三扣技术与双扣技术重建肩锁关节脱位的生物力学比较*

焦开刚 范建楠

肩锁关节是由肩锁关节面和锁骨肩峰构成的滑膜关节。肩锁关节发病率较高，据报道，在所有肩部损伤中，肩锁关节脱位的发生率高达9%，多见于男性及热爱运动的人群[1-3]。到目前为止，对于肩锁关节脱位的固定技术有100 多种，但对于其最佳治疗方法存在争议[4]。目前的大多数技术未使用足够坚强的材料来缩短肩锁关节脱位的愈合时间，这些技术通常无法达到解剖重建，这可能会导致并发症的发生和治疗失败。近年来，随着人们对肩锁关节脱位研究的逐渐加深，以及对肩锁关节脱位的发病机制、治疗方法的深入探讨，对锁骨钩钢板、肌腱转移术等治疗肩锁关节脱位的生物力学方面有了一定的研究[5-6]。由于肩锁关节解剖结构复杂，国外对肩锁关节的三维有限元分析较其他关节晚，因此对于肩锁关节的生物力学研究还不够完善。我国骨科领域的三维有限元分析多集中在脊柱和下肢的生物力学研究，尚未有关于建立肩锁关节脱位三维有限元模型及使用双扣与三扣重建肩锁关节的生物力学应力分析的文献报道。

本研究中，通过有限元分析软件建模，构建了锁骨、肩胛骨、肩锁关节相关韧带的正常模型作为参考模型。在参考模型上应用肩锁关节脱位建立损伤模型。使用有限元分析法模拟双扣与三扣技术进行肩锁关节重建。分析在设定力学加载条件下，模拟使用双扣、三扣重建肩锁关节脱位，比较其生物力学特性，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 建模材料

研究对象：一名健康男性，36 岁，身高172 cm，体重68 kg，无肩部疼痛，肩关节及锁骨肩胛骨影像学检查，排除其病变及畸形。自愿接受成为本次实验的志愿者。采用多层螺旋CT 扫描肩部（飞利浦64 排螺旋CT），层厚1 mm，DICOM 格式储存。

有限元建模分析软件：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

本研究中选择一名正常男性青年的志愿者进行CT检查，获取DICOM 格式影像资料后，将其导入有限元分析软件中建模，构建了锁骨、肩胛骨、肩锁关节相关韧带的正常模型，作为参考模型。在参考模型上应用肩锁关节脱位建立损伤模型。使用有限元分析法模拟双扣和三扣技术进行肩锁关节重建：模型1 为参考模型，模型2 为双扣重建模型，模型3 为三扣重建模型（见图1）。三扣重建时，在损伤模型上采用3 个微型金属纽扣（Acufex,Smith&Nephew,Andover,MA）和两根5 号纤维缝合线（Fiber suture）模拟重建肩锁关节。在这一步中，将Endobutton 放置在锥状韧带和斜方韧带解剖位置[7]。用2.5 钻头先钻两个孔。第一组为锁骨远端内侧20 mm，第二组为锁骨远端内侧40 mm，最后用直径为4.5 mm 钻头钻孔达喙突基底部中央。这些孔指的是斜方和锥状韧带的解剖附着标志[8]。

图1 A.参考模型；B.双扣模型；C.三扣模型

1.3 材料属性及网格特性

材料属性的赋值是有限元分析中的主要环节之一，为了使计算的结果更加接近真实值，必须要使材料属性贴近真实材料[9]。男性，年龄36 岁，体重68 kg，经CT 检查所获得的影像学资料，建立包含肩锁关节：锁骨、肩胛骨、韧带等多种材料的三维模型。根据文献研究，材料特性定义为的各向同性材料（见表1），所有材料都假设为均匀、各向同性和线性弹性。因此，笔者使用了两个独立的参数（弹性模量和泊松比）来反映材料的性质[10-12]。软组织具有粘弹性材料特性，如果软骨粘弹性的时间常数不超过1.5 s，就被认为是单相线性弹性、各向同性的均匀材料。另外，韧带也被认为是一种单相线性弹性和各向同性的材料。因此，软组织也被认为是一种线性弹性和各向同性的材料[13-14]。

表1 材料特性[15]

利用Ansys 软件进行动力学分析，将肩部模型划分为网格，建立有限元模型。骨模型和Endobutton 均选择Solid187四面体单元类型，韧带采用六面体网型。骨结构的网状尺寸为5 mm，Endobutton 为2 mm，线和韧带为1 mm。模型得到的单元和节点数如表2 所示。根据Newton-Raphson 准则进行非线性分析，网格收敛测试的方法是将单元尺寸从5 mm细化到1 mm。因此，采用有限元网格模型来探讨双扣与三扣技术对肩锁关节重建的影响是合理的。

表2 单元和节点

1.4 边界条件及加载

喙突与肩峰以喙肩韧带连接，三扣与双扣表面直接与锁骨上表面和喙突基底下表面定义为不分离，Endobutton 之间用2 根5 号纤维线连接。具体加载模式如下：先建立一个坐标原点，跟据笛卡尔右手坐标系统建立坐标（见图2）。本研究中使用的加载条件：拿起杯子（模拟进食运动，当端着一个重0.5 kg 的茶杯时，在口前面的静态位置）时胸锁乳突肌的应力[6]。本研究采用了1 个加载条件和2 个边界条件。加载条件为胸锁乳突肌附着在锁骨上的区域（X 轴：1.5 N，Y 轴：14.2 N，Z 轴：4.2 N）的向上拉力。两个边界条件为锁骨近端和肩胛骨下端固定（见图2）。用单点固定锁骨近端，只定义了点的位置（即点在X、Y 和Z 轴上的运动设置为零）。因此，当施加力时，锁骨可以旋转。在Ansys 有限元分析软件中将Endobutton 与缝合线、Endobutton 和锁骨及Endobutton 和喙突接触区域设置为不分离，模拟两部分无间隙的接触，允许少量的滑动[16]。

图2 边界及加载条件

2 结果

2.1 完整模型（模型1）有限元分析

图3 显示了当给予模型1 胸锁乳突肌附着在锁骨上的区域（X 轴：1.5 N，Y 轴：14.2 N，Z 轴：4.2 N）的向上拉力时，锁骨的应力、位移分布云图。图3 中显示锁骨中间三分之一的应力分布较高。

图3 模型1 锁骨的应力、位移云图

2.2 模型双扣及三扣重建后肩锁关节有限元分析

对肩锁关节脱位的模型进行双扣及三扣虚拟手术后的模型进行装配，Endobutton 与骨之间、韧带与骨之间的关系设置为不分离，给予胸锁乳突肌附着在锁骨上的区域（X 轴：1.5 N，Y 轴：14.2 N，Z 轴：4.2 N）向上的拉力时，锁骨、Endobutton缝合线的应力、位移云图（见图4-7）。

2.2.1 重建喙锁韧带后，锁骨应力分布、位移云图

图4、5 显示了置入Endobutton 后的锁骨上1/3 处应力分布较高。双扣和三扣重建肩锁关节脱位时，锁骨上最大等效应力（maximum equivalent stresses，MES）的顺序为模型2（8.704 3 MPa）>模型3（5.665 7 MPa）>模型1（0.665 0 MPa），总位移顺序为模型2（1.674 1 mm）>模型3（0.951 5 mm）>模型1（0.911 62 mm）。

图4 模型2 锁骨应力、位移云图

图5 模型3 锁骨应力、位移云图

2.2.2 双扣和三扣重建肩锁关节时Endobutton 的应力、位移云图

图6、7 显示了双扣重建时最大平均应力分布最高、总位移最大。双扣和三扣应力值顺序如下：模型2（436.85 MPa）>模型3（214.22 MPa）；位移值顺序：模型2（1.262 4 mm）>模型3（0.920 3 mm）。

图6 模型2 Endobutton 应力、位移云图

图7 模型3 Endobutton 应力、位移云图

2.2.3 双扣和三扣的重建肩锁关节时缝合线的应力分布云图

图8、图9 显示了模型2 线的应力明显大于模型3。

图8 模型2 缝合线的应力分布云图

2.3 双扣重建及三扣重建术后结果对比

由表3-5 可知，根据对比，虚拟双扣和三扣重建术后，锁骨生物力学变化发现，三扣重建在锁骨、内置物上的应力、位移分布均明显小于双扣。首先，与双扣重建相比，三扣重建在锁骨上、Endobutton 上的应力更小，分别降低了约53.6%、104%。其次，与双扣重建相比，三扣重建在缝合线上的应力明显减小，分布较均匀。再者，与双扣重建相比，三扣重建修复在锁骨及Endobutton 上的总位移更小，分别降低了43.2%、34.2%。最后，与正常模型（模型1）相比，三扣重建在锁骨上总位移无明显差异。（模型1 为0.911 6 mm、三扣为0.951 5 mm）。

表3 双扣及三扣重建在锁骨上应力、位移分布

表4 双扣及三扣重建在Endobutton 上应力、位移分布

表5 双扣及三扣重建在缝合线上应力、位移分布情况

3 讨论

肩锁关节是一个微动关节，生物力学研究显示维持肩锁关节稳定的韧带系统包括喙锁韧带、肩锁韧带、喙肩韧带，其中喙锁韧带最为重要[17-18]。解剖学研究表明，喙锁韧带并不是单独一束，而是由两部分组成，即前外侧的斜方韧带和后内侧的锥状韧带，两条韧带分别起止于锁骨喙突的不同位置[19]。本研究中缝合线和Endobutton 的放置位置在抵抗盂肱关节运动中的旋转和剪切力起着重要作用。锥状韧带的主要功能是防止锁骨向前上旋转和移位。斜方韧带的主要功能是防止锁骨在水平和垂直平面上的移动。但是，当锁骨在轴向受压向肩峰处移动时，斜方韧带起到了主要的稳定作用[20]，因而对斜方韧带及锥状韧带同时重建显得尤为重要[21]。

肩锁关节发病率较高，完全性肩锁关节脱位除了RockwoodⅢ型的治疗尚有争议外[22-24]，其余均采用手术治疗。目前肩锁关节脱位的治疗方法可分为刚性固定和弹性固定。刚性固定材料包括克氏针、Bosworth 螺钉和锁骨钩钢板等，这类坚强内固定术式通过使断裂的韧带组织自然对合靠近，并处于静力环境下修复，逐渐达到瘢痕愈合。然而受损的韧带组织自我修复能力有限，且韧带初期愈合的疤痕组织难以承受早期功能锻炼所需要的张力。另外，刚性固定限制了肩锁关节的正常微动，可能会导致肩峰溶解、应力骨折，甚至加快刚性固定内置物失效，从而导致固定失败。且需要二期手术取出内固定装置，有再脱位的风险[25-26]，同时也增加了手术费用。

随着现代骨科学的发展，肩锁关节脱位的手术治疗理念已由刚性固定转向弹性固定。弹性固定的材料主要有自体肌腱和人工韧带两大类。生物力学研究表明以Endobutton 为代表的人工韧带的力学强度明显优于自体肌腱[27]。Lim[7]首次报道了一种新的技术，使用三扣（Triple Endobutton）技术重建喙锁韧带，术后半年X 光片显示肩锁关节保持良好的解剖复位，无医源性喙或锁骨骨折，短期取得良好的效果。但对于三扣技术重建肩锁关节脱位临床研究较少，其远期效果需要进一步探索。同时，目前没有关于建立有限元模型模拟三扣技术的生物力学研究相关文献报道。

本研究目的是使用有限元分析技术对肩锁关节脱位进行初步生物力学研究和客观评价，分析三扣技术解剖重建喙锁韧带的生物力学表现，并与双扣技术进行比较。本文研究结果表明，与双扣重建相比，三扣重建技术能更好地恢复肩锁关节的稳定性，其内置物、锁骨最大等效应力及位移明显更小。此外，本有限元研究还有着无创、低成本、高有效性等优点。

首先，本研究得出正常模型锁骨中间1/3 的应力分布较高，这揭示了锁骨骨折好发生在中间1/3 处的原因。该模型分析的结果与其他文献在离体实验和肩锁关节有限元分析计算结果基本一致[6,28]。Wang 等[29]的研究发现锁骨中间1/3 骨折临床上较为常见，约占锁骨骨折80%。流行病学研究发现约83%的锁骨骨折发生于锁骨干中1/3 处，且均为较大暴力所致[30]。这些研究都验证了本有限元模型的有效性。

其次，使用三扣重建肩锁关节可明显降低锁骨上最大等效应力，与双扣相比，三扣应力降低了53.6%，降低Endobutton周围骨折等并发症的风险，这与Müller 等[31]的临床研究结果相一致。其次，与双扣相比，三扣重建修复在锁骨上的总位移更小，降低了43.2%，增加了肩锁关节垂直稳定性。再者，三扣重建在缝合线上的应力明显减小，应力分布较均衡，可能使缝合线的预期寿命更长。三扣缝合线的应力为146.97 MPa、155.97 MPa、212.22 MPa、199.84 MPa，双扣缝合线的应力为386.57 MPa、413.7MPa；最后，三扣技术同时解剖重建了斜方韧带及喙锁韧带，在施加机械应力下，该结构在水平和垂直方向都表现出了显著的稳定性。Ibrahim等[32]在临床研究中验证了此观点。

之后，本研究使用三扣重建增强了肩锁关节整体结构的稳定性，可以明显降低内置物的最大等效应力及位移。首先，使用三扣重建肩锁关节可明显降低内置物上最大等效应力，与双扣相比，三扣应力降低了104%。其次，与双扣相比，三扣重建修复在内置物上的总位移更小，降低了34.2%。这可能会引起锁骨骨折、喙突骨折几率降低，增加内固定手术成功率。这与Marte 等[33]的临床研究结果相一致。

最后，与双扣重建相比，三扣重建技术具有以下优势：Endobutton 与缝合线之间组成一个相对稳定的“V”形结构，使肩锁关节具有更好的稳定性。同时避免了缝合线带动Endobutton 产生滑动，锁骨上表面Endobutton 保护缝线，从而避免因摩擦骨道而断裂。Breuer 等[34]的临床研究中具有相同的结果。另外，两根纤维缝合线能够依据喙锁间隙长度进行等长固定，既避免了间隙过松术后复位张力维持不足，导致术后复位丢失，又避免了过短会导致肩锁关节过紧，患者会感觉肩部疼痛或重压感，有利于喙锁韧带、肩锁韧带两断端在无张力情况下通过瘢痕连接自行修复[35]。并且在强度上完全能够胜任喙锁韧带重建的需求，两侧均衡的力量重建斜方韧带和锥状韧带避免Endobutton 产生偏移。由此可知，三扣技术重建肩锁关节比双扣更具有力学上的优势。

本有限元生物力学研究存在一定的局限性。首先，有限元分析是一种基于计算机的模拟程序，在体外利用有限元模拟生物力学实验毕竟与体内生物环境存在较大差别，这可能无法完全复制真实的临床情况，其临床效果需在临床应用中才能进一步论证；其次，本研究中只有重力被用于分析，肩锁关节有不同的活动方向，在所有模型中，力的大小和方向可能会改变结果；再者，在模拟中，为了简化计算，肩锁关节周围软组织（肩袖和三角肌等）的生物力学效应都被忽视了。弹性条件被用来描述软组织的材料特性，如韧带，这一假设对于本研究中较短的加载时间是有效的。在未来可能会有研究人员利用更精准弹性条件来观察软组织的时间依赖性；最后，本研究结果必须与新的生物力学分析相关联，通过使用尸体或模型来增加研究的有效性。此外，本研究的分析结果也可为今后进行人体动力学分析，特别是肩部生物力学的研究提供参考。

综上所述，与双扣重建相比，三扣解剖重建喙锁韧带锁骨和内置物最大等效应力、位移更小，其生物力学结果更接近于原完整韧带，能更好地恢复喙锁韧带的功能，肩锁关节更加稳定。