三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)對(duì)股骨頸骨折生物力學(xué)特性的有限元分析

劉俊俊，付建國，柳威，朱劍

1.蚌埠醫(yī)學(xué)院研究生院，安徽蚌埠233030；2.蚌埠醫(yī)學(xué)院附屬泰興市人民醫(yī)院，江蘇泰興225400

前言

股骨頸骨折約占髖部骨折的50%～60%，占全身骨折的3.58%，其治療方式包括內(nèi)固定、半髖或全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)等，對(duì)于未見股骨頭缺血證據(jù)的患者而言，內(nèi)固定是臨床治療股骨頸骨折的首選方式［1］。股骨頸骨折的治療關(guān)鍵在于良好的骨折解剖復(fù)位與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，故動(dòng)力髖螺釘、空心加壓螺釘?shù)葍?nèi)固定材料備受關(guān)注。前者具有動(dòng)力和靜力雙重加壓功能，是股骨頸基底型骨折的首選內(nèi)固定裝置，而對(duì)于股骨頸頭下型、經(jīng)頸型骨折而言，3枚空心加壓螺釘應(yīng)用最為廣泛，且具有良好的抗扭轉(zhuǎn)能力、維持骨量、避免股骨頭血運(yùn)損傷等多種優(yōu)勢(shì)［2］。既往臨床應(yīng)用空心釘?shù)呐帕袛[放多以正三角為主，但存在可能導(dǎo)致股骨外側(cè)抗張應(yīng)力強(qiáng)度下降、破壞旋股內(nèi)側(cè)動(dòng)脈血運(yùn)的弊端，故有學(xué)者提出采用倒三角排列的觀點(diǎn)。關(guān)于正三角、倒三角兩種固定方式的固定效果，目前臨床尚存在爭議［3‐4］。本研究運(yùn)用有限元分析，就兩種固定方式的生物力學(xué)特性進(jìn)行比較，旨在為臨床治療股骨頸骨折時(shí)空心螺釘?shù)呐帕袛[放方法選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究材料

選取1名健康男性志愿者，選取標(biāo)準(zhǔn)：（1）既往體健，無內(nèi)科疾??；（2）影像學(xué)檢查示髖部骨質(zhì)良好，骨骼形態(tài)正常；（3）對(duì)研究知情同意，配合度良好。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）既往有雙上肢骨折史；（2）合并惡性腫瘤；（3）合并骨質(zhì)疏松等骨骼異常。該男性志愿者年齡56 歲，身高177 cm，體質(zhì)量75 kg。本研究已征得本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，批件號(hào)：UH200817。

1.2 模型建立方法

1.2.1 股骨模型獲取使用西門子64排螺旋CT，對(duì)志愿者股骨上部至脛骨中上段進(jìn)行掃描，獲取二維橫斷面圖像，使用醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（DICOM）格式進(jìn)行CT圖像存儲(chǔ)，三維重建使用Mimics 21.0軟件。選擇合適的灰度值對(duì)組織與骨骼進(jìn)行區(qū)分，運(yùn)用蒙版編輯、區(qū)域增長等功能，建立股骨三維模型，以STL格式對(duì)模型文件進(jìn)行輸出。使用Geomagic Wrap 2017軟件對(duì)圖像進(jìn)行去除特征、降噪、網(wǎng)格劃分、擬合曲面等處理，完成原始模型優(yōu)化后，將所得股骨松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨三維模型以STEP格式進(jìn)行保存。使用Solidworks 2017軟件處理STEP文件，借助布爾運(yùn)算，組配皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，重建符合人體結(jié)構(gòu)的股骨模型。

1.2.2 股骨頸骨折模型建立使用Solidworks 2017 軟件處理股骨模型，于股骨頭中心建立橫斷面，創(chuàng)造切割平面，確保切割平面位于股骨頸中心附近，并與橫斷面呈30°角，完成股骨頸穩(wěn)定性骨折（Pauwell 30°）制作，見圖1。

圖1 Pauwell 30°股骨頸骨折模型Fig.1 Pauwell 30°femoral neck fracture model

1.2.3 內(nèi)固定模型建立使用Solidworks 2017 軟件建立兩種內(nèi)固定模型，空心螺釘直徑7.3 mm，螺紋長度16 mm，兩種內(nèi)固定模型中，分別將3 枚空心螺釘以正三角、倒三角的形式置入（圖2）。將完整模型導(dǎo)入Abaqus 2017 軟件，依次執(zhí)行材料屬性賦予、邊界條件約束、載荷分配及網(wǎng)格劃分操作；各裝配體均采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料參數(shù)見表1。

圖2 內(nèi)固定裝置模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of internal fixation models

表1 有限元模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of finite element model

1.3 模型分析方法

模擬人體站立狀態(tài)，將約3 倍體重即2 250 N 載荷力置入股骨頭中心，確保載荷力矢量在冠狀面上與股骨干軸、矢狀面角度分別為13°、8°，內(nèi)固定裝置與股骨間關(guān)系選擇綁定接觸，骨折表面摩擦系數(shù)設(shè)定為0.46［5‐6］。分析兩組模型內(nèi)股骨和內(nèi)固定物的應(yīng)力分布、最大等效應(yīng)力及最大位移。

2 結(jié)果

2.1 股骨和內(nèi)固定物的最大等效應(yīng)力

兩種內(nèi)固定模型股骨頭應(yīng)力均集中于骨折線內(nèi)下側(cè)，接近股骨距位置；內(nèi)固定裝置的應(yīng)力峰值均集中于骨折線附近螺釘表面。正三角內(nèi)固定、倒三角內(nèi)固定模型的股骨頭最大等效應(yīng)力接近，倒三角內(nèi)固定模型的內(nèi)固定物最大等效應(yīng)力低于正三角內(nèi)固定，見表2、圖3和圖4。

表2 兩種三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)的股骨和內(nèi)固定物最大等效應(yīng)力（MPa）Tab.2 Maximum equivalent stress of the femur and internal fixator in two kinds of triangular stabilization and fixation systems(MPa)

2.2 股骨和內(nèi)固定物的最大位移

兩種內(nèi)固定模型股骨頭位移集中于股骨頭頂端；內(nèi)固定裝置的位移集中于內(nèi)固定物上側(cè)頂端。正三角內(nèi)固定、倒三角內(nèi)固定模型的股骨近端、內(nèi)固定物最大位移接近，見表3、圖5和圖6。

圖5 兩種內(nèi)固定裝置模型的股骨位移云圖Fig.5 Nephogram of femoral displacement in two kinds of internal fixation models

圖6 兩種內(nèi)固定裝置模型的內(nèi)固定物位移云圖Fig.6 Nephogram of internal fixator displacement in two kinds of internal fixation models

表3 兩種三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)的股骨和內(nèi)固定物最大位移（mm）Tab.3 Maximum displacement of the femur and internal fixator in two kinds of triangular stabilization and fixation systems(mm)

3 討論

目前臨床治療股骨頸骨折的常用術(shù)式為三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)內(nèi)固定，螺釘常選擇正三角模式，一方面可對(duì)骨折斷端起到加壓作用，另一方面，三角穩(wěn)定原理使得內(nèi)固定具有較高的強(qiáng)度和抗扭轉(zhuǎn)能力，在維持骨量、避免切開復(fù)位所致股骨頭血運(yùn)再次損傷方面亦有著積極意義［7‐9］。然而，正三角排列會(huì)造成小轉(zhuǎn)子下緣附近外側(cè)皮質(zhì)出現(xiàn)螺釘孔，且術(shù)中反復(fù)調(diào)整置釘可能導(dǎo)致導(dǎo)針孔數(shù)量進(jìn)一步增加，均使得股骨外側(cè)抗張應(yīng)力強(qiáng)度下降，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子下骨折、動(dòng)脈血運(yùn)受限［10］。

為解決正三角排列的弊端，有學(xué)者提出倒三角排列思路，旨在提供更加充分的軸向加壓作用，并進(jìn)一步提高螺釘應(yīng)力分布的均勻性，在避免應(yīng)力集中的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)加壓，確保良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性［11］。本研究運(yùn)用已在骨與關(guān)節(jié)力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力分析中的有效方法——有限元分析，對(duì)兩種股骨頸骨折三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特性進(jìn)行探討，結(jié)果顯示與正三角內(nèi)固定相比，倒三角內(nèi)固定模型的股骨頭最大等效應(yīng)力相仿，而內(nèi)固定物的最大等效應(yīng)力顯著下降。倒三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)能夠有效避免應(yīng)力集中，其優(yōu)勢(shì)主要在于：倒三角構(gòu)型的內(nèi)固定物，其應(yīng)力峰值多集中于骨折線區(qū)域，且較正三角構(gòu)型有著更好的應(yīng)力分散、抗剪切力作用［12‐13］。有研究指出接受倒三角構(gòu)型內(nèi)固定的股骨頸骨折患者，再次發(fā)生骨折時(shí)所受平均負(fù)荷是正三角構(gòu)型內(nèi)固定患者的1.45 倍［14］，說明倒三角構(gòu)型有著更強(qiáng)的抗張應(yīng)力和壓應(yīng)力，對(duì)預(yù)防再次骨折有著積極意義。

在最大位移比較中，兩種三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)并未見較大差異，說明兩種固定模式對(duì)骨折端壓縮趨勢(shì)的影響具有一致性［15‐16］，同時(shí)，兩種模式的滑動(dòng)加壓作用相仿，故理論而言，無論是接受正三角還是倒三角固定的患者，其術(shù)后股骨頸短縮、股骨頭缺血性壞死發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)［17］。需要注意的是，從位移云圖來看，兩種固定模式的股骨近端、內(nèi)固定物均存在一定程度的位移，若股骨頸軸向應(yīng)力過大，可能導(dǎo)致螺釘穿入髖臼內(nèi)，引發(fā)不良后果［18］。因此，對(duì)于合并骨質(zhì)疏松的股骨頸患者而言，應(yīng)慎用三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)。基于本研究結(jié)果，在今后的研究中可嘗試在三角穩(wěn)定固定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上聯(lián)合鋼板，以對(duì)抗骨折斷端因負(fù)重而產(chǎn)生的剪切力，結(jié)合空心螺釘?shù)目剐D(zhuǎn)作用，有望實(shí)現(xiàn)更理想的固定強(qiáng)度，為骨折愈合提供穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境。