锁定钢板固定治疗肱骨近端骨折的解剖学研究及有限元分析

发布时间：2017-12-22 03:15

  本文关键词：锁定钢板固定治疗肱骨近端骨折的解剖学研究及有限元分析　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：研究背景肱骨近端骨折是三大常见骨折之一,发生率仅次于髋部及桡骨远端骨折,居第三位,占全身骨折的4%-5%。随着社会老龄化,尤其是绝经后妇女的数量有增多的趋势,人群骨质疏松发病率增高,肱骨近端骨折发生率也有逐年升高的趋势。在遭受同等能量损伤的情况下,老年人更容易发生肱骨近端骨折,且骨折类型更为复杂。临床工作中,累及肱骨距的复杂及不稳定骨折在所有肱骨近端骨折病例中所占比例较高,目前手术治疗此类骨折仍然具有挑战性。手术内固定肱骨近端骨折的方式很多,如张力带钢丝、接骨板、经皮螺钉、髓内钉及锁定钢板固定等,各种内植入物及手术固定方式都有其相应的优缺点和适应证。近年来,文献报道锁定钢板固定治疗肱骨近端骨折尤其是复杂粉碎的肱骨近端骨折取得了满意的临床效果。目前对于复杂不稳定的肱骨近端骨折,行切开复位内固定(Open Reduction and Internal Fixation,ORIF)治疗时,多选择外侧锁定钢板(Lateral Locking Plate,LLP)进行固定。然而,术后以内翻畸形为主的多种并发症,让国内外学者开始对外侧锁定钢板(LLP)固定复杂不稳定的肱骨近端骨折进行重新评估及改进。目前生物力学等研究认为:恢复肱骨距区域内侧皮质(或称内侧柱)的完整性及支撑强度成为外侧锁定钢板(LLP)固定治疗肱骨近端骨折成败的关键。对于外侧锁定钢板(LLP)固定治疗肱骨近端骨折时如何恢复肱骨近端的内侧柱支撑,很多方式方法被探索及应用。具体包括:在外侧锁定钢板(LLP)上放置肱骨矩锁定螺钉;于内侧骨质缺损处填充磷酸钙与骨水泥;术中重视肱骨距区域的骨折复位;固定同时行异体骨或自体骨的内侧支撑植骨等。各种方法的临床应用效果及优缺点被学者在文献中报道及讨论。有部分学者认为,对于复杂不稳定的肱骨近端骨折,除切开复位内固定外,还可一期行人工肩关节置换治疗。然而,就临床肩关节置换应用而言,目前还尚不如人工髋、膝关节置换技术成熟及应用普遍,其存在手术难度大,术后功能欠佳及使用寿命等尚需进一步解决的问题,所以,目前一期人工肩关节置换仅被用于少部分肱骨近端骨折的治疗,切开复位内固定(ORIF)仍然是大部分复杂不稳定的肱骨近端骨折的主要治疗手段。目前国内外对于复杂不稳定的肱骨近端骨折治疗的共识:切开复位内固定(ORIF)时尽可能选择外侧锁定钢板(LLP)固定为主,尤其是对于骨折疏松患者,重视对肱骨头血运的保护,强调对内侧柱的完整性及支撑强度的恢复,术后早期进行功能锻炼,减少并发症的发生。如何恢复内侧柱的完整性及支撑强度降低外侧锁定钢板(LLP)固定后内翻畸形的发生风险?我们研究在外侧锁定钢板(LLP)固定时辅以专门设计的肱骨近端内侧锁定钢板(Medial Locking Plate,MLP)同时行内侧复位固定,依靠内外侧双锁定钢板(Lateral locking plate and Medial Locking Plate,L-MLP)的双重支撑,恢复肱骨距区域内侧皮质的完整性及支撑强度,允许术后早期进行功能锻炼,减少术后内翻畸形及内固定失败的风险,促进骨折的顺利愈合。本研究第一部分通过对肱骨近端四项解剖参数的三维测量为肱骨近端骨折的手术复位及内侧锁定钢板(MLP)的安放提供应用解剖依据。第二、三部分的骨科生物力学研究,我们应用有限元分析法,分别对单外侧锁定钢板(LLP)及内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳定的肱骨近端骨折的三维模型进行生物力学研究,对比分析各模型在模拟肩关节不同运动状态及载荷下的应力、应变及位移情况,验证内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定对恢复肱骨近端内侧柱支撑的有效性,提供生物力学依据。三部分研究更详细摘要如下:第一部分肱骨近端的三维测量及内侧锁定钢板固定的应用解剖研究目的通过对30例(男15例,女15例,共60肩)成年人肩关节CT(Computed Tomography)扫描图像经Mimics软件重建而来的三维肱骨模型进行观察与测量,对测量指标进行统计分析,为肱骨近端骨折的手术复位及内侧锁定钢板(MLP)的选择与安放提供应用解剖依据。方法自山东省立医院医学影像科同一 CT工作站,选取30例(男15例,女15例,共60肩)健康成人肩关节CT扫描图像,要求CT扫描层厚为1.0mm,图像数据以DIC0M格式进行保存后由CT工作站导出刻盘备用。应用医学影像交互软件Mimics16.0软件建立数字化三维可视模型,标定相关解剖及位置标志,测量肱骨头内倾角(Medial inclination angle,MIA)、肱骨头后倾角(Retroinclination angle,RA)、肱骨距上表面距离(Superior surface distance,SSD)、肱骨距下表面距离(Inferior surface distance,ISD)四项解剖参数。结果男性组:肱骨头内倾角(MIA):左侧:134.23±2.36°,右侧:134.44±2.50°;肱骨头后倾角(RA):左侧:27.00±2.26°,右侧:26.73±2.66°;肱骨距上表面距离(SSD):左侧:53.57±1.33 mm,右侧:53.65±1.37mm;肱骨距下表面距离(ISD):左侧:32.82±1.04mm,右侧:32.98±1.01 mm。女性组:肱骨头内倾角(MIA):左侧:133.51±1.86°,右侧:133.72±2.58°;肱骨头后倾角(RA):左侧:25.78±2.31°,右侧:25.88±2.36°;肱骨距上表面距离(SSD):左侧:51.95±1.24mm,右侧:51.79± 1.20mm;肱骨距下表面距离(ISD):左侧:31.62 ±0.84mm;右侧:31.80 ±0.59mm。男女组内,每项参数分别做左右侧的配对t检验,P值均0.05。同一个体MIA、RA、SSD及ISD四项解剖参数的测量值在左右侧无统计学差别。结论1、CT扫描图像导入Mimics软件重建出的肱骨三维可视化模型,形态真实,边界清晰,能准确识别肱骨相应的解剖结构,满足相关参数的个体化数字测量,简便、实用。2、同一个体肱骨近端的MIA、RA、SSD及ISD四项参数在左右侧无统计学差别,对于单侧肱骨近端骨折患者,可利用对侧的测量数据来指导该侧骨折的复位与固定,临床实用性强。3、内侧入路安放内侧锁定钢板(MLP)以肱骨距上、下层面各自距离小结节后方1/2表面距离的两点连线与内侧锁定钢板(MLP)长轴中心线重合安放合适,经骨骼标本及实际手术应用验证,按该参考值安放内侧锁定钢板(MLP)可行,固定位置满意,后面进一步的有限元分析模型中内侧锁定钢板(MLP)也按此位置装配。第二部分外侧锁定钢板固定肱骨近端骨折的三维有限元分析目的建立外侧锁定钢板(LLP)固定内侧柱不稳定的肱骨近端骨折的三维模型,对模型进行有限元分析,分析模型在模拟肩关节不同运动状态及载荷下的应力、应变及位移情况测试,并为进一步内外侧双钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳定的肱骨近端骨折的三维有限元分析提供模型及生物力学特性结果的比较基础。方法本研究进行前获得纳入实验研究者本人的知情同意以及山东省立医院医学伦理委员会的批准同意。对1名健康成年女性,应用螺旋CT对其肱骨进行扫描,设定扫描层厚为1.0mm,获取一系列的连续断层图像,导入Mimics中重建出正常的肱骨三维模型。于解剖颈下方制造10mm厚度的骨折缺损模拟内侧柱不稳的肱骨近端骨折,经Geomagic Studio软件优化处理后,导入Abaqus中,依据正常骨质与骨质疏松条件下骨的弹性模量不同,对皮质骨与松质骨的弹性模量分别赋值,模拟正常骨质组与骨质疏松组。再将将外侧锁定钢板(LLP)及螺钉的三维模型按标准手术方式分别装配于模型中。经网格化、处理接触等处理后,建立外侧锁定钢板(LLP)固定后的三维有限元模型。对模型施加轴向压缩及水平旋转载荷来模拟肩关节的外展、内收、前屈、后伸、轴向压缩、内旋与外旋7种运动。选取骨折间隙远端内侧(a)前方(b)外侧(c)后方(d)四点测量位移变化。通过骨折间隙的位移来评估固定后骨折区域的稳定性。通过模拟试验中测得刚度(stifness)数值评估外侧锁定钢板(LLP)固定后整体构造的稳定性。测量不同肩关节运动及载荷条件下,内植入物的冯米斯应力分布(von Mises stress distribution)及外侧锁定钢板(LLP)上的最大应力值。结果应用外侧锁定钢板(LLP)固定内侧柱不稳定的肱骨近端骨折,正常骨质组的整体构造强度在轴向压缩及旋转载荷下均高于骨质疏松组,在旋转载荷下尤为明显。而外侧锁定钢板(LLP)的最大冯米斯应力(von Mises stress)值,在肩关节外展、内收、前屈、后伸、轴向压缩、内旋及外旋运动时,骨质疏松组均高于正常骨质组。冯米斯应力分布(von Mises stress distribution),在肩关节外展或内收时,应力集中于外侧锁定钢板(LLP)由宽变窄的变形区域中。在肩关节前屈或后伸时,最大应力出现于远近两端的锁定螺钉上。在轴向压缩载荷下,最大应力出现于外侧锁定钢板(LLP)由宽变窄的变形区域以及远近两端的锁定螺钉上。在肩关节内旋或外旋时,外侧锁定钢板(LLP)应力是最小的。在前屈、后伸、轴向压缩3种条件下,骨质疏松组在a、b、c、d四点测得的位移量均大于正常骨质组。整体上,骨质疏松组,应用外侧锁定钢板(LLP]固定后,骨折的稳定性较正常骨质组降低。结论利用肩关节CT平扫重建肱骨近端三维模型,成功建立外侧锁定钢板(LLP)固定的三维有限元分析模型,分析测试不同载荷条件下的生物力学特性,分析结果显示:应用外侧锁定钢板(LLP)固定内侧柱不稳定的肱骨近端骨折时,内侧柱支撑仅靠LLP及螺钉间接提供,外侧锁定钢板(LLP)存在应力集中的风险。结果与临床观察的表象相符合,模型的有效性得到了验证。进一步的研究中我们将对内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定伴有内侧柱不稳的肱骨近端骨折进行有限元分析,两者结果进行比较分析。第三部分内外侧双锁定钢板固定肱骨近端骨折的三维有限元分析目的通过对正常骨质及骨质疏松条件下内侧柱不稳的肱骨近端骨折应用内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定后,对模型在不同肩关节功能及载荷条件下的生物力学特性进行有限元分析,分析结果与单应用外侧锁定钢板(LLP)固定时的有限元分析结果进行比较及评价。方法在应用外侧锁定钢板(LLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折的三维有限元分析的实验基础上,在Abaqus中,将内外侧双锁定钢板(L-MLP)及螺钉三维模型按标准及我们推荐的手术方式装配到模型中,再经赋值、网格化、处理接触等处理后,分别建立正常骨质内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定,骨质疏松内外侧双锁定钢板(L-MLP)2组模型。在模拟肩关节外展、内收、前屈、后伸、轴向压缩、内旋与外旋7种运动时,分别对各组模型施加轴向压缩及水平旋转载荷进行测试,具体测试方法同仅应用外侧锁定钢板(LLP)固定时三维有限元分析中所应用的方法。测量刚度值评估固定后整体构造的稳定性,不同功能及载荷条件下,测量骨折间隙的位移量来评估骨折区域的稳定性,记录内植入物的冯米斯应力分布(vonMises stress distribution)及外侧锁定钢板(LLP)最大应力值。结果分析获取并记录正常骨质及骨质疏松时应用内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定模型在不同载荷下:整体构造的刚度(stiffness);内植入物的冯米斯应力分布(vonMises stress distribution)及外侧锁定钢板(LLP)上的最大应力值;a、b、c、d四点的骨折位移量。内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折后所测得刚度值,无论是在轴向载荷还是在旋转载荷下,正常骨质组均明显高于骨质疏松组。无论是在正常骨质还是骨质疏松组:内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折后整体构造的刚度均大于仅用外侧锁定钢板(LLP)固定,尤其是在旋转载荷下,内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定后整体构造的刚度明显高于外侧锁定钢板(LLP)固定。即内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折后整体构造的稳定性更好。对比仅用外侧锁定钢板(LLP)固定,内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折在不同载荷条件下测得外侧锁定钢板(LLP)的最大冯米斯应力(von Mises stress)减少50%以上。骨质疏松组中应用外侧锁定钢板(LLP)固定较内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折时外侧锁定钢板(LLP)的最大冯米斯应力(von Mises stress)明显增加。总体上,内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定时较仅外侧锁定钢板(LLP)固定时的骨折位移量明显缩小。但是,骨质疏松组在外展及内收运动中,应用内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折时,b,c,d,三处测得的位移量却增大。骨质疏松组,无论应用外侧锁定钢板(LLP)固定还是应用内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定,骨折的稳定性均较正常骨质组降低。结论在正常骨质及骨质疏松情况下,内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折均能通过内外侧的双重支撑减少了外侧锁定钢板(LLP)的应力及骨折区域的微动。与此相反,仅应用外侧锁定钢板(LLP)固定时因缺乏对肱骨近端内侧柱的直接支撑而致外侧锁定钢板(LLP)应力增加,长期应力增加易导致内固定失败。在骨质疏松组,外侧锁定钢板(LLP)固定较内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定更容易导致手术固定的失败。应用内外侧双锁定钢板(L-MLP)固定内侧柱不稳的肱骨近端骨折可对肱骨近端内侧柱提供更直接充分地支撑,增加了骨折区域的稳定性,降低手术内固定失败的风险。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R687.3;R322.7

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本文编号：1318211