夏志鋒，梁 明，李亞峰，曾冠楠(鄭州大學(xué)附屬鄭州中心醫(yī)院骨科，河南省鄭州市?450000)

引用本文：夏志鋒，梁明，李亞峰，曾冠楠.?三種內(nèi)固定方式修復(fù)股骨頸骨折的有限元分析[J].中國組織工程研究，2016，20(31):

文題釋義：

空心螺釘內(nèi)固定：即將?3?枚螺釘以“品”字形置入股骨頸，具有比較好的抗剪和抗扭效果，適合于關(guān)節(jié)沒有退變、骨折移位比較小的股骨頸骨折，操作簡單，損傷比較小，對血運(yùn)的破壞不大，不斷成為內(nèi)固定的主要選擇，有研究發(fā)現(xiàn)空心螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性好，但術(shù)后骨折愈合時(shí)間長，容易出現(xiàn)內(nèi)固定松動以及股骨頭壞死，術(shù)后翻修率比髖關(guān)節(jié)置換高。

側(cè)方鋼板內(nèi)固定：具有手術(shù)快，術(shù)中創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)，并可以減少術(shù)后并發(fā)癥，和空心螺釘比較，側(cè)方鋼板內(nèi)固定手術(shù)時(shí)間和失血量和空心螺釘內(nèi)固定無差異，但術(shù)后并發(fā)癥明顯低于空心螺釘，采用抗旋螺釘能夠改變引起股骨頭壞死的不足，側(cè)方鋼板內(nèi)固定的缺點(diǎn)是主釘容易發(fā)生斷裂，引起手術(shù)失敗，修復(fù)手術(shù)過程中所需術(shù)野比較大。

摘要

背景：有限元法在股骨頸骨折中被廣泛應(yīng)用，但對股骨頸骨折不同內(nèi)固定方式的研究不多。

目的：有限元法分析股骨頸骨折不同固定方式的生物力學(xué)特性。

方法：對志愿者股骨進(jìn)行?CT?掃描，掃描厚度為?0.6 mm，從股骨大轉(zhuǎn)子上方開始進(jìn)行掃描，掃描數(shù)據(jù)保存為.DICOM?格式。將右側(cè)股骨近端數(shù)據(jù)導(dǎo)入到?Mimics?軟件，按照?PauwelsⅠ型骨折截骨。建立?2枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型?3?種股骨頸骨折內(nèi)固定模型，采用三維有限元法分析股骨頸骨折不同內(nèi)固定方式模型的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中部位、位移分布以及最大位移情況。

結(jié)果與結(jié)論：①2?枚拉力螺釘模型的最大應(yīng)力值最大，全螺紋空心螺釘模型的最大應(yīng)力值最小。2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大應(yīng)力均集中在骨折的內(nèi)固定端；②2枚拉力螺釘模型的股骨最大應(yīng)力值最大，股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力值最小。2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力均集中在股骨內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子附近以及股骨內(nèi)側(cè)和內(nèi)固定接觸處；③2?枚拉力螺釘模型的最大位移值最大，全螺紋空心螺釘模型的最大位移值最小，2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大位移均在股骨頭處；④2?枚拉力螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最大，全螺紋空心螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最小。2?枚拉力螺釘模型的股骨頭處最大位移值最大，全螺紋空心螺釘模型的股骨頭處的最大位移值最?。虎萁Y(jié)果表明，對于?PauwelsⅠ型骨折而言，全螺紋空心螺釘?shù)膬?nèi)固定效果優(yōu)于其他?2?種內(nèi)固定方式。

關(guān)鍵詞：骨科植入物；數(shù)字化骨科；股骨頸骨折；有限元分析；內(nèi)固定；生物力學(xué)

主題詞：

股骨骨折；有限元分析；內(nèi)固定器；生物力學(xué)；組織工程

引言?Introduction

? 股骨頸骨折是一種常見的骨折類型，在中老年人中比較多發(fā)，股骨頸處于松質(zhì)骨和密質(zhì)骨交界處，結(jié)構(gòu)細(xì)小，負(fù)重大，加上歲數(shù)大的患者骨質(zhì)疏松，因此在內(nèi)外力的作用下，容易發(fā)生骨折，骨折如果損傷附近的動脈，容易引起股骨頭的缺血壞死[1]，股骨頸骨折有許多種，一般采用手術(shù)治療，手術(shù)治療不僅可以降低術(shù)后并發(fā)癥，提高療效，還可以提高患者的生活水平。股骨頸骨折的修復(fù)方式包括內(nèi)固定和人工關(guān)節(jié)置換[2-5]。其中內(nèi)固定又包括多根螺紋加壓釘固定、滑移式內(nèi)固定、三刃釘類內(nèi)固定和多根針類內(nèi)固定等多種方式，三刃釘類內(nèi)固定是最早的內(nèi)固定方式，因其可能會影響血運(yùn)，不易控制旋轉(zhuǎn)移位，抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度欠佳等不足，使其在臨床中被淘汰；多根針內(nèi)固定固定強(qiáng)度欠佳，有退釘退針現(xiàn)象發(fā)生；滑移式內(nèi)固定可以彌補(bǔ)多根針固定的不足，但操作難度較大；多根螺紋加壓釘穩(wěn)定性好，操作簡單，損傷小，在股骨頸骨折中得到廣泛應(yīng)用。有限元法是一種力學(xué)研究方法，在骨外科領(lǐng)域被逐漸廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了骨折外科的生物力學(xué)研究的發(fā)展，股骨生物力學(xué)的研究已經(jīng)有很多年的歷史了，傳統(tǒng)的力學(xué)研究方法不便于直接應(yīng)用于人體，有限元分析為股骨生物力學(xué)的研究提供了新的方法。在股骨頸骨折中被廣泛應(yīng)用，但有限元法對股骨頸骨折不同固定方式的研究不多。??

? 文章通過建立2枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型3種股骨頸骨折內(nèi)固定模型，采用三維有限元法分析股骨頸骨折不同內(nèi)固定方式模型的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中部位以及位移分布和最大位移情況，為臨床股骨頸骨折的內(nèi)固定修復(fù)提供力學(xué)依據(jù)。

1?對象和方法Subjects and methods

1.1?設(shè)計(jì)?三維有限元分析實(shí)驗(yàn)。

1.2?時(shí)間及地點(diǎn)??于2013年3月至2014年9月在鄭州大學(xué)附屬鄭州中心醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室完成。

1.3?材料

1.3.1?設(shè)備?CT機(jī)由鄭州大學(xué)附屬鄭州中心醫(yī)院放射科提供；宏碁筆記本電腦1臺，計(jì)算機(jī)工作站為Windows7 Home操作系統(tǒng)。

1.3.2?軟件?Mimics 10.0?軟件(比利時(shí)?Materialise公司)，Geomagic Studio 11(美國Geomagic公司)，交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造軟件(法國Dassault Systemes S.A公司)，Hypermesh 10.0 (美國Altair公司)，Ansys 12.0 (美國ANSYS公司)。

1.3.3?內(nèi)固定材料 空心拉力螺釘、股骨近端鎖定鋼板等由Stryker公司提供。材料屬性見表1。

1.4?對象?選擇身體健康的29歲男性志愿者1名，體質(zhì)量69 kg，身高176 cm，無遺傳病及慢性病史，無手術(shù)和外傷史，CT掃描及拍片檢查無髖部骨骼無異常?；颊咧椴⑶彝?。

1.5?方法

1.5.1?建立內(nèi)固定材料模型

? ?空心拉力螺釘：設(shè)計(jì)空心拉力螺釘長8.5 cm，直徑0.6 cm，空心部分直徑0.2 cm，螺紋長0.2 cm，位于螺釘遠(yuǎn)端。將數(shù)據(jù)進(jìn)行全真模擬并計(jì)算，以.iges格式保存輸出。

???空心螺釘：設(shè)計(jì)為長8.5 cm，直徑0.7 cm，空心部分直徑0.2 cm，近端螺紋長3.2 cm，為松質(zhì)骨螺紋，遠(yuǎn)端螺紋長2.4 cm，為松質(zhì)骨螺紋，中部螺紋長2.4 cm，為皮質(zhì)骨螺紋。將數(shù)據(jù)進(jìn)行全真模擬并計(jì)算，以.iges格式保存輸出。

? ??股骨近端鎖定鋼板：鋼板長1.8 cm，厚0.8 cm，鋼板上3個(gè)鎖定孔，下方1個(gè)，上方2個(gè)，克氏針孔位于鎖定孔上，3枚鎖定螺釘，其中1枚長9.5 cm，直徑0.6 cm，為全螺紋螺釘，另外2枚長8.8 cm，直徑0.55 cm，螺紋長2 cm，位于螺釘遠(yuǎn)端，螺釘為松質(zhì)骨半螺紋螺釘，3枚螺釘?shù)闹锌詹糠种睆骄鶠?.2 cm。將數(shù)據(jù)進(jìn)行全真模擬并計(jì)算，以.iges格式保存輸出。

1.5.2?建立股骨有限元模型?CT對志愿者股骨進(jìn)行掃描，掃描厚度為0.6 mm，從股骨大轉(zhuǎn)子上方開始進(jìn)行掃描，掃描數(shù)據(jù)保存為.DICOM格式。將右側(cè)股骨近端數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics軟件，設(shè)置閾值，分割圖像，以.stl格式保存，將.stl格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件，通過光滑處理，按照PauwelsⅠ型骨折截骨，進(jìn)行曲面擬合，保存為.iges格式，見圖1。

圖?1?股骨模型

1.5.3?建立2枚拉力螺釘模型 將骨折用2枚空心釘固定，2枚空心釘上下平行，建立拉力螺釘模型。

1.5.4?建立全螺紋空心螺釘模型 將3枚全螺紋空心螺釘呈“倒品字”固定股骨頸骨折，并建立全螺紋空心螺釘模型。

1.5.5?建立股骨近端鎖定鋼板模型 股骨近端鎖定鋼板上面螺釘為鎖定拉力螺釘，按照和骨折線垂直的方向植入，鎖定鋼板下方螺釘用全螺紋螺釘，螺釘頂端靠近股骨頭的頂端，并建立股骨近端鎖定鋼板模型。

1.5.6?建立股骨頸骨折內(nèi)固定模型 將股骨模型和3種內(nèi)固定模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件，進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行分析處理，建立股骨頸骨折內(nèi)固定的三維有限元模型。

1.5.7?機(jī)械特性設(shè)置 股骨頭松質(zhì)骨的彈性模量分別為850 MPa，股骨頭松質(zhì)骨的泊松比設(shè)置為0.3，股骨頸松質(zhì)骨的彈性模量分別為630 MPa，股骨頸松質(zhì)骨的泊松比都設(shè)置為0.30，股骨轉(zhuǎn)子間松質(zhì)骨的彈性模量分別為270 MPa，股骨轉(zhuǎn)子間松質(zhì)骨的泊松比都設(shè)置為0.3。股骨皮質(zhì)骨的彈性模量分別為17 000 MPa，股骨皮質(zhì)骨的泊松比都設(shè)置為0.3，鈦合金的彈性模量分別為110 000 MPa，鈦合金的泊松比都設(shè)置為0.35，不銹鋼的彈性模量分別為185 000 MPa，不銹鋼的泊松比都設(shè)置為0.3。

1.5.8?載荷的施加設(shè)置 股骨頸骨折接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.23，將股骨遠(yuǎn)端在X軸、Y軸和Z軸上的位移設(shè)置為0，在股骨頭和髖臼接觸的地方施加580 N軸向應(yīng)力，應(yīng)力沿軸向向下。

1.6?主要觀察指標(biāo)?三維有限元法分析股骨頸骨折不同內(nèi)固定方式模型的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中部位、位移分布以及最大位移情況。

2?結(jié)果?Results

2.1?不同內(nèi)固定模型的應(yīng)力分布情況?2枚拉力螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的應(yīng)力分布比較集中，全螺紋空心螺釘模型的應(yīng)力分布比較分散，其中2枚拉力螺釘模型的最大應(yīng)力值最大，全螺紋空心螺釘模型的最大應(yīng)力值最小。2枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大應(yīng)力均集中在骨折的內(nèi)固定端，見表2。

2.2??不同內(nèi)固定模型股骨的應(yīng)力分布情況?2枚拉力螺釘模型股骨應(yīng)力分布比較集中，全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的股骨應(yīng)力分布相對比較分散。其中2枚拉力螺釘模型的股骨最大應(yīng)力值最大，股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力值最小。2枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力均集中在股骨內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子附近以及股骨內(nèi)側(cè)和內(nèi)固定接觸處，見表3。

2.3? ?不同內(nèi)固定模型的最大位移分布情況??由表4可以看出，2枚拉力螺釘模型的最大位移值最大，其次為股骨近端鎖定鋼板模型，全螺紋空心螺釘模型的最大位移值最小。2枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大位移均在股骨頭處。

2.4?不同內(nèi)固定模型內(nèi)固定處的最大位移情況

由表5可以看出，2枚拉力螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最大，其次為股骨近端鎖定鋼板模型，全螺紋空心螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最小，明顯小于前兩種。

2.5?不同內(nèi)固定模型股骨頭處的最大位移情況

由表5可以看出，2枚拉力螺釘模型的股骨頭處最大位移值最大，其次為股骨近端鎖定鋼板模型，全螺紋空心螺釘模型的股骨頭處的最大位移值最小。

討論?Discussion

? 隨著人口的老齡化，骨折的發(fā)生率越來越高[6]，股骨頸骨折是老年人中常見的骨折類型，骨質(zhì)疏松是股骨頸骨折的主要原因[7]，骨質(zhì)疏松可以引起骨骼的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致股骨頸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所下降，容易引起骨折的發(fā)生。目前股骨頸骨折的分型有?Garden?和?Pauwel?兩種分型方法，但這兩種治療方法對于治療囊內(nèi)骨折的效果不太理想[8-9]，由于不同分型標(biāo)準(zhǔn)存在誤差[10]，也有人建議將其分為移位型股骨頸骨折和非移位型股骨頸骨折。股骨頸骨折的治療有多種方法：①非手術(shù)治療：對于無法進(jìn)行手術(shù)治療，或者不能耐受手術(shù)的輕型骨折可以采用非手術(shù)治療的方法[11]。②手術(shù)治療：手術(shù)治療包括骨瓣移植、內(nèi)固定治療和髖關(guān)節(jié)置換等，對于老年患者的治療，需進(jìn)行綜合評估[12]，有研究發(fā)現(xiàn)股骨頸骨折術(shù)后患者的死亡率高[13-14]，部分患者需要二次手術(shù)[15]。其中股骨頸骨折的內(nèi)固定損傷比較小，手術(shù)操作簡單，臨床應(yīng)用比較廣泛，對于需要內(nèi)固定治療的患者應(yīng)盡早手術(shù)，降低股骨頭壞死等的發(fā)生率[16]，但也有研究認(rèn)為股骨頸骨折的手術(shù)早晚和股骨頭壞死的發(fā)生率沒有明顯關(guān)系[17]，常用的固定方式有空心螺釘內(nèi)固定和側(cè)方鋼板內(nèi)固定等?？招穆葆攦?nèi)固定是將?3?枚螺釘以“品”字形置入股骨頸，具有比較好的抗剪和抗扭效果，適合于關(guān)節(jié)沒有退變、骨折移位比較小的股骨頸骨折，操作簡單，損傷比較小，對血運(yùn)的破壞不大，不斷成為內(nèi)固定的主要選擇，有研究發(fā)現(xiàn)空心螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性好(圖2)，但術(shù)后骨折愈合時(shí)間長，容易出現(xiàn)內(nèi)固定松動以及股骨頭壞死，術(shù)后翻修率比髖關(guān)節(jié)置換高[18-21]。側(cè)方鋼板內(nèi)固定具有手術(shù)快，術(shù)中創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)，并可以減少術(shù)后并發(fā)癥，和空心螺釘比較，側(cè)方鋼板內(nèi)固定手術(shù)時(shí)間和失血量和空心螺釘內(nèi)固定無差異，但術(shù)后并發(fā)癥明顯低于空心螺釘[22]，采用抗旋螺釘能夠改變引起股骨頭壞死的不足[23]，側(cè)方鋼板內(nèi)固定的缺點(diǎn)是主釘容易發(fā)生斷裂，引起手術(shù)失敗，手術(shù)過程中所需術(shù)野比較大[24-25]。髖關(guān)節(jié)置換可以減少術(shù)后并發(fā)癥，二次手術(shù)比例低，能夠緩解術(shù)后疼痛，降低死亡率[26]，以往全髖關(guān)節(jié)置換臨床應(yīng)用不多[27-28]，主要以半髖關(guān)節(jié)置換為主[29-33]，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來在臨床中也被廣泛應(yīng)用[34-37]。臨床醫(yī)生應(yīng)根據(jù)骨折的具體情況選擇合適的修復(fù)方式。

圖?2?右股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定前后?X?射線片

? 三維有限元分析作為一種力學(xué)分析方法，近年來在骨科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，三維有限元可以彌補(bǔ)普通實(shí)驗(yàn)成本高、周期長、重復(fù)性比較差等缺陷，能夠全面完整的分析骨骼的生物力學(xué)變化特點(diǎn)。并且傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法不便于直接用于人體骨骼的研究，而三維有限元分析作為一種新的方法，可以直接對人體骨骼進(jìn)行模擬研究。在股骨方面，三維有限元應(yīng)用也比較廣泛：①對股骨應(yīng)力的分析：黃夢全[38]對股骨骨折的應(yīng)力進(jìn)行三維有限元分析，鐘硯琳等[39]及袁平等[40]對膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力進(jìn)行了三維有限元分析。②預(yù)測骨折的好發(fā)部位以及骨折的發(fā)生危險(xiǎn)：三維有限元分析可以預(yù)測骨折的好發(fā)部位以及骨折的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。③指導(dǎo)設(shè)計(jì)和改進(jìn)股骨內(nèi)置物：三維有限元分析可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和改進(jìn)股骨假體[41-42]，并可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和改進(jìn)股骨骨折內(nèi)固定物：可以通過建立股骨骨折內(nèi)固定模型，對其進(jìn)行應(yīng)力和位移分布，從而對股骨骨折內(nèi)固定物提出改進(jìn)和設(shè)計(jì)意見[43]。④對修復(fù)方式進(jìn)行評價(jià)和改進(jìn)：三維有限元法可以建立股骨骨折的不同修復(fù)方式模型，通過生物力學(xué)分析，為臨床股骨骨折修復(fù)提供生物力學(xué)依據(jù)[44]。

? 文章通過建立?2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型3種股骨頸骨折內(nèi)固定模型，三維有限元分析股骨頸骨折不同內(nèi)固定方式模型的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中部位以及位移分布和最大位移情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2?枚拉力螺釘模型的最大應(yīng)力值最大，全螺紋空心螺釘模型的最大應(yīng)力值最小。2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大應(yīng)力均集中在骨折的內(nèi)固定端。2?枚拉力螺釘模型的股骨最大應(yīng)力值最大，股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力值最小。2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的股骨最大應(yīng)力均集中在股骨內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子附近以及股骨內(nèi)側(cè)和內(nèi)固定接觸處。2?枚拉力螺釘模型的最大位移值最大，全螺紋空心螺釘模型的最大位移值最小，2?枚拉力螺釘模型、全螺紋空心螺釘模型和股骨近端鎖定鋼板模型的最大位移均在股骨頭處。2?枚拉力螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最大，全螺紋空心螺釘模型的內(nèi)固定處最大位移值最小，明顯小于前兩種。2?枚拉力螺釘模型的股骨頭處最大位移值最大，其次為股骨近端鎖定鋼板模型，全螺紋空心螺釘模型的股骨頭處的最大位移值最小。由此可見，對于?PauwelsⅠ型骨折，全螺紋空心螺釘?shù)膬?nèi)固定效果優(yōu)于其他?2?種內(nèi)固定方式

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