五種內(nèi)固定方式用于不同Pauwels分型股骨頸骨折的有限元分析.pdf

1、背景：股骨由于其在運(yùn)動(dòng)及承重中的重要作用，為歷年來運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和骨科學(xué)的研究熱點(diǎn)。股骨頸骨折具有多發(fā)性和多樣性，其治療的并發(fā)癥較多，因此針對(duì)股骨頸骨折治療的方式層出不窮，然并未得到較好的解決，其因而成為臨床上治療的難題。股骨頸骨折占髖部骨折的50％～60％，高發(fā)于老年患者，多合并不同程度的骨質(zhì)疏松，女性多于男性。其治療方式的選擇受到多種因素的影響，包括年齡、骨折類型、精神因素等，股骨頸骨折主要包括內(nèi)固定、半髖或全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。關(guān)節(jié)置換術(shù)為股

2、骨頸骨折的終末治療方法，一般患者首選內(nèi)固定治療，給股骨頭一個(gè)恢復(fù)的機(jī)會(huì)。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，對(duì)于小于60歲的患者，如無明確股骨頭缺血征象，首選內(nèi)固定治療;對(duì)于80歲以上的移位型骨折患者，最好行髖關(guān)節(jié)置換術(shù);60～80歲之間的患者則根據(jù)患者的傷情、骨折類型、精神因素及是否合并其他系統(tǒng)性疾病來綜合選擇治療方式。目前可選用的內(nèi)固定方式比較多，最常用的有空心釘，DHS，股骨近端鋼板等。Pauwels分型根據(jù)骨折線的夾角將骨折分為3型，Pauwel

3、sⅠ型骨折線小于30°，PauwelsⅡ型骨折骨折線為30°～50°，PauwelsⅢ型骨折骨折線為大于50°。骨折線的夾角度數(shù)越大，即骨折線越垂直，骨折端所受到的剪式應(yīng)力越大，骨折越不穩(wěn)定，不愈合率隨之增加。此種分型以往并未得到重視，然而由于近年來骨折不愈合及股骨頭缺血性壞死的研究不斷深入，較多學(xué)者對(duì)此分型的不同療效進(jìn)行了相關(guān)研究。FEM具有強(qiáng)大的建模功能，在動(dòng)靜狀態(tài)下能夠?qū)哂袕?fù)雜的幾何形狀、材料參數(shù)和不同受力條件下的物體進(jìn)行模擬仿

4、真研究，其已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到人體生物力學(xué)中。
　　 目的：⑴利用數(shù)字化技術(shù)，建立股骨頸骨折的三維數(shù)字虛擬仿真模型及有限元模型，并同時(shí)通過尸體標(biāo)本驗(yàn)證有限元模型的有效性;⑵依據(jù)三維繪圖軟件繪制5種不同類型的股骨頸內(nèi)固定模型，分別為上下平行的兩枚空心拉力螺釘、“倒品字”形排列的三枚空心拉力螺釘模型、“倒品字”形排列的三枚全螺紋拉力螺釘模型、股骨頸鎖定鋼板模型、InterTan釘板系統(tǒng)模型，并建立5種內(nèi)固定方式固定三種不同Pauw

5、els股骨頸骨折的有限元模型;⑶以Ansys軟件分析比較5種內(nèi)固定方式對(duì)三種不同Pauwels分型的股骨頸骨折的應(yīng)力分布、位移部分、生命周期，綜合評(píng)價(jià)每種內(nèi)固定的固定特點(diǎn)，通過比較不同內(nèi)固定方式生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù);
　　 方法：①數(shù)字化股骨三維有限元模型的構(gòu)建:經(jīng)X線檢查證實(shí)髖部無骨折、畸形、腫瘤等骨質(zhì)破壞，采用Philips/Brilliance64排螺旋CT行股骨掃描，掃描參數(shù):管電壓120kV，管電流1

6、00mA，自股骨大轉(zhuǎn)子上方，層厚0.625mm，共獲取二維CT圖像489層。數(shù)據(jù)以.DICOM格式保存，輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Mimics10.01軟件，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后三維重建出完整股骨的三維結(jié)構(gòu)，再以點(diǎn)云輸出并導(dǎo)出的STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio10.0軟件，根據(jù)在多邊形階段提取設(shè)定的特征和編輯的曲面片自動(dòng)擬合成NURBS曲面，以Iges格式輸出保存。同時(shí)，建立股骨頸Pauwels-Ⅱ型骨折模型，骨折線為50°，并

7、以“倒品字”拉力螺釘固定。根據(jù)骨骼、內(nèi)固定兩種不同的材料屬性，不計(jì)關(guān)節(jié)之間的摩擦，而將軟骨忽略，肌肉及肌腱應(yīng)力則簡化處理。假設(shè)為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.2。將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁下緣全部節(jié)點(diǎn)的自由度約束為0作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在x、y、z軸上的位移為0。采用目前常用的簡化模型，即僅考慮骨盆髖臼窩作用于股骨頭上的力，對(duì)于肌肉力，僅取大轉(zhuǎn)子附近的外展肌力（臀中肌與梨狀肌）和股外側(cè)肌力外展肌作為有限元分析的外載荷

8、，予以軸向600 N應(yīng)力，平均作用于股骨頭與髖臼接觸面，沿軸向向下，然后設(shè)置好網(wǎng)格劃分密度生成網(wǎng)格并設(shè)置算例屬性進(jìn)行運(yùn)算。②有限元模型有效性驗(yàn)證:取1具成人尸體的股骨頸標(biāo)本，去除標(biāo)本周圍的軟組織，保存完整的骨性結(jié)構(gòu)，X線片檢查排除腫瘤、骨折等病變，骨密度測試值為1.17 g/cm2。用雙層塑料袋密封在-80℃冷凍備用。測試前24 h取出，室溫下自然解凍后根據(jù)股骨頸Pauwels-Ⅱ型骨折模擬截骨，骨折線為50°，并以空心螺釘固定。股骨頸

9、空心釘:空心釘全長90 mm，直徑6.5 mm，螺紋部分長20 mm，空心釘中空部分直徑2.5 mm?？招尼敼潭椤暗蛊纷帧惫潭?，螺釘互相平行，且盡量分離。將骨折內(nèi)固定模型固定于電子萬能動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)上，股骨遠(yuǎn)端雙髁連線與水平面平行，所得股骨軸線與矢狀線呈23°夾角，分別于梨狀窩及大轉(zhuǎn)子外側(cè)固定尼龍線(拉伸彈性模量分別為9.7 N/mm2和0.15N/mm2)予以固定，固定強(qiáng)度為10 MPa。其后予以股骨頭垂直方向600 N應(yīng)力，通過

10、壓敏片記錄八個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值，測量三次，取平均值，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較。③內(nèi)固定三維模型的繪制:本研究共涉及4種內(nèi)固定結(jié)構(gòu)，分別為，空心拉力螺釘、全螺紋空心螺釘、股骨頸鎖定鋼板、InterTan釘板系統(tǒng)。其中空心釘全長90 mm，直徑6.5 mm，螺紋位于螺釘遠(yuǎn)端，螺紋部分長20 mm，空心釘中空部分直徑2.5 mm;全螺紋空心螺釘，空心釘全長90 mm，直徑7.3 mm，近端及遠(yuǎn)端螺紋為松質(zhì)骨螺紋，近端自螺釘尾端始長約35 mm，遠(yuǎn)

11、端自螺釘部分長25 mm，螺釘中部25 mm為皮質(zhì)骨螺紋，空心釘中空部分直徑2.5 mm;股骨頸鎖定鋼板，其結(jié)構(gòu)包括一塊倒三角形的解剖型鋼板及三枚鎖定螺釘;鋼板上方兩個(gè)萬向鎖定孔，下方一個(gè)鎖定孔，鎖定孔的斜率為140°，每個(gè)鎖定孔上方為克式針孔;鎖定螺釘釘3枚，兩枚直徑6mm，長度85～90 mm，為半螺紋松質(zhì)骨拉力螺釘，遠(yuǎn)端螺紋長度為20 mm，中空部直徑為2.0 mm;另一枚為全螺紋螺釘，長度90～100mm，直徑6.5mm，中空部

12、直徑為2.5 mm; InterTan釘板系統(tǒng)數(shù)據(jù)由（Smith&Nephew公司，英國）提供，應(yīng)用proE4.0(PTC，美國)三維繪圖軟件對(duì)其進(jìn)行三維虛擬重建。④骨折內(nèi)固定有限元模型建立及分析:根據(jù)Pauwels三種骨折類型建立三種股骨頸骨折有限元模型，同時(shí)建立5種內(nèi)固定模型，分別為:a:兩枚拉力螺釘模型b:三枚“倒品字”形排列拉力螺釘模型c:三枚“倒品字”型排列全螺紋空心螺釘;d:股骨頸鎖定鋼板的內(nèi)固定模型e:InterTan釘板

13、系統(tǒng)固定模型。均將繪制的內(nèi)固定三維實(shí)體模型與股骨模型導(dǎo)入有限元分析前處理軟件Hypermesh10.0中進(jìn)行裝配完成，生成節(jié)點(diǎn)和單元后導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys13.0進(jìn)行處理分析，所有模型均采用solid185單元（材料賦值及邊界約束同方法一）。通過5種指標(biāo)對(duì)5種內(nèi)固定模型(a～e)的力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析:①內(nèi)固定的應(yīng)力分布位置及應(yīng)力峰值;②股骨的應(yīng)力分布位置及應(yīng)力峰值;③內(nèi)固定位移分布和峰值;④股骨的位移分布和峰值;⑤骨及內(nèi)固定的

14、疲勞測試:予0.5 Hz頻率，600 N的垂直方向應(yīng)力行疲勞測試，計(jì)算達(dá)到骨及內(nèi)固定達(dá)到屈服的壓力次數(shù)。
　　 結(jié)果：⑴基于CT掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics、Geomagic Studio、UG軟件，建立股骨頸骨折的三維數(shù)字仿真模型，這種方法可行、有效，建模速度較快，且對(duì)人體無損害。三維有限元法是生物力學(xué)研究的一種理論方法，可以模擬各種結(jié)構(gòu)的幾何模型，賦予各種組織的生物材料屬性，能很好的反映其生物力學(xué)特性的總體趨勢，因而可以作為標(biāo)

15、本實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究方法很好的補(bǔ)充。本研究利用人體股骨CT數(shù)據(jù)，借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Anasys等軟件，建立了股骨頸骨折的的有限元模型與正常人體具有良好的幾何相似性。通過尸體模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，證明本模型具有良好的物理相似性，更能夠準(zhǔn)確和完整地模擬股骨頸骨折的其受力特點(diǎn)，有利于對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)分析。⑵PauwelsⅠ型股骨頸骨折，5種模型的應(yīng)力峰值均集中于骨折線處的內(nèi)固定下方，其中模型b

16、、c、e分布較為均勻，模型a、d分布較為集中，其峰值為a:136.90MPa;b:52.47MPa;c:27.16 MPa:d:118.69 MPa;e:50.40 MPa。所有模型的位移均集中于股骨頭處，其峰值為:a:1.49mm;b:1.62mm;c:1.33 mm:d:1.40mm;e:0.89 mm。通過疲勞測試得出，內(nèi)固定在le6時(shí)均未發(fā)生屈服，骨端的生命周期分別為:a:1.5367e5次;b:1.8578e5次;c:1.94

17、58e5次;d:1.2111e5次;e:1.769e5次。⑶PauwelsⅡ型股骨頸骨折，5種模型應(yīng)力集中區(qū)域有所不同，模型a、d分布較為集中，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于近骨折線的內(nèi)固定下方;模型b、c應(yīng)力分布較為均勻;模型e應(yīng)力主要集中于內(nèi)固定上方螺釘處。其峰值為a:188.07MPa;b:88.96 MPa;c:57.43 MPa(:)d:167.92 MPa;e:53.63 MPa;所有模型的位移均集中于股骨頭處，其峰值為:a:1.63

18、 mm;b:1.27 mm;c:1.06mm(:)d:1.52mm;e:0.89mm。通過疲勞測試得出，內(nèi)固定在1e6時(shí)均未發(fā)生屈服，骨端的生命周期分別為:a:1.5089e5次;b:1.1689e5次;c:1.849e5次;d:1.6932e5次;e:1.7964e5次。⑷PauwelsⅢ型骨折，骨折端主要受力為垂直方向上的剪切力，5種模型應(yīng)力集中區(qū)域有所不同，模型a、d分布較為集中，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于近骨折線的內(nèi)固定下方;模型b、

19、c應(yīng)力分布較為均勻;模型e應(yīng)力主要集中于內(nèi)固定上方螺釘處。其峰值為a:210.91 MPa;b:116.49 MPa;c:62.56 MPa:d:142.49MPa;e:65.72 MPa。所有模型的位移均集中于股骨頭處，由圖中可得出，其峰值為:a:1.59mm;b:1.61mm;c:1.33 mm(:)d:1.48mm;e:0.91mm。內(nèi)固定在1e6時(shí)均未發(fā)生屈服，骨端的生命周期分別為:a:1.4647e5次;b:1.3438e5次

20、;c:1.9156e5次;d:1e6次;e:1.6254e5次。
　　 結(jié)論：股骨頸骨折Pauwels分型不同其生物力學(xué)特點(diǎn)各不相同，PauwelsⅠ型骨折斷端壓力較大，使用空心釘固定時(shí)骨折線不與螺釘方向垂直，預(yù)防股骨頸短縮為主要治療目的。5種內(nèi)固定方式均可以用于本型股骨頸骨折的治療，使用帶全螺紋的“倒品字”形排列的空心釘固定既能夠達(dá)到較為穩(wěn)定的生物力學(xué)穩(wěn)定性，又能夠有效防止股骨頸短縮，且具備微創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，可作為推薦治療方式。Pa

21、uwelsⅡ型骨折，垂直方向上的剪切力大于PauwelsⅠ型骨折，且螺釘方向與骨折線方向接近垂直，最容易產(chǎn)生股骨頸軸向的壓力，骨折愈合過程中的動(dòng)力加壓作用較強(qiáng)。上下兩枚螺釘固定其生物力學(xué)穩(wěn)定性不佳，不推薦使用，三枚“倒品字”排列的以拉力螺釘固定時(shí)容易發(fā)生股骨頸短縮，而以全螺紋螺釘固定則可能使螺釘穿入髖臼內(nèi)，股骨頸鎖定鋼板和InterTan釘板系統(tǒng)可作為首選固定方式。綜合分析，本型骨折如骨質(zhì)情況良好可選用“倒品字”型排列的空心釘治療，而骨