周恩昌 1 ，殷浩 2 ，唐萍 1 ，张玉岩 1 ，李邦国 1
1． 聊城市第二人民医院骨科
2． 合肥市第一人民医院关节外科
【摘要】
目的：通过有限元分析的方法，研究不同锚钉数量及位置对肩关节Bankart损伤修复强度影响。
方法：利用逆向建模技术，将包含正常成人志愿者肩关节的三维CT数据，导入Mimics10．0、Geomagic2012软件中对相关组织进行重建，然后在Hypermesh13．0软件中进行网格划分，赋予材料属性，在Abaqus6．14中调整MPC约束的位置及数量，建立A模型（正常对照模型）、B模型（Bankart损伤对照模型）、C模型（1枚锚钉）、D模型（2枚锚钉）、E模型（3枚锚钉）、F模型（4枚锚钉），6种工况的肩关节有限元模型。添加肱骨外旋及前移载荷，模拟肩关节前向不稳的恐惧试验。
结果：
（1）正常情况下，伴随着肱骨头的外旋下盂肱韧带复合体出现皱褶，并且在其前后束止点周围出现明显的应力集中。
（2）Bankart损伤导致下盂肱韧带前束应力增大52．33％、后束增大45．67％，游离部分关节盂唇出现不均匀剪应力降低。
（3）锚钉修复的各模型中，锚钉部位均出现明显的应力集中，并能够减小前后束韧带的应力，其中C、D模型与B模型比较差异无统计学意义（P＞0．05），E、F模型与B模型比较差异有统计学意义（P＜0．05）。
结论：在修复Bankart损伤时，应用1枚或2枚锚钉能够减小下盂肱韧带前后束的应力，但如外旋角度较大时，在锚钉位置产生的应力集中明显增大，增加修复失败的风险。而应用3枚或4枚锚钉，能够通过锚钉之间的“负荷共享”效应增强对下盂肱韧带约束，并且减少锚钉自身的应力，从而确保肩关节的前方稳定，为患者的早期康复提供力学环境。
【关键词】肩关节；Bankart损伤；有限元分析
随着关节镜技术的发展，镜下缝合锚钉修复技术治疗Bankart损伤得到广泛应用，影响术后治疗效果的关键因素是锚钉的置入位置及数量，多数报道认为应最少置入3枚锚钉［1］。但亦存在置入1枚［2］、3枚或4枚锚钉［3］进行修复的临床报道。本研究通过有限元分析的方法研究锚钉位置及数量对肩关节前下盂唇及关节囊修复强度的影响。
1 资料与方法
1． 1 肩关节模型的构建
选取经X线片检查确定肩关节形态正常的健康志愿者1名，34岁，男性，身高174cm，体重75kg。排除肩部外伤史、骨关节畸形或代谢性疾病。采用128排螺旋CT对该志愿者行左侧肩关节外展90°薄层扫描，扫描层厚0．625mm，图像格式存储为DI-COM格式文件导入医学三维重建软件Mimics10．0。根据组织的灰度值，通过区域分割，得到肱骨近端、肩胛骨的人体骨骼模型，以点云格式导入Geomagicstudio2012。对模型进行除噪点、平滑等处理，拟合出骨骼的NURBS曲面，再导入Hypermesh13．0划分网格，将骨骼及关节盂唇划分为四面体C3D4单元，下盂肱韧带及关节囊划分为壳体S3R单元，共49068个节点，258220个单元。将生成的三维模型导入Abaqus6．14，所有结构的材料属性为各项同性线弹性材料。关节囊及韧带的弹性模量10．1MPa、泊松比0．4；皮质骨的弹性模量1．34×104MPa、泊松比0．3；关节软骨的弹性模量0．3×104MPa，泊松比0．3（图1）。
在肩关节盂及相对应的关节盂唇的节点上设置MPC约束进行Tie绑定模拟锚钉固定。调整约束位置及MPC的数量，建立A模型（正常对照模型）、B模型（Bankart损伤对照模型）、C模型（8点钟位置安装1枚锚钉）、D模型（7－8点钟位置安装2枚锚钉）、E模型（6－9点钟位置安装3枚锚钉）、F模型（6－9点钟位置安装4枚锚钉），6种工况的肩关节有限元模型（图2）。
1． 2 边界条件及加载
将肩胛骨内侧缘作为边界条件固定模型。加载方式模拟肩关节前向不稳检查恐惧试验（Cranktest），即在外展90°位，上臂绕自体中心轴外旋并给予一定的前向推力。
1． 3 统计学处理
所有数据采用SPSS19．0统计学软件进行统计学分析。定量资料采用均数±标准差（χ±s）表示。选取6个模型中，下盂肱韧带复合体在6－9点钟止点位置周围的10个节点，应用配对t检验对研究对象在不同外旋角度下的平均应力进行统计学比较，以P＜0．05为差异有统计学意义。
2 结果
2． 1 下盂肱韧带复合体在不同模型中的应力分布
结果显示在A模型中，下盂肱韧带复合体的应力集中在远近端附着点，伴随着肱骨头的外旋，环绕肱骨头发生皱褶，使应力集中在下盂肱韧带的前后束止点周围（图3a）。与之相比，在B模型（Bankart损伤模型）中的，下盂肱韧带前后束附近的应力较A模型前束增大52．33％、后束增大45．67％，游离部分关节盂唇出现不均匀剪应力（图3b）。锚钉固定的各模型中，在锚钉固定点对应的下盂肱韧带复合体上均出现明显的应力集中，与C、D模型相比，在E、F模型中应力集中区分布趋向均匀（图3c，3d，3e，3f）。
2． 2 不同模型的外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力分布
在各模型中， 外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力分布结果见表 1 。
除 9 点钟外旋30°外，B模型其余外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力均大于A模型。C、D模型与B模型比较差异均无统计学意义。E、F模型各外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力均小于B模型。
3 讨论
Bankart损伤发生导致了前下方盂唇被盂肱下韧带复合体（前束及关节囊）在关节盂附着处撕裂，从而导致肩关节外展90°时，由于前下方缺乏静力性结构维持，肱骨头会出现前下滑移或再脱位。
目前，关节镜下应用带线锚钉修复Bankart损伤已经为临床医师所公认，但在锚钉置入的数量上还存在争议［4］。Boileau等［3］认为置入≤3枚锚钉存在复发性关节不稳的风险，因而建议置入4枚螺钉。Levy等［2］报道用1枚锚钉进行荷包缝合的方法成功进行36例肩关节镜下Bankart修复术。Witney－Lagen等［5］对114例关节镜下1枚锚钉修复肩关节不稳进行4年随访发现，用1枚锚钉亦能取得良好的稳定性，同时提出术中应将锚钉置于4点钟方向，2股缝合线分别固定3点钟和6点钟方向。Sisto等［6］报道，在Bankart修复术失败的患者中，87％的锚钉没有放置在4点钟方向。
针对前下盂肱韧带复合体的有限元研究存在一维线性单元［7］、二维壳单元［8］、三维六面体或四面体单元［9］3种模型。一维线性单元模型无法体现关节囊与肱骨近端的解剖特征及关节运动过程中关节囊的皱褶变形，目前已很少应用。三维六面体或四面体单元模型，虽然在解剖特征上可以充分显示肱骨近端与关节囊的连接关系，但在进行大变形分析时，由于部分单元会发生反转变形，而使模型很难收敛。二维壳单元模型不仅对关节囊与骨骼的连接关系进行充分的仿真，而且实现了关节囊的变形。本研究建立的有限元模型中，骨骼及关节盂唇使用三维四面体单元，韧带及关节囊使用二维壳单元。
本研究发现正常模型中，下盂肱韧带复合体其关节盂唇附着处出现均匀的应力分布，并伴随着肱骨外旋，在下盂肱韧带前后束出现较大的应力集中，这与Benjamin的试验结果相一致［8］。与A模型比较B模型中，盂唇损伤区域的前、后端出现较大的应力集中，并在游离的盂唇产生切向应变，并且外旋角度增大，前后端应力越集中，在外旋90°时，前束增大约52．33％、后束增大45．67％。比较安装锚钉后各模型的应力分布可以发现，与B模型比较，在外旋30°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少9．82％、16．58％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少28．79％、27．46％；在外旋60°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少3．41％、13．24％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少33．17％、34．77％。外旋90°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少18．54％、28．68％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少36．71％、41．24％。
上述结果提示，由于Bankart损伤导致下盂肱韧带在6～9点范围内游离，肱骨外旋会导致在损伤前后缘附着点韧带的应力集中，1枚或2枚锚钉修复能够减小下盂肱韧带前后束的应力，但随着外旋角度增加，其控制作用逐步减弱，并且会在锚钉上产生较大的应力集中。而3枚或4枚锚钉能够通过锚钉之间的“负荷共享”效应增强对下盂肱韧带约束，并且减少锚钉自身的应力，从而确保肩关节的前方稳定，为患者的早期康复，提供力学环境。
FEA有道生物力学服务介绍
BUSINESS PRODUCT01
承接医学有限元分析项目委托
盆骨、腰椎、颈椎、肩关节、髋关节、肘关节、膝关节、踝关节、义齿、种植体、上下颌骨、黏膜、牙冠 等分析。
02
医学有限元分析培训课程
ABAQUS医学有限元分析及SolidWorks医学3D建模培训
ANSYS医学有限元分析及SolidWorks医学3D建模培训
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医院：
中山大学附属第一 / 第二 / 第三医院、中山大学附属第三医院、南方医院、广州中医药大学附属第一医院、南部战区总医院、北部战区总医院、广东省人民医院、复旦大学附属华山医院、第三军区医院、广东省中医院珠海医院、中山大学光华口腔医学院附属口腔医院、广东省工伤康复医院、广州市正骨医院、佛山市南海区人民医院、广东药科大学附属第一医院、云南省中医院、山东省临沂市人民医院、山东整骨医院、浙江中医药大学附属第三医院、海南省人民医院 等医院。
科研院校：
南方医科大学、中山大学、广州中医药大学、广州医科大学、广西医科大学、复旦大学、同济大学、华南理工大学、暨南大学、兰州大学、南昌大学、云南中医学院、工业信息化部电子第五研究所、电子五所、核动力四所、中航光电设备研究所、国科军工、中科华核电技术研究院、等。
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1． 聊城市第二人民医院骨科
2． 合肥市第一人民医院关节外科
【摘要】
目的：通过有限元分析的方法，研究不同锚钉数量及位置对肩关节Bankart损伤修复强度影响。
方法：利用逆向建模技术，将包含正常成人志愿者肩关节的三维CT数据，导入Mimics10．0、Geomagic2012软件中对相关组织进行重建，然后在Hypermesh13．0软件中进行网格划分，赋予材料属性，在Abaqus6．14中调整MPC约束的位置及数量，建立A模型（正常对照模型）、B模型（Bankart损伤对照模型）、C模型（1枚锚钉）、D模型（2枚锚钉）、E模型（3枚锚钉）、F模型（4枚锚钉），6种工况的肩关节有限元模型。添加肱骨外旋及前移载荷，模拟肩关节前向不稳的恐惧试验。
结果：
（1）正常情况下，伴随着肱骨头的外旋下盂肱韧带复合体出现皱褶，并且在其前后束止点周围出现明显的应力集中。
（2）Bankart损伤导致下盂肱韧带前束应力增大52．33％、后束增大45．67％，游离部分关节盂唇出现不均匀剪应力降低。
（3）锚钉修复的各模型中，锚钉部位均出现明显的应力集中，并能够减小前后束韧带的应力，其中C、D模型与B模型比较差异无统计学意义（P＞0．05），E、F模型与B模型比较差异有统计学意义（P＜0．05）。
结论：在修复Bankart损伤时，应用1枚或2枚锚钉能够减小下盂肱韧带前后束的应力，但如外旋角度较大时，在锚钉位置产生的应力集中明显增大，增加修复失败的风险。而应用3枚或4枚锚钉，能够通过锚钉之间的“负荷共享”效应增强对下盂肱韧带约束，并且减少锚钉自身的应力，从而确保肩关节的前方稳定，为患者的早期康复提供力学环境。
【关键词】肩关节；Bankart损伤；有限元分析
随着关节镜技术的发展，镜下缝合锚钉修复技术治疗Bankart损伤得到广泛应用，影响术后治疗效果的关键因素是锚钉的置入位置及数量，多数报道认为应最少置入3枚锚钉［1］。但亦存在置入1枚［2］、3枚或4枚锚钉［3］进行修复的临床报道。本研究通过有限元分析的方法研究锚钉位置及数量对肩关节前下盂唇及关节囊修复强度的影响。
1 资料与方法
1． 1 肩关节模型的构建
选取经X线片检查确定肩关节形态正常的健康志愿者1名，34岁，男性，身高174cm，体重75kg。排除肩部外伤史、骨关节畸形或代谢性疾病。采用128排螺旋CT对该志愿者行左侧肩关节外展90°薄层扫描，扫描层厚0．625mm，图像格式存储为DI-COM格式文件导入医学三维重建软件Mimics10．0。根据组织的灰度值，通过区域分割，得到肱骨近端、肩胛骨的人体骨骼模型，以点云格式导入Geomagicstudio2012。对模型进行除噪点、平滑等处理，拟合出骨骼的NURBS曲面，再导入Hypermesh13．0划分网格，将骨骼及关节盂唇划分为四面体C3D4单元，下盂肱韧带及关节囊划分为壳体S3R单元，共49068个节点，258220个单元。将生成的三维模型导入Abaqus6．14，所有结构的材料属性为各项同性线弹性材料。关节囊及韧带的弹性模量10．1MPa、泊松比0．4；皮质骨的弹性模量1．34×104MPa、泊松比0．3；关节软骨的弹性模量0．3×104MPa，泊松比0．3（图1）。
在肩关节盂及相对应的关节盂唇的节点上设置MPC约束进行Tie绑定模拟锚钉固定。调整约束位置及MPC的数量，建立A模型（正常对照模型）、B模型（Bankart损伤对照模型）、C模型（8点钟位置安装1枚锚钉）、D模型（7－8点钟位置安装2枚锚钉）、E模型（6－9点钟位置安装3枚锚钉）、F模型（6－9点钟位置安装4枚锚钉），6种工况的肩关节有限元模型（图2）。
1． 2 边界条件及加载
将肩胛骨内侧缘作为边界条件固定模型。加载方式模拟肩关节前向不稳检查恐惧试验（Cranktest），即在外展90°位，上臂绕自体中心轴外旋并给予一定的前向推力。
1． 3 统计学处理
所有数据采用SPSS19．0统计学软件进行统计学分析。定量资料采用均数±标准差（χ±s）表示。选取6个模型中，下盂肱韧带复合体在6－9点钟止点位置周围的10个节点，应用配对t检验对研究对象在不同外旋角度下的平均应力进行统计学比较，以P＜0．05为差异有统计学意义。
2 结果
2． 1 下盂肱韧带复合体在不同模型中的应力分布
结果显示在A模型中，下盂肱韧带复合体的应力集中在远近端附着点，伴随着肱骨头的外旋，环绕肱骨头发生皱褶，使应力集中在下盂肱韧带的前后束止点周围（图3a）。与之相比，在B模型（Bankart损伤模型）中的，下盂肱韧带前后束附近的应力较A模型前束增大52．33％、后束增大45．67％，游离部分关节盂唇出现不均匀剪应力（图3b）。锚钉固定的各模型中，在锚钉固定点对应的下盂肱韧带复合体上均出现明显的应力集中，与C、D模型相比，在E、F模型中应力集中区分布趋向均匀（图3c，3d，3e，3f）。
2． 2 不同模型的外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力分布
在各模型中， 外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力分布结果见表 1 。
除 9 点钟外旋30°外，B模型其余外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力均大于A模型。C、D模型与B模型比较差异均无统计学意义。E、F模型各外旋角度对锚钉在下盂肱韧带前后束固定点周围应力均小于B模型。
3 讨论
Bankart损伤发生导致了前下方盂唇被盂肱下韧带复合体（前束及关节囊）在关节盂附着处撕裂，从而导致肩关节外展90°时，由于前下方缺乏静力性结构维持，肱骨头会出现前下滑移或再脱位。
目前，关节镜下应用带线锚钉修复Bankart损伤已经为临床医师所公认，但在锚钉置入的数量上还存在争议［4］。Boileau等［3］认为置入≤3枚锚钉存在复发性关节不稳的风险，因而建议置入4枚螺钉。Levy等［2］报道用1枚锚钉进行荷包缝合的方法成功进行36例肩关节镜下Bankart修复术。Witney－Lagen等［5］对114例关节镜下1枚锚钉修复肩关节不稳进行4年随访发现，用1枚锚钉亦能取得良好的稳定性，同时提出术中应将锚钉置于4点钟方向，2股缝合线分别固定3点钟和6点钟方向。Sisto等［6］报道，在Bankart修复术失败的患者中，87％的锚钉没有放置在4点钟方向。
针对前下盂肱韧带复合体的有限元研究存在一维线性单元［7］、二维壳单元［8］、三维六面体或四面体单元［9］3种模型。一维线性单元模型无法体现关节囊与肱骨近端的解剖特征及关节运动过程中关节囊的皱褶变形，目前已很少应用。三维六面体或四面体单元模型，虽然在解剖特征上可以充分显示肱骨近端与关节囊的连接关系，但在进行大变形分析时，由于部分单元会发生反转变形，而使模型很难收敛。二维壳单元模型不仅对关节囊与骨骼的连接关系进行充分的仿真，而且实现了关节囊的变形。本研究建立的有限元模型中，骨骼及关节盂唇使用三维四面体单元，韧带及关节囊使用二维壳单元。
本研究发现正常模型中，下盂肱韧带复合体其关节盂唇附着处出现均匀的应力分布，并伴随着肱骨外旋，在下盂肱韧带前后束出现较大的应力集中，这与Benjamin的试验结果相一致［8］。与A模型比较B模型中，盂唇损伤区域的前、后端出现较大的应力集中，并在游离的盂唇产生切向应变，并且外旋角度增大，前后端应力越集中，在外旋90°时，前束增大约52．33％、后束增大45．67％。比较安装锚钉后各模型的应力分布可以发现，与B模型比较，在外旋30°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少9．82％、16．58％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少28．79％、27．46％；在外旋60°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少3．41％、13．24％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少33．17％、34．77％。外旋90°时，C、D模型中下盂肱韧带前束应力分别减少18．54％、28．68％，E、F模型中下盂肱韧带前束应力分别减少36．71％、41．24％。
上述结果提示，由于Bankart损伤导致下盂肱韧带在6～9点范围内游离，肱骨外旋会导致在损伤前后缘附着点韧带的应力集中，1枚或2枚锚钉修复能够减小下盂肱韧带前后束的应力，但随着外旋角度增加，其控制作用逐步减弱，并且会在锚钉上产生较大的应力集中。而3枚或4枚锚钉能够通过锚钉之间的“负荷共享”效应增强对下盂肱韧带约束，并且减少锚钉自身的应力，从而确保肩关节的前方稳定，为患者的早期康复，提供力学环境。
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