,黄海燕,廖小波.记忆接骨板治疗锁骨中段粉碎性骨折[J].骨与关节损伤杂志,2009,18(3):205-206.
[15] 吴邦耀,李长军,周续祥.带绊纽扣钢板与锁骨钩钢板治疗Neer Ⅱ型锁骨远端骨折的临床比较[J]. 中国矫形外科杂志,2010,18(22):1853-1857.
[16] 沈泽培,江晓兵,董枫,等.经皮微创锁定加压钢板固定治疗锁骨骨折[J].实用骨科杂志, 2007,13(6):355-357.
[17] 郝仕强,刘一帆,麦玉芳.锁骨钩钢板治疗锁骨远端骨折及肩锁关节脱位37例体会[J].广州医药,2013,44(1):10-11.
[18] 杨舒龙,杜胜利.同种异体肌腱重建喙锁韧带治疗TossyⅢ型肩锁关节脱位[J].中外医学研究,2011,9(13):34-35.
[19] 张锋,桑惠伊,张艳艳.成人锁骨骨折手术治疗的体会[J].按摩与康复医学,2012,3(11):99.
[20] Gonzalez torres LA,Gomez benito MJ,Doblare M,et al.Influence of the frequency of the external mechanical stimulus on bone healing: a computational study.Med Eng Phys. 2010;32(4): 363-371.
[21] Byrnien DP,Lacroix D,Prendergast PJ. Simulation of fracture healing in the tibia: mechanoregulation of cell activity using a lattice modeling approach.J Orthop Res. 2011;29(10): 1496-1503.
[22] Weis JA,Miga MI,Granero molto F,et al.A finite element inverse analysis to assess functional improvement during the fracture healing process.J Biomech. 2010; 43(3): 557-562.
[23] Gao J,Gong H,Huang X,et al.Relationship between microstructure,material distribution,and mechanical properties of sheep tibia during fracture healing process.Int J Med Sci. 2013;10(11):1560-1569.
[24] 周江军,朱治宇,赵敏,等.股骨骨折髓内钉置入内固定后1年骨愈合有限元模型的快速建立[J].中国组织工程研究, 2013,17(39):6926-6931.
[25] 康洪涛,仝允辉,杨茹萍,等.股骨颈骨折愈合后钉道植骨的生物力学意义[J].中国骨与关节损伤杂志,2011,26(4): 298-301.
[26] 王丽珍,赵峰,樊瑜波.新型带锁髓内钉在股骨粗隆间骨折愈合过程中的生物力学研究[J]. 医用生物力学, 2011, 26(4):305-309.
[27] Fan Y,Xiu K,Duan H,et al.Biomechanical and histological evaluation of the application of biodegradable poly-L-lactic cushion to the plate internal fixation for bone fracture healing.Clin Biomech (Bristol,Avon). 2008;23 Suppl 1: S7-S16.
[28] Fouad H.Effects of the bone - plate material and the presence of a gap between the fractured bone and plate on the predicted stresses at the fractured bone. Med Eng Phys. 2010;32(7):783-789.
[29] Wehner T,Claes L,Ignatius A,et al.Optimization of intramedullary nailing by numerical simulation of fracture healing.J Orthop Res. 2012;30(4): 569-573.
[30] 王一民,张晟,王博炜,等. 解剖型钢板与锁定钢板固定Sanders Ⅳ型跟骨骨折的有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2013,21(6): 602 - 607.
[31] 王志坤,夏虹,张余,等.枢椎齿突Ⅱ型骨折中空螺钉固定的三维有限元分析[J].中国临床解剖学杂志,2013,31(2): 205 - 209.
[32] 苏云山,任栋,王鹏程. 脊柱Denis B型骨折行单节段与双节段融合后生物力学强度比较[J].中华骨科杂志, 2013, 33(7): 748-754.
[33] Li QL,Li XZ,Liu Y,et al.Treatment of thoracolumbar fracture with pedicle screws at injury level: a biomechanical study based on three-dimensional finite element analysis.Eur J Orthop Surg Traumatol. 2013; 23(7): 775-780.
[34] 卢昌怀,余斌,陈辉强,等.正常步态下距骨三维有限元模型的建立及应力分析[J].南方医科大学学报,2010,30(10): 2273-2276.
[35] 姜广宗,李学锋,聂林,等.利用MIMICS和ABAUQS 建立正常人颈椎的三维有限元模型[J].中国矫形外科杂志, 2013,21(11): 1114-1120.
[36] Matsumoto T,Ohnishi I,Bessho M,et al. Prediction of vertebral strength under loading conditions occurring in activities of daily living using a computed tomography - based nonlinear finite element method.Spine(Phila Pa 1976). 2009;34(14):1464-1469.
[37] Wong C,Mikkelsen P,Hansen LB,et al. Finite element analysis of tibial fractures.Dan Med Bull. 2010;57(5): A4148.
[38] 庞智晖,樊粤光,何伟,等.股骨头坏死人工髋关节置换股骨柄假体的疲劳寿命分析[J].广东医学,2013,34(1): 54-56.
[39] Sohn HS,Shin SJ,Kim BY. Minimally invasive plate osteosynthesis using anterior-inferior plating of clavicular midshaft fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 2012;132(2): 239-244.

引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2014年8月至2015年12月在滨州医学院附属医院实验室完成。

1.3 材料

锁骨数据来源：选取1名身体健康的43岁男性志愿者，既往无外伤及手术史，无遗传病及慢性病史，拍片及CT扫描排除下颌骨病变。经患者同意后进行CT扫描，获得锁骨数据。患者知情并且同意。

1.4 方法

1.4.1 获取影像数据对健康志愿者的锁骨进行CT扫描，获得锁骨的CT扫描图像，图像以DICOM格式保存。

1.4.2 建立锁骨三维模型将健康志愿者锁骨的CT数据结果输入到Mimics处理软件中，通过编辑操作，构建正常锁骨的三维模型(见图1)，经过光滑等处理生成点云文件，将文件导入Solidword 软件，进行拟合曲面的处理，形成锁骨实体。并对锁骨实体进行有效性验证，在锁骨中段进行截骨，并以“零件”的形式进行保存。

1.4.3 建立重建钢板重建7孔钢板的相应参数为长0.86 cm、宽0.11 cm、厚0.29 cm、两孔之间间距为1 cm、孔直径为0.35 cm。在软件中构建重建钢板，步骤：在Solidwords 软件中根据上述参数设计钢板的长度和宽度，拉伸重建钢板厚度，根据设计的孔间距进行钢板打孔，所有螺孔制作完成后通过相应处理使钢板更加光滑。然后模拟骨折复位，在锁骨的前表面以及上表面上放置钢板并置钉处理，在骨折的远端和近端分别置入3个螺钉，先确定锁骨近端钢板上置位的螺孔，打孔深度为0.19 cm，按照同样方法构建其余螺孔。按照上述操作步骤进行钢板前置位的打孔。

1.4.4 构建螺钉三维模型在Solidwords软件中构建螺钉的三维模型，按照上述螺孔的直径确定相应螺钉的直径，构建螺钉实体，将构建的螺钉实体与钢板和锁骨进行钢板前置位重建及钢板上置位重建(见图2)。
1.4.5 材料属性钛合金、松质骨、皮质骨的弹性模量及泊松比见表1。

1.4.6 边界条件骨折断端界面接触的摩擦系数为1，钢板和骨界面的摩擦系数为0.35，螺钉和骨界面、螺钉和钢板直接均为绑定接触。

1.4.7 载荷和约束条件 ①轴向压缩：固定锁骨近端胸锁关节面，在锁骨长轴方向施加载荷，压力为200 N。②轴向扭转：固定锁骨近端，在锁骨的长轴方向施加载荷，扭矩为200 N•mm，分为顺时针旋转肩关节和逆时针旋转肩关节两种情况。③三点弯曲：模拟锁骨遭受暴力打击的状况，将锁骨近端和锁骨远端固定，X轴、Y轴和Z轴位移是0，锁骨中段施加载荷，压力为200 N。

1.5 主要观察指标 钢板上置位和前置位时钢板固定后的应力情况，在压缩、扭转和三点弯曲状况下钢板固定锁骨骨折的最大应力和位移情况。

1.6 统计学分析 所有数据输入SPSS 18.0软件进行处理，最大应力及最大位移的比较采用t 检验，取P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

锁骨骨折是临床上较常见的骨折，主要是由创伤引起，好发于年轻男性。绝大多数成年人的锁骨骨折出现在中段。锁骨中段骨折在锁骨骨折中最常见，占锁骨骨折的75%-80%^[8]，大多未外力间接打击引起，锁骨外1/3骨折占12%-15%^[9]，锁骨内1/3骨折比较少见。既往的研究主张保守治疗，最新研究表明，由于目前修复方式的完善以及内固定材料的不断改进，锁骨骨折手术治疗效果优于保守治疗^[10-11]。锁骨骨折的修复方式包括单纯克氏针内固定^[12]、钢板螺丝钉内固定^[13]、记忆合金环抱器内固定^[14]、锁骨钩钢板内固定以及经皮微创锁定加压钢板固定等^[15-16]，对于锁骨骨折合并韧带断裂的治疗，传统的方法生物固定作用欠佳^[17]，同种异体肌腱移植已取得成功^[18]。其中钢板螺钉内固定在临床上比较常用。锁骨骨折的并发症包括感染、不愈合、畸形愈合、疼痛、肩关节活动受限、排异反应和局部触痛等^[19]，选择合适的修复方式以及合适的固定位置可以减少术后并发症的发生。

随着计算机三维技术在游戏、影视、虚拟现实方面的应用日益广泛，单纯的刚体模型已经不能满足实际的需要，因此可变形物体的仿真已经成为现代计算机图形学中重要的研究课题之一。目前公认的对可变形模型进行模拟仿真的最好的方法依然是具有深厚物理背景的有限元方法。对于一些并不需要精确计算的场合，例如计算机三维变形动画、布料的模拟等，利用上述模型已经足够了；然而对于复杂、精确的可变形模型的计算，例如手术仿真，软组织的物理建模等，就不得不考虑使用有限元模型了。可见只要能解决速度问题，有限元方法是可变形模型仿真的最合适的候选。有限元仿真模型的精确度越来越高，由于有限元法在材料和载荷方面独特的特点，使其在骨科领域被广泛应用，尤其在骨折方面应用广泛。在骨折的愈合领域，有限元分析可以预测骨折愈合过程中的组织分化，骨折的生物力学环境是影响骨折愈合和组织分化的因素之一，有限元分析可以有效评价骨折愈合过程中骨痂的生物力学情况^[20-26]。三维有限元分析在骨折应用最多的是骨折固定物的优化设计以及骨折固定物的评价。在骨折的手术治疗中，固定物要切实可靠，应力遮挡在骨折后期对于骨折的恢复会产生不良影响，使骨折愈合过程中骨痂的生长缺少应力作用而导致骨重建的负平衡作用，从而导致骨结构紊乱、骨质疏松。应力遮挡的定量数据无法从传统方法中获得，三维有限元可以对各种材料进行生物力学分析，并指导各种材料在临床中的应用。大量研究对骨折中钢板固定进行了三维有限元分析^[27-31]，评价钢板内固定的效果，为临床骨折治疗中钢板内固定的应用提供了相关的生物力学依据。内固定术后的局部应力集中和内固定术后的并发症密切相关，局部的应力集中可以引起内固定的松动以及内固定的断裂等，三维有限元分析可以进行骨折内固定的应力分析，为临床内固定提供指导^[32-33]。三维有限元软件可以建立骨骼仿真模型，赋予其生物力学特性，对模型进行载荷、约束等，模拟扭转、弯曲及抗疲劳等生物力学研究，获得应力分布和位移变化情况，通过大量的三维有限元仿真模型的研究^[34-38]，发现三维有限元分析的生物力学结果和临床资料的生物力学结果具有一致性。三维有限元分析极大的丰富了骨折方面的临床和基础研究，减少了动物实验的工作量，在骨折钢板内固定方面研究对临床具有重要的指导意义。

对于锁骨骨折钢板内固定，有研究发现钢板前置入路治疗效果更好^[39]，但不足之处是对周围软组织损伤比较大，技术要求比较高，术后局部有不适的感觉，也有研究认为钢板上置位固定的生物力学稳定性更好，上置位固定的抗扭转性更强，更能够耐受疲劳。文章通过对钢板固定锁骨中段骨折在压缩、顺时扭转、逆时扭转、三点弯曲状况下的应力和位移情况进行分析，结果发现，在压缩状况下，钢板螺钉上置位组的外固定的最大应力和骨折最大位移与钢板螺钉前置位组的外固定的最大应力和骨折最大位移结果基本相同(P > 0.05)；顺时扭转状况下钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和骨折最大位移低于前置位组的外固定最大应力和骨折最大位移(P < 0.05)；逆时扭转状况下钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和前置位组的外固定最大应力结果基本一致(P > 0.05)；逆时扭转状况下钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移和前置位组的骨折最大位移比较，差异有显著性意义(P > 0.05)；三点弯曲状况下钢板固定锁骨骨折上置位组的外固定最大应力和前置位组的外固定最大应力结果基本相同(P > 0.05)；三点弯曲状况下钢板固定锁骨骨折上置位组的骨折最大位移高于前置位组的骨折最大位移(P < 0.05)。表明锁骨中段骨折钢板上置位固定在扭转和三点弯曲载荷下比前置位固定具有一定的优势。

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