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

1、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研究背景：股骨由于其在運(yùn)動(dòng)及承重中的重要作用 , 為歷年來(lái)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)為股骨頸骨折 的終末治療方法 ,一般患者首選內(nèi)固定治療

2、 ,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(wú)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(lái)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,Pauwels I型骨折線小于 300,Pauwels U型骨折骨折線為3050 ,Pauwels川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

3、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(lái)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)行模擬仿真研究 , 其已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用到人體生物力學(xué)中目的：1. 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(guò)尸體標(biāo)本驗(yàn)證有限元模型的有效性； 2. 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

4、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 Pauwels 股骨頸骨折的有限元模型； 3. 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(guò)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(wú)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

5、參數(shù)：管電壓120kV,管電流100mA,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NURB曲面，以Iges格式輸出保存。同時(shí)，建立股骨頸 Pauwels- H型骨折模型，骨折線為50 ,并以“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)

6、力則簡(jiǎn)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(jiǎn)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，予以軸向600N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

7、片檢查排除腫瘤、骨折等病變，骨密度測(cè)試值 為1.17g/cm2。用雙層塑料袋密封在-80 C冷凍備用。測(cè)試前24h取出,室溫下自 然解凍后根據(jù)股骨頸Pauwels- H型骨折模擬截骨,骨折線為50。,并以空心螺釘固定。股骨頸空心釘：空心釘全長(zhǎng) 90mm直徑6.5mm螺紋部 分長(zhǎng)20mm空心釘中空部分直徑2.5mm空心釘固定為“倒品字”固定,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(wàn)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9.7N/mm2和0.15N/mm2予以

8、固定,固定強(qiáng)度為 10MPa其后予以股骨頭垂直方向600N應(yīng)力，通過(guò)壓敏片記錄八個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值， 測(cè)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(zhǎng)90mm直徑6.5mm螺紋位于螺釘遠(yuǎn)端，螺紋部分長(zhǎng)20mm空心釘中空部分直徑 2.5mm;全螺紋空心螺釘,空心釘全長(zhǎng)90mm直徑7.3mm,近端及遠(yuǎn)端螺紋為松質(zhì)骨 螺紋，近端自螺釘尾端始長(zhǎng)約35mm遠(yuǎn)端自螺釘部分長(zhǎng)25mm螺釘中部25mm為皮 質(zhì)骨螺紋,空心釘中空部分直徑2.5mm

9、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(wàn)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(zhǎng)度8590mm為半螺紋松質(zhì)骨拉力螺釘,遠(yuǎn)端螺紋長(zhǎng)度為20mm中空部直 徑為2.0mm另一枚為全螺紋螺釘,長(zhǎng)度90100mm直徑6.5mm,中空部直徑為 2.5mm In terTan釘板系統(tǒng)數(shù)據(jù)由（Smith&Nephew公司，英國(guó)）提供，應(yīng)用 proE4.0（PTC, 美國(guó) ）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

10、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(guò) 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： 內(nèi)固定的應(yīng)力分布位置及應(yīng)力峰值； 股骨的應(yīng)力分

11、布位置及應(yīng)力峰值； 內(nèi)固 定位移分布和峰值；股骨的位移分布和峰值；骨及內(nèi)固定的疲勞測(cè)試：予 0.5Hz頻率,600N的垂直方向應(yīng)力行疲勞測(cè)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：1.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(wú)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(shì), 因而可以作為標(biāo)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 Mi

12、mics、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(guò)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。 2.Pauwels I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、 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:27.16MPa:d:118.69MPa; e:50.40MPao 所有模

13、型 的位移均集中于股骨頭處,其峰值為：a:1.49mm; b:1.62mm; c:1.33mm:d:1.40mm; e:0.89mm.通過(guò)疲勞測(cè)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： 1.5367e5 次；b： 1.8578e5 次；c: 1.9458e5 次；d： 1.2111e5 次；e： 1.769e5次。3.Pauwels U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

14、:88.96MPa; c:57.43MPa:d:167.92MPa; e:53.63MPa; 所有模型的位移均集中于股骨頭處 , 其峰值為： a:1.63mm; b:1.27mm; c:1.06mm: d:1.52mm; e:0.89mm,通過(guò)疲勞測(cè)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。4Pauwels川型骨折,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

15、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:210.91MPa; b:116.49MPa;c:62.56MPa:d:142.49MPa; e:65.72MPao 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:1.33mm: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；c: 1.9156e5 次；d： 1e6次；e： 1.6254e5 次。結(jié)論：股骨頸骨折 Pauwels分型

16、不同其生物力學(xué)特點(diǎn)各不相同，Pauwels I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。Pauwels U型骨折,垂直方向上的剪切力大于 Pauwels I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(guò)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)