锁骨中段骨折修复：重建钢板前置与上置的生物力学差异

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.53.022

摘要/Abstract

摘要：

背景：锁骨位置表浅，受到外界的应力极易发生骨折，重建钢板内固定是一种常用的修复方式，但钢板放置的最佳位置尚无统一观点。
目的：采用有限元方法对比分析锁骨中段斜行骨折前置位和上置位重建钢板内固定的生物力学数据，以寻找更加有效的钢板放置位置。
方法：从2012年9月至2013年9月在接受体检的健康群体中随机选择6名健康男性进行研究，均予以锁骨螺旋CT扫描，利用三维有限元方法，建立锁骨中段骨折重建钢板上置位和前置位内固定的三维有限元模型，并模拟不同的工况，对相关生物力学数据进行比较分析。
结果与结论：压缩工况下，前置位和上置位各生物力学相关指标比较差异均无显著性意义(P均> 0.05)；顺时针扭转和弯曲时，前置位最大应力显著大于上置位，差异有显著性意义(P < 0.05)，但骨折块最大综合位移比较二者差异无显著性意义(P > 0.05)；逆时针扭转工况下，逆时针扭转和弯曲时，二者各指标数值比较差异均无显著性意义(P > 0.05)；如果在弯曲工况条件下，位移方面两种位置比较差异无显著性意义(P > 0.05)，但在骨折断端应力和内固定应力方面，前置位均显著大于上置位，具有更明显的应力集中效应，差异均有显著性意义(P均 < 0.05)。提示利用重建钢板前置与上置内固定修复锁骨中段骨折会出现一定的生物力学差异，其中，采用重建钢板前置内固定是一种较为可靠的治疗方法。

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

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 锁骨中段骨折, 重建钢板前置, 重建钢板上置, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Clavicle has a superficial location and is prone to fracture caused by external stress. Reconstruction plate repair is a common mode of treatment, but the best location of the plate placed remains controversial.
OBJECTIVE: This study aims to compare biomechanical data between anterior and superior reconstruction plate fixation for treating the mid-clavicle oblique fracture using the finite element method, so as to find more effective plate position.
METHODS: Six healthy men accepting medical examination in our hospital from September 2012 to September 2013 were selected and were detected with clavicular spiral CT scanning. Three-dimensional finite element method was used to establish three-dimensional finite element models for anterior and superior reconstruction plate fixation in treatment of mid-clavicle oblique fracture. Different situations were simulated to compare biomechanical data.
RESULTS AND CONCLUSION: There was no significant difference in the indexes of biomechanics between the anterior and the superior positions under the compression condition (P > 0.05). Under the conditions of clockwise torsion and bending, the maximal stress at the anterior position was significantly higher than that at the superior position (P < 0.05), but no significant difference was found in the maximum displacement of fracture block (P > 0.05). Under counterclockwise torsion and bending conditions, the two positions showed no significant difference in the detected indexes (P > 0.05); no statistically significant differences were found in the displacement under bending condition (P > 0.05), but the internal fixation stress and fracture stress at the anterior position were significantly higher than that at the superior position, and anterior position had more obvious stress concentration effect (P < 0.05). Reconstruction plate at the two positions may cause different biomechanical data in treatment of clavicle fractures, and anterior plate fixation is more reliable.

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Key words: clavicle, fracture, internal fixators, stress, biomechanics

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 2

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引言

锁骨为上肢上带与躯区连接的惟一骨性结构，是有两个弯曲的长骨，位置表浅，桥架于胸骨与肩峰之间，是肩胛带同上肢与躯干间的骨性联系，易遭受外力发生骨折^[1-2]。锁骨中段骨折是一种常见的骨折类型，又称缺盆骨骨折伤、锁子骨断伤、井栏骨折断等，其发病的主要部位在锁骨中1/3处。近年来，随着人们生活水平的不断提高，工业、建筑业、交通运输业的高速发展，锁骨骨折的发生率也越来越高，且大多是由于高能量作用所致的^[3]。临床对锁骨中段骨折进行治疗的过程中，可以采用“8”字绷带或悬吊固定等保守治疗的方式，用“8”字绷带或“T”形夹板或三角巾悬吊者，均可下地活动。用“8”字绷带或“T”夹板者，须注意固定要牢，腋下不要压迫太紧，日间活动不要过多，尽量卧床休息，保持夹板不要移位，此夹板之纵形立棍固定在腰部，可控制夹板不使移位^[4]。使用“8”字绷带者，有时也可加三角巾悬吊患肢，以防止患肢下垂，增加舒适。但采用保守方式进行治疗，外固定容易松动使骨折移位，从而导致骨折畸形愈合。患者在接受外固定时，固定姿态及固定时间长使患者痛苦，不愿接受，整体性治疗效果不佳^[5-6]。重建钢板因其较好的初性、可根据骨豁的形状来预弯，临床上较多的应用于锁骨中段骨折的治疗。钢板固定是按照骨折固定的基本原则，通过直接复位和骨折端加压达到生物力学稳定，患者术后可以早期活动。目前，临床治疗大多采用的是重建钢板治疗的方式^[7]。但是，利用重建钢板对锁骨中段骨折进行治疗的时候，可以选择前置或者上置等不同的放置位置。对于钢板的最佳放置位置，目前尚且没有一个统一认识。

近年来，有限元数值模型分析技术开始逐渐被应用于生物医学领域，极大的促进了现代医学的发展。有限元数值模型分析技术将现代数学、力学的基础理论与有限元分析技术、计算机图形学和优化技术相结合，具有丰富、完善的单元库、材料模型库和求解器，可利用数值模拟技术高效求解各类结构动力、静力和线性、非线性问题。将其应用于骨科领域，可以更好的进行各种骨科生物力学分析，对各种生物力学强度进行数值模拟分析，较精确地掌握各点的受力情况，了解内部应力应变的分布规律，获得应力应变分布图等，从而更好的指导临床治疗^[8]。

因此，文章选择6名健康男性进行研究，利用有限元方法，获得研究对象锁骨中段斜行骨折经重建钢板前置与上置位内固定治疗之后的生物力学相关数据。并分析各自的生物力学稳定性及生物力学强度，以探讨锁骨中段骨折治疗中重建钢板前置与上置内固定治疗的生物力学差异，比较两种不同内固定方式的优劣。

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
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材料方法

设计：三维有限元分析。

时间及地点：于2012年9月至2013年9月在解放军北京军区总医院完成。

对象：从2012年9月至2013年9月在解放军北京军区总医院接受体检的健康群体中随机选择6名健康男性进行研究，年龄17-81岁，平均(39.1±2.3)岁。所有患者均无锁骨外伤及其他疾病史，且了解研究相关情况，并签署知情同意书，自愿参与研究。本研究获得医院医学伦理学相关部门同意。

方法：

有限元模型建立：利用64排螺旋CT机(德国SIEMENS公司)对6名研究对象进行锁骨CT扫描，层厚1 mm，所得数据以DICOM格式进行保存，然后导入有限元分析软件ANSYS 13.0(美国ANSYS公司)中，按照不同组织灰度值的差异，进行阈值化分、增长等操作，建立三维模型，并导入Solidworks2010软件(法国Dassault Systemes公司)进行处理。假设锁骨中段出现斜行移位骨折，分别以“零件”形式保存将骨折两断端。参照《威高骨科创伤产品目录》中相关具体的参数，构建钢板及螺钉的三维模型。将绘制的螺钉实体与钢板以及复位后的锁骨装配体进行分别配合，对各实体零件进行重新组装，分为前置位和上置位两组，并妥善保存待用。

材料属性：利用有限元分析软件，对2种位置的内固定模型进行处理，可得锁骨中段骨折重建钢板上置位和前置位内固定的三维有限元模型，见图1。

假设研究中用到的各种材料均为均质，各向同性。材料属性具体数值根据Ansys 13.0材料库里的皮质骨、松质骨以及钛合金参数定义分别定义，有限元模型材料参数具体数值见表1，划分网格后得到的节点和单元数见表2。

负荷条件：①轴向扭转。按照肩关节旋转的实际情况，分为顺时针、逆时针两种扭转情况。固定近端，并沿长轴方向施以扭矩200 N·mm。②轴向压缩。以锁骨远端为着力点，假设近端固定，沿长轴方向施加轴向压力200 N。③三点弯曲。向锁骨中段施加200 N压力。

主要观察指标：记录不同工况下上置位和前置位各项指标的具体情况，并进行比较，包括：①不同内固定位置的应力分布、最大应力、应力集中情况。②不同内固定位置和正常锁骨的应力分布云图比较情况。③不同情况下，骨折断端的最大位移。

统计学分析：研究所得数据均输入Excel表格，建立数据库，并使用SPSS公司推出的SPSS 15.0软件进行统计分析，研究所得计数资料均进行χ²检验，计量资料均进行t 检验，并以x(_)±s表示。并对P值进行检测，如果可得P < 0.05，则视为差异有显著性意义。

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讨论

锁骨是有两个弯曲的长骨，位置表浅，桥架于胸骨与肩峰之间，是肩胛带同上肢与躯干间的骨性联系^[9]。锁骨呈“~”形，内侧段前凸，且有胸锁乳突肌和胸大肌附着，外侧段后突，有三角肌和斜方肌附着。锁骨骨折是一类很常见的骨科疾病，锁骨骨折中，锁骨中1/3骨折最常见，传统治疗锁骨骨折常常采用非手术治疗也就是保守治疗和手术治疗^[10-11]。其中，保守治疗锁骨骨折多采用“8”字绷带或石膏外固定，但外固定容易松动使骨折移位。且由于肩关节活动的牵拉，锁骨骨折不易维持整复位置，从而导致骨折畸形愈合^[12]。

目前，临床常用的手术治疗方式为重建钢板内固定。手术治疗锁骨骨折的时候，大多采用的是髓内固定或者髓外固定^[13]。而重建钢板具有特殊的设计和形状，具有良好的韧性，可以按照患者骨骼的形状进行预弯^[14]。因此可以更好的满足锁骨的外观要求。尤其对一些较为严重的锁骨骨折类型，例如粉碎性和存在明显移位的锁骨类型患者，利用重建钢板进行内固定治疗可以获得良好的效果^[15-16]。治疗过程中，钢板和骨面紧密贴合，具有良好的弯曲应力、旋转应力对抗效果，因此内固定效果良好。尤其是长斜行和粉碎性锁骨骨折患者，治疗时需要利用多孔长钢板进行固定，此时借助钢板的多轴弯曲，可以顺利的完成治疗^[17-19]。但是，在决定钢板放置位置的时候，存在一定的难度^[20]。在进行钢板重建内固定治疗的过程中，对于钢板的最佳放置位置，目前尚且缺乏统一的观点。曹军社等^[21]认为，利用前置重建钢板内固定对成人锁骨中段骨折患者进行治疗，可以获得满意的效果。赵燕鹏等^[22]则认为，利用重建钢板对锁骨中段复杂骨折进行治疗的时候，如果保证骨折断端两侧至3枚双皮质骨螺钉，则在骨折愈合时间、并发症、Constant-Murley评分等临床疗效方面，钢板置于前方和置于上方治疗差异无显著性意义。作者认为，进行锁骨干骨折切开复位的时候，实施钢板上置的过程中，操作较为简单，但有可能会对锁骨下的血管神经产生一定的损伤。而较之钢板上置，钢板前置在塑形方面的难度更小，和骨面的贴合效果更好。且治疗过程中螺钉是按照从前向后的方式置入的，因此可以显著少出现锁骨下神经血管和胸膜损伤的风险，减少各种不必要的损伤，提高治疗的安全性。而且，从前方进行置入治疗的时候，在相对面积较大的软组织和皮肤的覆盖下，治疗过程中可以对钢板和螺钉进行更好的覆盖。于是，因内固定各种操作对皮肤造成的的刺激显著减少，患者在术后出现各种感染的风险也随之显著降低^[23-24]。为了更好的验证作者的观点，需要结合具体的研究和模拟进行分析，以更好的了解不同放置位置的实际效果以及相关影响等。随着时代的发展，各种新型的数字医学技术开始不断的涌现出来，并被应用到各种医学研究之中。三维有限元方法即为一种新型的研究方法，是利用数学的形式概括事件的各种条件和性能，并进行重复分析计算的研究方法^[25-26]。将其应用于骨科生物力学的研究之中，可以发挥出十分重要的作用^[27-28]。研究过程中，可以完全排除临床生物体实验中的整体或局部受力影响，最大程度减少对患者的创伤。在各种骨科手术之前进行有限元分析，可以更好的掌握患者的骨干应力分布情况，对不同内固定放置位置的效果和生物力学情况进行科学的模拟^[29-30]。从而帮助医生确定最佳的固定位置，选择最适合的内固定器械，提高临床治疗效果。阮国模等^[31]利用三维有限元分析方法构建三维有限元锁骨模型，进行模拟钻孔、重建钢板模拟固定，设定材料属性，并对重建钢板治疗锁骨干骨折进行生物力学分析，探讨相关的生物力学，获得了较为满意的效果。本研究中，即通过CT扫描和数据处理，建立起有限元模型，并对不同工况下的钢板重置位置的生物力学情况进行模拟和分析。本研究最终的研究结果显示，压缩工况下，前置位和上置位各生物力学相关指标数值基本一致，差异无显著性意义。进行顺时针扭转和弯曲的时候，前置位最大应力显著大于上置位，但骨折块最大综合位移比较二者差异无显著性意义。而逆时针扭转工况下，逆时针扭转和弯曲时，二者各指标数值经比较差异均无显著性意义；弯曲工况下，两种固定位置的位移情况比较差异无显著性意义。即提示，较之上置位，前置位有可能更容易出现断裂或者固定不稳定的情况。而为了极可能的避免因为扭转等导致的应力集中现象，在手术结束之后，要注意指导患者科学的活动肩关节，避免剧烈的对肩关节进行顺时针旋。另外，在进行骨折复位之后，在一定应力的影响下，近端的愈合效果会出现一定的变化，在有效的刺激影响下，骨折的愈合速度出现明显加快的现象。本研究结果显示，不论怎样的载荷条件，骨折断端均会存在一定的应力。而且，前置位和上置位不同固定方式对骨折端愈合的影响方面不存在明显差别，但在骨折断端应力和内固定应力方面，前置位均显著大于上置位。即提示，较之上置位，前置位固定具有更明显的应力集中效应。但是，在本研究中，仅对不同重建钢板位置的固定相关效果进行了分析研究，并未考虑到不同骨折类型力学特性以及不同钢板类型等因素的影响。并在研究过程中假设螺钉为圆形杆，因此最终的研究结果可能存在导致内固定装置最大等效应力下降的情况，计算精确度存在一定的误差。另外，本研究中，对所使用各种生物材料的力学特性均进行了假设，与客观情况存在较大的差异。因此，本研究还存在一定的不足之处，还需要在今后的研究中不断予以完善，以提高研究结果的准确性和可信性，更好的为临床治疗提供可参考的依据。

综上所述，临床对锁骨中段骨折进行修复的过程中，利用不同重建钢板位置进行内固定治疗会产生不同的生物力学情况。其中，较之重建钢板上置内固定，前置内固定修复效果更佳，是一种较为可靠的治疗方法，值得临床推广应用。

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