宋丹丹 蔡震海 陳剛 尹海波 何曉君
股骨頸骨折是常見的髖部骨折之一,而Pauwels分型對(duì)骨折愈合的生物力學(xué)評(píng)價(jià)具有重要意義[1]。此類骨折術(shù)后骨不愈合及骨壞死發(fā)生率分別達(dá)到16%~59%及11%~86%[2]。內(nèi)固定治療是股骨頸骨折的治療方式之一。傳統(tǒng)內(nèi)固定方式有多枚空心螺釘、動(dòng)力髖螺釘(DHS)以及股骨近端鎖定鋼板等。其中,多枚空心釘固定存在固定不牢靠缺乏角穩(wěn)定特性、抗剪切力差的缺點(diǎn)[3];動(dòng)力髖螺釘雖然為角穩(wěn)定裝置但抗旋轉(zhuǎn)力差,且其植入股骨頸內(nèi)的螺釘直徑過大對(duì)股骨頭血運(yùn)破壞嚴(yán)重,易發(fā)生股骨頭缺血壞死[4];而鎖定鋼板目前臨床應(yīng)用結(jié)果也不理想,應(yīng)力較集中,發(fā)生骨不愈合及股骨頭切割的現(xiàn)象較多等[5-6]。本研究通過結(jié)合原內(nèi)固定物的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)固定裝置,并通過三維有限元分析該新型內(nèi)固定裝置固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學(xué)模型與原有內(nèi)固定方法(三枚空心釘、DHS、股骨近端鎖定鋼板)進(jìn)行比較,評(píng)估新型內(nèi)固定器固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學(xué)穩(wěn)定性。
1.1 材料 (1)內(nèi)固定物:空心螺釘、角度器、鎖定板、滑動(dòng)加壓釘、拉力螺釘。4種內(nèi)固定方式:三枚空心螺釘、DHS、股骨近端鎖定板、髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘。(2)器材:硬件:GE螺旋CT、個(gè)人PC(聯(lián)想)。軟件:Mimics 21(Materialise公司),Geomagic studio X 2016(Geomagic公司),Solidworks 2018(SolidWorks公司),Ansys workbench 18.2(ANSYS公司)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法 (1)三維模型重建及有限元模型建立:對(duì)志愿者股骨進(jìn)行CT掃描,將CT掃描得到的DICOM源文件導(dǎo)入Mimics軟件中重建股骨上段的三維模型,導(dǎo)出STL文件。將STL文件導(dǎo)入Geomagic軟件進(jìn)行優(yōu)化及光滑操作,導(dǎo)出STP文件并導(dǎo)入Solidworks軟件,在Solidworks軟件中以股骨頸處與水平面成75°模擬Pauwels Ⅲ型骨折進(jìn)行截骨處理。在Solidworks軟件中根據(jù)相關(guān)參數(shù)(廠家提供)重建4種內(nèi)固定裝置的三維模型,并按照各自手術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn),裝配4種內(nèi)固定模型(見圖1),各內(nèi)固定植入物主要尺寸見表1。將模型導(dǎo)入Ansys workbench軟件進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格劃分的原則是在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上,最大限度的降低網(wǎng)格數(shù)量,從而降低計(jì)算時(shí)間。本次模擬中,使用的單元共包括以下4種:三維10節(jié)點(diǎn)二次四面體單元(Solid187)、三維20節(jié)點(diǎn)二次六面體單元(Solid186)、接觸單元(目標(biāo)面,Targe170)、接觸單元(接觸面,Contact174)(見圖2)。(2)材料賦值、邊界設(shè)定及添加載荷:賦予各個(gè)部件材料屬性(所有內(nèi)固定結(jié)構(gòu)均采用TC4材料),見表2。設(shè)定股骨底部為固定端,無任何方向的位移和旋轉(zhuǎn)。內(nèi)固定與股骨之間為綁定接觸,股骨頸骨折斷面間為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)定為0.23[7]。然后在股骨頭上表面施加580N載荷,方向豎直向下[8](見圖3)。(3)評(píng)價(jià)方法:經(jīng)過有限元分析,將4中內(nèi)固定方式模型中,股骨位移、最大應(yīng)力值及應(yīng)力分布匯總分析。
圖1 4種內(nèi)固定方式模型:股骨近端鎖定板(A)、DHS(B)、三枚空心螺釘(C)、髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘(D)
表1 各內(nèi)固定植入物的主要尺寸
表2 有限元計(jì)算中各種材料的屬性
圖2 網(wǎng)格(單元)劃分
圖3 載荷和固定邊界條件
在相同載荷下,在pauwelss Ⅲ型骨折中,在相同的載荷580N下,股骨位移峰值:髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘<股骨端鎖定鋼板 表3 不同內(nèi)固定方式下股骨應(yīng)力峰值和位移峰值 Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折多發(fā)生于中老年患者,占所有髖部骨折的3%左右,多因高能量損傷導(dǎo)致[9]。此類患者骨折端具有較大的剪切力和張力,且此剪切力和張力對(duì)骨折產(chǎn)生極為不利影響,術(shù)后骨不連,骨壞死及內(nèi)固定失敗等發(fā)生率較高。據(jù)最近一項(xiàng)Meta分析指出:該類患者再手術(shù)率近18%,骨不連率9%,缺血性壞死率達(dá)14%,內(nèi)固定失敗率約10%[10]。而既往研究多圍繞解剖復(fù)位,減少創(chuàng)傷,堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定等方面展開,忽視骨折本身生物力學(xué)特性,進(jìn)而導(dǎo)致較高的并發(fā)癥及內(nèi)固定失敗發(fā)生。因此,相關(guān)學(xué)者[11]及AO協(xié)會(huì)[12]指出此類骨折內(nèi)固定應(yīng)盡量滿足以下條件:①抵抗骨折端的剪切力及彎應(yīng)力;②增加軸向加壓力;③盡可能減少對(duì)股骨頭等組織的創(chuàng)傷。 關(guān)于股骨頸骨折的最優(yōu)內(nèi)固定,目前尚無定論。臨床上較常見的傳統(tǒng)內(nèi)固定方式有:多枚空心螺釘、DHS(動(dòng)力髖螺釘)以及股骨近端鎖定鋼板等,且各具優(yōu)缺點(diǎn)。其中,三枚空心螺釘“倒三角”置入是目前臨床上應(yīng)用較為廣泛的一種固定方式。該固定方式具有一定的抗剪切力及抗旋轉(zhuǎn)力,并提供軸向加壓[13]。但臨床研究顯示,因?yàn)榭招尼斨冕敺较虿⒉煌耆c此型骨折線垂直,骨折端的軸向加壓力僅為壓縮力的分力,另一分力則加大骨折端的剪切力,導(dǎo)致把持力不夠,后期易出現(xiàn)骨折移位、退釘、髖內(nèi)翻等穩(wěn)定性差的表現(xiàn)發(fā)生。本研究得出類似結(jié)果:相同載荷條件下,與其他三類內(nèi)固定方式相比,雖然骨折端產(chǎn)生較大應(yīng)力,但部分轉(zhuǎn)化為剪切力,導(dǎo)致股骨位移最大,且峰值均位于股骨頭處,顯示空心螺釘置入的穩(wěn)定性較另外三種內(nèi)固定器差。DHS雖具有較好的生物力學(xué)穩(wěn)定性,其股骨位移較空心螺釘顯著減小,但臨床應(yīng)用上因其對(duì)股骨頭血供破壞較大,同時(shí)單枚拉力螺釘抗旋轉(zhuǎn)能力較差,術(shù)后骨壞死的發(fā)生率較其他內(nèi)固定方式高,臨床隨訪結(jié)果也證明如此[4]。股骨近端鎖定鋼板近年來已逐漸開展使用,具有較強(qiáng)的加壓、抗旋轉(zhuǎn)作用,且位移較小,穩(wěn)定性也較空心螺釘及DHS兩種內(nèi)固定物強(qiáng)。但有限元分析顯示該方式固定應(yīng)力較集中,在臨床使用時(shí)易導(dǎo)致骨小梁微骨折、股骨頭塌陷,增加股骨頭壞死幾率,同時(shí)易發(fā)生鋼板斷裂等不良后果。相比以上三種內(nèi)固定器,髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘顯示出生物力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)。髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘在四種內(nèi)固定器中位移最小,穩(wěn)定性最好,且具有較強(qiáng)應(yīng)力,對(duì)骨折端產(chǎn)生較強(qiáng)的軸向應(yīng)力,持續(xù)加壓,利于骨折的愈合;同時(shí)應(yīng)力相對(duì)分散,理論上降低骨壞死發(fā)生率。但尚需臨床的應(yīng)用及隨訪結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。 近年來,關(guān)于Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折內(nèi)固定方式研究主要圍繞生物力學(xué)展開。相關(guān)研究已經(jīng)顯示;DHS 在骨折端的持續(xù)加壓作用方面較有優(yōu)勢(shì)[14]。但其應(yīng)力分布相對(duì)集中且抗旋作用不足。FREITAS[15]及SAMSAMI等[16]提出以動(dòng)力髖螺釘聯(lián)合空心釘固定治療股骨頸骨折,可起到防旋作用,且得到比較好的臨床隨訪結(jié)果。也有報(bào)道指出,髓內(nèi)釘固定遠(yuǎn)期較動(dòng)力髖螺釘固定更優(yōu)良,且顯著增強(qiáng)髖關(guān)節(jié)軸向負(fù)荷,具有較好的力學(xué)穩(wěn)定性,適用于中青年不穩(wěn)定型股骨頸骨折患者[17]。本資料結(jié)果表明,髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘具有理論上的軸向加壓、防旋穩(wěn)定性及對(duì)血供破壞較少的優(yōu)點(diǎn)。 綜上所述,Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折是一種對(duì)內(nèi)固定生物力學(xué)要求較高的骨折類型,三枚空心螺釘在防旋作用上具有優(yōu)勢(shì),但穩(wěn)定性較差;DHS和股骨近端鎖定鋼板穩(wěn)定性較好,但應(yīng)力相對(duì)集中;髓內(nèi)動(dòng)力髖螺釘在生物力學(xué)及損傷程度上均證明是一種較佳的固定方式。但仍需臨床應(yīng)用隨訪驗(yàn)證。3 討論