股骨近端鎖定鋼板與Gamma釘用于伴有外側壁骨折股骨轉(zhuǎn)子間骨折的三維有限元分析

汪燦鋒，韓雷，胡云根，何杭

股骨轉(zhuǎn)子外側壁概念在臨床上近年來逐漸獲得重視[1]。Palm 等[2]認為外側壁是影響二次手術重要因素，建議根據(jù)外側壁完整性進行骨折分型。多數(shù)臨床醫(yī)師建議該類型骨折使用髓內(nèi)固定[3]，但也有學者提出使用鎖定鋼板，認為鎖定鋼板可恢復股骨外側壁完整性[4-5]；同時，通過隨訪顯示術后髖關節(jié)功能方面髓內(nèi)釘與鎖定鋼板固定相比兩者無明顯差異[4]。目前鎖定鋼板及髓內(nèi)釘固定伴有外側壁骨折的的生物力學研究仍較少。本研究通過對伴有外側壁骨折的股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型進行不同內(nèi)固定的有限元分析，比較鎖定鋼板及Gamma釘?shù)牧W有效性?，F(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇1 例AO 分型為31A1.2型股骨轉(zhuǎn)子間骨折及同時存在外側壁骨折患者。男性，年齡80 歲，身高170 cm，體質(zhì)量60 kg，排除病理性骨折、腫瘤及感染性疾病、骨骼畸形及代謝性骨病等。本研究已獲得患者的知情同意。采用美國GE 公司32 排螺旋CT，將CT 掃描數(shù)據(jù)導人Mimics 19.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。采用閾值分割方法對CT圖像中的股骨進行分割，建立三維模型，將Mimics所建立粗糙模型導入Geomagic Studio 12.0（Geomagic公司，美國）進行打磨處理。運用Solidworks 2017 軟件畫出內(nèi)固定模型，利用軟件分割命令模擬外側壁破裂進行截骨。建立鎖定鋼板與Gamma 釘三維模型，在裝配界面與股骨模型進行裝配。

1.2 方法 將上述幾何模型導入到ANSYS 17.0 有限元分析軟件中，建立Static Structural 分析類型，在分析材料庫中分別建立皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、內(nèi)固定物的材料屬性參數(shù)，進入Mechanical 工作界面，在geometry 中對股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、內(nèi)固定物等模型賦予相關的材料。接下來對模型進行網(wǎng)格劃分。設置邊界條件和載荷：將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁下緣節(jié)點的自由度約束為0 作為邊界條件，即遠端各節(jié)點在x、y、z 軸上的位移為0，在股骨頭上方關節(jié)面予以縱軸向下500 N 應力，平均作用于股骨頭與髖臼的接觸面，沿縱軸向下，通過運行分析后，得到股骨近端位移云圖、骨折部及內(nèi)固定應力。

2 結果

在相同加載應力下，得到Mises 應力云圖顯示兩種模型模型均出現(xiàn)形變，在股骨頭上部的加載力的區(qū)域出現(xiàn)最大位移。其中鎖定鋼板模型最大位移為1.4 001 mm，Gamma 釘模型最大位移為1.2 578 mm；兩種模型在骨折線下方骨折遠端部分均出現(xiàn)應力不同程度增加，其中Gamma 釘模型最大應力值為23.4MPa。鎖定鋼板組在遠端骨塊的骨折線下方及外側壁周圍均有較大應力出現(xiàn)，最大應力值為25.8MPa；兩種模型固定的應力分布情況呈現(xiàn)出明顯差異，鎖定鋼板應力的應力集中于在股骨外側壁與鋼板接觸部，其中最大應力位于貼近股骨距螺釘尾端與鋼板接觸部，最高應力達72.5MPa。Gamma釘在股骨內(nèi)側顯示有分散且均勻的應力分布，最大應力位于主釘近端與股骨頸拉力釘接觸部，最高應力為57.6 MPa。見封四彩圖2 ～4。

3 討論

近年來，國內(nèi)外學者認為股骨轉(zhuǎn)子外側壁是影響股骨近端骨折穩(wěn)定及預后的重要因素[1,6-7]。股骨轉(zhuǎn)子外側壁以松質(zhì)骨為主，且在術中置入主釘時形成外側壁破裂，形成二次損傷[8]。生物力學上分析外側壁阻擋股骨頭頸部骨塊向外側移位，一旦外側壁破壞則可致使近側頭頸骨塊向外側移位，并發(fā)生內(nèi)旋，后期出現(xiàn)拉力螺釘切出股骨頭。Gotfried 等[9]通過對24 例股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定失敗患者的進行回顧性研究，發(fā)現(xiàn)所有患者均存在不同程度的外側壁骨折。目前已有越來越多的研究發(fā)現(xiàn)外側壁對股骨轉(zhuǎn)子間內(nèi)固定的重要性，認為無論髓內(nèi)或髓外固定，均需在手術過程中應注意保護外側壁的完整性。

本研究兩組有限元模型在同樣的應力加載下，Gamma 釘模型股骨近端的應力集中位于在主釘與股骨頸拉力釘接觸部，鎖定鋼板模型中股骨近端的應力在股骨外側臂皮質(zhì)骨處出現(xiàn)應力集中，內(nèi)固定應力最大值大于Gamma 釘內(nèi)固定的骨折模型，這與以往文獻報道一致[10]。鎖定鋼板因為偏心固定，因此承受更多的載荷，而鎖定鋼板近端的多螺釘設計有利于應力分散，避免應力集中而出現(xiàn)內(nèi)固定斷裂。本實驗采用外側壁骨折模型，在載荷下大轉(zhuǎn)子與外側壁骨塊的所形成的股骨外側張力帶的斷裂，當對股骨頭部施加應力時，應力一部分沿內(nèi)固定向遠端傳導，另一部分沿股骨內(nèi)側向下傳導，同時在外側壁處形成了外翻應力，因為缺少外側壁，導致內(nèi)固定在外側壁臨近股骨頸、骨折斷端處的應力增大[11]，應力分布云圖顏色在相應部位加深。此外，Gamma 釘內(nèi)固定的最大應力明顯小于鎖定鋼板，因為髓內(nèi)釘?shù)墓潭ㄗ饔脤ν鈧缺诘膹埩o助要求較低，且內(nèi)固定軸心內(nèi)移。通過內(nèi)固定應力云圖可顯示Gamma 釘使應力通過主釘傳導，在股骨內(nèi)側形成分散且均勻的應力，明顯降低局部的應力遮擋和應力集中發(fā)生。鎖定鋼板的工作力臂更長，加上外側壁的缺損，因此在外側壁與鋼板接觸部出現(xiàn)明顯應力集中。

綜上所述，Gamma 釘與股骨外側鎖定鋼板均有效固定伴有外側壁骨折的轉(zhuǎn)子間骨折，Gamma 釘內(nèi)固定所承受的應力較鎖定鋼板小，臨床應首選髓內(nèi)固定。當選擇鎖定鋼板內(nèi)固定時，需要盡量重建外側壁的完整，提高股骨近端的穩(wěn)定性，減少內(nèi)固定失敗率。