外侧结合后侧钢板在肱骨近端骨折内侧柱支撑的生物力学研究

摘要

目的： 近年来,随着老龄化社会到来,治疗肱骨近端骨折患者逐年提升,由于属于骨质疏松性骨折,复杂Neer三、四部分骨折占65%左右,由于骨质原因及易形成干骺端粉碎骨折,复位后出现肱骨距内侧皮质缺损或复位不良,应用锁定钢板结合内侧支撑螺钉进行固定,通过术后随访部分患者仍然出现颈干角复位丢失或肱骨头内翻发生,严重影响肩关节功能.对于此类现象发生拟寻求新的技术突破,试图采取坚强内固定方式可否解决并发症发生,目前需要新的生物力学研究支持.由于肱骨近端骨折伴内侧柱缺损在临床治疗一直为热点,治疗上尚无统一标准,尽管锁定钢板结合内侧支撑螺钉治疗取得较满意效果,但在干骺端粉碎骨折治疗仍存在不足.本研究将通过不同方法探讨肱骨近端外侧和后侧联合钛板应用在肱骨近端骨折的治疗效果. Brekelmans等在20世纪70年代在骨科生物力学领域引入有限元分析方法,近年来,该方法在骨科领域得到了广泛应用.本文采用医学建模软件Mimics17.0及有限元分析软件abaqus快速建立肱骨近端三维有限元模型,模拟生理及测试状态下肱骨近端外侧和后侧联合钢板应用在肱骨近端骨折内侧柱支撑生物力学受力情况,分析应力分布特征,分析肱骨及钢板负重应力应变特点,旨在指导临床内固定治疗方案的制定. 方法： 第一部分:通过体外生物力学实验探讨肱骨近端外侧和后侧联合钛板应用在肱骨近端骨折内侧柱支撑的生物力学性能.将十八个人工合成左侧SAWBONES肱骨随机分成三组,建立外科颈骨折内侧柱缺损模型,采用肱骨近端锁定钢板固定,根据不同固定方式分为以下三组:A组PHILOS钛板支撑;B组不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定;C组带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定.使用Bose ElectroForce?3510测试系统分别对三组标本进行轴向压缩、抗扭、剪切力压缩、模型失效、疲劳测试及微应变分析. 第二部分:基于计算机三维有限元分析方法,模拟生理及测试状态下肱骨近端外侧和后侧联合钢板应用在肱骨近端骨折内侧柱支撑生物力学受力情况,分析不同应力状态下不同固定装置的力学分布特征.首先使用六十四排螺旋CT扫描一名正常成年男性的肩关节,获得连续断层扫描影像,导出DICOM数据,然后将DICOM数据导入Mimicsl7.0软件中,利用计算机模拟生成肱骨近端三维几何模型,使用ANSYS有限元分析软件进行网格划分、材料属性赋值并生成有限元模型,约束边界条件,模拟生理及加力状态下肱骨近端外侧和后侧联合钢板应用在肱骨近端骨折内侧柱支撑生物力学受力情况,分析应力分布特征.结果:建立有限元模型,模拟肩关节实验状态条件:对肱骨近端三维有限元模型施加600N的轴向载荷;标本外展20°的位置同样进行600N的轴向载荷制造模拟摔倒时上肢撑地剪切力;作用于肱骨头中心合力进行5N?M的扭转加载. 第三部分:比较采用肱骨近端外侧和后侧联合应用锁定钛板(LPDP)与PHILOS钛板固定治疗肱骨近端骨折的临床疗效分析.2016年01月-2017年12月随机对照分组诊治的29例肱骨近端骨折,采用外侧和后侧联合应用锁定钛板内固定治疗14例(LPDP),PHILOS内固定治疗15例(PHILOS组).比较2组手术时间、术中出血量、骨折愈合时间、肱骨颈干角,以及术后6、12个月肩关节功能Neer和Constant评分. 结果： 第一部分:PHILOS钛板支撑、不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定、带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定三种不同固定方式,其中PHILOS钛板支撑组轴向压缩最大载荷为177.10±5.1N,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组轴向压缩最大载荷为217.83±8.3N,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组轴向压缩最大载荷为249.57±20.5N,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组抗压刚度为170.25±10.3N/mm,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗压刚度为225.49±17.9N/mm,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗压刚度为245.11±27.5N/mm,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组抗扭测试最大扭矩为2.262±0.6N?m,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗扭测试最大扭矩为2.675±0.2N?m,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗扭测试最大扭矩为2.609±0.12N?m,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组剪切力压缩测试最大载荷为86.87±7.7N,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组剪切力压缩测试最大载荷为98.43±9.4N,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组剪切力压缩测试最大载荷为115.43±15.6N,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组抗压刚度为80.79±12.5N/mm,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗压刚度为100.4±14.7N/mm,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组抗压刚度为123.66±20.4N/mm,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组模型失效载荷为790.35±60.8N,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组模型失效载荷为1261.23±97.88N,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组模型失效载荷为1593.7±144.7N,P<0.05;其中PHILOS钛板支撑组疲劳测试初末位移差值为0.52±0.12mm,不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组疲劳测试初末位移差值为0.39±0.08mm,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定组疲劳测试初末位移差值为0.21±0.04mm,P<0.05.电阻应变片测试所得不同固定方式的微应变变化趋势与电阻片位置相关,骨折断端内侧有内侧柱支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定方式,其轴向压缩最大微应变、抗扭最大微应变、剪切力最大微应变及疲劳测试最大微应变差值均显著小于不带有内侧柱支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定以及单纯PHILOS钛板;而在骨折断端外侧,三种固定方式的微应变均小于骨折断端内侧且三者之间无明显差异. 第二部分:有限元实验表明肱骨近端内侧皮质骨缺损单钢板制成与双钢板支撑比较,带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定、不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定以及单纯PHILOS钛板支撑的轴向抗压强度逐渐降低且有统计学差异;带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定、不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定以及单纯PHILOS钛板支撑的抗剪切力强度逐渐降低且有统计学差异;带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定、不带有内侧柱的支撑螺钉的PHILOS钛板与后侧锁定钛板的联合固定以及单纯PHILOS钛板支撑的抗扭转强度逐渐降低且有统计学差异. 第三部分:肱骨近端骨折患者均获得随访12-16个月,平均13.6个月.LPDP组和PHILOS组术后6月在Neer和Constant评分有统计学差异,LPDP组优于PHILOS组(P<0.05).在手术时间PHILOS组优于LPDP组(P<0.05),骨折愈合时间LPDP组优于PHILOS组,差异有统计学意义(P<0.05);但2组术中出血量比较差异无统计学意义(P>0.05);术后PHILOS组术后颈干角均显著小于LPDP组(P<0.05);LPDP组与PHILOS组术后12个月肩关节功能Neer和Constant评分无明显统计学差异(P>0.05). 结论： 1.本实验通过体外生物力学实验分析,结果表明带有内侧柱的支撑螺钉的外侧钢板与后侧钢板的联合支撑具有最佳的生物力学性能,较传统单钢板支撑明显增强.通过带有内侧柱的支撑螺钉的外侧钢板与后侧钢板的联合撑值得临床运用,以预防术后内固定失败; 2.本实验建立肱骨近端有限元模型,模拟生理及测试状态下肱骨近端外侧和后侧联合钢板应用在肱骨近端骨折内侧柱支撑生物力学受力情况,分析应力分布特征.带有内侧柱的支撑螺钉的外侧钢板与后侧钢板的联合支撑具有最佳的生物力学性能,较传统单钢板支撑明显增强.通过带有内侧柱的支撑螺钉的外侧钢板与后侧钢板的联合撑值得临床运用,以预防术后内固定失败; 3.外侧联合后侧锁定钢板治疗肱骨近端粉碎骨折或内侧距不稳定骨折,患者可早期功能训练,获得满意肩关节功能结果,避免肱骨头内翻、二次手术率并发症发生.

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