股骨頸空心釘鎖定板與空心釘固定股骨頸骨折的有限元分析

摘要：目的 采用有限元分析法對股骨頸空心釘鎖定板與空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)特點。方法 以1名男性健康志愿者為研究對象，使用64排螺旋CT進行掃描，以右側(cè)股骨數(shù)據(jù)當做樣本，使用逆向工程軟件依次建立股骨頸骨折三維模型、空心釘鎖定板模型和空心釘固定模型，并對股骨的應(yīng)力肺部和位移情況進行分析，對比內(nèi)固定與股骨模型的生物力學(xué)的特征。結(jié)果 內(nèi)固定物應(yīng)力大都集中在骨折線附近，空心定鎖定板和空心釘固定模型的應(yīng)力峰值分別為65.8MPa、118.2MPa，骨端的應(yīng)力大都集中在股骨近端內(nèi)側(cè)，空心定鎖定板模型的應(yīng)力峰值為13.8MPa、空心釘固定模型的峰值為28.1MPa。結(jié)論 2種固定方式均應(yīng)用在股骨頸骨折中，空心定鎖定板固定穩(wěn)定性較好，能有效避免股骨頸縮短，成為最佳的治療辦法。

關(guān)鍵詞：股骨頸空心釘鎖定板；空心釘；股骨頸骨折；有限元分析

股骨頸骨折主要發(fā)病癥狀為骨不連和股骨頭缺血性壞死，空心釘鎖定板系統(tǒng)是2枚交鎖拉力螺釘組合而成的交鎖系統(tǒng)，能在一定程度上避免股骨頸短縮[1]。文中以2中固定方式展開研究，探討哪種固定方式更好，現(xiàn)報道如下。

1資料與方法

1.1一般資料 本次研究選擇一名男性志愿者，其年齡為26歲，身高和體重分別為175cm、72kg。主要設(shè)備：筆記本電腦一臺、使用的操作系統(tǒng)為Windows 7 Home、三維軟件Mimics 13.0和交互軟件CAD/CAM。

1.2方法 采用X線對志愿者檢查，證實其髖部并未出現(xiàn)骨折、畸形、或腫瘤等情況，使用64排螺旋CT對其股骨進行掃描檢查，掃描的層厚度為7.5mm，電壓設(shè)置為120kV，管電流為250～300mA，從而獲取相應(yīng)的二維CT圖像，數(shù)據(jù)保存的格式為DICOM。Mimics可以自動檢測數(shù)據(jù)格式，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本自身格式。把DICOM格式的文件導(dǎo)入Mimics10.0軟件內(nèi)，明確二維空間的位置，展現(xiàn)出冠狀面或矢狀畫面。根據(jù)不同組織其CT值，設(shè)置合理的閥值范圍，合理區(qū)分骨骼與其他位置。根據(jù)各自的mark對其身體不同位置建立三維模型，設(shè)置合理的平滑參數(shù)，便于清晰展現(xiàn)再線骨結(jié)構(gòu)的立體畫面。通過Mimics工具欄的STL格式導(dǎo)出股骨的三維模型，最后使用Geomagic Studio軟件對畫面進行自動擬合處理，由Iges格式輸出NURBS曲面并保存。把Geomagic Studio軟件內(nèi)形成的文件導(dǎo)入UG軟件中，使用縫合功能形成所需的實體模型。采用proE4.0軟件對其實施虛擬重建操作，使用直徑為6.5mm的空心拉力螺釘，長度為90mm，最后的實體模型通過Iges格式進行保存。

1.3創(chuàng)建有限元模型 所用的內(nèi)固定螺紋都加入全真模擬并進行歸納計算，把股骨及內(nèi)固定的模型導(dǎo)入有限元分析軟件Hypermesh10.0內(nèi)實施裝配，形成有限元模型。假定骨折面完全斷裂其摩擦系數(shù)是0.2，把股骨三維有限元模型中外髁下緣位置的原有節(jié)點其邊界條件設(shè)置為0，單單考慮骨盆寬臼窩作用的股股通力上，采用大轉(zhuǎn)子附近的外展肌力與骨外側(cè)肌力當做其外載荷，設(shè)定軸向600N的盈利，沿著軸向向下，判定靜態(tài)環(huán)境下股骨及內(nèi)固定的應(yīng)力分布情況。本研究以股骨頸中段作為同心圓，分析過圓心各內(nèi)徑在股骨頸表層的交點和壓強值。本次研究有線元模型的材料見表1。

1.4判斷標準 判斷兩種內(nèi)固定物應(yīng)力分布的位置和峰值，股骨應(yīng)力分布位置極其峰值，股骨位移情況和峰值。

2結(jié)果

2.1分析兩種內(nèi)固定物應(yīng)力分布情況 在空心釘鎖定板模型中，其內(nèi)固定應(yīng)力大多集中在中間近骨折線位置，它的應(yīng)力峰值是65.8MPa，空心釘固定模型其應(yīng)力大都集中在骨折線螺釘位置，應(yīng)力峰值是118.2MPa，后者明顯比前者應(yīng)力峰值高。

2.2分析股骨應(yīng)力分布情況 空心釘鎖定板模型其側(cè)應(yīng)力主要集中在股骨近端內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子附近，應(yīng)力峰值是13.6MPa，股骨頭和骨折端所承受的應(yīng)力比較小，峰值僅有1.58MPa?？招尼敼潭Ｐ偷墓晒莻?cè)應(yīng)力都集中在骨折近端側(cè)皮質(zhì)位置，其峰值是28.1MPa，空心釘固定模型都比空心釘鎖定板模型的應(yīng)力峰值高。

2.3分析股骨位移的分布情況 在空心釘鎖定板模型內(nèi)位移均集中在骨折遠端，位移峰值是0.78mm，空心釘模型位移處在骨折遠端，位移峰值是1.59mm。

3討論

股骨頸骨折是老年人群比較常見的髖部骨折，有可能引發(fā)骨不連或股骨頭壞死[2]。相關(guān)研究表明，患者的年齡、精神、及骨折分型影響著選擇哪種手術(shù)方式，也影響患者的預(yù)后效果[3]。有限元分析法就是采用求解微分方程組或積分方程組求解的技術(shù)。有限元分析解法就是把微分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組，通過數(shù)學(xué)近似的辦法對真實系統(tǒng)展開模擬，進而使用標準的數(shù)值技術(shù)進行求解[4]。有限元分析法作為高效的現(xiàn)代分析辦法，先把研究對象求解區(qū)域分離成一組有限個進行聯(lián)結(jié)的單元組合體[5]。因單元可以按照不同的聯(lián)結(jié)方法展開組合，且單元自身又能分為不同性質(zhì)，這時可以擬建為多個幾何形狀求解區(qū)域，隨后把小區(qū)域?qū)嵤┝W(xué)分析并展開整體分析[6]。有限元分析法與傳統(tǒng)應(yīng)力分析法比較的優(yōu)點：這種分析法能建立真實幾何比較相似的數(shù)字模型，賦予材料獨特的性質(zhì)。因這種分析法使用最先進的電子計算機，這種分析方法更加精確、成本比較低、可靠性高，擁有相對應(yīng)的開放性和研究空間[7]。從本次研究可知，采用空心釘固定模型對愈合骨折效果更好。

總之，股骨頸骨折具有不同的生物力學(xué)特點，采用空心釘鎖定板固定能避免股骨頸短縮，可以達到穩(wěn)定生物力學(xué)穩(wěn)定性的效果，具有微創(chuàng)的特點，成為主要的推薦方法。

參考文獻：

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[7]陳建陽.用微創(chuàng)股骨近端空心釘鎖定板內(nèi)固定術(shù)治療中老年股骨頸骨折11例療效探討[J].當代醫(yī)藥論叢，2014（2）：130.

編輯/申磊