焦開(kāi)剛 范建楠

肩鎖關(guān)節(jié)是由肩鎖關(guān)節(jié)面和鎖骨肩峰構(gòu)成的滑膜關(guān)節(jié)。肩鎖關(guān)節(jié)發(fā)病率較高，據(jù)報(bào)道，在所有肩部損傷中，肩鎖關(guān)節(jié)脫位的發(fā)生率高達(dá)9%，多見(jiàn)于男性及熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)的人群[1-3]。到目前為止，對(duì)于肩鎖關(guān)節(jié)脫位的固定技術(shù)有100 多種，但對(duì)于其最佳治療方法存在爭(zhēng)議[4]。目前的大多數(shù)技術(shù)未使用足夠堅(jiān)強(qiáng)的材料來(lái)縮短肩鎖關(guān)節(jié)脫位的愈合時(shí)間，這些技術(shù)通常無(wú)法達(dá)到解剖重建，這可能會(huì)導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生和治療失敗。近年來(lái)，隨著人們對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)脫位研究的逐漸加深，以及對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)脫位的發(fā)病機(jī)制、治療方法的深入探討，對(duì)鎖骨鉤鋼板、肌腱轉(zhuǎn)移術(shù)等治療肩鎖關(guān)節(jié)脫位的生物力學(xué)方面有了一定的研究[5-6]。由于肩鎖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)外對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)的三維有限元分析較其他關(guān)節(jié)晚，因此對(duì)于肩鎖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究還不夠完善。我國(guó)骨科領(lǐng)域的三維有限元分析多集中在脊柱和下肢的生物力學(xué)研究，尚未有關(guān)于建立肩鎖關(guān)節(jié)脫位三維有限元模型及使用雙扣與三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)應(yīng)力分析的文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究中，通過(guò)有限元分析軟件建模，構(gòu)建了鎖骨、肩胛骨、肩鎖關(guān)節(jié)相關(guān)韌帶的正常模型作為參考模型。在參考模型上應(yīng)用肩鎖關(guān)節(jié)脫位建立損傷模型。使用有限元分析法模擬雙扣與三扣技術(shù)進(jìn)行肩鎖關(guān)節(jié)重建。分析在設(shè)定力學(xué)加載條件下，模擬使用雙扣、三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)脫位，比較其生物力學(xué)特性，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 建模材料

研究對(duì)象：一名健康男性，36 歲，身高172 cm，體重68 kg，無(wú)肩部疼痛，肩關(guān)節(jié)及鎖骨肩胛骨影像學(xué)檢查，排除其病變及畸形。自愿接受成為本次實(shí)驗(yàn)的志愿者。采用多層螺旋CT 掃描肩部（飛利浦64 排螺旋CT），層厚1 mm，DICOM 格式儲(chǔ)存。

有限元建模分析軟件：Mimics 19.0（Materialise’s interaction medical image system），Geomagic Studio 2013，SOLIDWORKS 2017，Ansys 17.0。

1.2 有限元模型建立

本研究中選擇一名正常男性青年的志愿者進(jìn)行CT檢查，獲取DICOM 格式影像資料后，將其導(dǎo)入有限元分析軟件中建模，構(gòu)建了鎖骨、肩胛骨、肩鎖關(guān)節(jié)相關(guān)韌帶的正常模型，作為參考模型。在參考模型上應(yīng)用肩鎖關(guān)節(jié)脫位建立損傷模型。使用有限元分析法模擬雙扣和三扣技術(shù)進(jìn)行肩鎖關(guān)節(jié)重建：模型1 為參考模型，模型2 為雙扣重建模型，模型3 為三扣重建模型（見(jiàn)圖1）。三扣重建時(shí)，在損傷模型上采用3 個(gè)微型金屬紐扣（Acufex,Smith&Nephew,Andover,MA）和兩根5 號(hào)纖維縫合線（Fiber suture）模擬重建肩鎖關(guān)節(jié)。在這一步中，將Endobutton 放置在錐狀韌帶和斜方韌帶解剖位置[7]。用2.5 鉆頭先鉆兩個(gè)孔。第一組為鎖骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)20 mm，第二組為鎖骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)40 mm，最后用直徑為4.5 mm 鉆頭鉆孔達(dá)喙突基底部中央。這些孔指的是斜方和錐狀韌帶的解剖附著標(biāo)志[8]。

圖1 A.參考模型；B.雙扣模型；C.三扣模型

1.3 材料屬性及網(wǎng)格特性

材料屬性的賦值是有限元分析中的主要環(huán)節(jié)之一，為了使計(jì)算的結(jié)果更加接近真實(shí)值，必須要使材料屬性貼近真實(shí)材料[9]。男性，年齡36 歲，體重68 kg，經(jīng)CT 檢查所獲得的影像學(xué)資料，建立包含肩鎖關(guān)節(jié)：鎖骨、肩胛骨、韌帶等多種材料的三維模型。根據(jù)文獻(xiàn)研究，材料特性定義為的各向同性材料（見(jiàn)表1），所有材料都假設(shè)為均勻、各向同性和線性彈性。因此，筆者使用了兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（彈性模量和泊松比）來(lái)反映材料的性質(zhì)[10-12]。軟組織具有粘彈性材料特性，如果軟骨粘彈性的時(shí)間常數(shù)不超過(guò)1.5 s，就被認(rèn)為是單相線性彈性、各向同性的均勻材料。另外，韌帶也被認(rèn)為是一種單相線性彈性和各向同性的材料。因此，軟組織也被認(rèn)為是一種線性彈性和各向同性的材料[13-14]。

表1 材料特性[15]

利用Ansys 軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，將肩部模型劃分為網(wǎng)格，建立有限元模型。骨模型和Endobutton 均選擇Solid187四面體單元類型，韌帶采用六面體網(wǎng)型。骨結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀尺寸為5 mm，Endobutton 為2 mm，線和韌帶為1 mm。模型得到的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)如表2 所示。根據(jù)Newton-Raphson 準(zhǔn)則進(jìn)行非線性分析，網(wǎng)格收斂測(cè)試的方法是將單元尺寸從5 mm細(xì)化到1 mm。因此，采用有限元網(wǎng)格模型來(lái)探討雙扣與三扣技術(shù)對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)重建的影響是合理的。

表2 單元和節(jié)點(diǎn)

1.4 邊界條件及加載

喙突與肩峰以喙肩韌帶連接，三扣與雙扣表面直接與鎖骨上表面和喙突基底下表面定義為不分離，Endobutton 之間用2 根5 號(hào)纖維線連接。具體加載模式如下：先建立一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)，跟據(jù)笛卡爾右手坐標(biāo)系統(tǒng)建立坐標(biāo)（見(jiàn)圖2）。本研究中使用的加載條件：拿起杯子（模擬進(jìn)食運(yùn)動(dòng)，當(dāng)端著一個(gè)重0.5 kg 的茶杯時(shí)，在口前面的靜態(tài)位置）時(shí)胸鎖乳突肌的應(yīng)力[6]。本研究采用了1 個(gè)加載條件和2 個(gè)邊界條件。加載條件為胸鎖乳突肌附著在鎖骨上的區(qū)域（X 軸：1.5 N，Y 軸：14.2 N，Z 軸：4.2 N）的向上拉力。兩個(gè)邊界條件為鎖骨近端和肩胛骨下端固定（見(jiàn)圖2）。用單點(diǎn)固定鎖骨近端，只定義了點(diǎn)的位置（即點(diǎn)在X、Y 和Z 軸上的運(yùn)動(dòng)設(shè)置為零）。因此，當(dāng)施加力時(shí)，鎖骨可以旋轉(zhuǎn)。在Ansys 有限元分析軟件中將Endobutton 與縫合線、Endobutton 和鎖骨及Endobutton 和喙突接觸區(qū)域設(shè)置為不分離，模擬兩部分無(wú)間隙的接觸，允許少量的滑動(dòng)[16]。

圖2 邊界及加載條件

2 結(jié)果

2.1 完整模型（模型1）有限元分析

圖3 顯示了當(dāng)給予模型1 胸鎖乳突肌附著在鎖骨上的區(qū)域（X 軸：1.5 N，Y 軸：14.2 N，Z 軸：4.2 N）的向上拉力時(shí)，鎖骨的應(yīng)力、位移分布云圖。圖3 中顯示鎖骨中間三分之一的應(yīng)力分布較高。

圖3 模型1 鎖骨的應(yīng)力、位移云圖

2.2 模型雙扣及三扣重建后肩鎖關(guān)節(jié)有限元分析

對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)脫位的模型進(jìn)行雙扣及三扣虛擬手術(shù)后的模型進(jìn)行裝配，Endobutton 與骨之間、韌帶與骨之間的關(guān)系設(shè)置為不分離，給予胸鎖乳突肌附著在鎖骨上的區(qū)域（X 軸：1.5 N，Y 軸：14.2 N，Z 軸：4.2 N）向上的拉力時(shí)，鎖骨、Endobutton縫合線的應(yīng)力、位移云圖（見(jiàn)圖4-7）。

2.2.1 重建喙鎖韌帶后，鎖骨應(yīng)力分布、位移云圖

圖4、5 顯示了置入Endobutton 后的鎖骨上1/3 處應(yīng)力分布較高。雙扣和三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)脫位時(shí)，鎖骨上最大等效應(yīng)力（maximum equivalent stresses，MES）的順序?yàn)槟Ｐ?（8.704 3 MPa）>模型3（5.665 7 MPa）>模型1（0.665 0 MPa），總位移順序?yàn)槟Ｐ?（1.674 1 mm）>模型3（0.951 5 mm）>模型1（0.911 62 mm）。

圖4 模型2 鎖骨應(yīng)力、位移云圖

圖5 模型3 鎖骨應(yīng)力、位移云圖

2.2.2 雙扣和三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)時(shí)Endobutton 的應(yīng)力、位移云圖

圖6、7 顯示了雙扣重建時(shí)最大平均應(yīng)力分布最高、總位移最大。雙扣和三扣應(yīng)力值順序如下：模型2（436.85 MPa）>模型3（214.22 MPa）；位移值順序：模型2（1.262 4 mm）>模型3（0.920 3 mm）。

圖6 模型2 Endobutton 應(yīng)力、位移云圖

圖7 模型3 Endobutton 應(yīng)力、位移云圖

2.2.3 雙扣和三扣的重建肩鎖關(guān)節(jié)時(shí)縫合線的應(yīng)力分布云圖

圖8、圖9 顯示了模型2 線的應(yīng)力明顯大于模型3。

圖8 模型2 縫合線的應(yīng)力分布云圖

2.3 雙扣重建及三扣重建術(shù)后結(jié)果對(duì)比

由表3-5 可知，根據(jù)對(duì)比，虛擬雙扣和三扣重建術(shù)后，鎖骨生物力學(xué)變化發(fā)現(xiàn)，三扣重建在鎖骨、內(nèi)置物上的應(yīng)力、位移分布均明顯小于雙扣。首先，與雙扣重建相比，三扣重建在鎖骨上、Endobutton 上的應(yīng)力更小，分別降低了約53.6%、104%。其次，與雙扣重建相比，三扣重建在縫合線上的應(yīng)力明顯減小，分布較均勻。再者，與雙扣重建相比，三扣重建修復(fù)在鎖骨及Endobutton 上的總位移更小，分別降低了43.2%、34.2%。最后，與正常模型（模型1）相比，三扣重建在鎖骨上總位移無(wú)明顯差異。（模型1 為0.911 6 mm、三扣為0.951 5 mm）。

表3 雙扣及三扣重建在鎖骨上應(yīng)力、位移分布

表4 雙扣及三扣重建在Endobutton 上應(yīng)力、位移分布

表5 雙扣及三扣重建在縫合線上應(yīng)力、位移分布情況

3 討論

肩鎖關(guān)節(jié)是一個(gè)微動(dòng)關(guān)節(jié)，生物力學(xué)研究顯示維持肩鎖關(guān)節(jié)穩(wěn)定的韌帶系統(tǒng)包括喙鎖韌帶、肩鎖韌帶、喙肩韌帶，其中喙鎖韌帶最為重要[17-18]。解剖學(xué)研究表明，喙鎖韌帶并不是單獨(dú)一束，而是由兩部分組成，即前外側(cè)的斜方韌帶和后內(nèi)側(cè)的錐狀韌帶，兩條韌帶分別起止于鎖骨喙突的不同位置[19]。本研究中縫合線和Endobutton 的放置位置在抵抗盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和剪切力起著重要作用。錐狀韌帶的主要功能是防止鎖骨向前上旋轉(zhuǎn)和移位。斜方韌帶的主要功能是防止鎖骨在水平和垂直平面上的移動(dòng)。但是，當(dāng)鎖骨在軸向受壓向肩峰處移動(dòng)時(shí)，斜方韌帶起到了主要的穩(wěn)定作用[20]，因而對(duì)斜方韌帶及錐狀韌帶同時(shí)重建顯得尤為重要[21]。

肩鎖關(guān)節(jié)發(fā)病率較高，完全性肩鎖關(guān)節(jié)脫位除了RockwoodⅢ型的治療尚有爭(zhēng)議外[22-24]，其余均采用手術(shù)治療。目前肩鎖關(guān)節(jié)脫位的治療方法可分為剛性固定和彈性固定。剛性固定材料包括克氏針、Bosworth 螺釘和鎖骨鉤鋼板等，這類堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定術(shù)式通過(guò)使斷裂的韌帶組織自然對(duì)合靠近，并處于靜力環(huán)境下修復(fù)，逐漸達(dá)到瘢痕愈合。然而受損的韌帶組織自我修復(fù)能力有限，且韌帶初期愈合的疤痕組織難以承受早期功能鍛煉所需要的張力。另外，剛性固定限制了肩鎖關(guān)節(jié)的正常微動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致肩峰溶解、應(yīng)力骨折，甚至加快剛性固定內(nèi)置物失效，從而導(dǎo)致固定失敗。且需要二期手術(shù)取出內(nèi)固定裝置，有再脫位的風(fēng)險(xiǎn)[25-26]，同時(shí)也增加了手術(shù)費(fèi)用。

隨著現(xiàn)代骨科學(xué)的發(fā)展，肩鎖關(guān)節(jié)脫位的手術(shù)治療理念已由剛性固定轉(zhuǎn)向彈性固定。彈性固定的材料主要有自體肌腱和人工韌帶兩大類。生物力學(xué)研究表明以Endobutton 為代表的人工韌帶的力學(xué)強(qiáng)度明顯優(yōu)于自體肌腱[27]。Lim[7]首次報(bào)道了一種新的技術(shù)，使用三扣（Triple Endobutton）技術(shù)重建喙鎖韌帶，術(shù)后半年X 光片顯示肩鎖關(guān)節(jié)保持良好的解剖復(fù)位，無(wú)醫(yī)源性喙或鎖骨骨折，短期取得良好的效果。但對(duì)于三扣技術(shù)重建肩鎖關(guān)節(jié)脫位臨床研究較少，其遠(yuǎn)期效果需要進(jìn)一步探索。同時(shí)，目前沒(méi)有關(guān)于建立有限元模型模擬三扣技術(shù)的生物力學(xué)研究相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究目的是使用有限元分析技術(shù)對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)脫位進(jìn)行初步生物力學(xué)研究和客觀評(píng)價(jià)，分析三扣技術(shù)解剖重建喙鎖韌帶的生物力學(xué)表現(xiàn)，并與雙扣技術(shù)進(jìn)行比較。本文研究結(jié)果表明，與雙扣重建相比，三扣重建技術(shù)能更好地恢復(fù)肩鎖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，其內(nèi)置物、鎖骨最大等效應(yīng)力及位移明顯更小。此外，本有限元研究還有著無(wú)創(chuàng)、低成本、高有效性等優(yōu)點(diǎn)。

首先，本研究得出正常模型鎖骨中間1/3 的應(yīng)力分布較高，這揭示了鎖骨骨折好發(fā)生在中間1/3 處的原因。該模型分析的結(jié)果與其他文獻(xiàn)在離體實(shí)驗(yàn)和肩鎖關(guān)節(jié)有限元分析計(jì)算結(jié)果基本一致[6,28]。Wang 等[29]的研究發(fā)現(xiàn)鎖骨中間1/3 骨折臨床上較為常見(jiàn)，約占鎖骨骨折80%。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)約83%的鎖骨骨折發(fā)生于鎖骨干中1/3 處，且均為較大暴力所致[30]。這些研究都驗(yàn)證了本有限元模型的有效性。

其次，使用三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)可明顯降低鎖骨上最大等效應(yīng)力，與雙扣相比，三扣應(yīng)力降低了53.6%，降低Endobutton周?chē)钦鄣炔l(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，這與Müller 等[31]的臨床研究結(jié)果相一致。其次，與雙扣相比，三扣重建修復(fù)在鎖骨上的總位移更小，降低了43.2%，增加了肩鎖關(guān)節(jié)垂直穩(wěn)定性。再者，三扣重建在縫合線上的應(yīng)力明顯減小，應(yīng)力分布較均衡，可能使縫合線的預(yù)期壽命更長(zhǎng)。三扣縫合線的應(yīng)力為146.97 MPa、155.97 MPa、212.22 MPa、199.84 MPa，雙扣縫合線的應(yīng)力為386.57 MPa、413.7MPa；最后，三扣技術(shù)同時(shí)解剖重建了斜方韌帶及喙鎖韌帶，在施加機(jī)械應(yīng)力下，該結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向都表現(xiàn)出了顯著的穩(wěn)定性。Ibrahim等[32]在臨床研究中驗(yàn)證了此觀點(diǎn)。

之后，本研究使用三扣重建增強(qiáng)了肩鎖關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以明顯降低內(nèi)置物的最大等效應(yīng)力及位移。首先，使用三扣重建肩鎖關(guān)節(jié)可明顯降低內(nèi)置物上最大等效應(yīng)力，與雙扣相比，三扣應(yīng)力降低了104%。其次，與雙扣相比，三扣重建修復(fù)在內(nèi)置物上的總位移更小，降低了34.2%。這可能會(huì)引起鎖骨骨折、喙突骨折幾率降低，增加內(nèi)固定手術(shù)成功率。這與Marte 等[33]的臨床研究結(jié)果相一致。

最后，與雙扣重建相比，三扣重建技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：Endobutton 與縫合線之間組成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的“V”形結(jié)構(gòu)，使肩鎖關(guān)節(jié)具有更好的穩(wěn)定性。同時(shí)避免了縫合線帶動(dòng)Endobutton 產(chǎn)生滑動(dòng)，鎖骨上表面Endobutton 保護(hù)縫線，從而避免因摩擦骨道而斷裂。Breuer 等[34]的臨床研究中具有相同的結(jié)果。另外，兩根纖維縫合線能夠依據(jù)喙鎖間隙長(zhǎng)度進(jìn)行等長(zhǎng)固定，既避免了間隙過(guò)松術(shù)后復(fù)位張力維持不足，導(dǎo)致術(shù)后復(fù)位丟失，又避免了過(guò)短會(huì)導(dǎo)致肩鎖關(guān)節(jié)過(guò)緊，患者會(huì)感覺(jué)肩部疼痛或重壓感，有利于喙鎖韌帶、肩鎖韌帶兩斷端在無(wú)張力情況下通過(guò)瘢痕連接自行修復(fù)[35]。并且在強(qiáng)度上完全能夠勝任喙鎖韌帶重建的需求，兩側(cè)均衡的力量重建斜方韌帶和錐狀韌帶避免Endobutton 產(chǎn)生偏移。由此可知，三扣技術(shù)重建肩鎖關(guān)節(jié)比雙扣更具有力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)。

本有限元生物力學(xué)研究存在一定的局限性。首先，有限元分析是一種基于計(jì)算機(jī)的模擬程序，在體外利用有限元模擬生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)畢竟與體內(nèi)生物環(huán)境存在較大差別，這可能無(wú)法完全復(fù)制真實(shí)的臨床情況，其臨床效果需在臨床應(yīng)用中才能進(jìn)一步論證；其次，本研究中只有重力被用于分析，肩鎖關(guān)節(jié)有不同的活動(dòng)方向，在所有模型中，力的大小和方向可能會(huì)改變結(jié)果；再者，在模擬中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，肩鎖關(guān)節(jié)周?chē)浗M織（肩袖和三角肌等）的生物力學(xué)效應(yīng)都被忽視了。彈性條件被用來(lái)描述軟組織的材料特性，如韌帶，這一假設(shè)對(duì)于本研究中較短的加載時(shí)間是有效的。在未來(lái)可能會(huì)有研究人員利用更精準(zhǔn)彈性條件來(lái)觀察軟組織的時(shí)間依賴性；最后，本研究結(jié)果必須與新的生物力學(xué)分析相關(guān)聯(lián)，通過(guò)使用尸體或模型來(lái)增加研究的有效性。此外，本研究的分析結(jié)果也可為今后進(jìn)行人體動(dòng)力學(xué)分析，特別是肩部生物力學(xué)的研究提供參考。

綜上所述，與雙扣重建相比，三扣解剖重建喙鎖韌帶鎖骨和內(nèi)置物最大等效應(yīng)力、位移更小，其生物力學(xué)結(jié)果更接近于原完整韌帶，能更好地恢復(fù)喙鎖韌帶的功能，肩鎖關(guān)節(jié)更加穩(wěn)定。