股骨轉(zhuǎn)子下骨折內(nèi)固定的生物力學(xué)有限元比較研究

敖榮廣+禹寶慶+朱雅龍

股骨轉(zhuǎn)子下骨折內(nèi)固定的生物力學(xué)有限元比較研究

敖榮廣 禹寶慶 朱雅龍▲

上海市浦東醫(yī)院骨科，上海 201399

[摘要] 目的 借助于有限單元技術(shù)探討髓內(nèi)和髓外方式固定股骨轉(zhuǎn)子下骨折的生物力學(xué)特性。 方法 建立完整股骨的三維有限元模型以及PFP和加長型PFNA的CAD模型，按照標(biāo)準(zhǔn)骨科手術(shù)技術(shù)予以固定，于股骨頭處加載應(yīng)力，分析內(nèi)固定的應(yīng)力分布狀態(tài)和骨折塊的位移。結(jié)果PFP鋼板的應(yīng)力主要集中在鋼板的內(nèi)側(cè)和鋼板螺釘交界處。其中最大應(yīng)力為190.6MPa，集中在最遠(yuǎn)端的螺釘鋼板交界處。鋼板螺釘交界處的應(yīng)力集中也非均等分布。其頭端和遠(yuǎn)端的應(yīng)力較為集中，中間三顆螺釘應(yīng)力集中并不明顯。加長型PFNA固定的應(yīng)力分布主要集中在主釘?shù)耐鈧?cè)中段和下端。應(yīng)力集中的最大值為165Mpa。最大應(yīng)力集中在頭端螺釘與主釘交界處。PFP固定轉(zhuǎn)子下骨折的骨折塊位移，分別取第一、二、三塊（由近端及遠(yuǎn)端）骨折塊靠近骨折線的節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折在應(yīng)力加載后的位移度。第一骨折塊位移2.38mm，第二骨折塊位移為2.25mm，第三骨折塊位移1.74mm。PFNA加長型固定轉(zhuǎn)子下骨折的骨折塊位移，分別取第一、二、三塊（由近端及遠(yuǎn)端）骨折塊靠近骨折線的節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折在應(yīng)力加載后的位移度。第一骨折塊位移2.13mm，第二骨折塊位移為2.35mm，第三骨折塊位移1.75mm，兩者的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)論 從靜力分析角度，加長型PFNA比PFP在固定股骨轉(zhuǎn)子下粉碎性骨折方面，更有優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞] 骨科植入物；有限元；股骨轉(zhuǎn)子下骨折

[中圖分類號] R331 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號] 2095-0616（2017）20-11-05

Biomechanical finite element comparative study of internal fixation for subtrochanteric fracture

AO Rongguang YU Baoqing ZHU Yalong

Department of Orthopedics，Pudong Hospital of Shanghai，Shanghai 201399， China

[Abstract] Objective To investigate the biomechanical characteristics of intramedullary and extramedullary fixation of subtrochanteric fractures of the femur With the aid of finite element technique. Methods A three-dimensional finite element model of the intact femur，PFP model and CAD model with long PFNA were established and fixed according to the standard Department of orthopedics surgical technique，the stress was loaded at the femoral head，the stress distribution of the internal fixation and the displacement of the fracture block were analyzed. Results The stress of PFP steel plate was mainly concentrated At the junction between the inside of the steel plate and the plate screws.The maximum stress was 190.6MPa，concentrated at the distal end of the screw plate junction.The stress concentration at the juncture between the steel plate and the screw was not equally distributed.The stress at the head and distal end was more concentrated，and the stress concentration among the three screws was not obvious.The stress distribution of the lengthened PFNA was mainly concentrated in the middle and lower ends of the outer side of the main nails.The maximum of the stress concentration was 165Mpa.The maximum stress concentrated at the junction of the head end of screw and the main nail.For the Fracture displacement of subtrochanteric fracture fixed by PFP，the first，second，three blocks （from the proximal and distal nodes） fracture block near the fracture line were taken as a marker to mark the fracture stress after loading displacement.The first block fracture displacement was 2.38mm，the second fracture displacement was 2.25mm，the third fracture displacement was 1.74mm.For the fracture displacement of PFNA lengthened subtrochanteric fracture，the first，second，three blocks （proximal and distal） fracture block near the fracture line were taken as the mark point to mark the displacement of the fracture after stress loading.The first block fracture displacement was 2.35 mm，the second fracture displacement was 1.75mm，the difference was statistically significant. Conclusion From the point of view of static analysis，lengthened PFNA is more advantage than PFP in comminuted fracture of fixed subtrochanteric femur.endprint

[Key words] Orthopedic Implants；Finite element；Subtrochanteric fracture

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種高能量損傷逐年增多，股骨轉(zhuǎn)子下骨折的發(fā)病率呈上升趨勢[1-3]。股骨轉(zhuǎn)子下骨折治療難度較大，治療不當(dāng)容易出現(xiàn)骨折畸形愈合，內(nèi)固定斷裂等并發(fā)癥而影響患肢功能。髓內(nèi)固定是股骨轉(zhuǎn)子下骨折最常用的治療方法，文獻(xiàn)報(bào)道可以獲得較好的治療效果，但對于嚴(yán)重粉碎的股骨轉(zhuǎn)子下骨折，髓內(nèi)固定存在開口困難，外側(cè)壁粉碎影響近端拉力螺釘?shù)募訅鹤饔玫?，可能?huì)導(dǎo)致內(nèi)固定的失敗。股骨近端鎖定鋼板（proximal femoral plate，PFP）是為股骨近端骨折設(shè)計(jì)的專用鎖定鋼板，對于粉碎的股骨轉(zhuǎn)子間骨折，通過微創(chuàng)的手術(shù)操作方法，通過螺釘對粉碎骨塊進(jìn)行有效固定，從而有可能避免內(nèi)固定失效等并發(fā)癥。

2017年2～5月，我們利用計(jì)算機(jī)有限元建模分析技術(shù)[4]，研究PFP鎖定鋼板及加長PFNA內(nèi)固定方法治療股骨轉(zhuǎn)子下粉碎性骨折的力學(xué)特征，為股骨轉(zhuǎn)子下粉碎性骨折手術(shù)治療方法的選擇提供參考和依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 設(shè)計(jì)

模擬生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.2 時(shí)間及地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)于2015年6月在上海市浦東醫(yī)院骨科生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.3 一般資料

選取醫(yī)院影像系統(tǒng)中下肢CT三維重建圖像，在獲得患者授權(quán)后，用于本研究。股骨CT三維圖像來自一位男性患者（年齡45歲，升高175cm，體重75kg）。詢問該患者病史后，排除下肢股骨相關(guān)疾病。志愿者經(jīng)過對此次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的充分了解后，簽署了相應(yīng)的知情同意書。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

西門子64排螺旋CT，計(jì)算機(jī)工作站（基本配置：CPU Intel（R）Core（TM）i7-6700 CPU @3.40 GHz，內(nèi)存8 G，硬盤 500 GB），Mimics 15.0醫(yī)用圖像處理軟件（比利時(shí)Materialise公司），Abaqus 6.14 有限元計(jì)算軟件，Altar Hypermesh有限元通用前處理軟件，Solidworks 2016 CAD設(shè)計(jì)軟件（法國達(dá)索公司），Geomagic studio 12.0前處理軟件。根據(jù)加長PFNA及PFP的外形結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CAD設(shè)計(jì)軟件繪制兩種內(nèi)固定的CAD模型，見圖1。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法 CT圖像獲取

患者仰臥位，掃描范圍包括股骨、脛腓骨以及踝關(guān)節(jié)。掃描參數(shù)：120kV，240mA，螺旋層厚1.25mm。

共獲得掃描圖像645張。CT數(shù)據(jù)以dicom格式保存，層厚1mm。將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0軟件，通過設(shè)置骨骼閾值為150～300Hu，從而獲得骨骼輪廓。再通過區(qū)域增長功能，分離出股骨三維股骨模型，以stl格式保存。利用Geomagic studio軟件的去處特征，砂紙等功能，打磨修飾股骨模型，對導(dǎo)入的骨骼模型進(jìn)行進(jìn)一步的簡單化，去除一些不必要的細(xì)節(jié)特征，以便節(jié)省計(jì)算時(shí)間。并利用平面剪裁功能，模擬Seinsheimer IV骨折線。內(nèi)固定器械設(shè)計(jì)參照器械廠商提供的產(chǎn)品參數(shù)，建立如圖所示PFP和PFNA三維模型。PFP鋼板厚度為4.5mm，自第六孔開始，繪制出半徑為2.3m的解剖型前弓。處于便利有限元分析的需要，鋼板圓角、螺釘螺紋等特征并未繪制。

1.6 有限元模型的建立和參數(shù)設(shè)置

（1）采用Hypermesh軟件對于面網(wǎng)格直接自動(dòng)進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，生成人股骨三維有限元模型。（2）接骨板和螺釘?shù)奶幚恚航庸前搴吐葆敳捎萌S實(shí)體單元來仿真，螺釘和鋼板之間（PFNA主釘和其它螺釘之間）采用共用節(jié)點(diǎn)的連接方式，以模擬相互鎖定的結(jié)構(gòu)關(guān)系。（3）接觸單元：股骨骨折塊之間的距離為lmm，將骨折的兩個(gè)斷面設(shè)定為面面接觸單元，摩擦系數(shù)0.3，內(nèi)固定螺釘與骨面之間的接觸關(guān)系設(shè)置為Rough。（4）內(nèi)固定器械和鋼板的材料力學(xué)參數(shù)設(shè)定為各項(xiàng)同性彈性材料。內(nèi)固定器械的彈性模量為110Gpa，泊松比0.3[5]；股骨骨質(zhì)的材料特性利用Mimmics中的賦值功能，根據(jù)CT值進(jìn)行賦值。見圖2。

1.7 邊界加載與約束

對上述建立好的有限元模型施加軸向壓縮。軸向壓縮載荷中約束股骨遠(yuǎn)端內(nèi)外髁關(guān)節(jié)面，以股

骨頭為加載點(diǎn)，沿股骨干長軸方向，施加大小500N的力垂直加載。

1.8 結(jié)果分析

利用abaqus軟件計(jì)算出有限元模型的結(jié)果。以應(yīng)力云圖的形式表現(xiàn)出來內(nèi)固定器械的力學(xué)特征。同時(shí)取第一、二、三塊骨折塊，每塊骨折塊選定一標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折塊的位移情況，計(jì)算出兩種不同內(nèi)固定方式的骨折塊位移值，以分析這兩種內(nèi)固定方式固定轉(zhuǎn)子下骨折的實(shí)際效果。

2 結(jié)果

2.1 PFP固定轉(zhuǎn)子下骨折的應(yīng)力分布

如下圖所示，PFP鋼板的應(yīng)力主要集中在鋼板的內(nèi)側(cè)和鋼板螺釘交界處。其中最大應(yīng)力為190.6MPa，集中在最遠(yuǎn)端的螺釘鋼板交界處。鋼板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中并非均勻分布，而是存在于鋼板與骨折線交界處，以及螺釘孔的內(nèi)側(cè)。鋼板螺釘交界處的應(yīng)力集中也非均等分布。其頭端和遠(yuǎn)端的應(yīng)力較為集中，中間三顆螺釘應(yīng)力集中并不明顯。

2.2 PFP固定轉(zhuǎn)子下骨折的骨折塊位移。

分別取第一、二、三塊（由近端及遠(yuǎn)端）骨折塊靠近骨折線的20個(gè)節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折在應(yīng)力加載后的平均位移度。第一骨折塊位移（2.38±0.11）mm，第二骨折塊位移為（2.25±0.26）mm，第三骨折塊位移（1.74±0.20）mm。

2.3 PFNA加長型固定轉(zhuǎn)子下骨折的應(yīng)力分布。

如下圖所示，加長型PFNA固定的應(yīng)力分布主要集中在主釘?shù)耐鈧?cè)中段和下端。與PFP不同，加長型PFNA的遠(yuǎn)端鎖定螺釘與主釘之間的交界處應(yīng)力集中并不明顯的現(xiàn)象。應(yīng)力集中的最大值為165Mpa。最大應(yīng)力集中在頭端螺釘與主釘交界處。見圖3。endprint

2.4 PFNA加長型固定轉(zhuǎn)子下骨折的骨折塊位移

分別取第一、二、三塊（由近端及遠(yuǎn)端）骨折塊靠近骨折線的節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折在應(yīng)力加載后的位移度。第一骨折塊位移（2.13±0.05）mm，第二骨折塊位移為（2.35±0.18）mm，第三骨折塊位移（1.80±0.10）mm。

運(yùn)用秩和檢驗(yàn)比較，與PFP比較，PFNA模型的第一骨折塊的位移更?。é?=10.20，P<0.05），PFNA模型的第二骨折塊的位移更大（χ2=12.05，P<0.05），PFNA的第三骨折塊的位移與PFP模型相比位移更大（χ2=8.25，P<0.05），此外可以明顯觀察到加長型PFNA其主釘有明顯的彎曲和向內(nèi)側(cè)成角的傾向。

3 討論

股骨轉(zhuǎn)子下骨折是臨床上常見的骨折，約占所有髖部的10%～30%[6]，文獻(xiàn)報(bào)道死亡率達(dá)8.3%～20.9%，是臨床上很難處理的骨折，多由高能量損傷所致，骨折常呈粉碎，移位明顯，保守治療有較高的畸形愈合、不愈合等并發(fā)癥發(fā)生率，因而多主張手術(shù)治療。手術(shù)的目的是恢復(fù)下肢力線，糾正旋轉(zhuǎn)畸形，獲得骨性愈合。但對于粉碎性的股骨轉(zhuǎn)子下骨折（SeinsheimerⅢ、IV、V型），內(nèi)固定物選擇不當(dāng)或操作失誤容易引起骨折不愈合、延遲愈合、髖內(nèi)翻畸形及內(nèi)固定物斷裂等并發(fā)癥，因此，對骨科醫(yī)師的挑戰(zhàn)極大。如何有效治療股骨轉(zhuǎn)子下粉碎性骨折，有效降低并發(fā)癥，提高治療效果，成為創(chuàng)傷骨科醫(yī)師急需解決的問題。

加長PFNA、股骨重建釘、加長Intertan等髓內(nèi)固定具有明顯生物力學(xué)優(yōu)勢，是股骨轉(zhuǎn)子下骨折最常用的治療方法，但對于股骨髓腔狹小、骨折累及大轉(zhuǎn)子、股骨近端冠狀面劈裂、股骨近端外側(cè)壁骨折等特殊情況下，髓內(nèi)固定仍難以達(dá)到有效的固定，其中股骨重建釘具有“Z”字效應(yīng)，容易發(fā)生退釘或螺釘切出；PFNA和InterTan雖有效降低了“Z”字效應(yīng)，但對于外側(cè)壁骨折的股骨轉(zhuǎn)子下骨折，將影響近端拉力螺釘?shù)募訅鹤饔?，進(jìn)而降低內(nèi)固定的穩(wěn)定性[7-9]。

PFP是為股骨近端骨折設(shè)計(jì)的專用鎖定鋼板，其近端鎖定螺釘之間相互成角，且受力均勻，與鋼板共同形成一個(gè)相對穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，因而具有良好的成角穩(wěn)定性，鎖定鋼板的設(shè)計(jì)使得固定不依賴鋼板和骨界面的摩擦，可保護(hù)骨折端的血液供應(yīng)，加快骨折愈合，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)使鎖定螺釘?shù)陌纬龔?qiáng)度更高，并兼有內(nèi)固定支架的作用。近端有三角形分布的螺釘孔，直徑相對較小的股骨近端螺釘對股骨頭、頸內(nèi)的血供破壞較小，其拉力螺釘?shù)陌殉至Χ雀?，有利于小轉(zhuǎn)子復(fù)位，恢復(fù)內(nèi)側(cè)皮質(zhì)完整性。同時(shí)對于外側(cè)壁粉碎的股骨近端骨折，可以通過PFP來重建外側(cè)壁[10-12]。

兩種內(nèi)固定方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有此方面報(bào)道，因而本研究擬利用有限元建模技術(shù)，比較PFP和加長型PFNA固定股骨轉(zhuǎn)子下骨折（Seinsheimer IV）的生物力學(xué)特征。

股骨轉(zhuǎn)子下區(qū)肌肉豐富，在影響骨折愈合的2個(gè)關(guān)鍵因素-血運(yùn)因素和解剖學(xué)（也就是力學(xué)）因素中，骨解剖比血管解剖更為重要，力學(xué)因素成為影響骨折治療效果的關(guān)鍵[9-12]。股骨近端解剖結(jié)構(gòu)特殊，具有135°頸干角、10°～15°前傾角，力的軸線與股骨軸線不重合，從而在股骨轉(zhuǎn)子下粗隆區(qū)域形成特殊的生物力學(xué)特性：股骨上端除矢狀面的軸向應(yīng)力外，還存在冠狀面上的壓張應(yīng)力（股骨近端端的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)傳導(dǎo)壓應(yīng)力，外側(cè)傳導(dǎo)張應(yīng)力）和水平面上的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力。這部位骨折后，拉伸力導(dǎo)致骨折端分離，剪切力導(dǎo)致骨折端側(cè)向移位，扭轉(zhuǎn)力導(dǎo)致骨折斷端旋轉(zhuǎn)移位。大部分股骨粗降下骨折的患者有明顯的骨高應(yīng)力集中，造成骨折復(fù)位后的穩(wěn)定性差，易發(fā)生再移位。所以股骨轉(zhuǎn)子下骨折對內(nèi)固定的機(jī)械性要求較高，內(nèi)同定物選擇的正確與否決定了骨折治療的成敗[13-16]。在加載在股骨的所有應(yīng)力中，股骨冠狀面上的應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，本文在股骨頭處加載垂直的應(yīng)力，模擬人在站立情況下的受力情況，能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際手術(shù)情況。

髓外及髓內(nèi)固定的力學(xué)特征各有特點(diǎn)。PFP鋼板的應(yīng)力主要集中在鋼板的內(nèi)側(cè)和鋼板螺釘交界處。 其中最大應(yīng)力為109.6MPa，集中在最遠(yuǎn)端的螺釘鋼板交界處。鋼板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中并非均勻分布，而是存在于鋼板與骨折線交界處，以及螺釘孔的內(nèi)側(cè)，這與股骨長軸的曲度有關(guān)，股骨長軸有一定的前曲弧度，應(yīng)力從長軸傳導(dǎo)，鋼板位于弧度凹側(cè)會(huì)承受較大的應(yīng)力[17-19]。此外，鋼板螺釘交界處的應(yīng)力集中也非均等分布。其頭端和遠(yuǎn)端的應(yīng)力較為集中，中間三顆螺釘應(yīng)力集中并不明顯。這主要是因?yàn)轭^端的拉力螺釘起到支撐的作用，尾端的螺釘由于力矩較大，也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。 加長型PFNA固定的應(yīng)力分布主要集中在主釘?shù)耐鈧?cè)中段和下端。這也是由于股骨長軸向前的弧度有關(guān)。與PFP不同，加長型PFNA的遠(yuǎn)端鎖定螺釘與主釘之間的交界處應(yīng)力集中并不明顯的現(xiàn)象。這是由于主釘?shù)拈L軸承載了大多數(shù)的應(yīng)力，應(yīng)力主要是沿著長軸傳導(dǎo)，尾端螺釘?shù)牧剌^小。

分別取第一、二、三塊（由近端及遠(yuǎn)端）骨折塊靠近骨折線的節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，以標(biāo)記骨折在應(yīng)力加載后的位移度。PFP固定的模型，第一骨折塊位移2.38mm，第二骨折塊位移為2.25mm，第三骨折塊位移1.74mm。而加長型PFNA模型，第一骨折塊位移2.13mm，第二骨折塊位移為2.35mm，第三骨折塊位移1.80mm。第一骨折塊所取得標(biāo)記點(diǎn)在近端的股骨頭處，此處的位移反映的是股骨整體的彎曲位移程度，可見整體上PFNA模型形變較小，加長型PFNA固定模型的穩(wěn)定性較好。然而，第二塊和第三塊骨折塊的位移程度，加長型PFNA模型的較大，這可能是由于加長型PFNA缺少把持近端粉碎小骨塊的能力，使得在近端小骨塊的位移程度增大，因此在臨床實(shí)踐中，在使用髓內(nèi)固定時(shí)，往往會(huì)利用鋼絲等在股骨近端固定這些小的骨折塊，以彌補(bǔ)此項(xiàng)缺陷[20-21]。此外，主釘和投端鎖定連接處的高應(yīng)力，也會(huì)增加其斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，從本研究的角度來看，加長型PFNA比PFP在固定股骨轉(zhuǎn)子下骨折方面，更有優(yōu)勢，然而缺少把持近端粉碎小骨塊的能力，使得在近端小骨塊的位移程度增大，在實(shí)際應(yīng)用中可能需要額外的固定。endprint

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