股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定有限元分析的研究進(jìn)展

張迪峰，余 霄，龐清江

有限元分析是一種現(xiàn)代計算方法，目前廣泛應(yīng)用于水利建筑工程及機械制造等領(lǐng)域。作為一種力學(xué)分析方法，其在骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)方面亦有廣闊的應(yīng)用空間。與傳統(tǒng)應(yīng)力分析法相比，有限元分析能建立與真實幾何相似的數(shù)字模型，賦予材料特殊的屬性，直接對人體骨骼進(jìn)行重建模擬研究[1]，彌補了普通實驗成本高、周期長等不足。

在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域，股骨頸骨折的相關(guān)研究主要集中在對股骨近段、股骨頸以及髖臼處應(yīng)力的三維有限元分析方面，用以指導(dǎo)設(shè)計股骨內(nèi)置物、評價及改進(jìn)修復(fù)方式等[2-4]。空心釘固定是治療股骨頸骨折的主要術(shù)式，尤其適用于年輕患者。利用有限元法研究股骨頸骨折空心釘固定的生物力學(xué)特點，對合理制定手術(shù)規(guī)劃、準(zhǔn)確預(yù)估手術(shù)效果、減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義，現(xiàn)綜述如下。

1 有限元分析在空心釘內(nèi)固定術(shù)前規(guī)劃和評估中的應(yīng)用

三維虛擬重建技術(shù)是在有限元分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以模擬內(nèi)固定安裝后的關(guān)節(jié)活動以及可能出現(xiàn)的各種情況。杜長嶺等[5]對8例采用空心釘內(nèi)固定治療的股骨頸骨折患者應(yīng)用交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)模擬手術(shù)操作，依據(jù)測量參數(shù)定位導(dǎo)針，選擇合適型號螺釘，術(shù)后根據(jù)X線片觀察虛擬計劃與手術(shù)情況是否匹配，結(jié)果顯示，術(shù)中實際情況與虛擬手術(shù)設(shè)計基本相符，縮短了手術(shù)時間，減少了術(shù)中透視次數(shù)。

通過三維有限元分析還可獲得股骨頸應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律以及應(yīng)力分布基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)患者個體情況對空心釘內(nèi)固定手術(shù)效果及預(yù)后進(jìn)行術(shù)前評估，并進(jìn)一步得到手術(shù)優(yōu)化參數(shù)[6-8]，為常規(guī)手術(shù)以及機器人或計算機輔助導(dǎo)航手術(shù)提供依據(jù)，保障手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。

2 有限元法在空心釘內(nèi)固定效果影響因素分析中的應(yīng)用

影響股骨頸空心釘內(nèi)固定效果的因素主要包括患者健康狀態(tài)、體重、骨量、骨折類型、空心釘置入數(shù)量以及螺釘整體布局、角度、位置等[6,9-11]。

2.1 骨折類型

隨Pauwels角度增大，股骨頸骨折斷端所承受的剪切力逐漸增加，骨折不穩(wěn)定、內(nèi)固定失敗的風(fēng)險也隨之加大。相對于其他類型的股骨頸骨折，PauwelsⅠ型骨折斷端壓力較小，故使用空心釘固定時骨折線不應(yīng)與螺釘方向垂直，以防股骨頸發(fā)生短縮。夏志鋒等[12]對全螺紋空心螺釘、2枚拉力螺釘及股骨近端鎖定鋼板3種內(nèi)固定方式的生物力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)對于PauwellsⅠ型骨折，全螺紋空心螺釘?shù)膬?nèi)固定效果優(yōu)于其他兩種內(nèi)固定方式。

對于PauwellsⅢ型股骨頸骨折，張浩等[9]研究3枚與4枚螺釘置入股骨頸的生物力學(xué)穩(wěn)定性，有限元分析結(jié)果提示4枚螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性更強，但缺乏臨床實驗證據(jù)。InterTan釘板系統(tǒng)是使用2枚互相交鎖的螺釘置入股骨頭中，應(yīng)力分布均勻，固定穩(wěn)定性優(yōu)于3枚互相平行的空心釘[13]；該系統(tǒng)治療PauwelsⅢ型骨折術(shù)后骨不連發(fā)生率為8%，顯著低于傳統(tǒng)空心釘固定的19%[14]?？傊?，PauwelsⅢ型骨折線位移趨勢較Ⅰ型、Ⅱ型大，需首先考慮固定的穩(wěn)定性。如選擇空心釘，宜在傳統(tǒng)3枚螺釘上加用額外固定以增加穩(wěn)定性，分散應(yīng)力，降低術(shù)后內(nèi)固定松動、斷裂以及骨折不愈合的風(fēng)險。

2.2 置釘方式

有學(xué)者認(rèn)為，使用3枚“倒品字”形排列的空心釘治療股骨頸骨折預(yù)后最佳[14-15]。周力等[6]采用有限元方法對空心釘內(nèi)固定手術(shù)進(jìn)行力學(xué)綜合分析，將體重、骨折線角度、空心釘角度及空心釘位置等參數(shù)組合后獲得216種情況，分析結(jié)果顯示，3枚空心釘置入的最佳位置為倒三角形，空心釘基本為對稱面位置以及以接近垂直于骨折線的角度置入時，內(nèi)固定穩(wěn)定性較好。Mei等[16]的有限元分析結(jié)果亦表明，倒立等腰三角形固定是3枚拉力螺釘治療股骨頸骨折最佳的固定方式，螺釘位置、Pauwels角以及鉆孔次數(shù)均對固定強度有一定影響。

另有實驗采用有限元分析方法分別模擬3根與4根空心拉力螺釘固定股骨頸骨折的情況，結(jié)果表明4枚螺釘?shù)纳锪W(xué)效果顯著強于3枚螺釘，可更加有效地對抗增加的剪切力，提高力學(xué)穩(wěn)定性[9]。亦有學(xué)者比較4種不同數(shù)量及正三角形、倒三角形、矩形、菱形構(gòu)型的內(nèi)固定模型，應(yīng)力峰值分別為46.382、32.159、43.985和24.342 MPa，4枚菱形分布的空心拉力螺釘設(shè)計有效分散了應(yīng)力，應(yīng)力集中小于其他固定方式；同時還可有效避免股骨頭扭轉(zhuǎn)，具有更佳的生物力學(xué)優(yōu)勢[17]。

有學(xué)者提出一種新的F形空心釘固定方式，與傳統(tǒng)正三角形固定相比，能明顯減小內(nèi)固定對股骨矩斷端的應(yīng)力載荷，增強股骨頭載荷時的穩(wěn)定性，減小總位移量及骨折斷端的相對位移量，為骨折端穩(wěn)定提供良好的力學(xué)環(huán)境[18-19]。

2.3 術(shù)后前傾角

股骨頸骨折術(shù)后前傾角的改變對于股骨近端生物力學(xué)也有一定影響[20-21]。杜長嶺等[22]通過股骨近端三維重建及CAD軟件裝配，建立股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后不同前傾角的有限元模型，分析結(jié)果顯示，隨著前傾角的變化，股骨和空心釘內(nèi)固定上的應(yīng)力分布均有所改變。前傾角未改變時（10°），股骨近端所受應(yīng)力、產(chǎn)生位移和等效應(yīng)變最?。浑S著前傾角增大或減小，應(yīng)力、位移、最大冠狀面位移、等效應(yīng)變值均有所升高，3枚空心螺釘承受的應(yīng)力較周圍骨組織高，最下方螺釘承受的應(yīng)力較上方2枚螺釘明顯增高，提示股骨頸骨折閉合復(fù)位內(nèi)固定術(shù)中恢復(fù)前傾角、達(dá)到解剖復(fù)位的重要性。

3 有限元分析在預(yù)估術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險中的應(yīng)用

股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后的主要并發(fā)癥有股骨頭壞死、股骨頸短縮、骨折復(fù)發(fā)、骨折不愈合等[23]，一旦發(fā)生，往往需要進(jìn)一步手術(shù)干預(yù)，但效果不甚理想。通過有限元分析探究符合生物力學(xué)原理的固定方式，預(yù)估并發(fā)癥發(fā)生風(fēng)險，可以達(dá)到增強手術(shù)效果、改善患者預(yù)后的目的。

3.1 股骨頭壞死

臨床上取出內(nèi)固定1～2年內(nèi)出現(xiàn)股骨頭壞死的患者不在少數(shù)，有學(xué)者認(rèn)為取出內(nèi)固定之前患者股骨頭已處于壞死進(jìn)程中，只是外觀尚未改變，未出現(xiàn)塌陷及變形，其細(xì)微變化在普通X線片上難以察覺[24]。趙萬鵬等[25]通過三維重建技術(shù)對壞死股骨頭的MRI影像進(jìn)行重構(gòu)，獲得壞死股骨頭的三維幾何模型，分析表明，正常載荷（300 N）下股骨頭壞死組織≥40%就有發(fā)生塌陷的危險，小于40%則在較大載荷下才有發(fā)生塌陷的危險；Liu等[26]的三維有限元分析結(jié)果亦表明，大的壞死缺損往往形成高應(yīng)力集中區(qū)，塌陷危險較大，建議在內(nèi)固定置入之前對缺損大小進(jìn)行詳細(xì)評估。唐洪濤等[27]的有限元分析則表明，骨折愈合去除空心螺釘后行釘?shù)纼?nèi)植骨有利于提高股骨頭頸部的生物力學(xué)性能，可預(yù)防股骨頭壞死塌陷變形。

空心釘排列布局情況及螺釘遠(yuǎn)端位于股骨頭下的深度和螺釘數(shù)量也是股骨頸骨折骨性愈合患者取釘后股骨頭壞死的主要生物力學(xué)影響因素。吳偉等[28]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)3枚空心釘排列分布最集中且遠(yuǎn)端位于股骨頭下2 mm時，取釘后股骨頭前外側(cè)的應(yīng)力值最大；當(dāng)2枚空心釘排列分布最分散且遠(yuǎn)端位于股骨頭下10 mm時，取釘后股骨頭前外側(cè)的應(yīng)力值最小。國際內(nèi)固定協(xié)會亦推薦采用3枚平行于股骨頸方向的空心釘呈倒等邊三角形固定、空心釘遠(yuǎn)端位于股骨頭下5～10 mm的方式，取出空心釘后對股骨頭的生物力學(xué)影響最小。

3.2 股骨頸短縮

通過建立三維有限元模型，人們得以成功預(yù)測股骨頸骨折術(shù)后發(fā)生短縮的情況，分析各種內(nèi)固定方式、置釘方式等對于術(shù)后股骨頸短縮并發(fā)癥的影響。姜軒[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著股骨頸長度的縮短，股骨近端生物力學(xué)性能變化明顯，髖關(guān)節(jié)活動受到影響，不利于恢復(fù)患者遠(yuǎn)期功能和生活質(zhì)量；張晟等[13]的有限元分析結(jié)果證實InterTan釘板系統(tǒng)固定能有效防止股骨頸短縮的發(fā)生；任棟等[17]的有限元分析研究則表明，4枚菱形空心拉力螺釘?shù)膬?nèi)固定方式穩(wěn)定性更好，內(nèi)固定強度更高，應(yīng)力更加分散，能夠有效降低術(shù)后股骨頸短縮的發(fā)生風(fēng)險。

3.3 股骨頸再次骨折

股骨頸內(nèi)固定取出后遺留的骨洞空腔會造成骨骼結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降，股骨頭頸的再生修復(fù)血管化減緩；同時，由于失去內(nèi)固定物的支撐保護，再次骨折的風(fēng)險會明顯增加[29-30]。有學(xué)者分別重建模擬正三角形、倒三角形內(nèi)固定人體股骨近端的三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)由于應(yīng)力集中，正三角形置釘者骨折愈合取釘后股骨頸再次骨折的風(fēng)險明顯上升，提示術(shù)后康復(fù)時應(yīng)予以密切注意[31]。

3.4 骨折不愈合

股骨頸骨折術(shù)后愈合過程受到內(nèi)固定穩(wěn)定性的影響，不同的空心釘固定效果也有所不同。顧洪輝等[32]采用“榫”式頭頸成形術(shù)治療股骨頸骨折不愈合，生物力學(xué)結(jié)果顯示，該術(shù)式令骨折斷面增大，斷端嵌插，骨質(zhì)接觸緊密，相應(yīng)減輕了內(nèi)固定物的負(fù)載，也減少了應(yīng)力遮擋效應(yīng)，有利于骨折愈合。

4 空心釘改良設(shè)計的有限元分析

內(nèi)固定器械的作用是暫時性地為骨折愈合提供一個穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，愈合過程中負(fù)重將逐步轉(zhuǎn)移至愈合的骨上。呂厚辰等[33]在傳統(tǒng)3枚空心螺釘“品”字形固定的基礎(chǔ)上復(fù)合成骨刺激因子，設(shè)計側(cè)邊開口的改良空心螺釘，有限元分析結(jié)果表明改良螺釘斷裂載荷低于傳統(tǒng)組，力學(xué)強度足以承受人體體質(zhì)量，可代替常規(guī)空心螺釘。Shi等[34]在使用2釘固定的基礎(chǔ)上加入骨折髖支撐關(guān)節(jié)這一非限制型新型髖關(guān)節(jié)支撐器，有限元分析結(jié)果表明，髖支撐關(guān)節(jié)能保護新生血管通過骨折區(qū)進(jìn)入股骨頭，促使股骨頭轉(zhuǎn)化愈合。

總之，通過有限元分析，術(shù)者能夠?qū)晒穷i骨折空心釘內(nèi)固定術(shù)后應(yīng)力應(yīng)變分布等生物力學(xué)特點進(jìn)行觀察，明確多種內(nèi)固定的最佳置入角度，為內(nèi)固定的設(shè)計、改良提供參考，對臨床手術(shù)具有指導(dǎo)意義。然而，有限元法對力學(xué)動態(tài)變化的分析存在不足，導(dǎo)致模擬臨床實際情況的精準(zhǔn)度下降。此外，有關(guān)空心釘內(nèi)固定術(shù)后短縮和螺釘斷裂等并發(fā)癥的有限元分析目前仍較為缺乏，未來人們將更加關(guān)注術(shù)后短縮及股骨周圍軟組織等有限元模型的相關(guān)研究，以及對空心釘固定術(shù)后并發(fā)癥損傷機制的有限元分析。