新型外固定护具治疗锁骨骨折有限元分析

来源：医学3D建模和生物力学有限元分析

罗斌1，黄思聪2，马俊昌3，许树柴1，刘军1，潘建科1

1. 广东省中医院骨科，广东 广州 5101052. 佛山市第二人民医院骨一科，广东 佛山 5280003. 东莞康华医院创伤骨科，广东 东莞 523080

［摘要］ 目的：探讨新型外固定护具的治疗优势及有限元研究。方法：利用肩关节三维 CT 扫描的原始图像，使用Mimics19.0、Geomagic Studio2017 及 Solid Works2017 等软件，通过蒙版、网格划分、修饰等步骤，分别建立肩关节及锁骨的三维有限元模型。根据新型外固定护具及改良的“8”字绷带+T 型夹板治疗锁骨骨折的力学作用特点，给予属性赋值、约束边界及力学加载，经过 ANSYS19.0 有限元运算后对比 2 种治疗方式的**应力及位移。结果：新型外固定护具对肩关节整体、锁骨的**应力分别为 10.156 0 Mpa、7.775 9 Mpa，大于改良的“8”字绷带+T 型夹板固定的 4.028 8 Mpa、3.172 8 Mpa；新型外固定护具下锁骨的**位移为 0.105 640 mm，大于改良的“8”字绷带+T 型夹板的 0.040 052 mm。结论：新型外固定护具综合作用力更大，复位固定骨折端的能力优于改良的“8”字绷带+T 型夹板。

［关键词］ 锁骨骨折；新型外固定护具；有限元分析；T 型夹板；“8”字绷带

锁骨骨折是骨伤科门急诊中较为常见的疾病，各个年龄段均可发生，文献报道发病率约占成人骨折的 2.6%～4.0%[1]，目前多数的临床研究认为大部分锁骨骨折可以通过保守治疗获得满意的疗效[2]，且并发症较少。锁骨骨折的中医保守治疗已从传统“8”字绷带固定发展到改良的“8”字绷带、T 型夹板固定或者混搭外固定治疗，临床上简便易行，同时各具适应证及优缺点[3-5]。笔者所在刘军教授团队在前期的研究中，以罗氏肩锁固定法[6]利用软势固定治疗锁骨骨折，获得较好的临床效果。认为该固定法通过横、斜 2 条固定带，能纠正短缩、侧方、成角移位，并解决复位后的稳定性及舒适性等问题，但其力学作用机制有待进一步研究。

目前有限元分析法广泛应用于内固定治疗锁骨骨折的力学作用研究领域[7]，鲜有利用有限元的方法研究中医外固定治疗锁骨骨折的报道。赵永信等[8]从复位拉伸力的角度研究单肩气囊力学作用，发现其力学作用优于传统的“8”字绷带，但其力学作用较为单一，未与其它组合式固定的方法进行比较。本研究基于新型外固定护具的多向作用的力学特点，构建三维仿真模型，选择力学作用机制较为接近的改良“8”字绷带+T 型夹板固定法[5]作为对照，模拟2 种外固定方式的力学特点，并进行相应的载荷运算，对比分析 2 种方式治疗锁骨骨折的**应力及位移，从有限元角度评价新型外固定护具的生物力学特点。

1 基本资料

1.1 设计锁骨有限元模型建立及分析。

1.2 时间及地点试验于 2020 年 3 月在广东省中医院二沙岛医院完成。

1.3 对象健康志愿者 1 名，男性，35 岁，无骨关节病史，无重大外伤史。本研究已经广东省中医院医学伦理委员会审查通过、备案，并获得志愿者的知情同意。

2 研究方法

2.1 肩关节三维有限元模型的构建

使用 64 排高速螺旋 CT（西门子）对志愿者的肩关节进行扫描，获取研究对象的整个肩关节至胸廓的 CT 图像，保存为DICOM 格式。导入 Mimics19.0 软件，根据各组织灰度不同，经过阈值划分、增长、编辑蒙版等流程步骤，初步得到肩关节（包括锁骨、肱骨上端、肩胛骨）结构模型，分别进行 wrap 和 smoothing 处理，填补孔和光滑表面，初步建立三维模型，保存为 STL格式。再经 Geomagic Studio2017 软件进行模型修补和广顺处理，导出为 STEP 格式数据文件。然后在Solid Works2017 软件中，对几何模型进行特征识别、曲面诊断、修复等步骤，分别建立肩胛骨、锁骨和肱骨模型，进入装配界面调整位置，根据喙肩韧带和喙锁韧带的解剖位置[9]画出轮廓放样而成，最后建立仿真度较高的肩关节模型（图 1a），将模型保存为 SLDPRT 零件格式文件，进行组合处理并保存。

2.2 有限元网格化模型的建立及力学加载

网格划分和材料赋值：将 Solid Works 2017 中生成的体网格模型导入 ANSYS 软件中，建立 Static Structural分析类型，参考既往文献中材料赋值数据[10]，在分析材料库中分别建立关节软骨、韧带、肩胛骨、锁骨、肱骨等材料属性参数，进入 Mechanical 工作界面，具体材料参数见表 1。然后在 connection 中定义模型间的接触类型，接触类型均为绑定；对模型进行网格划分，设置网格大小为 2 mm。肩关节整体模型（图1b）单元数：16 619，节点数：29 599；其中锁骨模型（图 1c）单元数：3 959，节点数：6 929。

2.3 2 种外固定加载方式分析

2 种外固定方式模拟：根据改良“8”字绷带+T 型夹板（以下简称为改良固定法）和新型外固定护具（以下简称为新型固定法）的力学作用特点，可对这 2 种治疗方式的实际作用力及方向模拟并简化为如下情况。

2.3.1 改良固定法

见图 2。改良“8”字固定使用绷带缠绕双侧肩关节，同时在背部用绷带形成交叉束缚双侧肩部，维持肩关节的外展，从而在锁骨纵轴上形成复位牵拉力；同时在患侧骨折处放置棉垫或者纸板压垫，纠正骨折端的向上成角。T 型夹板放置在背部，与“8”字绷带配合绑定使用，目的为加强维持双侧肩关节的牵引外展，达到牵引复位固定的作用。设置胸锁关节面、肩锁关节、盂肱关节所有节点的自由度为 0；约束肩胛骨向前运动的位移自由度（图 3）。改良固定法的受力及方向如图 4，F1 为绷带夹板系统的牵引合力，参考实际合理的作用力，沿锁骨纵轴加载力为 50 N，F2 为压垫对骨折端施加向下方的压应力，设置为 25 N（图 5）。

2.3.2 新型固定法见图 6。主要由弹力材料做成的护肩套、横“8”字腋带、斜“8”字弹性固定带等组成。关键的力学作用是通过横“8”字腋带恢复锁骨的长度，纠正重叠移位，以及用可调式斜“8”字固定带纠正侧方和成角移位[5]。同样设置胸锁关节面、肩锁关节、盂肱关节所有节点的自由度为 0；约束肩胛骨向前运动的位移自由度。新型固定法的受力及方向如（图 7），F1 为“8”字腋带的合力，F2 为护肩套前下方的作用力，F3 为弹性固定带后拉的作用力，测试各条固定带的实际作用力，设置大小为各 50 N（图 8）。

2.4 观察指标通过 ANSYS19.0 运算，观察对比新型固定法和改良固定法作用于锁骨模型的**应力及位移。

3 研究结果

见图 9、图 10、图 11、图 12、表 2。新型固定法无论是对肩关节整体或者锁骨的**应力（分别为10.156 0 Mpa，7.775 9 Mpa）均大于改良固定法（分别为 4.028 8 Mpa，3.172 8 Mpa），说明新型固定法维持整体固定的强度及综合作用力更优。在位移结果中，由于约束了肩胛骨、肩锁关节、盂肱关节、胸锁关节等自由度为零，所以在肩关节整体和锁骨的位移数据上表现一致。新型固定中锁骨的**位移为 0.105 64 mm，大于改良固定的 0.040 052 mm，说明在较大的应力作用下其位移也较大，因此，针对锁骨骨折的成角及短缩移位，新型固定法纠正骨折移位，维持复位的能力更强。

4 讨论

4.1 “8”字绷带外固定法治疗锁骨骨折的发展、现状与不足

在锁骨骨折各类型中，以中段骨折最常见。由于锁骨的近端附着肌肉主要有胸锁乳突肌及胸大肌，而锁骨远端有底部有喙肩韧带和喙锁韧带附着。其解剖特点决定一旦发生锁骨骨折后，肌肉韧带受到刺激而强烈收缩，使近侧骨折端向后上方移位，远侧骨折端向前下方移位，从而产生锁骨骨折端的分离[11]。使用“8”字绷带固定的原理必须让患者肩部充分外展，纠正锁骨骨折的重叠移位，医生在维持骨折端复位的情况下，用绷带在患者背部及肩部形成一横“8”字缠绕固定，其中关键之处是挺胸同时双肩充分外展并对抗胸锁乳突肌对近端的牵拉，从而达到复位固定的效果。但此法理论上简单纠正了骨折端的重叠移位，对于断端的成角移位难以起到有效的维持复位固定效果，并且实际操作中，一旦双肩外展失去约束，非常容易出现骨折复位丢失的情况。针对此弊端，改良的“8”字绷带[4]在传统固定法的基础上，以压垫的方式在骨折端放置棉垫及硬纸板，在一定程度上起到纠正骨折重叠及成角移位的作用，但在临床实践中同样发现存在固定不牢靠、容易松脱，棉垫及硬纸板移位等情况。有学者使用 T 型夹板与绷带捆绑使用，加强了维持双侧肩关节外展的力量，减少了绷带松脱的发生；有报道组合式外固定治疗锁骨骨折，利用改良固定法固定，可同时纠正向上成角移位及较好维持外展牵拉复位[5]。但仍存在舒适性不高、需要频繁复诊调整等缺点。

4.2 新型固定法的研制及有限元研究

随着材料学的不断发展，针对各种“8”字固定系统的材料性能不足，进一步研制出各种新型外固定器具。然而目前的使用一直停留在“经验”层面，缺乏进一步科学、系统的挖掘整理。笔者所在研究团队，总结了罗氏伤科“软势固定”治疗锁骨骨折及肩锁关节脱位的原理和经验，在罗氏肩锁固定法[6]的基础上改良研制出新型固定法，认为其具有临床疗效好、安全性高、佩戴舒适、患者接受度高等优点，值得进一步的临床研究及推广。

有限元分析法在骨科领域的发展迅速，其中运用有限元分析法对骨折内外固定器展开的研究，已得到学术界的广泛认可[12]。在锁骨骨折的内固定有限元研究方面，主要集中在内固定与模型的结合体力学研究[7]，对于中医外固定、尤其是针对治疗不规则解剖部位骨折的外固定方式的有限元研究鲜有报道。有学者报道单肩气囊外固定器治疗锁骨骨折[8]，以骨折复位的单一拉伸力为主要研究内容，而本研究试图以外固定器的实际作用力的三维力学特性作为研究方向，揭示其力学特点。

本研究中构建的三维模型验证有效，根据 2 种外固定法在临床运用中的实际作用情况，分别给予作用力位点、作用力大小和方向的模拟及加载，经过有限元运算得出结论。从锁骨应力分布图来看，改良固定法治疗锁骨骨折（图 11、图 12），**应力为 3.172 8 Mpa，集中在锁骨中远段之间，**位移段位于锁骨中段，主要起到维持肩关节外展、牵拉复位、纠正成角移位的作用。适用于锁骨中段简单骨折、粉碎性骨折、短斜型骨折等。而新型固定 法 的**应力为 7.775 9 Mpa，集中在锁骨中段（图 9），此为横“8”字腋带的牵拉力、斜“8”字固定带向下方的压力及袖套的环绕固定而形成的三轴交叉合力所致，较强的力学负荷从三维角度上达到纠正骨折短缩、侧方及成角移位的作用，同时全包围的护肩套及 2 条手感舒适、宽大的“8”字绷带，配合压垫的使用，提高佩戴的舒适性，减少压疮的发生几率。适用于绝大部分闭合性锁骨骨折类型，包括锁骨中段、远 1/3 段骨折、短斜型、螺旋型甚至粉碎性多段骨折等。从**位移的数据看，新型固定法为 0.105 640 mm，大于改良固定法的0.040 052 mm。在既往锁骨骨折内固定的有限元研究中，通常认为位移越小，则固定越牢固，原因是钢板螺钉等内固定形态可与锁骨模型紧密结合，融为一体进行力学分析。而中医外固定的有限元研究中，因肩关节的不规则轮廓解剖特点，不同于四肢骨折的简单柱形结构，使得实体外固定无法与锁骨模型进行绑定分析。由于两者所构建的有限元模型不同，在研究方式上，外固定的力学作用方式简化为不同的力学方向及作用点加载于锁骨模型而进行分析比较，故在单一的锁骨模型上，只有力学加载的情况下，出现作用力越大、位移也越大的结果，也符合中医外固定治疗的力学逻辑。因此从研究结果得出，新型固定法产生的作用力更大，位移更大，推断其纠正骨折端成角、短缩移位的能力更强，维持复位固定的效果更好。

4.3 本研究的不足及外固定器的研究展望新型固定法由于其组合式的结构，故而综合力学作用相对复杂，本研究尽量进行简化的力学模拟处理，但从中医“筋骨并重”“动静结合”的精髓出发，尚未能完整展示骨骼、肌肉、软组织与外固定护具的密切作用关系。在未来深化研究中，需要对肩关节骨骼、肌肉、韧带等建模做大量的细致工作。同时外固定的材料改良、舒适性应用以及如何利用有限元的方法结合中医骨伤科治疗的理念进行相关研究值得进一步思考和探索。

现代社会工作生活节奏快，而锁骨骨折的非手术治疗往往要求外固定的时间较长，传统中医治疗的频繁复诊，势必降低患者的依从性及满意度。所以一款兼顾稳定性、舒适性、经济性、操作性强的锁骨骨折个性化外固定护具，必然是患者与医者所求。而移动通讯、生物医疗传感技术的发展和兴起，使得在线医疗、实时监控、交互式的医疗保健服务在未来成为可能[13]。有学者通过数字化 3D 打印技术，提出数字化夹板设计及发展方向[14]。展望锁骨骨折外固定器产品的升级改良，可加入拉力电子敏感的绑带、设计刻度式的外固定护肩套、在锁骨区分布多个可调节的压力气囊及压力、温度传感器、并内置无线蓝牙，通过无线网络、配套的手机软件，实时监测、记录各拉力带的作用力大小和方向、气囊的位置与压力、湿温度变化、患者调整绑带的次数与位置变化等；结合有限元分析结果，设置各压力区域变化的范围，患者通过查看手机软件的安全提示，即时定量化了解外固定压应力变化情况而做出调整；手机视频、微信交流已切实融入老百姓的生活，通过手机端微信平台的在线随访，可视化指导患者康复锻炼及护具调整操作，大大减少复诊的次数和时间成本。同时软件后台将收集的各种信息上传云端数据库，为今后的进一步科学研究及产品开发提供依据，从而实现共赢。

参考文献：略

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