有限元分析的应用在肱骨近端骨折

文摘

肱骨近端骨折是常见的和最具挑战性的,由于盂肱关节的复杂性,特别是在影响骨折的老年人口,植入物的发展目前仍在继续,因为他们固定的问题没有解决。预处理、内部和术后评估是至关重要的在这些病人的管理。有限元分析,作为一个有价值的工具,已经被实现为一个有效的和非侵入性方法分析肱骨近端骨折,为管理麻烦的病人提供确凿的证据。但是,没有评论文章对有限元分析的应用和影响评估肱骨近端骨折还被报道。本文回顾总结了应用程序、贡献和临床意义的有限元分析评估肱骨近端骨折。此外,有限元分析的局限性,更现实的模拟的困难,也验证和验证有限元模型的建立进行了探讨。我们得出的结论是,尽管一些进步在肱骨近端骨折研究了利用有限元分析,实用的常规临床管理的强大工具和足够的模拟需要更先进的研究提供证据和基地。

1。介绍

骨折是常见的演讲在急诊室。其中,肱骨近端骨折是第三个最常见的骨折老年骨质疏松患者中观察到手腕和髋部骨折后(1- - - - - -3),占4% -5%的骨折和肱骨骨折(总额的45%4]。肱骨近端骨折的发病率会增加老年人(5- - - - - -9)或以前骨折患者(10]。在分类方面,几个断裂模式,包括广泛应用AO / OTA分类,描述了(11- - - - - -14]。然而,从不的分类仍然是临床决策的实际系统,是基于位移的四段包括头、大结节,小结节,轴14]。因肱骨近端骨折,各种干预措施,如切开复位髓内钉,切开复位内固定,心脏血管,和肩膀置换术应用(15]。然而众多因素产生显著影响骨折干预,例如,病人的特征特性,放射学表现,随之而来的伤害,和骨折的严重程度16,17]。尽管对个别患者重症监护,结果和预测仍感到绝望和不利。一年的死亡率是10%,甚至更高的病人不是住在自己的家里,追求娱乐活动,能够执行自己的购物和衣服本身,和接收手术在入院3天或更多由于各种原因,例如,80岁或以上,公共保险,没有保险,家庭收入低,城市医院和多发性损伤的存在18,19]。不同的选择的治疗可能会导致不同的并发症20.]。总体并发症率是非常高的,最常见的并发症有断裂位移,畸形愈合,螺钉穿透,和肱骨头坏死,特别是在患者治疗的常规板和心脏血管15,21]。因此,如何使满意的肱骨近端骨折内固定的手术结果,并找出优化治疗病人在每个情况下成为最关键的问题。

有限元分析(FEA),作为一个数值工具,用于量化和模拟结构和系统,提供一个准确的预测组件的响应受到不同的载荷和边界条件。科目的有限元(FE)模型构建基于计算机断层扫描或其他图像22]。所构造的模型简化成小单位被称为元素分配与特定的材料和结构特性,其次是被分析在一定的边界条件得到组件的响应(23]。通常,有限元分析的关键方面骨科及创伤学材料模式选择骨和植入,网状模型,边界和加载条件,验证。Brekelmans等人首次引入有限元法在生物力学在这方面的调查24]。自那时以来,许多研究已经进行了使用有限元方法在这一领域。有限元分析是一种广泛应用数字技术应用于测试新型植入物或新材料,研究应变和应力分布和植入物之间的荷载传递和骨头25- - - - - -28]。更重要的是,它被用来比较不同植入在骨折固定29日,30.,骨骼的生物力学分析31日,32),甚至模拟各种动物模型(33,34和运动损伤35]。有限元分析不仅可以有助于使科目的前置,内部,或术后评估,这是成功管理的先决条件,而且还有助于减少操作时间,失血,螺钉穿透,螺丝松动,术中损伤,和骨折愈合时间,导致成功的固定和骨折解剖复位(36,37]。

肱骨近端骨折的治疗仍然具有挑战性而且应该把一切都考虑在内。越来越多的有限元分析研究已经应用于肱骨近端骨折。有限元分析可以帮助我们分析肱骨近端骨折精确和准确,模拟手术,对患者制定个性化的计划,指导术后康复,并最终为临床实践提供依据。但是,没有评论文章关于有限元分析在评价肱骨近端骨折的应用程序已经被报道。因此,本文总结了应用程序、贡献,和临床意义的有限元分析在评估肱骨近端骨折和评论这个方法如何应用于评价肱骨近端骨折。

2。应用程序

2.1。生物力学测试

大多数研究生物力学进行尸体或合成肱骨(38- - - - - -40]。然而,尸体会导致一个巨大的成本,伦理问题,而且,更重要的是,对研究人员的健康危害的化学物质保存。有限元分析不仅可以避免这些问题,也做出贡献在分析生物力学精确和准确的成本较低28,41- - - - - -46]。生物力学的骨头在理解断裂模式中扮演着重要的角色,断裂机理,并发症和治疗。知道植入和骨骼的力学特性是成功治疗病人的第一步。

肱骨近端锁定钢板的有限元模型是由林et al .,旨在测试当肱骨近端锁定钢板会失败的情况下0 - 120°手臂绑架。发现应力集中,超过了最大近三分之一的锁定板在120°手臂绑架条件下断裂地区没有强烈的直接接触。他们发现可以指导术后康复,避免120°手臂绑架防止植入失败(41]。苏等人与陈等人建立的有限元模型与30°角肱骨骨折,45°、90°肱骨骨折的脸和轴之间的记录肱骨的应力、应变分布。他们发现裂缝面压力高于nonfracture脸和分布与断裂的中心不对称的脸。最大应力区域中可观察到10毫米远离骨折线。他们发现可以为外科医生提供一条指令在选择合适的植入可以分配在骨折端应力、应变等以满足不同的应力分布47,48]。旨在提高有限元分析的效率和降低成本,Inzana等人进行了生物力学测试比较pseudothreaded(线程)的光滑的圆柱模型和保税模型找出哪一个更接近的行为精细螺纹螺旋模型的单screw-in-bone系统条件下的五个加载方向和四个杨氏模。他们发现pseudothreaded模型可以代表精细螺纹螺旋模型更准确地说,避免较高的计算成本。此外,Inzana等人做了一个对比pseudothreaded和保税接口在肱骨近端三种不同螺杆构型。他们意识到,两骨钉植入的稳定不受影响接口,并因此得出一个结论,结合界面可以作为一个更有效的方法与费罗斯板固定肱骨近端骨折的简单和更少的计算成本49]。有时小说植入测试是非常困难的。然而,有限元分析为评估这部小说提供了一个至关重要的平台移植在临床应用。默多克等人测试新的可伸缩的髓内钉(针钉可以稳定肱骨没有联锁螺丝)使用有限元分析,显示性能可靠的方面上压缩和扭转42]。

大部分的肱骨近端骨折发生在老年骨质疏松症患者(1,9]。植入物固定在骨质疏松性肱骨非常具有挑战性的外科医生(50- - - - - -52]。最好是知道骨密度在选择植入物达到更好的临床结果。Maldonado等人发现骨质疏松性骨折的骨头的压力大大高于通过有限元分析在更健康的骨骼。完整的最大应变值被发现,断裂的骨头在90°手臂绑架。结果表明,骨量应该考虑手术治疗肱骨近端骨折的骨质疏松性患者(43]。Clavert等人研究了几种类型的骨的应力分布模型和显示骨质疏松性骨的应力较高,表明变形更可能发生在较低的骨密度。更重要的是,松质螺丝用于确保植入物的压力增加骨质疏松性区域。他们证明了负载的增加,应力分布的骨质疏松性骨显然必须考虑设计osteosynthetic植入治疗肱骨近端骨折的44]。Wirth等人测量12肱骨由计算机的有限元模型。螺丝是数字插入肱骨头在不同位置测试植入物的稳定性。他们不仅表明骨量也安排的小梁微体系结构是重要的植入物的稳定性(45]。Wirth等人的另一个两项研究证明,骨量和骨与骨水泥增强改善低质量的骨植入安克雷奇有强烈影响植入稳定(28,46]。总之,骨质密度是一个重要的因素影响管理的肱骨近端骨折是重要考虑骨质量在规划肱骨外科手术。有限元分析的应用研究为治疗骨质疏松患者骨密度可以提供证据,如选择合适的植入。

2.2。开放复位内固定术(提)

切开复位和内固定已广泛应用于肱骨近端骨折。内固定历来是通过各种植入物和技术从transosseous缝合固定和tension-band布线的骨折碎片半空心的应用程序,支持,蝶式盘子和锁定肱骨近端盘子。采用肱骨近端锁定钢板已被证明是更稳定的和可靠的,特别是在骨质疏松性患者(15,53- - - - - -58]。然而,并发症包括螺钉穿透,骨坏死,肩峰下撞击,松动的螺丝已报告(15,54,59]。

大量的有限元模型构造的发现植入和骨骼之间的关系,提供基本知识和治疗策略机制,以减少并发症率和达到更好的临床结果。

Feerick等人进行了有限元分析调查的肱骨近端骨折固定锁板、髓内钉,K-wires, Bilboquet设备。每组分为子组有或没有磷酸钙水泥增强。每个设备的属性也被测试。创建了一个由三部分组成的肱骨近端骨折。骨折碎片位移和压力应力分布以及剪切应力分布在肱骨头都被记录下来。结果分析表明,剪切应力在肱骨头加载角的增加而增加,达到最大值90°手臂绑架,又减少了120°手臂绑架。他们还表明,水泥钢筋增加稳定性和减少骨折行打开的大小以及剪切位移之间的骨折碎片。本研究的另一个重要发现是,压力在骨质疏松性骨密质高,表明高潜力螺丝撤军/推出在这些患者60]。这一发现是一样的前发现引入Maldonado [43]。

在临床实践中,外科医生应该考虑和平衡许多因素导致植入物的稳定性。体外实验测试和有限元分析测试都由Stoffel等人来评估影响因素锁定压缩板的稳定生长断裂(61年]。他们表示,对于肱骨骨折,成为主流的旋转力,三到四个螺丝两侧应该够了。粉碎性骨折与大断裂缺口,放置最里面的螺丝是固定稳定的先决条件。此外,为了提供足够的轴向刚度,板块和骨之间的距离应保持小,应该使用长板。

他等人提出了一种有限元模型的肱骨近端骨折比较固定下的生物力学特性和横向锁板(LLP)或LLP内侧解剖锁定钢板(LLP-MLP)。结构刚度、裂缝微动和应力分布在植入物在压缩和旋转负载下记录和比较。结果表明,LLP-MLP具有更好的生物力学,断裂微动,和更高的结构刚度(62年]。在实践中,为内侧列添加延时可以提供更有力的支持,因此提高固定稳定性。

Cukelj等人建立了一个有限元模型来模拟内部肱骨近端锁定系统(费罗斯)和Arthrex板块在治疗由三部分组成的肱骨近端骨折。静态加载了。总骨骨折间隙的位移和最大骨位移记录。结果表明,较低的总骨位移和最大骨位移在费罗斯板断裂缺口观察,表明费罗斯提供更稳定的固定板比Arthrex钢板治疗肱骨近端骨折(63年]。因此,费罗斯板更实际和有用的在临床手术由三部分组成的肱骨近端骨折。

成功的决定因素之一,或者是中间列支持(64年,65年]。伯克等人证明了更好的肱骨骨股内侧柱支持可以减少并发症,尤其是在骨质疏松症患者(66年]。结果是一致的与布鲁纳发现前瞻性多中心分析(54]。伯克等人和Lescheid等人利用合成肱骨模型比较锁定钢板内固定术的功效有或没有内侧柱支持维护减少肱骨近端骨折。他们都提出了有前景的结果,内侧柱支持提供更稳定的重建和减少并发症(67年,68年]。更重要的是,内侧的重要性列支持由有限元分析验证。杨等人提出了一种有限元模型的标准三部分肱骨近端骨折检查内侧皮质的影响支持和内侧螺钉支持固定的稳定性。内侧螺钉支持和内侧皮质支持最大应力降低,两者的结合显著下降的最大压力。他们得出的结论是,放置内侧螺丝结合好内侧皮质接触提供稳定肱骨近端骨折的固定69年]。他描述的研究中,et al .,证明侧锁板内侧解剖锁定钢板具有更好的生物力学,断裂微动,和更高的结构刚度。结果间接表明内侧柱支持可以提供显著的稳定性在肱骨近端骨折62年]。以上这些研究强调的重要性内侧柱支持和指示的外科医生在手术重建内侧柱的稳定性。

2.3。髓内钉

髓内钉治疗不同类型的骨折已经应用多年,特别是对长骨干骨折。一些研究,他们声称提高成绩优于髓内设备板块对一些不稳定subcapital肱骨骨折或保守治疗在年轻的个人70年,71年]。尸体的一项研究由Rothstock et al .,他们声称可以提供更好的稳定性,髓内钉固定的由三部分组成的近端肱骨骨折,尤其是固定系统与额外的锁定screw-in-screws插入通过近端螺钉的头部和熔炉螺钉插入提供额外的内侧支持(72年]。肱骨近端钉微创,软组织解剖和血管保护更少。髓内钉固定取得良好的骨折联盟和满意的功能结果,特别是在较年轻的患者和那些在积极工作73年]。然而,髓内钉的并发症率为25.8%,在一个荟萃分析报告由王et al。74年]。骨坏死,再次手术,感染、骨折不愈合、肩锁的关节撞击综合征以及螺钉切出已报告在几项研究[74年- - - - - -76年]。

有限元分析具有潜在有用性作为研究生物力学的模拟方法的髓内钉和植入物和骨骼之间的交互。在尸体的研究中所描述的爱德华兹et al .,他们证明了肱骨近端髓内钉的早期故障是由于高的时刻传输到近端screw-bone界面锁在植入物(58]。结果证实了什么Giudice动物骨头和有限元模型。有限元模型的肱骨近端骨折髓内钉固定是构造。这项研究是针对调查产生的应力状态之间的联系扩大法兰和骨髓管,定义的属性骨植入接触区和量化的压力。结果突显出,由于接触压力峰值检测在有限点的四肢法兰和内部的应力状态是非常高的部分的骨头,这解释了为什么骨植入接触是远端扩张系统的效率低下77年]。临床实践,他们建议髓内钉被选应该兼容肱骨接受治疗的长度。不适当的使用特别的髓内钉远端骨折因为压力峰值的法兰的四肢。Feerick等人进行了计算有限元分析调查的肱骨近端骨折髓内钉固定。结果表明,压力集中发生在该地区的皮质骨的皮质骨内的螺丝和剪切应力的肱骨头绑架角的增加而增加。最高的剪切应力发生在90°手臂绑架,减少观察120°手臂绑架(60]。利用有限元分析研究髓内钉补的适应症和禁忌症患者管理和提供证据为特定的病人选择合适的髓内钉。

2.4。心脏血管和总肩膀关节成形术

建党1893年,法国外科医生第一次描述了心脏血管的肩膀78年]。1955年,肱骨头假体,从不[推出了79年]。此后,替代品的肱骨头已经逐渐认识到,和越来越多的临床报告被发表。如今,心脏已经很大程度上应用于复杂肱骨近端骨折,尤其是在老年骨质疏松症患者。一些研究证明,关节成形术已经建立了有前途的结果(80年]。然而,仍然有一些不受欢迎的并发症,如关节窝的切口,结节骨连接不正,假体迁移,假体半脱位,肩袖损伤,异位骨化,创伤后骨关节炎、结节位移或malreduction [21,81年]。

许多因素可能导致不利的替代疗法的并发症和不稳定。在这些因素中,结节的保护和稳定是最重要的减少这些编译和生产有前途的结果(44,82年- - - - - -86年]。Abu-Rajab等人指出,大结节缝合固定和小结节或轴,交付最大的稳定性,并通过评估影响最小化潜在intertuberosity分离运动的外科医生(85年]。固定结节证实了有限元分析的意义。大结节骨折的张构造有限元模型,比较三种固定,包括螺丝、张力带和锁定板。最大·冯·米塞斯应力和应力分布进行了比较研究。他们得出一个结论,锁钉板大结节显示更明显比其他两个固定的生物力学稳定性,因为它可以驱散压力更容易和均匀87年]。Clavert等人提出了一种有限元模型研究肱骨和肩袖肌肉压力的分布。结果显示,应力分布的峰值是观察结节,相应临床领域的结节是撕裂和断裂44]。他们发现帮助解释了为什么某些类型的骨缝术失败是由于结节重建失败。如果结节是放置在一个没有压力的孤立的情况下,骨头会吸收由于缺乏机械刺激的情况下,被鲍姆加特纳后执行一个有限元分析测试(88年]。什么鲍姆加特纳观察与理论所描述的沃尔夫,如果加载在骨质减少,骨将变得不那么密集,弱由于缺乏持续重构所需的刺激。高和低应力分布的结节固定的会导致失败。因此,有限元分析的应用在固定结节指导医生更加关注重建结节的结节和平衡压力分布在更换。

和费伦的更重要的是,•巴克勒重建健康的肩膀的有限元模型来研究肱骨头假体的形状的影响在肩膀上生物力学和评估的好处后解剖重建肱骨头肩部关节成形术。他们发现的解剖重建肱骨头在肩膀关节成形术提供稳定和有重大影响的压力和应力分布在完好无损的肩膀的关节窝的32]。此外,Pressel等人强调,骨密度降低假体周围通过有限元分析,因为强调通过假肢,导致低骨假体周围的压力和高应力远侧地的假肢。结果可以解释通过造成的假体周围骨吸收应力屏蔽(89年]。Schmidutz,进行的另一项研究中,强调了下应力屏蔽和骨吸收中央植入壳cementless肩膀重修的关节成形术(90年]。这一发现可能会提醒医生更加关注应力分布在替换防止植入失败和鼓励恢复在解剖位置置换假体头。

2.5。增加与骨水泥

增加与骨水泥是一种常见的技术用于骨科创伤学提高implant-bone交互的稳定性和减少失败或固定的并发症。骨水泥的功能已经被证明是有效的临床病例(60,91年),合成肱骨研究[39],或尸体的研究[92年- - - - - -95年]。除了尸体的研究,强大的数值计算工具,有限元分析,也表现出极大的能力调查骨水泥的影响增大。肯尼迪等人实施了FE模型由三部分组成的肱骨近端骨折固定的板块,有或没有增强水泥。他们测量螺丝,周围的压力梯度峰值压力的骨折飞机,和平均应力的螺丝。结果表明,增大与水泥改善稳定性和减少压力implant-bone接口(96年]。Wirth等人模拟有限元模型来研究是否增加peri-implant-bone或骨质疏松性骨质流失会影响植入物的稳定性。他们透露,peri-implant-bone增加增加植入物的稳定性和骨扩增的效率随高距离增加而降低。更重要的是,骨量丢失导致植入物稳定性下降(46]。另一个有限元分析研究由Feerick等人也证实了骨水泥的重要性增强在肱骨近端骨折的管理60]。临床实践,这些发现强调了潜在的骨水泥增强改善低质量的骨植入锚地和增加的使用可以改善临床结果。

3所示。结论和观点

总之,有限元分析已经应用于研究的各个方面为更好地了解肱骨近端骨折。我们的研究总结了应用程序、贡献和临床意义的有限元分析评估肱骨近端骨折。有限元分析可以帮助我们更好地理解生物力学,选择优化选择,做出临床决策和评估管理的肱骨近端骨折。有限元分析可以作为一个强大的非侵入性工具来评估新型植入物的生物力学特点和模拟手术的临床情况下,尤其是初级医生的复杂肱骨近端骨折。相比基于尸体的研究或临床病例38- - - - - -40,58,92年- - - - - -95年),有限元分析可以作为一个替代方法昂贵和道德敏感动物或尸体的测试。因此,有限元分析可以提供更具体、准确,为临床实践和精确值。

然而,对于调查参与有限元法、边界条件难以处理由于肩关节的复杂结构。是不可能准确地模拟实际边界条件的肌肉和韧带一起表演(32,36,44,97年]。大多数的研究我们回顾了简化的肩膀关节调查,忽略了互动的肌肉,韧带,骨骼,和其他周围的结构。因此,对于那些更复杂的边界条件,最好是开发一个模型,该模型可以模拟真实条件肱骨近端骨折的一个精确的调查。此外,获得的参数设计的属性骨头和其他周围的结构仍然是具有挑战性的。骨近端肱骨的一部分,不同的地区有不同的属性,例如,杨氏模量和泊松系数可以很大程度上影响模拟效果或结果(44,98年,99年]。同时,骨密度的病人应考虑在设计材料模型。弹性和可塑性都应该被包括在模拟一个更现实的结果(One hundred.,101年]。因此,应该进行更多的研究提供更多的信息关于模拟材料的属性。更重要的是,这里大部分的FE模型我们回顾了源于健康个体的形象而不是具体患者不同的断裂。还有骨折模型创建基于标准的骨折分类与普通骨折线,无论区分病人的特点。大多数的有限元分析研究基本研究而非临床研究。这些研究的结果应该转化为临床实践,为医生提供证据在实践中处理个人的病人。在未来,应该建造更多的FE模型根据具体的断裂模式独特的病人和转化为临床实践,可以帮助临床医生让每个病人个性化的干预措施。

缩写

有限元分析:	有限元分析
菲:	有限元
提:	开放复位内固定术
律师事务所:	外侧锁定板
简要:	内侧解剖锁定钢板
费罗斯:	肱骨近端内部锁定系统。

的利益冲突

作者特此声明,没有人有任何财务或个人关系与他人或组织不当影响(偏见)他们的工作。

作者的贡献

Yongyu你们负责收集数据,研究设计和编写。dap Wang Wei,音译)朱、陈崔嘉明,康导致本文提供重要修正。所有作者阅读最后的手稿和批准,最后一篇文章是真的。朱Yongyu你们魏你,音译)的贡献同样工作。

确认

本研究主要是由中国国家自然科学基金(没有。81572198),中国广东省自然科学基金(没有。2015 a030313772),广东省科技项目(没有。2015 a020212001),深圳科技项目(项目号。JSGG20140519105550503 JCYJ20140414170821200和JCYJ20140414170821164)。作者欣然承认那些支持。

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