肱骨近端骨折3种不同固定方式重建内侧柱的有限元分析

葛鸿庆1 ，刘炎2 ，管华1 ，白玉龙3 ，陈文治1 1. 广州中医药大学第二附属医院（广东省中医院）骨科，广东 广州 510405；2. 广州中医药大学第一附属医院白云区医院骨科；3. 奥派梅森（常州）医疗科技有限公司

摘要：目的 采用有限元分析肱骨近端骨折锁定钢板联合内侧支撑螺钉、锁定钢板联合腓骨支撑及外侧锁定钢板联合 内侧钢板重建内侧柱3种内固定模型的生物力学稳定性。

方法 选取1名健康女性志愿者进行肱骨近端CT扫描，按照 肱骨解剖颈下 5 mm截骨，建立肱骨近端内侧柱缺失型骨折模型，按不同内固定方式分为 PC组、PF组、PP组。PC0组单 纯应用肱骨近端锁定钢板，PC1组采用肱骨内侧支撑螺钉联合肱骨近端锁定钢板固定。PF0组单纯采用锁定钢板联合 腓骨支撑，PF1组置入内侧支撑螺钉并使用锁定钢板联合腓骨支撑。PP0组单纯应用外侧锁定钢板联合内侧钢板，PP1 组置入内侧支撑螺钉锁定钢板联合内侧钢板，采用三维有限元法分析间接暴力状态下不同分组模型的生物力学稳定 性。

结果 PP组的肱骨应力明显小于 PC、PF组，PP组相对位移最小，PC组相对位移最大；且应用内侧支撑螺钉的各组 肱骨最大等效应力、肱骨相对位移分别小于未应用内侧支撑螺钉组。PC组钢板最大等效应力最大，PP组钢板最大等效 应力最小；且应用内侧支撑螺钉的各组的钢板最大等效应力分别大于未应用内侧支撑螺钉组。

结论 外侧锁定钢板联 合内侧钢板重建内侧柱较锁定钢板联合内侧支撑螺钉、锁定钢板联合异体腓骨重建内侧柱相比均有明显的力学优势， 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内侧柱支撑螺钉；同时行内侧支撑螺钉的内固定 模型均比未行内侧支撑螺钉的内固定模型有更好的力学稳定性。 

关键词：肱骨近端骨折；内侧柱重建；锁定钢板；植骨；有限元分析

      肱骨近端骨折在成人骨折中发病率为 5%［1］，锁 定钢板在肱骨近端骨折治疗中应用广泛［2-4］ ，然而老 年骨质疏松患者因肱骨近端内侧柱为松质骨与皮质 骨过渡区，骨小梁薄弱，属于力学薄弱区，骨折时易导 致内侧柱压缩、丢失。单独采用锁定钢板治疗术后常 出现颈干角丢失、螺钉切出、内翻畸形甚至肱骨头坏 死等并发症［5］ 。临床上以锁定钢板联合内侧支撑螺 钉、锁定钢板联合异体腓骨重建内侧柱最为常见。内 侧支撑螺钉的置入率较低，异体腓骨重建内侧柱常会 伴随着医源性感染及二期肩关节置换腓骨拔出困难 的风险［6］ ，因此联合内侧钢板手术仍是重建内侧柱的 重要方法。目前临床上使用双侧钢板建立内侧支撑 的方法主要有 2种，即外侧锁定钢板联合前内侧钢板 手术与外侧锁定钢板联合内侧钢板手术。由于置入 内侧钢板术区显露易损伤旋肱前动脉，目前临床应用 较少。笔者采用有限元分析方法，比较肱骨近端锁定 钢板联合内侧支撑螺钉、锁定钢板联合腓骨支撑、外 侧锁定钢板联合内侧钢板重建内侧柱 3 种不同固定 方式的力学稳定性，探讨内侧钢板在内侧柱缺失型肱 骨近端骨折中重建内侧柱的应用价值，报道如下。

1 资料与方法 

1.1 样本数据的获取 选择1名健康女性志愿者，无 肩部外伤、肿瘤、畸形病史，年龄 65 岁，体重 58 kg，身 高 160 cm，合并一定程度骨质疏松。取肩部 CT 螺旋 扫描数据，生成图像并保存为 DICOM 格式，将数据导 入 Mimics 19.0 软件，经阈值分割，获取肱骨皮质骨大 致轮廓，利用腔隙填充得到完整实心肱骨模型，复制 1份经光滑处理后导出为 stl格式文件；相同操作得到 皮质骨蒙版，经手动修改皮质骨区域得到髓腔中空肱 骨模型，利用软件“逻辑非”功能将此模型与上述实心 肱骨蒙板组合，得到髓腔模型以 stl 格式导出。将实 心肱骨、髓腔模型的 stl 格式文件导入 Geomagic Wrap 软件中，行表面光滑、划分网格、探测轮廓线及拟合曲 面等处理，保存为 stp 格式后导入 Soildworks 2017 软 件，进行装配组合得到肱骨中空模型，并参考 Sanders 等［7］ 的截骨方法在肱骨外科颈处模拟宽度为 5 mm 的 骨质缺损肱骨近端内侧柱缺失型骨折模型（图 1）。对于骨折近端模拟实心松质骨结构，利用删除面功能 填充，并利用“组合”功能得到近端松质骨区域模型， 模型保存为 prt格式。在 Solidworks中按照 PHILOS系 统、重建钢板建立 CAD 模型，螺钉省略螺纹以简化计算过程；腓骨长度及直径选择根据解剖学研究［8］ ，选 取长 60 mm，直径 9 mm 的实心圆柱体建立；重建钢板 选择 5孔重建钢板建立模型，长度 60 mm，将 3种模型 保存为 prt 格式。根据相关有限元研究［9-11］ 改变骨组 织的弹性模量的方式建立骨质疏松性骨模型使之与 临床情况更加接近。

1.2 肱骨近端骨折模型的建立 肱骨近端外侧锁定 钢板按照 PHILOS 系统 1∶1 建立钢板及螺钉模型，钢 板选择 3 孔 PHILOS 钢板，其中 E 钉为内侧柱支撑螺 钉。内侧柱锁定钢板按照重建钢板1∶1建立钢板及螺 钉模型，重建钢板选择5孔钢板，远近折端各置入2枚 螺钉固定。模型装配将上述肱骨、外侧锁定钢板螺 钉、内侧重建钢板螺钉、腓骨模型在Solidworks中进行 装配组合，组合按照肱骨近端骨折治疗原则［12］ ，外侧 钢板放置于肱骨外侧，上端距大结节顶点 5~7 mm，内 侧距结节间沟外侧 5 mm，装配组合螺钉；重建钢板位 于肱骨内侧，腓骨置于髓腔中心，与肱骨及钢板纵轴 平行，腓骨下段至于髓腔最狭窄处。

      模型分组按不同内固定方式分为 PC 组、PF 组、 PP 组。PC 组为单独应用肱骨近端锁定钢板组，其中 PC0 组未置入内侧支撑螺钉单纯应用肱骨近端锁定 钢板，PC1组采用肱骨内侧支撑螺钉联合肱骨近端锁 定钢板固定。PF 组为锁定钢板联合腓骨支撑组，其 中 PF0组未置入内侧支撑螺钉，单纯采用锁定钢板联 合腓骨支撑，PF1组置入内侧支撑螺钉并使用锁定钢 板联合腓骨支撑。PP组为外侧锁定钢板联合内侧钢 板重建内侧柱组，PP0 组未置入内侧支撑螺钉，单纯 应用外侧锁定钢板联合内侧钢板，PP1组置入内侧支 撑螺钉锁定钢板联合内侧钢板（图 2）。将 3组模型保 存为 X_T 格式。材料属性设置及网格划分将上述模 型导入 Ansys Workbench 软件中，肱骨材料均设定为 各向同性的弹性材料，各材料弹性模量及泊松比［13-14］ 见表 1。肱骨、钢板、螺钉及腓骨均采用 10 节点 4 面 体单元（C3D4），不同模型节点及单元见表2。

1.3 约束条件及载荷 将肱骨头与盂的界面设置为 完全固定，在肱骨近端骨折内固定模型中，钢板和皮 质骨间无摩擦，钢板与锁定螺钉为绑定，螺钉与皮质 骨和松质骨设定为完全绑定，螺钉与腓骨设定为绑 定，腓骨与松质骨设定为摩擦，摩擦系数为 0.2。所有 材料均定义为各向均质的弹性材料。根据何仿［15］ 的研 究确定加载点，模拟体重为 60 kg的成人，每一个功能位置上经肱骨大结节均施加 50 N 水平载荷，并同时 在肱骨远端加载100 N轴向载荷。

2 结 果 

      PC 组与 PF 组肱骨最大等效应力均集中在骨折 端附近，而 PP 最大等效应力分布于肱骨远端。PP 组 的肱骨应力明显小于PC、PF组，且应用内侧支撑螺钉 的 PC1组、PF1组、PP1组的肱骨最大等效应力分别小于未应用内侧支撑螺钉 PC0 组、PF0 组、PP0 组；PC 组 最大等效应力主要分布于钢板的骨折端，PF 组最大 等效应力主要分布于内侧支撑螺钉与腓骨支撑结合 部，PP 组最大等效应力主要分布与钢板远端。PC 组 钢板最大等效应力最大，PP 组钢板最大等效应力最 小。且应用内侧支撑螺钉的 PC1组、PF1组、PP1组的 钢板最大等效应力分别大于未应用内侧支撑螺钉 PC0 组、PF0 组、PP0 组；PP 组相对位移最小，PC 组相 对位移最大。且应用内侧支撑螺钉的 PC1 组、PF1 组、PP1组的相对位移分别小于未应用内侧支撑螺钉 PC0组、PF0组、PP0组。见表3。

3 讨 论 

        锁定钢板固定手术作为肱骨近端骨折的最常用 术式，在肱骨近端骨折治疗中有着独特的优势。对于 肱骨近端内侧柱缺失型骨折，手术关键在于重建内侧 柱，目前肱骨近端重建内侧柱已成为了减少肱骨近端 内固定失效的主要手段。李仁斌等［16］ 认为内侧柱要 尽可能维持复位，且维持良好颈干角，才能保证肱骨 头的血运，降低肱骨头坏死率。外侧锁定钢板联合内 侧钢板重建内侧柱作为重建内侧柱的重要方法，而内 侧钢板的选择目前尚无统一标准。

      1/3 管形板是最先应用于内侧支撑的钢板，Wan⁃ ner 等［17］ 通过应用内外侧 1/3 管型钢板治疗肱骨近端骨折，其中 2个钢板以 90°排列临床疗效显著，但其未 评估内侧柱的稳定性。有学者认为外侧锁定钢板联 合倒置的1/3管形板比内侧支撑螺钉具有更高的刚度 与极限载荷。有学者应用可变角度桡骨远端锁定钢板 治疗肱骨近端内侧柱缺失型骨折，可变角度桡骨远端 锁定钢板位于大结节后方，为内侧柱提供间接的支 撑。Di Tullio 等［18］研究了外侧锁定钢板与非锁定前 内侧板的生物力学稳定性，前内侧钢板为 1/3 管形钢 板，且放置于结节间沟内侧，结果显示与内侧支撑螺 钉相比，双钢板联合固定比锁定钢板联合内侧支撑螺 钉具有更高的失效最终载荷。张学东［19］ 认为外侧锁定 钢板与后侧锁定钢板的联合固定治疗内侧柱缺失型 肱骨近端骨折具有良好稳定性。本研究选择重建钢板 作为内侧支撑钢板，具有可塑性的同时又具有较好的 强度，可为肱骨近端内侧柱提供良好的支撑。

      将重建钢板置于内侧重建内侧支撑需对肱骨内 侧血运进行解剖，肱骨近端的血供往往是评估手术方 式的重要因素。从前内侧穿过的肱骨近端旋肱前动 脉的升支和弓形分支是肱骨头的血液供应重要来源， 将钢板放置在肱骨头的前内侧区域会增加血管受伤 的风险。Chen 等［20］ 观察到肱骨近端旋肱前动脉的起 点在盂下结节、喙突、肩峰和锁骨中线之间的平均距 离分别为 26.9 mm、49.2 mm、67.0 mm 与 74.9 mm。在 解剖学上内侧、后内侧和外侧区域对于肱骨回旋支分 支的进入至关重要，术中显露及置入内固定时应避免 损伤［21］ 。将钢板置于肱骨的前内侧，可减少术中出现 血管损伤的风险。Lambert 等［21］ 指出，即使后内侧皮 质有明显的分裂及粉碎，肱骨头也能完成血管重建， 因在三角肌和肱骨近端旋肱前动脉之间存在明显的 吻合口。内侧支撑钢板应至少使用四孔钢板，钢板孔 应位于大圆肌上缘，位于干骺端动脉环上方。锁定钢 板联合内侧支撑螺钉、锁定钢板联合异体腓骨重建内 侧柱是最常用的重建内侧柱方式，本研究通过有限元 分析证明肱骨近端外侧锁定钢板联合内侧钢板重建 内侧柱较锁定钢板联合内侧支撑螺钉、锁定钢板联合 异体腓骨重建内侧柱相比在肱骨及钢板的最大等效 应力、骨折端相对位移均有明显的力学优势。行内侧 支撑螺钉的内固定模型在肱骨及钢板的最大等效应 力、骨折端相对位移方面均比未行内固定支撑螺钉的 模型更有优势。无论是否置入肱骨内侧柱支撑螺钉， 内侧钢板重建内侧柱相对另外两种固定方式均具有 较好的稳定性。

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