接骨板固定股骨干骨折的有限元分析

阿孜古麗·克熱木，烏日開西·艾依提，滕 勇

（1.新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆軍區(qū)總醫(yī)院全軍骨科中心脊柱外科，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

接骨板固定是常見的一種骨折內(nèi)固定方式[1]。醫(yī)生通常根據(jù)臨床經(jīng)驗來選擇接骨板的類型，尺寸，螺釘?shù)念愋?、?shù)量及螺釘分布。當接骨板和螺釘?shù)倪x擇不合理時會導致接骨板和螺釘?shù)淖冃?、斷裂及松動等情況，如圖1所示。接骨板系統(tǒng)失效的問題不僅是醫(yī)學方面的問題，而且還涉及到力學，材料等多方面的問題。目前針對接骨板失效的問題研究的常用方法是實驗研究方法與數(shù)值模擬方法來解決。文獻[2]對五種接骨板在斜度45°骨折的穩(wěn)定性和愈合情況進行了實驗研究，表明安全性良好。文獻[3]通過壓縮實驗研究異體皮質骨板聯(lián)合可吸收螺釘加捆綁帶固定治療股骨干骨折的力學強度及機制。文獻[4]通過壓縮實驗比較橋接組合式內(nèi)固定與金屬鎖定接骨板釘系統(tǒng)修復股骨干骨折的生物力學特性。文獻[5]采用壓縮實驗研究斜置鎖定鋼板對股骨干骨折內(nèi)固定的生物力學影響。文獻[6]利用生物力學實驗機研究了三種股骨骨折固定治療方式對股骨遠端C1型骨折的生物力學特性。

文獻[7]通過硬度測試，SEM掃描和EDS微量分析等分析不銹鋼植入物內(nèi)失效的原因。文獻[8]利用數(shù)值模擬研究股骨干簡單骨折鎖定板內(nèi)固定時的接骨板及螺釘最大應力情況。文獻[9]對兩種螺釘孔形式的接骨板對肱骨近端骨折的生物力學影響進行了研究。文獻[10]通過有限元分析設計一種個性化三維矯形支具的設計及其生物力學研究。文獻[11]通過數(shù)值模擬方式對橫向長骨骨折鎖定鋼板治療的穩(wěn)定性進行了生物力學研究。

利用計算機輔助設計技術，逆向工程技術和有限元分析技術針對采用鎖定型接骨板固定股骨干骨折的生物力學特性進行了研究，分析了接骨板長度，螺釘數(shù)量以及螺釘分布對接骨板的變形和應力的影響規(guī)律。

圖1 接骨板固定的失效形式Fig.1 Failure Form of Plate Fixation

2 股骨干骨折模型的建立

2.1 股骨的逆向重建

利用逆向工程技術，將患者股骨的CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics中，通過三維重構得到了股骨三維CAD模型，如圖2所示。并將其以STL格式輸出。在Geomagic中對STL股骨模型進一步進行編輯，再去除多余的三角面片后，將模型以STEP格式導出。隨后在UG8.5中導入STEP模型并在股骨干中部做出一個斷口間距離3mm的骨折模型。

圖2 股骨的三維重建過程Fig.2 Three-Dimensional Reconstruction of Femur

2.2 接骨板的逆向重建

根據(jù)合作醫(yī)院提供的骨科鎖定接骨板目錄，在UG8.5中建立了兩種長度的鎖定型接骨板三維CAD模型。長接骨板：長度229mm，孔數(shù)12，厚度5.2mm，寬度17.5mm，短接骨板：長度193mm，孔數(shù)8，厚度5.2mm，寬度17.5mm。長接骨板的三維CAD模型，如圖3所示。

2.3 股骨和接骨板的裝配

在UG中導入STEP格式的股骨、鎖定型接骨板及螺釘?shù)娜SCAD模型，根據(jù)方案進行裝配，如表1、表2所示。裝配時接骨板的中間部分對應在骨折斷口處，上下對稱，斷口兩側螺釘數(shù)量相同。長接骨板上裝有所有螺釘?shù)姆桨?。股骨與接骨板之間安裝距離設為1mm，如圖3所示。

3 分析方案

3.1 螺釘?shù)姆植挤桨?/h3>

研究中采用的方案，如表1、表2所示。表1中螺釘編號（1～12）是長接骨板上由上到下的螺釘編號，表2中螺釘編號（1～8）是短接骨板上由上到下的螺釘編號。表中的實心圓點表示該位置有雙皮質長螺釘，空心圓點表示該位置有單皮質短螺釘，空白表示該位置沒有螺釘。

表1 長接骨板的螺釘分布方案Tab.1 Screw Distribution Scheme for Long Bone Plate

表2 短接骨板的螺釘分布方案Tab.2 Screw Distribution Scheme for Short Plate

3.2 定義材料特性

采用的鈦合金接骨板及螺釘?shù)膹椥阅Ａ繛?10GPa，泊松比為0.3，股骨（皮質骨）的彈性模量為17GPa，泊松比為0.3。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用混合網(wǎng)格劃分方法根據(jù)股骨-接骨板系統(tǒng)各部位的特點進行網(wǎng)格化分，對接骨板和螺釘劃分5mm的六面體網(wǎng)格，股骨采用自由劃分。

3.4 邊界條件與加載方式

對裝配好的兩種接骨板的各八組模型進行有限元分析，施加相同的約束及載荷。股骨遠端為全約束，在股骨頭上垂直施加大小為300N的面載荷，如圖3所示。

圖3 接骨板系統(tǒng)軸向壓縮加載示意圖Fig.3 Axial Compression Loading Diagram of Plate System

4 分析結果與討論

4.1 變形與應力的模擬結果

4.1.1 接骨板的變形

兩種接骨板的變形曲線，如圖4所示。

圖4 接骨板的縱向變形曲線和分布圖Fig.4 Longitudinal Deformation Curve and Distribution Map of the Plate

4.1.2 兩種接骨板的應力

兩種接骨板的應力分布，如圖5所示。

圖5 接骨板內(nèi)側的應力和應力分布圖Fig.5 Stress Distribution on the Plate

4.1.3 兩種接骨板螺釘?shù)膽?/p>

長接骨板方案1-1（長度為45mm雙皮質長螺釘）和方案1-8（長度為20mm單皮質短螺釘）螺釘?shù)膽?，可以看出不同方案中螺釘?shù)膽σ膊幌嗤鐖D6（a）所示。

圖6 長接骨板螺釘?shù)膽χ礔ig.6 Stress of Screws of Long Plate

4.2 模擬結果分析與討論

4.2.1 接骨板長度的影響

從圖4中可以看出，兩種長度的接骨板的變形曲線和應力分布規(guī)律相似，但長接骨板的變形量總體上比短接骨板小，如方案1-3和方案2-3（骨折斷口兩端各去掉兩個螺釘）的分析結果顯示，短接骨板的變形是長接骨板變形的1.56倍。長接骨板的應力分布比短接骨板的應力分布相對均勻，例如方案1-3和方案2-3（骨折段口兩端各去掉兩個螺釘）的分析結果顯示，短接骨板的最大應力是長接骨板的最大應力的1.28倍?？梢钥闯鲩L接骨板的安全性相對較高。

4.2.2 螺釘數(shù)量和分布的影響

從圖5中可以看出螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量對接骨板系統(tǒng)的影響顯著。從接骨板的變形曲線可以看出，當所有螺釘都有（方案1-1和方案2-1）時的變形和應力最小，骨折斷口兩端各取一個螺釘后（方案1-2和方案2-2）接骨板的變形和應力明顯增大，出現(xiàn)了明顯的應力峰值，分別為方案1-1和方案2-1的1.88倍和2.18倍，當骨折斷口兩端各取兩個螺釘后（方案1-3和方案2-3）接骨板的變形和應力進一步增大，出現(xiàn)了更高的應力峰值，分別為兩個接骨板方案1-1和方案2-1的3.77倍和4.81倍，說明距骨折斷口最近的各兩個螺釘對接骨板系統(tǒng)的變形和應力的影響很明顯高于其他方案。斷口上側的螺釘?shù)膽χ当认聜鹊膽χ荡螅跀嗔训娘L險較大。

從圖4和5的變形和應力圖可以看出，方案1-1和方案2-1的接骨板變形和應力的最大處于接骨板的中間部分。接骨板在骨折斷口上側部分的變形較大，而且最大值位于距斷口最近的螺釘孔處。此外，接骨板最遠端的螺釘?shù)膽σ裁黠@大于相鄰的螺釘，方案1-6、方案2-6，方案1-7、方案2-7中在接骨板上沒有安裝與骨折最遠螺釘相鄰的那顆螺釘，最遠端螺釘?shù)膽χ得黠@增高，分別為方案1-1和方案2-1的2.0倍和2.05倍。而其他方案的變形和應力差別不明顯。

4.2.3 螺釘類型的影響

從圖4（b）和圖4（d）變形分布圖可以看出全部螺釘雙皮質長螺釘（方案1-1，2-1）和全部螺釘單皮質短螺釘（方案1-8，2-8）方案的變形和應力特點相似，都是接骨板中部的變形大。長接骨板方案1-1全部長螺釘和方案1-8全部短螺釘?shù)膽χ?，如圖6所示。可以看出，短螺釘?shù)膽χ蹬c長螺釘?shù)膽χ档牟顒e為3.13%。說明對于鎖定型接骨板固定股骨干骨折的治療方案來說長螺釘和短螺釘?shù)牟顒e不明顯。

5 結論

本研究利用計算機輔助設計技術，逆向工程技術和有限元分析技術針對采用鎖定型接骨板固定股骨干骨折的生物力學特性進行了研究，對鎖定型接骨板固定股骨干骨折的螺釘數(shù)量與分布對內(nèi)固定系統(tǒng)的變形及應力的影響規(guī)律進行了研究。主要結論如下：

（1）接骨板的長度對內(nèi)固定系統(tǒng)的力學性能有顯著的影響。分析結果顯示長接骨板的變形量小于短接骨板的變形量，且應力分布比短接骨板更均勻，長接骨板的最大應力值小于短接骨板，表明長接骨板的安全性優(yōu)于短接骨板。接骨板在骨折斷口上端的變形較大，而且最大值位于距斷口最近的螺釘孔處。

（2）螺釘?shù)臄?shù)量與分布對內(nèi)固定系統(tǒng)的變形及應力分布有顯著的影響。尤其是骨折斷口兩側距端口最近的兩個螺釘應力值明顯大于其他螺釘，而且骨折斷口上側的螺釘?shù)膽χ得黠@高于下側的螺釘，疲勞斷裂的風險較大。

（3）分析結果表明對于鎖定型接骨板固定股骨干骨折的治療方案來說雙皮質長螺釘和單皮質短螺釘?shù)牟顒e不明顯。