不同术式治疗肩锁关节完全脱位的生物力学研究

叶福生 洪俊毅 王伟 童培建 叶家宽

肩锁关节脱位是一种常见的损伤，大多是由暴力导致锁骨与肩胛骨联系中断而产生的肩锁关节脱位。肩锁关节损伤的发生率为3.2%，约占肩部损伤脱位的12%。目前此类疾病大多采用手术治疗，如克氏针加张力带固定、喙锁拉力螺钉固定、锁骨的钢板固定、Weaver-Dune手术固定治疗等［1］，但疗效及术后并发症争议颇大，比如断针、退钉、松动、疼痛、再脱位、肩关节活动受限等［2］。本研究对采取联合手术方式的肩锁关节标本进行生物力学测试，筛选出最接近人体正常生物力学的肩锁关节完全脱位的手术治疗方式，以最大限度改善患者的上肢功能，解除患者痛苦，恢复正常工作与生活。

1 材料与方法

1.1 标本制备与分组 采集成人肩关节标本18具，由上海交通大学医学院解剖教研室提供。X线摄片显示无任何损伤或骨折，肩关节无病变，完整无损。标本提供者年龄43～72（54±9）岁，身高平均1.68 m，体重平均70 kg。肩关节两端用特殊夹具固定，并依次编号、测量、封装在塑料袋中，存放于-40 ℃冰箱内，实验时予以逐级解冻。将肩锁关节造成脱位后，采用6种方式模拟临床手术予以解剖学固定，联合术式作为A组，锁骨钩钢板内固定作为B组，Double Endo-button钢板重建喙锁韧带作为C组，同种异体肌腱重建喙锁韧带作为D组，缝合铆技术重建喙锁韧带作为E组，缝合铆技术重建喙锁韧带加克氏针固定作为F组。

1.2 联合术式手术方法 在肩部作一倒U形切口，切开皮肤后，暴露锁骨远端，根据Weaver-Dunn手术要求，切除锁骨远端约0.5～1 cm的骨质，利用喙锁韧带在锁骨上的解剖生理附着点，使用3.5 mm动力系统在锁骨上做前后位的2处骨孔，一枚5.0 mm带线铆钉铆入喙突，骨膜剥离子或其他平头工具在锁骨上用力复位肩锁关节的前后和上下移位，一根异体肌腱8字形绕过喙突连同带线铆钉线穿越所钻骨孔，收紧韧带并编织缝合固定，铆钉线打节复位固定肩锁关节，达到初期稳定。在锁骨远端钻2个骨孔，由喙肩韧带分离出两束韧带纤维，分别编织后分别绕入所钻骨孔编织缝合。

1.3 实验力学模型及实验方法 实验力学模型需在结构、载荷、力学性质上尽量保持一致，以确保实验精度和受载均度［1］。根据标本的生理运动工况和受力状态施加生理载荷1,000 N分级加载，在加载过程中标本维持新鲜湿润状态，在试验前先进行小量程预载，以消除骨的时间效应影响、松弛、蠕变，然后进行加载正式实验，并采集数据。试验反复多次，加载速率控制在1.5 mm/min。所有试验的肩锁关节标本，应变测量均以试验力学来要求，严格贴片过程，保证试验精度。对于人体喙锁韧带、同种异体肌腱、Double Endo-button缝合铆等软组织材料试验采用相匹配的弹性模量相似的应变式传感器行单轴拉伸试验，加载速率e．=0.04S-1，分级加载，直至拉断为止，测量载荷-位移曲线。几种喙锁韧带修复方式的组织，在相同力学条件下比较试验。同样在新鲜湿润环境下反复试验几次，去除流变学影响，然后正式试验，观察其组织拉伸变形、撕裂和断裂情况。

1.4 观察指标 （1）比较分析优化六种手术方式，测量各组的生物力学性能与参数。（2）测量肩锁关节骨上的应变、位移、应力、强度、刚度等数据，先对偶然误差进行处理，以得到比较满意的价值和置位区间。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0统计软件。计量资料符合正态分布以（±s）表示，组间比较采用t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 正常新鲜肩锁关节锁骨的力学性能 主要包括锁骨的弯曲力学强度（σb）和刚度（EI），扭转力学的强度和（τb）和刚度（GIP）以及锁骨的压缩强度（σc）和刚度（EA）。见表1。

表1 正常新鲜肩锁关节锁骨的力学性能（±s）

表1 正常新鲜肩锁关节锁骨的力学性能（±s）

σb（MPa） EI（N.CM/deg）τb（MPa）GIP（N.CM/deg）σc（MPa）EA（N/mm）11.24±1.22 98.16±9.24 9.01±0.82 194.25±17.21 6.04±0.58 40.82±3.76

2.2 肩锁骨不同术式内固定的σb和EI 同种肩锁关节脱位采用不同术式内固定后，进行弯曲力学实验应力分析，结果表明联合术式组的σb最高，优于其它各组，弯曲力学性能十分优越，它与正常原始肩锁关节锁骨的σb相当接近，或与缝合锚+克氏针固定十分相近，两者均相差7%，统计学上无显著性差异（t=1.889，P＞0.05）；联合术式组的σb与采用Double Endo-button双重钢板固定或缝合锚再加克氏针固定内固定的σb也十分接近，仅相差7%～9%，差异无统计学意义（t=1.976，P＞0.05），说明Double Endo-button双重钢板内固定或缝合锚再加克氏针固定也是一种不错的内固定方式；联合术式组的σb与其它内固定术式如同种异体肌腱、单纯缝合锚固定产生的σb比较，差异有统计学意义（t=2.032，P＜0.05）；还发现锁骨钩钢板的σb最差，相较具有明显差异（t=2.311，P＜0.05）。EI是指锁骨骨折固定后抵抗弯曲变形能力的大小，根据测量得到的结果（见表2），表明EI的变化规律与σb十分类似，说明联合术式组的EI优于其它各组，具有比较好的弯曲力学特性。

表2 肩锁骨不同术式内固定的σb和EI（±s）

表2 肩锁骨不同术式内固定的σb和EI（±s）

项目 A组 B组 C组 D组 E组 F组σb（MPa） 10.61±1.25 7.19±0.58 9.55±0.76 8.93±0.77 8.16±0.73 9.83±0.72 EI（N.CM/deg）94.18±8.4 67.15±5.7885.99±7.31 81.88±6.95 72.02±6.1284.52±6.41

2.3 肩锁骨不同术式内固定的τb和GIP肩锁关节脱位后，采用6种不同术式内固定后进行扭转力学试验，结果见表3。联合术式组的τb最高，均优于其它不同术式的试验结果，说明联合术式在抗扭转力学性能方面比较优越，更接近正常人体生物力学，两者仅相差5%，统计学上无明显差异（t=1.867，P＞0.05）；联合术式组的τb与缝合锚固定+克氏针固定，或者采用Double Endobutton钢板固定的剪切强度，两者相接近，相差仅9%，统计学上无明显差异（t=1.934，P＞0.05）；同种异体肌腱重建喙锁韧带或者单用缝合锚固定时，剪切强度相对较低，与联合术式组的τb相差甚远（16%～24%），两者差异有统计学意义（t=2.022，P＜0.05）；采用锁骨钩钢板固定，由于钩钢板固定不牢，发生松动或滑动，剪切强度极低，两者相差26%，差异有统计学意义（t=2.134，P＜0.05）。肩锁关节中锁骨的抗扭刚度是指导锁骨抵抗转变形的能力大小，称为锁骨的抗扭GIP。各类术式锁骨的抗扭刚度的变化规律与抗剪强度的变化规律基本相似，联合术式和双钢板内固定在抗扭刚度中占有比较大的优势。

表3 肩锁骨不同术式内固定的τb和GIP（±s）

表3 肩锁骨不同术式内固定的τb和GIP（±s）

项目 A组 B组 C组 D组 E组 F组τb（MPa） 8.55±0.76 6.31±0.40 7.36±0.44 7.17±0.48 6.48±0.42 7.76±0.44 GIP（N.M/deg）186.09±14.54136.36±14.30 185.11±13.24 158.22±14.23 149.25±12.76 172.40±10.78

2.4 肩锁骨的σc与EA 肩锁关节脱位，采用6种不同术式内固定后进行轴向压缩实验，测量锁骨压缩时的最大σc和EA，结果见表4。联合术式组的轴向σc最大，刚度最高，固定最牢固；联合术式与Double Endobutton双重钢板固定和缝合锚+克氏针固定的σc和EA也基本接近，差异无统计学意义（t=2.078，P＞0.05），两者轴向稳定性比较好，强度比较大；采用同种异体肌腱重建喙锁韧带和单用缝合锚固定的锁骨的抗压强度和刚度同联合术式相比较，轴向σc和EA相差甚远，两者存在显著性差异（t=2.086，P＜0.05）；锁骨钩钢板在锁骨压缩实验中，由于钩钉接触较差，产生滑动现象，其σc和EA相差＞26%，两者呈显著性差异（t=2.778，P＜0.05）。上述肩锁关节锁骨的σb和EI、τb和GIP、σc和EA的试验结果都有一个共同的特点，联合术式的强度和刚度均比其它术式占有优势，不但稳定性好、强度高，而且与正常原始标本的力学性质相接近；其次优于Double Endo-button双重钢板固定和缝合锚+克氏针固定；再次优于同种异体肌腱重建与单纯缝合锚固定；锁骨钩钢板固定力学性能显示最差。

表4 肩锁骨压缩试验σc和EA（±s）

表4 肩锁骨压缩试验σc和EA（±s）

项目 A组 B组 C组 D组 E组 F组σc（MPa）5.61±0.43 3.95±0.26 5.01±0.36 4.84±0.31 4.59±0.31 5.73±0.36 EA（N/mm）37.76±3.2328.21±2.4034.98±3.0432.86±2.7630.12±2.6038.20±2.68

2.5 几类人工喙锁韧带修复的力学性质 肩锁关节中喙锁韧带的断裂，导致肩锁关节联系中断而产生肩锁关节的脱位，因此各种修复喙锁韧带方法应运而生，用同种异体肌腱重建或用人工韧带替代，以维持肩关节的力学功能平衡。正是如上所述人体喙锁韧带是属于人体的软组织，它显示复杂的流变学特性，在单轴拉伸试验中就可发现它的非线性力学行为，各类韧带纤维排列、几何结构尺寸直接影响它的力学性质。单轴拉伸试验的曲线顶点为韧带的抗拉强度，曲线的斜率为韧带的刚度。各类韧带单轴拉伸试验曲线及其它的力学性质，将新鲜正常人体喙锁韧带（A）与Double Endo-button（B）、同种异体肌腱（C）、缝合锚高强线（D）在相同力学环境、相同速率下（=0.04S-1）的单轴拉伸时试验，各自的力学性质见表5。单轴拉伸试验曲线结果显示，Double Endo-button拉伸强度最高，最大载荷达到（1,494±140）N，其次是新鲜喙锁韧带和同种异体肌腱承载能力也较大，而缝合锚替代人工韧带由于缝合锚螺钉松动拔出而导致失效，相对较低，相应的极限应变、位移和断裂能耗的变化规律也基本相似。值得注意的是韧带试验曲线中的力学性质与骨的固定方式方法极为密切相关，必须真实模拟实际生理受载工况相一致。为了避免各类韧带的结构尺寸大小的不同以及固定方式上的差异，为此将各类韧带的试验结果进行归一化、模型化，即用数学拟合法给出韧带的本构方程，从本构方程中得到韧带归一化的力学性质，见表6。σb为韧带的拉伸强度，在试验中正常新鲜喙锁韧带的拉伸强度为（21.48±1.96）MPa，而Double Endo-button双重钢板缝线的拉伸强度最高（23.64±2.66）MPa，比正常新鲜喙锁韧带高9%，但差异无统计学意义（t=1.778，P＞0.05）；同种异体肌腱组拉伸强度比较，差异无统计学意义（t=1.913，P＞0.05），而缝合锚进行拉伸时拉伸强度为（18.86±1.46）MPa，与正常喙锁韧带比较相差12%，差异有统计学意义（t=2.024，P＜0.05）。E为韧带的弹性模量，与正常标本比较分别相差5%、10%、14%，差异性与拉伸强度相类似，考虑到韧带拉伸的非线性，以线性拉伸刚度（EF）来表达，各类韧带的拉伸刚度分别相差9%、7%、13%，同样与韧带拉伸强度变化规律性相似。δ为韧带相对伸长延伸率的大小，新鲜喙锁韧带和同种异体肌腱的延伸率比较大、弹性比较好，而Double Endo-button缝线与缝合锚缝线的延伸率比较差，依次两两比较分别相差22%、16%、21%，差异有统计学意义（t=2.678，P＜0.05），各组之间弹性互不相同。从软组织角度来考虑，具有较好的弹性能够充分发挥组织之间的力学功能，结构之间协调比较好。

表5 各类人工韧带单轴拉伸试验曲线的力学性质（±s）

表5 各类人工韧带单轴拉伸试验曲线的力学性质（±s）

力学性质 A组 B组 C组 D组最大载荷P（N） 1,372±120 1,494±140 1,368±138 1,204±124极限应变（με） 117±12 121±14 118±12 106±12最大位移（mm） 5.80±0.46 7.08±0.32 7.24±0.30 7.10±0.34断裂能耗（J） 2.91±0.20 3.12±0.31 3.78±0.22 2.58±0.22

表6 韧带本构方程的力学性质（±s）

表6 韧带本构方程的力学性质（±s）

项目 A组 B组 C组 D组σb（MPa） 21.48±1.96 23.64±2.66 19.35±1.68 18.86±1.46 E（MPa） 748.72±70.22 788.69±72.36 668.16±62.42 647.36±58.26 EF （N/mm） 414.36±38.42 464.42±42.34 386.76±34.36 362.48±32.34 δ（%） 10.14±0.98 7.86±0.78 11.78±1.12 7.97±0.76

3 讨论

肩锁关节脱位是临床常见病、多发病，由于肩锁关节损伤后发生不同程度的移位，造成肩关节疼痛、功能障碍。笔者前期的临床回顾性研究，通过比较联合术式与锁骨钩钢板治疗肩锁关节完全脱位的疗效发现，锁骨钩钢板的设计者利用肩锁关节局部的解剖特点和生物力学特性，固定牢固又可保留肩锁关节的部分微动，既减少了内固定所带来的剪切力，又降低了钢板螺钉断裂的风险，但是临床使用中却因为肩峰下固有空间有限，再加上钢板在肩峰下关节囊外不断摩擦产生的炎性物质刺激，使患肩产生异物感及疼痛，从而限制肩关节活动。但联合术式利用生物学、解剖学方面的重建，再次稳定了肩锁关节，临床上具有明显的早期优势［4］。

在力学研究中发现，锁骨的σb和EI较其它力学功能更重要，承受弯曲力矩亦较大，而压缩功能状态较小。在新鲜喙锁韧带显示流变学特性，非线性力学行为十分明显。韧带纤维排列、几何结构尺寸直接影响其力学性质，韧带在单轴拉伸的力学状态，受载荷的增加而增加，直到撕裂、破坏。实验结果显示，喙锁韧带在最大载荷下断裂大多为撕裂状态，且与骨接触部位的根部断裂占多数，而拉伸变形为典型的非线性曲线，同其他软组织结构力学性质十分相似。联合术式中切除锁骨远端1 cm的意义来源于Weaver-Dunn手术，此手术解决了锁骨钩钢板的弊端，即引起锁骨远端疼痛、功能活动障碍。而Weaver-Dunn手术重建了喙锁韧带，但也有学者认为Weaver-Dunn手术破坏了三角肌和斜方肌的附着点，使肩关节的外展肌力减弱，故有学者发明了联合腱部分转位重建喙锁韧带，再用钢丝固定初期稳定肩锁关节脱位，然而在肩关节活动中钢丝容易造成喙突切割，从而造成手术失败，所以就有了Endobutton技术重建喙锁韧带［5-7］，但Endobutton技术并不能达到肌腱的骨腱愈合，随着时间的推移，远期会造成手术失败。

笔者提出假说，改良后的联合术式在生物力学性能优于目前主流的几种术式。本研究一系列的生物力学数据证明，联合术式的弯曲、扭转、压缩试验强度和刚度均接近正常肩锁关节锁骨的强度和刚度，差异无统计学意义（P＞0.05）；联合术式优于Double Endo-button双重钢板固定或缝合铆+克氏针内固定，但两者差异无统计学意义（P＞0.05）；与同种异体肌腱、单纯缝合铆重建喙锁韧带和锁骨钩钢板固定相比，具有明显优势，差异有统计学意义（P＜0.05）。联合术式具有优越的生物力学性能，符合人体正常生理功能要求，主要是得益于使用喙肩韧带转位固定锁骨远端防止锁骨远端向后移位，并使用同种异体肌腱解剖重建修复喙锁韧带，采用带线锚钉加强固定维持即刻稳定性，不仅强度高，而且延展性和弹性均较好，接近于正常喙锁韧带对肩锁关节的力学性能，同时切除了锁骨远端则可以避免后期肩锁关节炎的发生，提高了治愈率与康复率。