肩袖损伤修补金属锚钉置入角度——有限元分析

包呼日查 齐岩松 陶立元 王永祥 魏宝刚 李筱贺 徐永胜

关节镜下利用带线锚钉缝合修补损伤肩袖已成为目前肩袖损伤手术治疗的主要方法［1-6］。肩袖修补术后缝合的肩袖再次撕裂或缝合失败与诸多因素有关，其中锚钉固定失败也是主要的原因。而锚钉固定失败的原因包括锚钉的松动、移位、拔出等，最终导致关节软骨损伤、疼痛，甚至二次手术等［7-8］。而锚钉的固定强度与锚钉的设计、患者骨质密度、锚钉插入深度和插入角度等因素相关［9-13］。

目前，临床上关于锚钉合理的置入角度并没有统一的意见［14-17］。使用带线锚钉肩袖修复的完整性依赖于两个主要界面处的强度，即锚钉与骨之间的强度和缝合线和肌腱之间的强度。关于锚钉置入技术，许多骨科医生将带线锚钉置入到与骨表面成45°的角度，以增加由肩袖产生的张力引起的锚钉拉出时的阻力。Burkhart［15］最早提出关于带线锚钉置入角度的“木桩理论”，认为置入角度小于45°时锚钉的抗拔出力最强。因此，目前在肩袖修补手术过程中，术者一般以45°或小于45°置入锚钉。但是该理论的提出最初是基于角栅栏稳定系统的类比而建立的，而不是基于任何生物力学测试数据，一些学者对此存有质疑［18］。近年来的研究表明，“木桩理论”不一定表现出带线锚钉的最强拔出强度。Nagamoto等［18］将金属锚钉以90°和45°置入不同密度的人工骨和猪肱骨大结节内，进行生物力学拔出力测试，结果显示无论骨密度如何，以90°置入骨表面的锚钉的拔出强度均大于45°。本研究的目的是使用三维有限元方法阐明在不同角度插入的缝合锚钉及周围骨内应力分布模式，为术中置钉角度的选取提供理论依据。

资料与方法

一、有限元建模

1.分析对象：采用一例肩袖损伤患者（男性，68岁，已签署知情同意书）右侧肱骨近端薄层CT图像以及金属锚钉（TwinfixTM, 5.0 mm，Smith & Nephew）micro-CT数据，通过医学断层图像处理软件MIMICS 14.1（比利时Materialise公司）建立肱骨近端和金属锚钉的三维模型。在MIMICS软件内建立直径为3.0 mm圆柱体，利用波尔运算方法在肱骨大结节冈上肌肌腱止点足印区内，关节软骨和大结节交界位置开口。将锚钉以90°和45°置入，每个锚钉置入相同的位置和深度（金属锚钉近端与骨表面平齐），使得整个螺纹与肱骨近端骨组织接触。利用MIMICS软件的网格功能对三维模型进行面网格划分。为了更真实的模拟金属锚钉的形状和计算更精确，锚钉的网格大小设为0.06 mm；肱骨近端网格根据模型的形状给予梯度网格划分方法，网格大小区间为0.2～0.06 mm。然后将模型导入有限元软件ABAQUS 6.11，应用四面体单元将模型划分体网格并将各部位进行整体组装（图1）。

2.材料的力学参数：将肱骨近端三维模型导入MIMICS软件的FEA material 模块，对其按照灰度值进行材料属性的赋予。根据软件提供的肱骨近端参数［19］：密度与灰度的关系为 ρ =0.624×HU + 173 ；弹性模量与密度的关系为E = 0.06×ρ1.57，并将赋予不同梯度材料属性的肱骨近端模型导入ABAQUS有限元软件，模拟肱骨近端不同部位、不同密度和材料属性的特点（图2）。根据相关文献报道，金属钛合金锚钉的弹性模量 E=110 000 MPa，泊松比 V=0.28［20-21］。

图1 肱骨近端和金属锚钉的有限元模型

图2 按照灰度肱骨近端赋予材料属性

在本有限元模型中定义了两个接触面：锚钉螺纹表面接触面和肱骨锚钉置入时产生的螺纹接触面。关节接触面的定义采用了有限滑移、无摩擦、无穿透的硬接触。

3.载荷及边界条件：将肱骨远端截骨平面6个自由度完全约束固定，金属锚钉自由度不受约束。在金属锚定表面在不同角度（15°、30°、45°、60°、75°、90°）上施加了100 N的拉力载荷［16］，模拟肩袖修补的肩关节在各个角度运动时肱骨骨组织和金属锚钉所受力情况，并计算不同模拟状态下的接触应力情况（图3）。

二、统计学分析

使用 SPSS16.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）统计软件进行统计学分析。本研究计算出金属锚钉和锚钉周围骨组织内等效应力的分布。同时研究了不同角度牵引力下的应力分布模式和等效应力的最大值，然后锚钉在45°和90°置入之间进行比较。使用配对t检验比较45°和90°锚钉置入之间的等效应力的最高值。

图3 锚钉的置入角度和拉力方向

结 果

在100 N不同角度拉力下，所有的模型中金属锚钉最大等效应力集中在锚钉下方小孔和近端螺纹之间。从15°～75°对锚钉进行牵拉时，45°置入的锚钉所受的最大等效应力大于90°置入锚钉所受应力；随着角度的增大，两个角度置入锚钉之间应力差异逐渐减小。90°牵拉载荷时，90°置入的锚钉所受的应力稍大于45°置入锚钉所受应力（图4）。

图4 在100 N拉力载荷下金属锚钉等效应力分布

在100 N不同角度拉力下，45°置入的金属锚钉周围骨组织的最大等效应力集中在近端锚钉螺纹和牵引侧的骨组织表面之间；而90°置入的金属锚钉周围骨组织最大等效应力比较均衡的集中在近端螺纹周围，随着牵拉角的增大更加明显。以100 N的拉力金属锚钉从15°～90°牵拉载荷时，45°置入锚钉周围骨组织所受的应力均大于以90°置入锚钉周围骨组织所受的应力（图5-6）。

图5 在100 N拉力载荷下锚钉周围骨组织等效应力分布

图6 在100 N拉力载荷下金属锚钉和其周围骨组织等效应力分布

统计学上，以45°和90°置入金属锚钉时钉体和其周围骨组织等效应力的最大值差异无统计学意义（P=0.244，P=0.319）。然而，观察到总体上在不同角度拉力下，90°置入金属锚钉时钉体和其周围骨组织等效应力小于45°置入（图7）。

图7 锚钉以45°和90°置入时金属锚钉和其周围骨组织最大等效应力对比

讨 论

本研究发现，在肱骨大结节冈上肌肌腱足印区内用90°和45°置入金属锚钉时金属锚钉和锚钉周围骨组织所受应力有差异。金属锚钉以90°置入时与45°置入相比，金属锚钉和周围骨组织所受应力分布较低。

Benson等［7］对269例用金属锚钉在关节镜下肩袖手术的患者进行回顾性研究，发现早期金属带线锚钉拔出的总发生率为2.4%；同时发现肩袖撕裂较大的患者锚钉拔出的发生率明显高于中、小型肩袖损伤。虽然与其他肩袖修补术后并发症相比锚钉拔出发生率不高，一旦发生锚钉拔出，不仅影响肩袖修补愈合的成功率，而且拔出的锚钉在关节腔内形成异物，对关节内的组织结构产生不可逆的损害。而锚钉的固定强度依赖于锚钉的设计、骨的密度、插入深度和插入角度等。目前关于锚钉合理的置入角度没有统一的意见。1995年，Burkhart［15］介绍了“木桩理论”，提出减少带线锚钉的置入角度，以及缝线与肩袖的角度可以增加锚钉的拔出强度，并减少缝线的拉伸张力。然而，木桩理论更多与抵抗肩袖的拉力而不是锚钉本身有关，这可以解释根据木桩理论，45°置入锚钉可能不会显示出对骨的最强抗拔强度。迄今为止，许多研究已经比较了各种缝合锚钉之间的初始抗拔强度［10-12,14,18］。然而，在这些测试研究中，由于一个置入口孔不能重复用于其他锚钉或不同的测试条件，必须在同一骨骼中制作许多置入孔或使用其他骨骼进行重复测试；特别是对于人类肱骨，即使在同一个肱骨近端骨组织，骨密度也不均匀。因此，置入点的差异可能会影响力学测试结果的准确性。本研究采用计算机模拟有限元分析方法，使用计算机软件模拟评估肱骨近端复杂材料中的应力分布情况，具有明显的优势，可以在任何条件下重复测试一个置入孔，提供更标准化和可重复的数据；同时本研究利用肩袖损伤患者肱骨CT数据建立肱骨近端三维解剖模型，能够更真实的反映肩袖损伤患者肱骨近端解剖形态及骨质情况。Sano等［16］利用有限元方法阐明在45°和90°两个不同角度置入的锚钉在不同角度拉力的载荷下锚钉周围的骨内应力分布模式。在这项研究中，锚钉置入的骨组织以均质立方体模拟，以各向同性弹性材料来替代肱骨近端松质骨。而实际上，肱骨近端骨组织密度有很大差异，有的研究提示骨密度影响着置入锚钉的稳定性和牢固度，同时肱骨近端的解剖形态对锚钉的受力情况也有一定的影响［13,22］。而本研究利用Mimics软件根据肱骨近端CT灰度值赋予不同部位不同的材料属性。Mimics FEA功能基于扫描图像数据为体网格每一个单元计算出享氏单位灰度值，然后根据不同灰度范围定义相应材料。软件根据不同组织的灰度值对模型进行准确、高效的材质分配。能够比较真实的反映肱骨近端骨组织分布情况，而用这样的模型模拟锚钉受力情况能够更真实地反映锚钉及其周围骨组织的受力情况。

本研究结果表明，锚钉的应力集中在锚钉下方小孔和近端螺纹之间，而锚钉周围骨组织最大应力集中在近端锚钉螺纹和周围的骨组织表面之间，该区域恰好对应肱骨近端松质骨。肱骨近端大结节皮质骨的厚度为1.4～2.5 mm［23-24］，因此作者认为大结节松质骨的质量是预测带线锚钉置入失败风险的最重要因素之一。大结节松质骨的质量可能对锚钉置入正确固定起到最大的作用，特别是在骨质疏松症患者中。通过MIMICS软件的FEA material 模块功能对肱骨近端骨组织赋材料属性发现，90°置入锚钉时，锚钉螺纹周围的骨组织密度比较均匀相等的环形分布在其周围，而45°置入时螺纹周围的骨质密度不均匀，螺纹内侧骨质密度明显大于螺纹外侧骨质密度，这可能与不同角度置入锚钉时，锚钉及其周围骨组织产生不同应力有关。本研究还提供了关于带线锚钉置入角度的重要信息。“木桩理论”最初是基于角栅栏稳定系统的类比而建立的，而不是基于任何生物力学测试数据。根据此理论，多数学者及临床医生建议将缝合锚钉以45°置入肩袖足印区的骨表面，以最大化其初始抗拔出强度。然而只有少数研究试图验证这一理论。Liporace等［9］使用12具肩关节尸体测试了在 4个不同角度（30°、45°、65°和 90°）置入带线锚钉的抗拔出强度，分析结果显示置入角度之间并没有显著性差异；Strauss等［25］报道，在尸体肩袖撕裂模型中，以90°置入的缝合锚钉比45°置入的缝合锚钉能够提供更好的软组织固定强度；Sano等［16］使用三维有限元方法模拟锚钉置入后骨内的应力分布，结论是与45°置入相比，以90°置入时锚钉螺纹周围的应力分布较低。根据这一结果，他们建议将锚钉以90°置入骨骼表面可以减少锚钉周围骨组织的应力集中，而非45°。本研究显示，不管牵拉方向如何，与45°置入的锚钉相比，以90°置入骨表面的锚钉和其周围骨组织显示出更低的应力分布，这一结果与Sano等［16］的研究类似。

虽然有限元模型已被公认为有效的研究方法，具有很大的优越性，但仍有一些不足之处。在本研究中的肩关节模型中，没有考虑肩袖等肌肉软组织结构对锚钉和骨组织应力分析的影响，应力分析结果可能与实际情况存在一定差异；在进行有限元分析时，对骨组织和金属锚钉之间的摩擦系数参数进行了一定程度的简化和近似处理，将其设为0.00。因为目前尚未报道金属锚钉的真实摩擦系数，而且在简单的牵拉力下，摩擦似乎没有显着改变骨组织内部的应力集中。本研究基于1例肩袖损伤患者肱骨近端CT数据建立肱骨近端有限元模型，因个体差异，不能代表其他肩袖损伤患者的骨组织情况。因此，今后仍需进一步对本模型进行完善与改进，增加样本量，使其更加适用于肩关节生物力学的真实状态，将尸体实验和数字模型进一步相结合，使其更接近真实情况。

综上所述，根据有限元分析结果，在肩袖足印区的骨表面以90°置入金属锚钉时，锚钉及其周围骨组织所受的应力较45°时更小，作者建议在临床进行肩袖修补手术中以90°置入金属锚钉，以避免出现早期术后锚钉固定失败。