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锁骨骨折不同固定方式生物力学特性的有限元分析

作　者: 朱昌荣
导　师: 章莹
学　校: 南方医科大学
专　业: 外科学
关键词: 锁骨骨折有限元分析重建钢板锁定钢板外固定内固定
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

背景锁骨骨折是临床上较常见的骨折,主要是由创伤引起,好发于年轻男性。结合病史、查体及X线或CT检查一般可明确诊断。锁骨骨折约占成年人骨折的2%-5%,占儿童骨折的10%-15%。在青少年及成年人中的发病率约为29-64/10万,低于30岁的年轻男性和大于70岁的老年人为锁骨骨折的两个高发人群。锁骨骨折好发于锁骨干中段,相比锁骨内、外段更易发生移位。锁骨中段骨折通常是指喙锁韧带内侧界和肋锁韧带外侧界之间的骨折,其好发的原因可能与下列因素有关：(1)首先从解剖外观来看,无论是在弯曲还是在横切面解剖上,锁骨的中1/3段都是处于过渡区,也使其成为力学上的薄弱部位；(2)锁骨的中1／3段比较薄、比较窄；而且是整个锁骨唯一没有被韧带或肌肉附着所支持的部位。锁骨骨折的治疗方法较多,有非手术治疗和手术治疗两大块,各自又包含多种治疗手段,既往相关文献也报道较多,但至今尚无结论性的数据说明各种方法的孰优孰劣。随着近年来各种内固定材料的更新及设计的改进和完善,越来越多的锁骨骨折采用手术治疗,尤其是内固定手术。内固定手术方式主要有髓内固定系统和钢板螺钉系统,前者包括Knowles针、Herbert钉、弹性髓内钉等；但后者仍然是手术治疗锁骨骨折的金标准。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,而且无髓内固定针向内侧迁移损伤邻近重要组织的风险。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。重建钢板因其较好的韧性、可根据骨骼的形状进行多轴向的折弯,临床上较多的应用于锁骨中段骨折的治疗。钢板放置于锁骨上方的手术操作相对简单方便,但有学者认为重建钢板前置具有更容易塑形、紧贴骨面,螺钉自前向后置入,可降低锁骨下神经血管及胸膜损伤的风险,手术操作相对更安全等优点。对于钢板放置的位置哪个更好?尚无统一观点。对于一些老年骨质疏松性锁骨骨折或者严重粉碎的骨折,锁定钢板可以发挥其更稳定固定的优势。对于锁骨骨折的切开复位内固定手术,大多数术者是采用钢板放置于锁骨上方的手术入路,但锁骨下方有臂丛神经分支和锁骨下动静脉走行,如术中操作不当往往可引起这些血管神经的损伤,术后出现相应的并发症可能。为了减少术中置钉对其损伤的风险,能否使用锁定钢板单皮质进行固定?另外,对于开放性的锁骨骨折或者慢性骨髓炎及骨不连的病例,外固定手术治疗也是其备选方案之一。但传统的外固定支架往往存在轮廓较大,外观构造上有尖锐的边缘影响穿衣,甚至对患者和医护人员造成伤害,患者主观满意度也不高。有临床研究发现,锁定加压钢板因其置钉时的角度稳定性,可采用外置技术替代传统的外固定支架应用于胫骨多段骨折、开放性骨折的治疗,临床效果较好。锁定加压钢板外置能否应用于锁骨开放性骨折或者骨不连的治疗呢?有待证实。近年来随着计算机图像处理,数字化技术的日益发展和成熟,三维仿真技术和有限元分析方法也越来越多的应用于各个领域,这也极大的促进了生物医学领域的发展。尤其像骨科生物力学的研究,往常多局限于尸体标本的生物力学实验分析,而三维仿真有限元的出现为生物力学的研究提供了新方法和新手段,这也让我们对以往的实验结果提出了新的看法。常见的内固定器械、康复器材等医疗设备的设计都是以骨骼的应力、应变为基础进行的,而有限元分析技术的应用,为更加精确快速的进行人体骨骼三维仿真模拟和数据分析计算、科学设计医疗器械等提供了有力的工具。本研究就针对上述临床问题,结合三维有限元分析方法,从力学角度出发对重建钢板治疗锁骨中段骨折不同放置位置、锁定钢板内固定不同皮质层数锁定,锁定钢板替代传统外固定支架治疗锁骨开放骨折或骨不连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.构建锁骨三维有限元模型；2.通过三维有限元法对重建钢板前置和上置固定锁骨中段斜行骨折的生物力学稳定性进行比较；3.对锁定钢板双层皮质锁定、单层皮质锁定,普通重建钢板双皮质固定三种方式固定锁骨骨折的生物力学特性进行有限元分析,为临床应用提供理论参考。4.从生物力学的角度探讨锁定加压钢板能否替代外固定架用于锁骨慢性骨髓炎和锁骨骨不连的治疗。方法1.利用锁骨的二维连续断层CT数据,通过Mimics10.0软件,Solidworks2010软件以及有限元分析软件ANSYS13.0构建锁骨的三维有限元模型,并分析单纯锁骨的应力和应变分布情况。并根据以往文献报道结果和临床观察现象对模型进行有效性验证。2.对6名健康成年志愿者的锁骨进行螺旋CT扫描,并通过相关建模软件构建锁骨中段斜行骨折分别予以重建钢板前置位固定和上置位固定的三维有限元模型两组,相同的加载和约束条件下模拟肩峰撞击、肩关节顺时针和逆时针旋转活动以及遭受直接暴力打击四种工况,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。3.通过Solidworks2010软件装配分别予以锁定钢板双皮质固定和单皮质固定以及普通重建钢板双皮质固定锁骨中段骨折的三维有限元模型,模拟轴向压缩、顺时针扭转、逆时针扭转和三点弯曲四种工况,评价三种不同固定方式的最大等效应力、骨折块的最大综合位移。4.在前述模型的基础上,构建锁骨中段骨折术后骨不连予以锁定加压钢板外置固定和传统外固定支架固定的有限元模型。相同的加载和约束条件下模拟轴向压缩、顺时针扭转、逆时针扭转三种工况,评价两种外固定方式的最大等效应力、骨折块的最大综合位移。结果1.我们构建的锁骨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.(])压缩工况下前置位和上置位各评价指标无统计学差异；(2)在顺时针扭转和弯曲时,前置位内固定装置的最大应力明显大于上置位,但骨折块的最大综合位移差别不大；在逆时针扭转工况下,上置位固定的各个指标数值和前置位无明显差异。(3)弯曲工况下两种固定的位移情况无明显差异,但前置位固定的内固定应力和骨折断端的应力均大于上置位固定,应力集中效应更明显。3.(1)四种载荷下,三种固定方式都可出现一定的内固定应力集中,但四种工况下单层皮质固定的最大应力均明显高于其他两种方式；(2)位移情况：压缩工况二者无差别；扭转工况下,单层皮质固定的位移大于双皮质固定；弯曲试验中双层皮质固定大于单皮质锁定。4.(1)压缩工况：钢板螺钉外固定的最大应力出现在外侧最远端螺钉；传统外固定支架固定的最大应力出现于外侧第1个钢针；不管是骨折块的最大综合位移还是外固定装置的最大等效应力,统计学分析二者均无明显差异。(2)肩关节顺时针扭转工况和逆时针旋转工况：锁定加压钢板外固定和传统外固定支架均出现应力集中现象,最大应力主要是集中于外固定钢板和钢针上,但应力的大小和最大等效位移情况无明显差异。结论1.本实验成功地构建了一个能真实反应锁骨几何外形又可模拟锁骨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.对于重建钢板固定锁骨中段斜行骨折,前置位固定比上置位更容易出现应力集中,提示上置位固定的生物力学稳定性优于前置位。3.应用锁定钢板固定锁骨中段骨折时,单层皮质锁定比双层皮质锁定和普通重建钢板双皮质固定更容易出现应力集中,提示在临床应用并且条件允许时应该双层皮质固定。4.本研究采用三维有限元方法分析了锁定加压钢板外置技术代替传统外固定支架治疗锁骨骨折的生物力学特性,经统计学分析得知两者固定的应力分布情况无明显差异,而锁定加压钢板外置相比传统的外固定支架具有轮廓小,稳定性更好等优点。因此从生物力学角度来讲,锁定加压钢板外置可替代传统外固定支架应用于临床锁骨开放性骨折,骨不连以及慢性骨髓炎的固定治疗。

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摘要  3-8
ABSTRACT  8-17
第一章成人正常锁骨三维有限元模型的构建和力学特性分析  17-30
  1. 前言  17
  2. 材料和方法  17-24
  3. 结果  24
  4. 讨论  24-28
  5. 参考文献  28-30
第二章重建钢板前置位和上置位固定锁骨中段斜行骨折的有限元分析  30-40
  1. 前言  30
  2. 材料与方法  30-34
  3. 结果  34-35
  4. 讨论  35-38
  5. 参考文献  38-40
第三章锁定钢板单皮质与双皮质锁定固定锁骨中段骨折的有限元分析  40-50
  1. 前言  40
  2. 材料与方法  40-45
  3. 结果  45
  4. 讨论  45-48
  5. 参考文献  48-50
第四章有限元方法分析锁定加压钢板外置治疗锁骨骨折的生物力学特性  50-57
  1. 前言  50
  2. 材料与方法  50-53
  3. 结果  53-54
  4. 讨论  54-56
  5. 参考文献  56-57
附录一  57-68
附录二  68-69
攻读硕士学位期间成果  69-70
致谢  70-71

锁骨骨折不同固定方式生物力学特性的有限元分析

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