PFNAⅡ與LCP DHS Blade治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的生物力學(xué)研究*

周天健，黃文俊，姜 未，鄒回春，胡新佳（深圳市人民醫(yī)院/暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院骨關(guān)節(jié)科，廣東518020）

髖部骨折是全世界面臨的重大公共健康問(wèn)題之一。據(jù)估計(jì)，2000年全世界大約有160萬(wàn)例髖部骨折。隨著人口預(yù)期壽命延長(zhǎng)，到2050年，預(yù)計(jì)髖部骨折的數(shù)量可達(dá)630萬(wàn)例[1]。股骨轉(zhuǎn)子間區(qū)連接股骨頭頸和股骨干，生理應(yīng)力集中而復(fù)雜，骨折后常出現(xiàn)顯著移位，這些解剖特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子間骨折患者不良結(jié)局發(fā)生率較高，通過(guò)外科手術(shù)復(fù)位并使用內(nèi)植入物固定轉(zhuǎn)子間骨折是骨科界普遍的共識(shí)[2]。用于轉(zhuǎn)子間骨折的內(nèi)植入物總體分為2類(lèi)，以滑動(dòng)髖螺釘為代表的髓外固定系統(tǒng)和以頭髓釘為代表的髓內(nèi)固定系統(tǒng)[3]。然而，術(shù)后手術(shù)側(cè)肢體是否能即刻完全負(fù)重行走仍然存在爭(zhēng)議。臨床實(shí)踐中，由于存在個(gè)體差異，加上人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、人體運(yùn)動(dòng)的多樣性、測(cè)量?jī)x器的局限性及倫理問(wèn)題，臨床很難直接測(cè)量人體行走運(yùn)動(dòng)的力學(xué)參數(shù)。因此，這個(gè)問(wèn)題需要通過(guò)生物力學(xué)研究來(lái)解答。本研究選擇了2種具有代表性的植入物：股骨近端抗旋髓內(nèi)釘（PFNA?Ⅱ）和帶螺旋刀片的鎖定加壓鋼板與動(dòng)力髖螺釘（LCP DHS Blade），分別建立手術(shù)固定穩(wěn)定型轉(zhuǎn)子間骨折（AO分型31?A1型）的三維幾何模型，在計(jì)算機(jī)仿真人體動(dòng)力學(xué)條件下進(jìn)行有限元分析，了解骨折與內(nèi)固定物復(fù)合體的生物力學(xué)分布情況，從而為臨床術(shù)后康復(fù)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

1.1.1 一般資料 選取2017年4月本院女性患者1例，年齡82歲，身高150 cm，體重50 kg，既往身體健康，無(wú)骨關(guān)節(jié)疾病及重大創(chuàng)傷史，因摔傷致左股骨轉(zhuǎn)子間骨折入院?；颊咧椴⒑炇鹬橥鈺?shū)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng) PFNAⅡ系統(tǒng)和LCP DHS Blade系統(tǒng)（包含4枚直徑4.5 mm鎖定頭螺釘）各1套（DePuy Synthes公司，美國(guó)）、16排螺旋電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）機(jī)（Simens公司，德國(guó)）、3.40 GHz CPU 及16 GB內(nèi)存計(jì)算機(jī)（Asus公司，中國(guó)），Geomagic Studio系統(tǒng)（Geomagic公司，美國(guó)）、Simpleware6.0系統(tǒng)（Simpleware公司，英國(guó)）、Anybody5.3系統(tǒng)（AnyBody Technology公司，丹麥）、Abaqus6.12系統(tǒng)（Dassault Systems公司，法國(guó)）。

1.2 方法

1.2.1 股骨和植入物幾何模型生成 使用CT掃描機(jī)對(duì)志愿者雙側(cè)股骨全長(zhǎng)進(jìn)行水平掃描，層距0.4 mm，掃描范圍為髖臼至脛骨平臺(tái)，最終得到521幅斷層掃描圖像，以Dicom格式保存；再使用CT掃描機(jī)分別對(duì)PFNAⅡ系統(tǒng)和LCP DHS Blade系統(tǒng)進(jìn)行水平掃描，條件同前，掃描圖像以Dicom格式保存；將CT掃描圖像導(dǎo)入Simpleware，分割圖像并對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化；在Geomagic Studio系統(tǒng)中進(jìn)行裝配，共形成2個(gè)股骨?植入物復(fù)合幾何模型。見(jiàn)圖1、2。

1.2.2 模型裝配 將股骨模型分為皮質(zhì)骨部分和松質(zhì)骨部分，按照轉(zhuǎn)子間骨折AO分型31?A1亞型分割股骨近端，并對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化，建立股骨?PFNAⅡ固定模型和股骨?LCP DHS Blade固定模型，并輸出為stl格式文件。見(jiàn)圖 3、4。

圖1 股骨-PFNAⅡ固定模型示意圖

圖2 股骨-LCP DHS Blade固定模型示意圖

圖3 AO 31?A1型骨折?PFNAII固定模型示意圖

圖4 AO 31?A1型骨折?LCP DHS Blade固定模型示意圖

1.2.3 網(wǎng)格劃分 將上述stl格式文件分別導(dǎo)入Simpleware的FE模塊中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并輸出inp格式的文件，完成后的三維網(wǎng)格模型如圖5所示，三維網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)如表1所示。

圖5 AO 31?A1型骨折?PFNAII固定三維網(wǎng)格模型

表1 三維網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)（n）

1.2.4 股骨?植入物復(fù)合幾何模型配準(zhǔn) 從Anybody系統(tǒng)中選擇與研究對(duì)象匹配的正常人體股骨模型，并與股骨?PFNAⅡ固定模型、股骨?LCP DHS Blade固定模型一同導(dǎo)入Geomagic Studio系統(tǒng)中，將2組模型進(jìn)行比對(duì)配準(zhǔn)，使得股骨?植入物復(fù)合幾何模型與Anybody正常人體股骨模型的位置一致。見(jiàn)圖6。

圖6 在Anybody軟件中用AO 31?A1型骨折?PFNAII固定模型替換正常股骨模型

1.2.5 步態(tài)仿真 將配準(zhǔn)好的股骨?PFNAⅡ固定模型、股骨?LCP DHS Blade固定模型分別導(dǎo)入Anybody系統(tǒng)中，進(jìn)行步態(tài)仿真分析，計(jì)算人體在正常步態(tài)情況下股骨周?chē)∪饬Φ拇笮?。仿真過(guò)程如下：將左腳跟著地到下一次左腳跟著地前定義為一個(gè)步態(tài)周期，將步態(tài)周期分成20個(gè)分幀動(dòng)作，從中選取5個(gè)典型姿態(tài)，代表了右下肢站立相初期、右下肢站立相中期、右下肢站立相末期、右下肢擺動(dòng)前期的分割點(diǎn)，依次為左足跟著地（第3幀）、左足趾離地（第6幀）、右全足底著地（第11幀）、左足跟著地（第15幀）、右足趾離地（第18幀）。見(jiàn)圖 7。

1.2.6 載荷和邊界條件 將在Anybody中得到的隨時(shí)間變化的肌肉力導(dǎo)入Abaqus中，約束股骨遠(yuǎn)端表面上的有節(jié)點(diǎn)，將其自由度全部固定。本次仿真總共對(duì)股骨施加了360個(gè)不同載荷，其中包括3個(gè)膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)力和357個(gè)肌肉力，這些載荷均通過(guò)AnyBody所輸出的邊界調(diào)節(jié)進(jìn)行施加。見(jiàn)圖8。

圖7 步態(tài)仿真過(guò)程中的5個(gè)典型姿態(tài)

圖8 載荷和邊界條件

1.2.7 設(shè)置接觸關(guān)系及材料屬性 （1）接觸關(guān)系：骨折斷面間設(shè)置面與面互相接觸，接觸面間的摩擦系數(shù)為0.2；在設(shè)置器械與股骨的接觸關(guān)系時(shí)，首先通過(guò)布爾運(yùn)算，用股骨模型減去器械模型，在股骨中形成放置器械的孔洞，然后在Abaqus中設(shè)置器械與股骨之間通過(guò)綁定進(jìn)行交互。（2）材料屬性設(shè)置：股骨由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨構(gòu)成，其中皮質(zhì)骨彈性模量為16800 MPa，泊松比0.3，松質(zhì)骨彈性模量為620 MPa，泊松比0.29；PFNAⅡ和LCP DHS Blade的彈性模量均設(shè)置為110000 MPa，泊松比為0.3。

1.2.8 有限元分析 采用Abaqus系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析。

2 結(jié) 果

采用PFNAⅡ固定的穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折復(fù)合模型在步態(tài)周期中5個(gè)典型姿態(tài)下的應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖9。使用LCP DHS Blade固定的穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折復(fù)合模型在步態(tài)周期中5個(gè)典型姿態(tài)下的應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖10。PFNAⅡ系統(tǒng)和LCP DHS Blade系統(tǒng)在步態(tài)周期中5個(gè)典型姿態(tài)下的Von Mises等效應(yīng)力峰值曲線(xiàn)，見(jiàn)圖11。PFNAⅡ系統(tǒng)和LCP DHS Blade系統(tǒng)在步態(tài)周期中右足跟著地（姿態(tài)4）時(shí)的應(yīng)力達(dá)到最大值，見(jiàn)圖12。

圖9 PFNA?II固定模型在典型步態(tài)下的應(yīng)力云圖

圖10 LCP DHS Blade固定模型在典型步態(tài)下的應(yīng)力云圖

圖11 PFNAⅡ和LCP DHS Blade在5個(gè)典型姿態(tài)中的Von Mises應(yīng)力曲線(xiàn)

圖12 PFNAⅡ和LCP DHS Blade在步態(tài)周期中姿態(tài)4時(shí)的應(yīng)力云圖

3 討 論

骨科生物力學(xué)是以骨骼肌肉系統(tǒng)為對(duì)象，利用生物力學(xué)的方法將工程原理，尤其是機(jī)械力學(xué)原理應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，解決骨科問(wèn)題，是生物力學(xué)領(lǐng)域中相當(dāng)重要的分支學(xué)科[4]。標(biāo)本試驗(yàn)是傳統(tǒng)的骨科生物力學(xué)研究方法，針對(duì)不同臨床問(wèn)題構(gòu)建不同的人體骨骼與關(guān)節(jié)標(biāo)本模型，通過(guò)材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)或其他加載設(shè)備，驅(qū)動(dòng)標(biāo)本模型模擬人體活動(dòng)，然后通過(guò)二維或三維影像、傳感器等手段對(duì)模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料強(qiáng)度、力傳導(dǎo)等指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和分析[5]。這些方法存在以下缺陷：（1）樣本量偏?。唬?）樣本之間骨質(zhì)量難以做到一致；（3）骨折不能精確模擬自然骨折類(lèi)型；（4）無(wú)法全面揭示樣本內(nèi)在應(yīng)力的變化。隨著計(jì)算機(jī)三維圖像重建和有限元分析方法的發(fā)展，有限元虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的不足。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，針對(duì)臨床研究對(duì)象建立骨科三維有限元模型進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，已成為骨科生物力學(xué)研究的重要手段[5]。骨科有限元分析的效果（即分析結(jié)果與真實(shí)的相似程度）很大程度上依賴(lài)于邊界條件的設(shè)置。在人體正常行走過(guò)程中，股骨近端的受力環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，許多生物力學(xué)研究的不足之處在于僅將股骨承受的主要外力簡(jiǎn)化為集中力，并沒(méi)有考慮肌肉對(duì)股骨的應(yīng)力[6?7]。

AnyBody是一款新穎的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程學(xué)和生物力學(xué)分析軟件系統(tǒng)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的編輯來(lái)模擬人體不同的動(dòng)作，如行走、奔跑、上下階梯、抬舉重物等。通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)原理，將完成動(dòng)作過(guò)程中所感興趣的肌肉力、關(guān)節(jié)力、位移等感興趣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并導(dǎo)出，在第三方軟件上使用。該系統(tǒng)包含目前最為完整的骨肌系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，能真實(shí)地模擬人體的生物力學(xué)環(huán)境，達(dá)到最大限度的仿真效果[8]。本研究采用AnyBody系統(tǒng)，在股骨三維有限元模型上加載了357個(gè)肌肉力和3個(gè)關(guān)節(jié)力，隨著身體姿態(tài)的不同，這些力的大小、方向都會(huì)改變，因此可以在有限元分析軟件上獲得不同步態(tài)情況下應(yīng)力結(jié)果，更接近人體行走時(shí)的真實(shí)情況。在材料屬性方面，本研究采用了骨科有限元研究的常規(guī)設(shè)置方法。董雙鵬等[9]認(rèn)為，在準(zhǔn)靜態(tài)載荷狀態(tài)下可以將皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨都看成為具有線(xiàn)彈性、各向同性的材質(zhì)。本研究建模時(shí)假設(shè)股骨由連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨構(gòu)成，其中皮質(zhì)骨彈性模量為16800 MPa，泊松比0.3，松質(zhì)骨彈性模量為620 MPa，泊松比 0.29；PFNAⅡ和 LCP DHS Blade 亦假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性Ti?6AI?4V材料，彈性模量均設(shè)置為 110000 MPa，泊松比為 0.3[10?11]。

從最終的應(yīng)力分析結(jié)果來(lái)看，在正常步態(tài)周期各個(gè)典型姿態(tài)載荷條件下，使用PFNAⅡ和LCP DHS Blade固定的穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間模型均沒(méi)有出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中的區(qū)域。這說(shuō)明對(duì)于穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折（AO分型 31?A1），不論采用 PFNAⅡ還是 LCP DHS Blade固定，在正常行走情況下，股骨都不容易出現(xiàn)骨折移位或內(nèi)固定穿出的情況。單獨(dú)觀察內(nèi)固定物的應(yīng)力分布情況，在一個(gè)步態(tài)周期中，2種植入物的應(yīng)力均呈現(xiàn)雙波峰分布，第一個(gè)波峰出現(xiàn)在右下肢支撐相中期，第二個(gè)波峰出現(xiàn)在右下肢支撐相末期，PFNAⅡ的最高峰值出現(xiàn)右下肢支撐相中期，為230.6Mpa，LCP DHS Blade的最高峰值出現(xiàn)在右下肢支撐相末期，為697.9 Mpa。而 Ti?6AI?4V 材料的屈服強(qiáng)度為 811～904 MPa[12]，二者應(yīng)力峰值都沒(méi)有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明內(nèi)固定失效的風(fēng)險(xiǎn)不大。以上結(jié)果說(shuō)明對(duì)于穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折（AO分型31?A1），不論采用PFNAⅡ還是LCP DHS Blade固定，術(shù)后手術(shù)側(cè)肢體都可以完全負(fù)重行走。

對(duì)比2種內(nèi)固定物?股骨復(fù)合模型的應(yīng)力分布情況：（1）在PFNAⅡ固定的股骨模型中，PFNAⅡ的最大應(yīng)力范圍分布在主釘?shù)目v軸，力量分布均勻，股骨部分最大應(yīng)力范圍分布于股骨內(nèi)、外側(cè)，分布均勻。（2）在LCP DHS Blade固定的股骨模型中，LCP DHS Blade固定最大應(yīng)力分布主要位于主釘?shù)念^螺旋刀片的螺桿部分和4孔鋼板遠(yuǎn)端第4枚螺釘?shù)幕锥?，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中股骨上的最大應(yīng)力分布也分布于內(nèi)、外側(cè)，但是分布不均勻，分布限于局部。2組在左足站立相初期至中期過(guò)程中，PFNAⅡ最大應(yīng)力變化不明顯，LCP DHS Blade最大應(yīng)力增加明顯，PFNAⅡ最大應(yīng)力均小于LCP DHS Blade；在對(duì)側(cè)承重期過(guò)程中，2組中器械和股骨的應(yīng)力均較整個(gè)站立相明顯降低，2組中股骨的應(yīng)力分布類(lèi)似，PFNAⅡ的最大應(yīng)力分布主要位于主釘?shù)目v軸，力量分布均勻，LCP DHS Blade的最大應(yīng)力分布主要位于螺旋刀片的螺桿部分和鎖定加壓接骨板遠(yuǎn)端第4枚螺釘?shù)穆輻U基底段，其中LCP DHS Blade的最大應(yīng)力明顯大于PFNAⅡ的最大應(yīng)力。這是因?yàn)镻FNAⅡ的主釘位于股骨干髓腔內(nèi)，與偏心固定的LCP DHS Blade比較，PFNA的防旋刀片力臂短，所產(chǎn)生的力矩也較小，從應(yīng)力分布云圖上可以看出，防旋刀片上所承受的應(yīng)力可以迅速被傳遞并分解至髓內(nèi)釘和股骨干皮質(zhì)，以及通過(guò)髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端的橫鎖螺釘傳遞至股骨干上。同時(shí)，主釘受股骨干的牽拉和擠壓影響很小，從而減少了由于主釘彎曲所引起的應(yīng)力和應(yīng)變。LCP DHS Blade為髓外固定，力臂較長(zhǎng)，因而應(yīng)力集中在螺旋刀片纖細(xì)的桿部和LCP最遠(yuǎn)端螺釘基底部，由于LCP DHS Blade的張力帶作用，使螺釘基底部受到較大的剪切應(yīng)力及向外側(cè)的拉應(yīng)力，可能出現(xiàn)內(nèi)固定失效。

綜上所述，相對(duì)于LCP DHS Blade，采用PFNAⅡ固定穩(wěn)定型的股骨轉(zhuǎn)子間骨折（AO 31?A1）仍具有一定的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)。股骨轉(zhuǎn)子間骨折后，如何重建股骨近端的力學(xué)穩(wěn)定性是治療的核心問(wèn)題。KAUFER等[13]提出，股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定術(shù)后穩(wěn)定性取決于以下5個(gè)因素：骨質(zhì)量、骨折類(lèi)型、復(fù)位程度、植入物類(lèi)型、植入物在骨中位置。本研究假定在相同骨質(zhì)量、穩(wěn)定型骨折類(lèi)型、復(fù)位良好、植入物位置良好的情況下，將不同類(lèi)型的植入物作為主要觀察指標(biāo)，在新型計(jì)算機(jī)軟件輔助下進(jìn)行仿真有限元分析，為術(shù)后早期康復(fù)提供了較為確切的生物力學(xué)依據(jù)。下一步將對(duì)影響轉(zhuǎn)子間骨折穩(wěn)定型的其他因素進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。