“F”形空心釘內(nèi)固定技術(shù)治療股骨頸骨折的有限元分析

許景紅，湯志輝，毛成鵬，歐陽國新

(新疆建設(shè)兵團第一師醫(yī)院外一科，新疆 阿克蘇 843000)

股骨頸骨折是中老年人常見的髖部損傷，手術(shù)復位空心加壓螺釘內(nèi)固定是主要的治療手段，但術(shù)后骨折不愈合發(fā)生率仍在9.3%左右[1]，即使骨折愈合，后期仍可能出現(xiàn)股骨頸短縮。目前，臨床通常將空心釘按照“正三角”植入，但Weil等[2]通過回顧性研究發(fā)現(xiàn)該內(nèi)固定股骨頸短縮發(fā)生率為56%，為此，F(xiàn)ilipov[3]提出了一種新的空心釘固定方式，即“F”形技術(shù)，經(jīng)過對88例股骨頸骨折患者的隨訪，愈合率達98.86%。本研究通過有限元分析的方法對兩種內(nèi)固定的力學機理進行研究，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 有限元的模型建立

1.1.1 建立幾何模型 選取經(jīng)X線片檢查確定股骨近端及髖關(guān)節(jié)無外傷史、骨關(guān)節(jié)畸形或代謝性疾病健康志愿者1名，43歲，男性，身高174 cm，體重75 kg。采用128排螺旋CT對志愿者股骨中上段行CT薄層掃描，掃描層厚0.625 mm，CT圖像存儲為DICOM格式文件導入醫(yī)學三維重建軟件Mimics 16.0，根據(jù)組織的灰度值，通過區(qū)域分割，構(gòu)建得到股骨上段三維模型，將模型輸出為點云格式，導入Geomagic studio2012，對模型進行除噪點、平滑等處理，擬合出骨骼的NURBS曲面，再導入Cero3.0構(gòu)建骨骼的實體模型。

根據(jù)臨床上AO/ASIF空心加壓螺釘?shù)某叽绱_定螺紋部分直徑為7.3 mm，無螺紋部分直徑為4.8 mm。由于本研究的重點與螺紋關(guān)系不大，因此為簡化模型，忽略螺紋的細節(jié)，以直徑7.3mm的圓柱體代替螺紋部分。在Cero3.0中將螺釘與股骨頸組合建立對照組(空心釘按照正三角形排列)、實驗組(空心釘按照“F”形排列)并在組件模式下按照Pauwels角為70°標準建立股骨頸骨折模型。

1.1.2 建立有限元模型 將上述模型以STP格式導入Hypermesh 13.0劃分為四面體C3D4單元，所有結(jié)構(gòu)的材料屬性為各項同性線彈性材料，各結(jié)構(gòu)泊松比及彈性模量參數(shù)均來自既往經(jīng)典文獻[4]。設(shè)定螺釘螺紋部分和骨之間及釘尾與股骨之間為Tie連接，無螺紋部分與釘?shù)乐g接觸摩擦系數(shù)為0.15，骨折斷端之間摩擦系數(shù)為1.0。

1.1.3 邊界條件及載荷 股骨近端承受的載荷包括關(guān)節(jié)力、肌肉力以及動力沖擊載荷等，并且在不同狀態(tài)各個作用力的方向亦不一致，復雜的力學環(huán)境很難用有限元法模擬進行精確模擬。因此，本研究參考文獻[5]進行了合理的簡化，計算體重為75 kg的成人在單足站立和雙足站立兩種狀態(tài)，并將股骨遠端截面為邊界條件進行約束，將生成的三維模型導入Abaqus 6.14計算。

1.1.4 觀察指標及統(tǒng)計分析 本研究數(shù)據(jù)均采用SPSS16.0統(tǒng)計學軟件進行分析。在兩種不同內(nèi)固定模型中，選取股骨矩區(qū)10個代表節(jié)點的平均應(yīng)力值、股骨頭位移量、骨折斷面間距離進行配對t檢驗，P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。同時對空心釘應(yīng)力分布、股骨近端應(yīng)力分布進行描述性分析。

2 結(jié) 果

2.1 不同內(nèi)固定模型的應(yīng)力分布情況 對照組中，最上方空心釘釘尾上方、下方2枚空心釘釘尾的下方及骨折斷端股骨矩區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。提示在承受壓力載荷時，下方2枚空心釘，特別是后下方空心釘?shù)闹螐姸鹊木S持，需股骨矩部位骨質(zhì)作為骨性支點。實驗組中，螺釘?shù)膽?yīng)力主要集中在釘頭的螺絲螺桿結(jié)合處，并沿螺桿均勻分布到釘尾及周圍的骨質(zhì)，在骨折斷端骨質(zhì)特別是股骨矩部位應(yīng)力分散明顯，提示，通過"強斜"形植入的空心釘，能夠彌補股骨矩骨質(zhì)的不連續(xù)，將載荷順利傳導至外側(cè)骨皮質(zhì)(見圖1)。

2.2 不同內(nèi)固定模型中股骨頸骨折斷端股骨矩區(qū)的應(yīng)力、總位移量、最大裂隙距離的比較 與對照組相比，實驗組能夠明顯減小股骨矩斷端的應(yīng)力載荷(P<0.01)、股骨頭總位移量及骨折斷端的相對位移量(P<0.05，見表1)。

a 對照組中螺釘?shù)膽?yīng)力分布 b 對照組股骨近端應(yīng)力分布 c 實驗組螺釘應(yīng)力分布 d 實驗組股骨近端應(yīng)力分布

表1 不同內(nèi)固定模型中股骨頸骨折斷端股骨矩區(qū)的應(yīng)力、總位移量、最大裂隙距離比較

3 討 論

股骨頸骨折是一種比較常見的創(chuàng)傷，按照Pauwels角對骨折進行分型，有利于評價骨折的力學穩(wěn)定性，即Pauwels角<30°，為外展穩(wěn)定型；30°50°，為內(nèi)收極不穩(wěn)定型。隨著Pauwels角度的增大，股骨頸骨折斷端所承受的剪切力顯著增加，出現(xiàn)內(nèi)固定失敗的風險也越大。根據(jù)國際內(nèi)固定研究學會(AO/ASIF)提出的股骨頸骨折內(nèi)固定設(shè)計原則，應(yīng)在消除扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切應(yīng)力的同時保留軸向的壓應(yīng)力，以利于骨折的愈合，人們提出了動力髖、側(cè)方鋼板、空心釘?shù)裙潭ǚ绞剑饔袃?yōu)缺點。經(jīng)過長期的臨床實踐，目前公認采用3枚空心拉力螺釘呈正三角模式固定股骨頸骨折能夠滿足骨折愈合的力學穩(wěn)定性要求[6]。雖然Oden等[7]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，“正三角”形置入股骨頸，具有比較好的抗剪和抗扭效果。但該固定術(shù)后骨折愈合時間長，容易出現(xiàn)內(nèi)固定松動以及股骨頭壞死，高并發(fā)癥發(fā)生率不僅與復位質(zhì)量、骨折類型、術(shù)后是否過早下地等因素有關(guān)，還與空心釘?shù)目臻g形態(tài)有一定的相關(guān)性。

本研究通過逆向建模方法，建立了Pauwels角>70°內(nèi)收極不穩(wěn)定型股骨頸骨折的有限元模型，發(fā)現(xiàn)按照“正三角”形螺釘固定時，股骨頭后上方承受體重載荷會在最上方螺釘釘尾上方出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，而在下方2枚螺釘釘尾下方及股骨矩出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力。提示該種固定方式符合正常狀態(tài)下股骨近端的應(yīng)力傳導方式，即股骨頸外上方承受拉應(yīng)力，內(nèi)下方承受壓應(yīng)力。但在股骨頸骨折時，由于骨架結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，喪失了傳遞應(yīng)力的作用，復位后應(yīng)按照股骨近端懸臂梁結(jié)構(gòu)力學機理進行固定，但此時懸臂梁的關(guān)鍵是支柱的力學強度，即股骨矩的強度，“正三角”形置入的空心釘與壓力骨小梁之間無論在冠狀面還是在空間結(jié)構(gòu)上仍存在一定的角度，從而導致股骨矩部位產(chǎn)生壓應(yīng)力分力，并同時會在釘尾股骨皮質(zhì)周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

“F”形技術(shù)是由Filipov[3]提出，該技術(shù)使用空心釘雙平面、雙支撐點、大角度的“強斜”置釘方法，88例股骨頸骨折患者的愈合率達98.86%。夏希[8]等應(yīng)用“F”形技術(shù)治療130例股骨頸骨折，發(fā)現(xiàn)強斜低位內(nèi)固定組的短縮率(35.5%)明顯低于非強斜內(nèi)固定組(50.8%)。本研究通過動態(tài)觀察低位"強斜"形植入空心釘?shù)慕馄市螒B(tài)，恰好和股骨矩的方向相一致，該空心釘能夠?qū)Ⅲw重產(chǎn)生的壓應(yīng)力傳導至股骨外側(cè)皮質(zhì)，增強了股骨頸軸向抗壓能力，從而形成股骨近端懸臂梁結(jié)構(gòu)中心，為上方2枚空心釘?shù)膽业跆峁┲?，該懸吊空心釘減輕了股骨頸下方的壓力載荷，進而將股骨頸骨折端的載荷恰當?shù)姆植嫉娇招尼敿肮晒峭鈧?cè)骨皮質(zhì)上。本研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的“正三角”固定相比“F”形固定能夠明顯減小內(nèi)固定對股骨矩斷端的應(yīng)力載荷(P<0.01)，并增強股骨頭在承受載荷時的穩(wěn)定性，減小總位移量及骨折斷端的相對位移量(P<0.05)，為骨折端的穩(wěn)定提供了力學環(huán)境[9]。

通過上述研究，作者認為“F”形空心釘技術(shù)治療股骨頸骨折內(nèi)固定，不僅能夠在維持斷端軸向壓應(yīng)力的同時消除扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而且能夠通過強斜形植入的空心釘，在內(nèi)固定懸臂梁結(jié)構(gòu)中形成新的支柱核心，從而有效降低骨折端的剪切應(yīng)力，為骨折的愈合提供良好的力學環(huán)境。

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