有限元分析在肱骨近端骨折中的应用研究进展

杨芳军,王富洋,杨存恒,王永泽,王铁男

大连大学附属中山医院骨科,辽宁 大连 116001

有限元分析的核心是空间离散化:将复杂的几何体划分为简单几何形状,这些被称为元素的几何形状可以发生形变,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。最初有限元创立被应用于航空航天领域,随着计算方法的快速发展及有限元软件不断更新,现在有限元方法已被广泛应用于各行各业。1972年Rybicki等[1]和Brekelmans等[2]首次将有限元分析用于骨的生物力学,经过不断发展,目前已被广泛应用于四肢[3]、脊柱[4]、关节[5]及骨质疏松[6]等各个方面的研究,并且仍在继续发展。目前,有限元分析在肱骨近端骨折中的应用越来越多,但相关综述却较少。因此本文就肱骨近端骨折模型建立、致伤机制、不同植入物的选择及应用等方面进行综述。

1 肱骨近端骨折有限元模型的建立

肱骨近端骨折模型的建立是进行有限元分析的首要步骤,建立的模型与实际情况越接近,得到的实验结论越可靠。建模的几何参数是影响建模准确性的主要因素,其参数主要来源于尸体研究[7-8]、解剖图谱[9]及影像数据[10]。利用尸体进行建模是早期肩关节模型建立的主要方法,其优点是充分的考虑到周围骨骼、肌肉及韧带对肩部运动的影响,可以很好地了解肩关节的形态结构功能。但是这种方法不仅复杂、费时耗力而且存在伦理相关问题,目前已较少应用。何仿[9]使用人体肩关节断层解剖图谱建立了人体肩关节三维有限元模型,并将该模型应用于探究肱骨骨折机制的研究。该研究认为在肩袖肌群中,冈上肌是影响肩关节外展稳定性的主要因素,冈下肌、小圆肌与肩胛下肌为平衡力肌群,因此仅考虑冈上肌对肩关节外展运动的影响,可以减少后期有限元分析的计算量。但是该方法可能因解剖图谱不精确而与真实数据存在误差。目前已广泛利用影像相关数据建立有限元模型,使有限元模型的建立更加方便快捷且精准,但是大多数建立的模型仅考虑骨骼本身,而忽略周围结构对模型的影响。冷昆鹏等[10]利用CT扫描数据快速建立了肱骨近端模型,通过分析生理状态下肱骨近端的应力分布,发现肱骨外科颈内下侧皮质区(即内侧柱)应力分布较集中,明确了重建内侧柱在肱骨近端骨折中的重要性。

关于肱骨近端骨折模型的建立,多依据Neer分型定义,两部分骨折模型多在外科颈处建立一个楔形间隙或在外科颈水平建立10 mm水平间隙;三部分骨折在两部分骨折的基础上对大结节进行纵向截骨,同理,四部分骨折则在三部分骨折的基础上对小结节进行截骨。既往在尸体或人工合成肱骨的生物力学实验中也是按照Neer分型定义对模型进行截骨[11-16],以上模型也代表临床常见的肱骨近端骨折。肱骨近端骨折模型的建立为后期肱骨近端骨折机制的研究及不同植入物的选择具有重要意义,也为进一步研究不同植入物材料的生物力学建立了基础。

2 肱骨近端骨折的致伤机制

何仿等[17]对肱骨干在12个不同功能位置上施加载荷,研究间接暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境,认为肱骨外科颈和肱骨干交接处是应力集中区域,且最大应力集中在其前内侧;相对于中立位,肱骨在内旋或外旋位置上承受更大的应力,且在外展外旋60°时最易发生骨折;肩关节30°～90°跌倒时,肱骨外科颈和肱骨近端易发生骨折,且骨折线由斜行逐渐变为横行。以上结论与临床观察到的现象基本一致,也与基础生物力学研究骨折机制基本吻合,该试验应用有限元分析的方法对肱骨骨折机制进行测试与分析,证实了实验生物力学的准确性,进一步加深了对肱骨近端骨折机制的理解,对肱骨近端骨折植入物的选择及安放位置具有重要参考意义。

3 肱骨近端骨折植入物选择的应用

3.1锁定钢板 对于移位较大或不稳定的肱骨近端骨折以手术治疗为主,手术方法的选择以锁定钢板应用最多,有限元分析模型也以锁定钢板研究最为常见。锁定钢板在肱骨近端骨折中的作用主要有两种优势,首先为骨折提供适当的机械支撑促进骨折愈合,二是提供足够的稳定性允许早期活动,但是与锁定钢板相关的并发症一直居高不下,其中以螺钉穿出与螺钉切割最为常见[18]。有限元分析可以通过改进内固定材料和治疗策略来减少相关并发症[19-20]。锁定钢板固定肱骨近端骨折稳定性的影响因素较多,主要包括近端螺钉分布、钢板放置位置、螺钉长度及内侧柱的缺失。

3.1.1钢板放置位置:既往研究多根据指南操作,但是具体操作细节不明确,因此导致许多并发症。2019年Jabran等[21]通过生物力学研究分析认为大结节顶点下5～8 mm(以防止肩峰撞击)、结间沟后2～4 mm(以保护血供)处是钢板放置的最佳位置。Fletcher等[22]应用有限元分析认为钢板放置位置距离大结节顶点太远时,可能造成内侧支撑螺钉无法置入而降低内固定的稳定性。徐健等[23]建议安放钢板时应首先考虑内侧支撑螺钉的位置,其次考虑钢板放置位置,但建议钢板放置不宜过近。

3.1.2近端螺钉分布:Schaer等[24]通过有限元分析评估锁定钢板中螺钉方向的角度,认为锁定螺钉方向优化可以降低并发症并增加内固定的稳定性。Fletcher等[25]建立有限元模型分析得出结论,螺钉数量的增加及肱骨距螺钉的使用可显著降低低密度骨折内固定失效的风险。然而,Tilton等[26]研究发现在完全复位的骨折中,螺钉配置的变化对内固定的稳定性影响很小。因此近端螺钉布局对内固定稳定性的影响目前还存在争议,还需进一步生物力学研究证实近端螺钉布局对肱骨近端骨折稳定性的影响。

3.1.3螺钉长度:Fletcher等[27]通过有限元分析螺钉长度对三部分肱骨近端骨折固定稳定性的影响,发现较长的内侧支撑螺钉可以通过降低近端螺钉周围的应力从而降低螺钉切割的概率。Ciric等[28]通过生物力学研究螺钉尖端到关节面距离对螺钉穿出的生物力学风险和肱骨近端骨折稳定性的影响,发现螺钉尖端距关节面5～8 mm为安全距离,而且在这个范围内,使用相对较长的螺钉能防止螺钉松动,且不增加螺钉二次穿出的发生率。因此建议手术过程中可以选择较长的螺钉以增加锁定钢板固定的稳定性,但是术中应该透视避免螺钉穿出关节面。

3.1.4内侧柱缺失:造成锁定钢板内固定失效的另一个主要原因是肱骨近端内侧柱的缺失[29- 30],因此重建内侧柱对维持骨折稳定及减少术后并发症是非常必要的。常见重建内侧柱的方法包括肱骨距螺钉的使用、双钢板的应用及髓腔内植骨等。越来越多的有限元模型被建立起来,以找到重建内侧柱的最佳方式。Kim等[31]和Lee等[32]分别建立肱骨近端骨折有限元模型,均证实肱骨距螺钉的使用可以提高三部分骨折的稳定性,同时加强内侧柱支撑。Yang等[33]认为内侧皮质的连续性和肱骨距螺钉支持都可增强骨折的稳定性,两者结合可进一步提高其稳定性。He等[34]认为相比于肱骨距螺钉,直接在肱骨内侧添加支撑可能是更加有效的策略,通过有限元分析外侧钢板联合内侧钢板的生物力学特征,内侧钢板的应用为内侧柱提供了强大的支持,并增加了骨折周围区域的稳定性。Chen等[35]通过比较髓内植骨的锁定钢板与双钢板固定肱骨近端骨折的有限元模型,观察到两者应力、位移分布无明显差异,从而认为两者的固定结构的功能结果类似。葛鸿庆等[36]建立有限元模型对以上3种重建内侧柱的方法进行比较,联合内侧钢板的双钢板最具生物力学优势,而锁定钢板联合异体腓骨重建内侧柱力学稳定性则优于锁定钢板联合肱骨距螺钉。以上所有生物力学都强调重建内侧柱对内固定稳定的重要性,目前3种重建内侧柱的方法都已在临床应用,其中肱骨距螺钉及髓腔内植骨应用较多,虽然外侧钢板联合内侧钢板可以直接实现内侧柱的支撑,但在手术过程中需要过多剥离软组织,损伤肱骨头血供,且内侧放置钢板存在损伤肌皮神经及腋神经的可能,因此目前临床应用较少。以上有限元分析结果都需要进一步生物力学验证及相关临床实验研究验证。

3.2髓内钉 髓内钉应用于肱骨近端骨折的历史已更迭三代,第一代(未锁定)和第二代(弯曲设计)的髓内钉所观察到的高并发症发生率和再次手术率,限制大多数骨科医师使用。相对于前两代,第三代髓内钉(直行、锁定)由于较高的骨折愈合率及较低的并发症发生率目前已广泛应用于临床。但是术后肩袖损伤及慢性肩关节疼痛是常见的并发症,Schwarz等[37]通过尸体生物力学研究发现,将髓内钉入口点选择放置在与肱骨干轴线成一直线处,但仍位于软骨处,可以显著降低由肌腱损伤引起的肩关节慢性疼痛发生率。有限元分析作为力学试验的有利补充,可以通过分析髓内钉在肱骨近端骨折固定的应力、位移等指标,评估髓内钉固定骨折的稳定性并改进固定方法及材料。Giudice等[38]建立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,他们认为在手术中应该选择相对较长的髓内钉固定肱骨近端骨折,这样可以增加固定的稳定性。Feerick等[39]对髓内钉固定肱骨近端骨折模型研究发现,在螺钉固定顶端的皮质骨内区域的应力分布最为集中,肱骨头皮质骨内的剪切力随着外展角度的增加而增加。因此建议术后患者尽量避免外展肩关节以减少应力集中导致内固定失效的可能性。Chen等[40]建立有限元模型,通过观察应力分布,发现骨折块嵌插增加了骨折的稳定性并降低了植入物和骨骼中的应力峰值,建议在手术过程中尽量复位骨折块以增加固定的稳定性。由于髓内钉手术技术固定肱骨近端骨折的学习曲线时间较长,且使用范围较窄,目前在生物力学及临床研究中应用相对较少。未来需要更多的生物力学试验及临床研究评估髓内钉治疗肱骨近端骨折的稳定性。应用有限元分析可以为肱骨近端骨折患者选择合适的髓内钉提供参考,并为改进髓内钉设计提供建议。锁定钢板和髓内钉两种内固定方式的选择,目前仍存在争议,仍需进一步的生物力学研究及临床病例分析比较,来证明最佳的内固定方法。

3.3肩关节置换术 对于破碎严重、复位困难及血供破坏严重的肱骨近端骨折,肩关节置换术是较为合理的选择。随着肩关节置换手术适应证的增加和患者年轻化,术后并发症的发生率也随之增加,其推动了肩关节置换相关生物力学的模拟建模和分析的进展。目前有限元分析在肩关节置换术中的应用主要集中在对现有植入物稳定性的评估及新植入物的设计。既往生物力学研究认为下倾斜角度固定的关节盂假体可以提高假体固定的稳定性,但在临床应用中[41-43],其效果仍然存在争议。Chae等[44]通过有限元分析对比关节盂中立位和10°下倾斜固定,发现10°下倾斜固定显示出较大的微动和更高的应力,因此他们认为下倾斜固定可能对反向全肩关节置换术后假体的初始稳定性和使用寿命产生不利影响。Caceres等[45]分析了肩袖缺损的有限元模型,发现肩袖缺陷的程度与肩峰撞击和肩关节半脱位的发生率有关,大多数的冈下肌缺损模型都存在后半脱位,而肩胛下肌缺损的模型都存在前半脱位,该试验阐明肩袖缺损对反向肩关节置换术后的肩部稳定性至关重要,因此可以预测肩袖缺损患者术后并发症的发生率。Sabesan等[46]创建了2种增强关节盂设计(楔形和阶梯)的有限元模型,发现增强楔形设计提供了更好的固定和应力分布,微动更少,对患者长期使用起着重要作用。Sabesan等[47]通过有限元分析大结节愈合对反向肩关节置换术的影响,发现外展或前屈时大结节愈合不影响反肩关节置换术的生物力学,因此在手术过程中不必过度强调大结节愈合对肩关节置换术后的影响。有限元分析在肩关节假体稳定性测试中的应用指导临床医师选择合适的假体及合理的放置位置,并预测置换术后并发症的发生,Soltanmohammadi等[48]创建了具有代表性的健康、骨质减少和骨质疏松的肱骨有限元模型,对空心假体柄与实心假体柄的结构进行分析,发现使用空心假体柄在骨植入力学方面有相对优势,并表明骨质疏松患者应用实心假体柄时可能会在一定程度上产生应力遮挡效应,而空心假体柄不仅能保持足够的强度,还因为更薄的管壁可以进一步减少应力遮挡效应。再进一步开发这些模型后,未来的研究可以针对不同骨质量进行调整优化植入物设计,临床医师可以按照患者的具体情况选择合适的植入物。

4 结论与展望

近年来,复杂的有限元分析软件已经在各个行业和领域得到完善和验证。有限元分析使用的计算机模拟试验具有以科学严谨的方式对骨折固定方法进行系统、有效评估的潜力,同时考虑到“生物”变异性[49]。随着有限元分析方法的改进和相关计算能力的提高,越来越多的学者使用有限元分析方法进行植入物设计、手术决策、患者管理及预测术后并发症等。未来有限元分析在对肱骨近端骨折固定并发症发生率的预测、帮助改进相关指南、促进骨科教育、优化植入物设计等方面具有巨大潜力。

作者贡献声明：杨芳军:资料整理,文章撰写和修改;王富洋:文章修改、审校、撰写指导;杨存恒、王永泽:整理文献、数据收集;王铁男:选题设计、文章修改及审校