兩種不同方式固定PauwellsⅢ型股骨頸骨折穩(wěn)定性的有限元分析

金亞平 徐 剛 萬曲橋

(樂清市人民醫(yī)院,浙江 樂清 325600)

股骨頸骨折是多見的骨折之一,好發(fā)于中老年人。股骨頸骨折后骨折不愈合及股骨頭無菌壞死等并發(fā)癥是臨床治療的棘手問題。對(duì)于相對(duì)年齡較輕及相對(duì)運(yùn)動(dòng)較多的股骨頸骨折的患者,國內(nèi)外的學(xué)者都主張采用內(nèi)固定的方法治療,內(nèi)固定的穩(wěn)定性直接影響并發(fā)癥的發(fā)生。

在臨床上,以內(nèi)收型股骨頸骨折(即PauwellsⅢ型,Pauwells角≥70°)最為常見,骨折線受到的剪切力大,骨折端極不穩(wěn)定,因此需要更加穩(wěn)定的內(nèi)固定。傳統(tǒng)的空心加壓螺釘內(nèi)固定技術(shù),以其可經(jīng)皮穿刺創(chuàng)傷小、對(duì)股骨頸血運(yùn)破壞少、可通過應(yīng)力刺激加速骨折愈合、不易松動(dòng)、游走或退出等優(yōu)點(diǎn),近年來已成為首選方法。然而,早在1997年Bout等[1]提出對(duì)PauwellsⅢ型的股骨頸骨折使用空心螺釘內(nèi)固定技術(shù)可發(fā)生股骨頸短縮及內(nèi)翻畸形,同時(shí)認(rèn)為對(duì)PauwellsⅢ型的股骨頸骨折釘板系統(tǒng)(DHS)可能是更好的內(nèi)固定系統(tǒng)。

對(duì)PauwellsⅢ型的股骨頸骨折,到底是采用三枚空心螺釘技術(shù)還是釘板系統(tǒng),何種生物力學(xué)更為穩(wěn)定,國內(nèi)外尚無相關(guān)報(bào)道。本文采用有限元分析方法,試圖從生物力學(xué)角度評(píng)估三枚空心螺釘內(nèi)固定技術(shù)與釘板系統(tǒng)固定PauwellsⅢ型的股骨頸骨折,以期找到最合適的內(nèi)固定方式,為臨床治療提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 有限元模型的建立 隨機(jī)選取本院患者35例(股骨均正常),對(duì)35例正常成人股骨進(jìn)行西門子PLUS4單倍螺旋CT掃描,層厚2mm,每例得到88張斷層圖像,以DICOM格式存儲(chǔ)。在PC機(jī)上使用MIMICS軟件讀取CT數(shù)據(jù),根據(jù)骨組織灰度值的差異,在MIMICS中通過閾值化及相應(yīng)的擦除操作,分別提取股骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的相關(guān)信息,通過三維重建獲得精確的股骨上端三維模型。然后將模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS。

DHS系統(tǒng)模型建立:根據(jù)臨床上AO/ASIF DHS的尺寸,確定接骨板厚度為5.8mm,寬度為17.5mm。接骨板頸長38mm,頸部外直徑12.5mm,下部固定板長度74mm,頸部與下部固定板間夾角為135°。植入股骨頭的動(dòng)力螺釘直徑為8mm,端頭螺紋部分長度為22mm,直徑為12.7mm,螺距為3mm。下部固定板采用三孔固定方式,固定螺釘直徑4.5mm,螺距2mm,螺紋高度0.5mm,固定螺釘長度以超過股骨直徑1～2個(gè)螺紋為標(biāo)準(zhǔn)。

三枚空心釘模型建立:根據(jù)臨床上AO/ASIF空心加壓螺釘?shù)某叽?確定緊固螺釘直徑為7.3mm,無螺紋部分直徑為6.0mm,螺距為0.2mm,長度根據(jù)臨床需要不同而調(diào)整,按照倒三角方式布置螺釘。進(jìn)釘方式采用傳統(tǒng)高角度低位置釘,上二枚在股骨大轉(zhuǎn)子嵴下方2.5cm處進(jìn)釘,且兩枚釘間距為1.0cm,下一枚在大轉(zhuǎn)子嵴下方4.0cm處進(jìn)釘,即緊貼股骨距,部分嵌入其內(nèi)。三枚釘植入角度均為與股骨干縱軸成135°。

為比較DHS系統(tǒng)與空心螺釘內(nèi)固定技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,采用以上兩組模型進(jìn)行比較,并假定螺釘和骨之間把持牢固,無相互錯(cuò)動(dòng)。

圖1 DHS系統(tǒng)時(shí)的正位圖和側(cè)位圖

圖2 空心螺釘系統(tǒng)時(shí)的正位圖和側(cè)位圖

1.2 條件假設(shè)以及材料參數(shù)設(shè)置 根據(jù)臨床股骨頸骨折常見的情況,確定骨折線位于股骨頸中間部位,Pauwells角設(shè)為70°。假定骨折已經(jīng)復(fù)位,骨折面完全斷裂,定義兩骨折面之間的接觸并取摩擦系數(shù)為0.2。模型中的各種材料都假設(shè)為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料[2],材料變形為小變形。各種結(jié)構(gòu)材料的彈性模量和泊松比見表1。

表1 模型中各組成部分的材料特性

1.3 網(wǎng)格劃分 選用C3D4單元(4節(jié)點(diǎn)四面體單元)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中空心螺釘模型共得到約23658個(gè)節(jié)點(diǎn)100573個(gè)單元,釘板系統(tǒng)模型共得到30039個(gè)節(jié)點(diǎn)和136966個(gè)單元。兩組模型的網(wǎng)格密度相近。

1.4 加載方式及約束條件 按單腿站立的情況分析,力作用線與股骨干成25°角,受力大小約為人體重的2.75倍[5],所以給股骨頭施加2000N的壓力。對(duì)股骨干下端面進(jìn)行約束,限制X、Y、Z三個(gè)方向的位移。由于股骨的受力情況多變,作者增加在股骨頭受垂直向下的力和壓力的計(jì)算,以比較股骨在不同受力方向下的反應(yīng)。

1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)價(jià)固定方式的優(yōu)劣是比較整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此,確定以下指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):(1)股骨頭的最大橫向位移(U1)。橫向位移體現(xiàn)了固定結(jié)構(gòu)的抗張力性能以及骨折面結(jié)合的牢固性;(2)股骨頭的最大縱向位移(U2)。由于前傾角的存在,結(jié)構(gòu)還會(huì)產(chǎn)生縱向位移,縱向位移從側(cè)面反映了固定結(jié)構(gòu)的抗扭能力[6];(3)股骨頭的最大下沉位移(U3)。它反映了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗壓能力,位移越小說明固定后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好,抗變形能力越大;(4)骨折面的最大裂縫距離(L)。由于骨折面是斷裂的,載荷作用下骨折結(jié)合面的上端會(huì)產(chǎn)生微小的裂縫,如果裂縫過大將延遲骨折的愈合,嚴(yán)重者可能造成骨不愈合。

2 結(jié) 果

在與股骨干成25°角力的作用下,DHS的最大橫向位移U1略小于空心螺釘系統(tǒng),而比較最大縱向位移U2,兩者的數(shù)值相差不大,對(duì)于最大下沉位移U3,DHS系統(tǒng)的數(shù)值明顯高于空心螺釘系統(tǒng),提示DHS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓能力較差,同時(shí)DHS系統(tǒng)的最大裂縫距離L也明顯高于空心螺釘系統(tǒng),見圖3。

在垂直力的作用下,DHS的最大橫向位移U1與最大縱向位移U2的數(shù)值與空心螺釘系統(tǒng)相差不大。對(duì)于最大下沉位移U3,DHS系統(tǒng)的數(shù)值高于空心螺釘系統(tǒng),同時(shí)DHS系統(tǒng)的最大裂縫距離L也明顯高于空心螺釘系統(tǒng),見圖4。

在壓力的作用下,DHS的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)都高于空心螺釘系統(tǒng),表明DHS系統(tǒng)的穩(wěn)定性差于空心螺釘系統(tǒng),見圖5。

圖3 25°力作用下不同固定方式生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

圖4 垂直作用下不同固定方式生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

圖5 壓力作用下不同固定方式生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

3 討 論

本文選擇內(nèi)收型股骨頸骨折(PauwellsⅢ型)作為研究對(duì)象是因?yàn)樵撔?Pauwells角≥70°)臨床最常見,骨折端受到的垂直剪力大,骨折極不穩(wěn)定,內(nèi)固定療效尚不肯定,Bout等[6]發(fā)現(xiàn)螺釘固定可發(fā)生短縮和內(nèi)翻畸形,認(rèn)為該固定技術(shù)對(duì)PauwellsⅢ型骨折并非優(yōu)先選擇,因此研究該型骨折意義更大。臨床上對(duì)于此類骨折,采取何種內(nèi)固定方式更為妥當(dāng),目前國內(nèi)外還沒達(dá)成一致性。國外Chaim等[7]報(bào)道低角度(150°)置釘固定PauwellsⅢ型股骨頸骨折比高角度(135°)置釘生物力學(xué)更穩(wěn)定[3,7-8]。徐剛[9]報(bào)道利用有限元分析得出三枚空心螺釘高角度低位置(上2枚釘在股骨大轉(zhuǎn)子嵴下方2.5 cm處進(jìn)釘,且2枚釘間距為1.0 cm,下1枚在大轉(zhuǎn)子嵴下方4.0 cm處進(jìn)釘,即緊貼股骨距,部分嵌入其內(nèi)。)倒三角型構(gòu)型固定股骨頸骨折具有最大的耐受載荷。本文選擇高角度低位置倒三角型螺釘固定幾何構(gòu)型建模,是假設(shè)該構(gòu)型力學(xué)穩(wěn)定性最好,可與傳統(tǒng)的DHS進(jìn)行力學(xué)穩(wěn)定性比較。試圖找出最佳的內(nèi)固定方式為臨床操作提供理論依據(jù)。

本文數(shù)據(jù)表明,在與股骨干成25°角力的作用下,DHS的最大橫向位移U1略小于空心螺釘系統(tǒng),說明DHS系統(tǒng)的抗張力性能稍好于空心螺釘。而比較最大縱向位移U2,兩者的數(shù)值相差不大,說明DHS和空心螺釘系統(tǒng)的抗扭能力相當(dāng)。對(duì)最大下沉位移U3,DHS系統(tǒng)的數(shù)值明顯高于空心螺釘系統(tǒng),提示DHS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓能力較差。同時(shí)DHS系統(tǒng)的最大裂縫距離L也明顯高于空心螺釘系統(tǒng),表明DHS系統(tǒng)的穩(wěn)定性確實(shí)差于空心螺釘系統(tǒng)。在垂直力的作用下,DHS的最大橫向位移U1與最大縱向位移U2的數(shù)值與空心螺釘系統(tǒng)相差不大,說明DHS系統(tǒng)的抗張力性能和抗扭性能與空心螺釘相當(dāng)。對(duì)于最大下沉位移U3,DHS系統(tǒng)的數(shù)值高于空心螺釘系統(tǒng),提示DHS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓能力較差。同時(shí)DHS系統(tǒng)的最大裂縫距離L也明顯高于空心螺釘系統(tǒng),表明DHS系統(tǒng)的穩(wěn)定性比空心螺釘系統(tǒng)的穩(wěn)定性要差。股骨頭最大下沉位移DHS固定系統(tǒng)明顯大于空心螺釘系統(tǒng)。在壓力的作用下,DHS系統(tǒng)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)都高于空心螺釘系統(tǒng),說明DHS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗壓能力差于空心螺釘系統(tǒng)。分析原因:首先相比于高角度低位置倒三角空間構(gòu)型的三枚空心螺釘系統(tǒng)而言,DHS固定系統(tǒng)在骨折處只有一枚螺釘固定,顯然單釘系統(tǒng)固定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓能力比多釘系統(tǒng)差。因此在股骨頭受力作用下,僅靠植入股骨頭的一枚螺釘支撐,DHS系統(tǒng)固定下的股骨頭位移明顯大于空心螺釘系統(tǒng)。其次,從支撐力方面分析,DHS系統(tǒng)在股骨外側(cè)有鋼板支撐,其螺釘支撐點(diǎn)在股骨大轉(zhuǎn)子下方附近,雖然在其下方使用了固定板加以固定,但研究表明其傳遞支撐的力很小。其實(shí)對(duì)于空心螺釘系統(tǒng),其支撐也在大轉(zhuǎn)子下方附近,即股骨頭的進(jìn)釘處附近。僅從力學(xué)角度考慮,若患者股骨大轉(zhuǎn)子下方的骨密度正常,使用空心螺釘系統(tǒng)較好;若患者股骨在進(jìn)釘處有較嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松,則進(jìn)釘處不能很好地提供支撐,可考慮采用DHS系統(tǒng),使支撐范圍擴(kuò)大,并能減少轉(zhuǎn)子下的應(yīng)力集中,降低轉(zhuǎn)子下骨折的發(fā)生概率。

本文分析結(jié)果表明,對(duì)PauwellsⅢ型股骨頸骨折,DHS固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性差于高角度低位置倒三角空間構(gòu)型的空心螺釘系統(tǒng)。建議臨床上仍采用傳統(tǒng)的高角度低位置倒三角空間構(gòu)型的空心螺釘系統(tǒng)。

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