肱骨投掷骨折致伤机制及不同内固定方式的三维有限元分析

发布时间：2018-04-02 08:34

本文选题：肱骨　切入点：投掷骨折　出处：《南方医科大学》2015年硕士论文

【摘要】：研究背景肱骨投掷骨折一般指因投掷运动或臂力较量等活动引起的肱骨干骨折。典型的肱骨投掷骨折通常为肱骨中下段螺旋形不稳定骨折。可发生于士兵投弹训练,标枪、铅球、链球等投掷项目,以及棒球、垒球、冰球、网球等球类项目中。其确切的致伤机制尚不清楚,可能与以下因素有关：(1)首先从解剖外观来看,肱骨中下段为圆柱形与三角形之交界处,是肱骨力学上薄弱点,为骨折的好发部位；(2)投掷过程中由于肌群间不协调,形成了不平衡的拮抗作用；(3)过度训练,肌肉疲劳,手臂疼痛,训练技能不足等。肱骨投掷骨折的治疗方式多种多样,以往多采用非手术治疗,可取得较好的治疗效果。近年来随着技术层面的不断发展,以及患者对快速复位和减轻疼痛的要求,越来越多的学者主张采取手术治疗。与非手术治疗相比,采用手术治疗可使骨折复位更加牢固,并能早期锻炼,从而尽早恢复患肢功能,减轻患者疼痛,提高生活质量。但也有增加感染率、医源性桡神经损伤、内固定失败等缺点。肱骨投掷骨折的内固定手术方式主要有拉力螺钉、髓内固定系统和钢板螺钉系统等,采用多枚拉力螺钉固定具有微创、操作简单、手术时间短等优点,但缺点是术后易出现复位丢失,不利于早期功能锻炼,目前多倾向与钢板螺钉系统联合应用。目前使用较多的髓内钉系统包括改良的Kuntscher钉、Gross-Kempf钉、Seidel钉以及带锁髓内钉等,髓内钉具有应力遮挡效应小、骨膜剥离少、神经血管损伤发生率低、轴心固定符合生物力学特性等优点,但平均愈合时间及手术时间相对较长。钢板螺钉系统主要包括动力加压钢板(DCP)和锁定加压钢板(LCP)等,钢板固定不仅具有张力带效果、还固定可靠、可抗旋转,稳定性好,但钢板固定也存在骨折断端骨膜剥离范围大,破坏血运和应力遮挡,应用不当时可能出现钢板断裂骨不连或钢板取出后再骨折等问题。手术内置物的选择目前仍有争议,如髓内钉与钢板的选择、顺行与逆行髓内钉的选择、锁定加压钢板与动力加压钢板的选择、动力加压钢板是否应常规加用拉力螺钉等,正确掌握手术适应证至关重要。与钢板固定相比,髓内钉具有应力遮挡效应小、骨膜剥离少、神经血管损伤发生率低、轴心固定符合生物力学特性等优点,临床上常被应用于治疗肱骨中下段骨折。对于肱骨中下段骨折,应首选顺行还是逆行髓内钉固定,目前仍无统一观点。采用顺行髓内钉技术易造成肩袖损伤,可引起肩关节功能障碍。逆行髓内钉技术能有效避免肩袖损伤,但鹰嘴窝上方为坚硬的皮质骨,术中操作易造成肱骨远端劈裂。前外侧和后侧入路是治疗肱骨中下段骨折最常用的两种手术入路,钢板分别放置于肱骨前外侧柱和后侧柱。治疗肱骨中下段骨折首选何种手术入路以及钢板最佳放置位置尚有争议。由于桡神经斜跨骨折部位并紧贴骨面,钢板放置于前外侧柱时需游离显露桡神经,故在手术游离、骨折复位操作及钢板固定过程中易造成桡神经医源性损伤。由于肱骨后侧面为扁平状骨面,可提供一个较平坦的骨折内固定条件,手术操作简单且不需游离桡神经。但也有研究指出：采用后侧入路需要劈开肱三头肌,易造成术后疤痕粘连,导致肘关节伸直受限。对于钢板放置的位置哪个更好?尚无统一观点。使用动力加压钢板和拉力螺钉技术治疗肱骨螺旋形骨折时应遵循AO原则,解剖复位,保护骨折断端血供,坚强内固定,早期功能锻炼。加用拉力螺钉技术,可以简化操作,并减少复位后骨折断端存在的剪切力,减小骨折块之间的距离,增强骨折断端加压作用。但对于肱骨中下段螺旋形骨折,是否应常规加用拉力螺钉,目前仍无统一观点。随着数字医学技术的发展,三维有限元方法作为一种较新的研究手段,逐渐应用于骨科的生物力学研究。通过分别建立不同内固定方式固定肱骨投掷骨折的三维模型,应用有限元方法进行力学分析,可以比较不同内固定方式在完成不同动作时的生物力学特点,有利于术者对不同手术固定方式进行选择,同时为术后康复工作提供理论参考。本研究就针对上述临床问题,结合三维有限元分析方法,从力学角度出发对锁定加压钢板(LCP)和动力加压钢板(DCP)治疗肱骨投掷骨折不同放置位置、逆行和顺行髓内钉固定,动力加压钢板加用和不加用拉力螺钉的力学特性进行相关分析,并探讨其临床生物力学意义。目的1.采用有限元分析法模拟肱骨投掷骨折的发生过程,探索肱骨投掷骨折的致伤机制；2.通过有限元分析法分析锁定加压钢板、顺行和逆行交锁髓内钉内固定肱骨投掷骨折的生物力学特性；3.通过有限元分析法分析经前外侧和后侧手术入路,钢板不同放置位置生物力学特性。4.分析动力加压钢板加用和不加用拉力螺钉固定肱骨投掷骨折的生物力学差异。方法1.对健康成年志愿者的肱骨进行螺旋CT扫描,并通过相关建模软件构建肱骨以及肱骨投掷骨折模型,应用Solidwork2013软件的装配和布尔运算功能,模拟骨折复位,完成肱骨螺旋形骨折与内固定模型的装配,分别予以锁定加压钢板和动力加压钢板置于肱骨前外侧和后侧固定肱骨投掷骨折,相同的加载和约束条件下模拟侧方摔倒肘部着地、上臂逆时针旋转活动以及遭受直接暴力打击三种工况,评价各种工况下钢板不同放置位置的最大等效应力、骨折块的最大综合位移、骨折断端最大综合位移及最大等效应力。2.分别予以逆行和顺行髓内钉固定肱骨投掷骨折,相同的加载和约束条件下模拟侧方摔倒肘部着地、上臂逆时针旋转活动以及遭受直接暴力打击三种工况,评价各种工况下不同内固定方式及不同放置位置的最大等效应力、骨折块的最大综合位移、骨折断端最大综合位移及最大等效应力。3.分别予以动力加压钢板加用和不加用拉力螺钉固定肱骨投掷骨折,相同的加载和约束条件下模拟侧方摔倒肘部着地、上臂逆时针旋转活动以及遭受直接暴力打击三种工况,评价各种工况下不同内固定方式及不同放置位置的最大等效应力、骨折块的最大综合位移、骨折断端最大综合位移及最大等效应力。结果1.我们构建的肱骨投掷骨折三维有限元模型经过与传统生物力学实验结果及临床观察现象相比较,证实是有效的、合理的。2.肱骨投掷骨折的具体机制尚未能被阐明,一般认为投掷过程中三角肌和肱肌二者形成了不平衡的拮抗作用是导致骨折的主要原因。本研究发现,在肱骨施加一个向内旋转作用力,肱骨中下段出现螺旋形受力集中带,与肱骨投掷骨折的好发部位重叠,提示该类骨折的发生可能与肱骨自身解剖特点相关；3.锁定加压钢板置于肱骨前外侧和后侧,逆行和顺行交锁髓内钉固定肱骨投掷骨折的有限元分析结果：(1)内固定最大等效应力：锁定加压钢板置于前外侧较后侧最大应力值小；逆行较顺行髓内钉在压缩工况最大应力值更大,扭转和弯曲工况较小；(2)骨折块最大综合位移：髓内钉较锁定加压钢板组大,锁定加压钢板置于前外侧较后侧大,顺行髓内钉较逆行髓内钉大；(3)骨折断端最大等效应力：锁定加压钢板较髓内钉组骨折断端最大应力大且应力分布均匀。4.动力加压钢板、动力加压钢板加用拉力螺钉置于肱骨前外侧和后侧固定肱骨投掷骨折的有限元分析结果：在压缩和弯曲工况下,前外侧较后侧内固定物最大应力及骨折块最大位移较大,扭转工况则相反。使用较不使用拉力螺钉在三种工况内固定物的最大应力值小,且分布均匀。压缩工况下,使用拉力螺钉较不使用骨折块的最大位移值较大,弯曲和扭转工况,最大位移值则较小。各组模型骨折断端应力分布基本相似,加用拉力螺钉可减小骨折面最大位移。结论1.本实验成功地构建了一个能真实反应肱骨以及肱骨投掷骨折生物力学特性的三维有限元模型,较传统的实验力学方法具有可重复使用的优点；2.由于肱骨自身解剖特点,在旋转外力作用下产生中下段螺旋形受力带,可能是导致骨折的致伤机制之一；3.应用锁定加压钢板较髓内钉治疗肱骨投掷骨折更加稳定且应力均匀；逆行髓内钉稳定性优于顺行髓内钉；4.锁定加压钢板置于后侧较前外侧更稳定但应力略大；动力加压钢板置于后侧在轴向压缩和弯曲时稳定性更强,置于前外侧抗扭转能力更具优势；5.使用拉力螺钉使骨折面更加贴合,可增强扭转和弯曲时的稳定性,但会降低压缩时的稳定性。
[Abstract]:The research background of humerus throwing fractures generally refers to humeral shaft fractures caused by the throwing motion or the relative amount of arm force . Typical humeral fractures are usually unstable fractures of the lower part of the humerus . The exact mechanism of injury is unknown . It may be related to the following factors : ( 1 ) First , from the anatomical appearance , the lower part of the humerus is the juncture of the cylindrical and triangle , which is the weak point of humerus mechanics , which is a good part of fracture ;
( 2 ) In the course of throwing , an imbalance of antagonism was formed due to the incoordination between the muscle groups ;
The present invention has the advantages of small stress shielding effect , less bone film peeling , low incidence of nerve blood vessel injury , and good stability , but also has the advantages of small stress shielding effect , less bone film peeling , low incidence of nerve and blood vessel injury , no fracture of axial center , etc . The intramedullary nail has the advantages of small stress shielding effect , less bone film peeling , low incidence of nerve blood vessel injury , etc . , and has the advantages of small stress shielding effect , less bone film peeling and low incidence of nerve vascular injury . In order to avoid rotator cuff injury , it is easy to avoid rotator cuff injury .
2 . To analyze the biomechanical characteristics of the fixation of humerus - throwing fractures in the interlocking intramedullary nail by means of finite element analysis .
3 . Three - dimensional finite element model of humerus throwing fracture was analyzed by means of finite element analysis method .
3 . The finite element analysis result of locking the compression steel plate on the anterolateral and posterior side of the humerus , retrograde and antegrade interlocking intramedullary nail in the fixation of the humerus throwing fracture : ( 1 ) the maximum equal effect force in ( 1 ) : the maximum stress value of the locking compression steel plate at the rear side of the front outer side is small ;
The maximum stress value of retrograde intramedullary nail in compression working condition is larger , torsion and bending working conditions are small ;
( 2 ) Maximum comprehensive displacement of the fracture mass : the intramedullary nail is larger than the locking compression plate group , the locking and compression steel plate is larger than the rear side of the front outer side , and the antegrade intramedullary nail is larger than the retrograde intramedullary nail ;
( 3 ) Maximum equal effect force of fracture end of fracture : The maximum stress and stress distribution of the fracture end of compression plate compared with intramedullary nail group were great and the stress distribution was uniform . The maximum displacement value of the fixed object in the anterior and posterior side was small and the distribution was uniform under the compression and bending conditions . The maximum displacement of the fracture surface was smaller than that of the fracture block without using lag screw . Conclusion 1 . The experiment successfully constructed a three - dimensional finite element model which can truly reflect the humeral and humeral fractures .
2 . Due to the features of humerus ' s own anatomy , the lower and lower spiral force bands under the action of rotational force may be one of the injury mechanisms of fracture .
3 . The treatment of humerus throwing fracture with locking compression plate is more stable and the stress is uniform ;
The stability of retrograde intramedullary nail is superior to that of antegrade intramedullary nail .
4 . The locking compression steel plate is more stable but slightly larger than the front side of the rear side ;
the dynamic pressure steel plate is placed on the rear side to be more stable in axial compression and bending , and is more advantageous to be placed on the front outer lateral torsion resistance ;
5 . Using the lag screw to make the fracture surface more conformable , the stability of torsion and bending can be enhanced , but the stability at the time of compression can be reduced .

【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

【参考文献】