有限元分析在股骨頸骨折內(nèi)固定研究中的應(yīng)用

尹博浩 靳穎哲 張偉

有限元法作為一種力學(xué)分析方法，最早由美籍著名數(shù)學(xué)家Courant提出，主要應(yīng)用于航天航空、汽車制造、土木建筑等眾多領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)生物力學(xué)分析方法，有限元分析具有載荷方式多樣、測試指標(biāo)多元、實驗結(jié)果直觀、研究成本低廉、試驗周期短及可進(jìn)行動態(tài)分析等特點，近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前有限元分析關(guān)于股骨頸骨折的研究主要集中于不同類型股骨頸骨折內(nèi)固定方式對比和各種內(nèi)固定方式應(yīng)力集中、位移等情況評價，以期優(yōu)化內(nèi)固定方案，有效減少骨折不愈合、內(nèi)固定失效和股骨頭壞死等發(fā)生率，實現(xiàn)“保留自身髖關(guān)節(jié)”這一根本目標(biāo)。

1 有限元分析方法

在股骨頸骨折研究中，有限元分析利用數(shù)學(xué)近似方法對髖關(guān)節(jié)骨組織及植入物進(jìn)行模擬，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分為許多簡單而又相互作用的單元。在施加載荷的情況下，對各個單元的相互作用進(jìn)行計算，并劃分為更多的單元和更貼近實際情況的材料賦值，從而用有限數(shù)量的未知量逼近無限未知量的真實系統(tǒng)，即模擬整個模型中力的分布及作用情況。

1.1 股骨頸骨折模型建立及參數(shù)賦予方法

建立一套仿真系數(shù)高且與實際情況相符合的股骨頸骨折模型是股骨頸骨折有限元分析研究可靠性的基礎(chǔ)，越接近人體股骨近端的模型得出的實驗結(jié)論越具有可靠性。雖然骨骼由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨構(gòu)成，但兩者間難以劃分明顯界限，且材料屬性差異巨大，股骨近端力學(xué)傳導(dǎo)復(fù)雜，故仍未有較權(quán)威的符合人體解剖特點的股骨頸骨折模型?，F(xiàn)階段為了提高分析效率，簡化模型，相關(guān)研究主要采用均一材料賦值、皮-松質(zhì)骨賦值和灰度賦值3種方法對人體股骨進(jìn)行材料屬性賦予與有限元模型建立。

均一材料賦值法是在獲取股骨外形輪廓后，將其視為均勻同屬性的均一材料體，并賦予相應(yīng)的材料屬性，是股骨有限元分析中較早出現(xiàn)的方法，目前仍廣泛使用于髖關(guān)節(jié)假體研發(fā)設(shè)計[1-2]和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)改良[3]的相關(guān)研究中，但其對股骨近端力學(xué)模擬欠精準(zhǔn)，目前越來越少地運用于股骨頸骨折內(nèi)固定研究。

考慮到骨組織主要分為密質(zhì)骨與松質(zhì)骨，有學(xué)者將股骨模型分為骨皮質(zhì)與骨松質(zhì)2種材料，并相對應(yīng)賦予完全不同的材料屬性，從而建立了皮-松質(zhì)骨賦值模型[4]，這也是目前研究使用較廣泛的建模方法[5]。該方法將模型區(qū)分為正交各向異性、橫觀各向同性的骨皮質(zhì)與各向同性的骨松質(zhì)2種材料，并相應(yīng)賦予完全不同的材料屬性，從而建立更加符合實際的股骨力學(xué)數(shù)據(jù)模型。Samsami等[6]采用皮-松質(zhì)骨賦值法有限元分析與尸體骨力學(xué)實驗比較多種內(nèi)固定方式對于股骨頸骨折的固定效果，結(jié)果顯示該兩種方法結(jié)果雖有差異，但趨勢相同，表明皮-松質(zhì)骨賦值法建立的股骨頸骨折模型具有一定的信度。Sitthiseripratip等[7]則在研究中根據(jù)部位不同，將骨松質(zhì)分為頭、頸和轉(zhuǎn)子間3部分并予以不同的材料屬性，進(jìn)一步優(yōu)化了皮-松質(zhì)骨賦值法股骨頸骨折模型。

Wirtz等[8]研究發(fā)現(xiàn)，骨的楊氏模量、抗壓強度、拉伸強度、扭轉(zhuǎn)強度、泊松比和剪切模量等多種材料特性均與骨密度高低相關(guān)，認(rèn)為對于不同灰度的部位應(yīng)予以對應(yīng)的參數(shù)賦予，此即灰度賦值法。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者根據(jù)小梁結(jié)構(gòu)和哈弗氏系統(tǒng)方向確定了松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的主要剛度方向，并將兩者進(jìn)行匹配，建立了一套更符合人體股骨力學(xué)的數(shù)字模型[9]。Completo等[10]研究顯示，灰度賦值法股骨頸骨折模型有限元分析與尸體骨體外力學(xué)實驗取得了近似的實驗數(shù)據(jù)和一致的實驗結(jié)論，這也從側(cè)面說明灰度賦值法建立的模型可能更能模擬股骨的力學(xué)情況。

這3種賦值法有各自特點。顏繼英[11]對不同賦值法建立的股骨模型進(jìn)行比較，結(jié)果顯示灰度賦值法股骨模型的生物力學(xué)分布主要集中在股骨頸，較于其他2種股骨模型更接近于人體股骨實際狀態(tài)下的承載。因此，在這3種賦值法中，灰度賦值法雖然較為繁瑣，但無論在理論依據(jù)，還實際運用中，其建立的模型最接近實際人體股骨力學(xué)分布情況。

1.2 不同內(nèi)固定方法及其參數(shù)賦予

雖然股骨頸骨折固定方式多種多樣，但國內(nèi)仍多采用空心螺釘內(nèi)固定治療。而在有限元分析股骨頸骨折內(nèi)固定研究中，卻涉及目前所有用于股骨頸骨折內(nèi)固定類型，包括動力髖螺釘(DHS)、股骨近端鎖定鋼板(PFLP)和股骨髓內(nèi)釘(PFN)等，這些模型的建立多參考臨床上已使用的產(chǎn)品，故具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/p>

目前臨床上采用的內(nèi)固定材料多為鈦合金，且大多數(shù)相關(guān)研究也設(shè)置為鈦合金參數(shù)[12]。Gok等[13]采用有限元分析法分析不銹鋼、鈦和鈷鉻3種不同材質(zhì)的空心螺釘在固定股骨頸骨折時的生物力學(xué)情況，比較斷裂線上、下接近處產(chǎn)生的應(yīng)力，認(rèn)為最佳材料為鈦。

1.3 不同力學(xué)施加方式

傳統(tǒng)力學(xué)實驗因儀器條件限制，外力施加往往受到諸多限制，而在計算機模型中進(jìn)行有限元分析則可有效避免這一局限，可以選取任何一點或平面添加任意方向的力，因此有限元分析外力加載模式較傳統(tǒng)力學(xué)實驗靈活多樣。由于行走、下蹲、單腿站立、前突和側(cè)突時股骨頸受力特征不盡相同，所以在股骨頸骨折研究中建立肌肉骨骼動力學(xué)模型，獲得髖關(guān)節(jié)肌群運動關(guān)節(jié)反應(yīng)和肌肉力量，不僅本身具有實際意義，而且可以為髖關(guān)節(jié)有限元分析提供重要依據(jù)[14]。

Noda等[15]認(rèn)為，研究Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折及術(shù)后并發(fā)癥應(yīng)在模擬步行的動態(tài)條件下進(jìn)行生物力學(xué)分析，而不是在靜態(tài)條件下進(jìn)行。然而，目前多數(shù)有關(guān)股骨頸骨折的有限元分析仍是仿照傳統(tǒng)力學(xué)研究，設(shè)置2～3倍于體重的力量，由上向下作用于股骨頭。實驗研究應(yīng)結(jié)合臨床實際，多數(shù)股骨頸骨折患者術(shù)后并不能馬上恢復(fù)負(fù)重，只能單純地進(jìn)行髖關(guān)節(jié)康復(fù)活動，所以有限元分析也不應(yīng)脫離此種實際。有限元分析不應(yīng)僅在靜態(tài)條件下進(jìn)行，但也沒必要完全模擬步行條件完全負(fù)重的力學(xué)條件，而是應(yīng)仿照康復(fù)活動中髖關(guān)節(jié)較大活動度、低負(fù)重的情況，從而對股骨頸骨折術(shù)后情況進(jìn)行更好地模擬。

2 不同內(nèi)固定方式力學(xué)差異

高齡人群股骨頸骨折治療往往采用髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，以避免內(nèi)固定失效、骨折畸形愈合、骨折不愈合等術(shù)后并發(fā)癥。以內(nèi)固定為主的保髖治療雖然可能發(fā)生術(shù)后并發(fā)癥，但可滿足較高的功能需求，同時避免人工髖關(guān)節(jié)存在使用壽命等問題，因此仍在青壯年人群中廣泛使用。而內(nèi)固定復(fù)位質(zhì)量和牢靠程度與術(shù)后恢復(fù)、并發(fā)癥發(fā)生等相關(guān)[16]，所以有限元分析各種內(nèi)固定方式的穩(wěn)固性具有極其重要的意義。

2.1 空心螺釘

目前空心螺釘廣泛用于青壯年股骨頸骨折的治療。Luttrell等[17]匯總了272位骨科創(chuàng)傷協(xié)會(OTA)專家的意見后發(fā)現(xiàn)，43%的專家傾向于選擇空心螺釘進(jìn)行股骨頸骨折固定，其優(yōu)勢在于手術(shù)技術(shù)要求低、置入方便、術(shù)中出血少和軟組織破壞小等。Peng等[18]基于20套患者CT數(shù)據(jù)模擬Pauwels Ⅰ型股骨頸骨折，對DHS、空心螺釘、DHS聯(lián)合空心螺釘、PFLP內(nèi)固定和半髖關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)行評估，各組間位移范圍無顯著性差異；空心螺釘組、PFLP組和半髖關(guān)節(jié)置換組應(yīng)力分布峰值無顯著性差異，但低于DHS聯(lián)合空心螺釘組、DHS組，因此推薦空心螺釘或PFLP作為治療Pauwels Ⅰ型股骨頸骨折的內(nèi)固定裝置。

Li等[19]評估三角形、倒三角形、前向三角形、后向三角形和垂直等5種不同排布空心加壓螺釘固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學(xué)效果，結(jié)果顯示倒三角形構(gòu)型具有力學(xué)優(yōu)勢，可減少切出指數(shù)，降低內(nèi)固定失敗發(fā)生率。Sensoz等[20]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，倒三角形構(gòu)型可有效降低應(yīng)力集中，減少醫(yī)源性股骨轉(zhuǎn)子下骨折發(fā)生風(fēng)險。Mei等[21]通過有限元分析進(jìn)一步探究Pauwels角分別為30°、50°、70°時螺釘不同排布的范式應(yīng)力分布和位移，結(jié)果顯示倒等邊三角形構(gòu)型是股骨頸骨折固定的最佳螺釘排布方式。Wang等[22]比較倒三角形構(gòu)型陽性支撐、解剖復(fù)位和陰性支撐的力學(xué)分布，認(rèn)為陽性支撐具有最好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

Lin等[23]在“F”型空心螺釘構(gòu)型和內(nèi)側(cè)支撐鋼板技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，通過有限元分析比較“F”構(gòu)型空心螺釘、倒三角形構(gòu)型空心螺釘、“F”構(gòu)型空心螺釘聯(lián)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板、倒三角形構(gòu)型空心螺釘聯(lián)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)“F”構(gòu)型空心螺釘能消除扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切應(yīng)力，同時保持?jǐn)嗔讯溯S向壓應(yīng)力，為骨折愈合創(chuàng)造良好的力學(xué)環(huán)境。

Zhang等[24]報道了一種治療垂直型股骨頸骨折的新型空心螺釘內(nèi)固定方式，即采用2枚全螺紋螺釘加1枚半螺紋螺釘，呈正“品”字型固定骨折，認(rèn)為下方的全螺紋螺釘可提供良好的支撐以抵抗骨折斷端的垂直剪切力。Li等[25]采用有限元分析比較全螺紋螺釘與半螺紋螺釘不同排布方式的固定效果和應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)各組螺釘?shù)腗ises應(yīng)力峰值均集中在骨折線附近的螺釘表面，但采用1枚上半螺紋螺釘和2枚下全螺紋螺釘組成的三角形構(gòu)型應(yīng)力值最低，效果最好。

2.2 DHS及髓內(nèi)釘

一項匯總分析OTA專家意見的研究表明，47%的專家傾向于采用單純或聯(lián)合防旋螺釘?shù)腄HS內(nèi)固定，并認(rèn)為DHS內(nèi)固定穩(wěn)定性較好[17]。Samsami等[26]采用有限元分析比較在靜載條件下DHS、PFLP、空心螺釘固定垂直型股骨頸骨折的效果，發(fā)現(xiàn)DHS組骨折端之間移動程度最低，其次是PFLP組，然后是空心螺釘組。張晟等[27]采用有限元分析法研究InterTan髓內(nèi)釘系統(tǒng)與3枚互相平行的空心螺釘固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的生物力學(xué)特點，認(rèn)為使用InterTan髓內(nèi)釘系統(tǒng)固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折時應(yīng)力分布均勻，固定穩(wěn)定性優(yōu)于3枚互相平行的空心螺釘。

Li等[28]設(shè)計了一種結(jié)合空心螺釘與DHS的鋼板固定系統(tǒng)(SCAP-FN)，將空心拉力螺釘和粗大的DHS集成在1塊鎖定鋼板上，以期獲得空心螺釘和DHS的優(yōu)點，該系統(tǒng)在抗剪切力和旋轉(zhuǎn)力方面表現(xiàn)出較好的性能；有限元分析顯示，相對于DHS和空心螺釘，SCAP-FN在股骨應(yīng)力分布、內(nèi)固定應(yīng)力峰值、旋轉(zhuǎn)角度等方面具有較好的力學(xué)特性。

2.3 PFLP

PFLP一般較少單獨用于治療股骨頸骨折治療，多用于累及股骨大轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重股骨近端損傷，或放置于內(nèi)側(cè)等部位，聯(lián)合外側(cè)空心螺釘共同治療股骨頸骨折。Mir等[29]提出，內(nèi)側(cè)Buttress鋼板技術(shù)可較好地抵抗骨折斷端的剪切力，并將其轉(zhuǎn)換為斷端面有效壓力，而Smith Petersen前側(cè)入路可很好地暴露骨折斷端，在直視下完成解剖復(fù)位，同時通過外側(cè)切口放置植入物并進(jìn)行加壓，從而有效地治療垂直型股骨頸骨折。Lin等[23]在此基礎(chǔ)上，采用有限元分析比較不同排布的空心螺釘聯(lián)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)支撐鋼板能有效抵抗Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的剪切力，聯(lián)合“F”構(gòu)型空心螺釘能消除扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切應(yīng)力，為骨折愈合創(chuàng)造良好的力學(xué)環(huán)境，因此對于Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折，建議采用“F”構(gòu)型空心螺釘聯(lián)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板進(jìn)行內(nèi)固定。

Li等[30]設(shè)計一種內(nèi)側(cè)解剖支板(MABP)，有限元分析顯示其不僅能提供較好的內(nèi)側(cè)支撐穩(wěn)定性，而且由于與股骨頸內(nèi)側(cè)解剖結(jié)構(gòu)完美吻合，其在應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值和Z軸位移方面的性能也優(yōu)于普通重建鎖定鋼板。

胡家朗等[31]報道了一種股骨頸動力加壓鎖定釘板系統(tǒng)(簡稱KHS釘板系統(tǒng))，通過股骨側(cè)方鋼板及鎖定尾帽系統(tǒng)將3枚空心拉力螺釘形成一整體，增加了整體穩(wěn)定性，相比于空心拉力螺釘，它可為Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折提供較為堅強的固定，生物力學(xué)性能較好，股骨再骨折及螺釘斷裂風(fēng)險較低。

3 結(jié)語

有限元分析因成本低廉、試驗周期短及可進(jìn)行動態(tài)分析等特點被廣泛用于髖關(guān)節(jié)假體優(yōu)化與設(shè)計[32]及股骨頸骨折發(fā)生風(fēng)險[33]和內(nèi)固定治療預(yù)后[34]評估等多方面?；叶荣x值法較繁瑣，但具有較好的理論基礎(chǔ)和實際效果，因此可能會逐步替代皮-松質(zhì)骨賦值法。采用有限元分析比較各種內(nèi)固定方式可為臨床治療方案選擇提供重要的理論依據(jù)。

計算機運算能力與計算方法的進(jìn)步對有限元分析有著根本性的影響。股骨近端力學(xué)傳導(dǎo)過程較為復(fù)雜，但已有基于微CT檢查和微有限元分析來評估骨小梁力學(xué)行為的研究[35]，相信未來會出現(xiàn)更接近人體股骨近端力學(xué)特性，甚至符合股骨局部組織學(xué)特性的建模方式。