3種內(nèi)固定方式治療青壯年股骨頸骨折的有限元分析

馬 季,張玉強(qiáng),智曉東,王 偉,3

青壯年股骨頸骨折多由暴力導(dǎo)致,骨折類型多以不穩(wěn)定Pauwels Ⅲ型為主[1]?；诠晒穷i解剖及生物力學(xué)特征,其骨折術(shù)后易發(fā)生骨不連和股骨頭壞死等并發(fā)癥,進(jìn)一步導(dǎo)致高致殘率和病死率[2-3]。目前,動(dòng)力髖螺釘(DHS)和3枚空心拉力螺釘是臨床廣泛應(yīng)用的手術(shù)方式。Johnson et al[4]發(fā)現(xiàn),3枚空心拉力螺釘雖能有效地抵抗扭轉(zhuǎn),但它不能有效對抗垂直剪切力和彎曲力。研究者[5]發(fā)現(xiàn),在3枚空心拉力螺釘上,于大轉(zhuǎn)子偏下部位水平置入1枚橫行螺釘,可優(yōu)化股骨力學(xué)穩(wěn)定性[6]。相關(guān)研究[7-8]表明,如果僅用DHS內(nèi)固定,其抗旋轉(zhuǎn)能力甚至不如多枚空心螺釘。而平行DHS插入防旋螺釘(DS),能有效增強(qiáng)抗旋轉(zhuǎn)能力。股骨頸動(dòng)力交叉釘系統(tǒng)(FNS)以微創(chuàng)、穩(wěn)定的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于臨床。雖然股骨頸骨折的治療在不斷進(jìn)步和優(yōu)化,但最佳手術(shù)方案無統(tǒng)一定論。本研究建立青壯年P(guān)auwels Ⅲ型骨折的有限元模型,比較4枚空心拉力螺釘、DHS+DS和FNS 3種內(nèi)固定模型治療的青壯年P(guān)auwels Ⅲ型骨折的生物力學(xué)差異。

1 材料與方法

1.1 研究對象選取1名健康成年男性志愿者,30歲,身高178 cm,體重70 kg,無手術(shù)史、外傷史、骨質(zhì)疏松、慢性疾病及傳染病等。志愿者知曉研究目的并簽署知情同意書。本研究于2022年6月11日在錦州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科完成,符合錦州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院的相關(guān)倫理要求。

1.2 設(shè)備及軟件

1.2.1設(shè)備 西門子128排螺旋CT由錦州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院提供;聯(lián)想筆記本電腦1臺(tái),Windows11 64位操作系統(tǒng);CPU(AMD Ryzen7 5800H with Radeon Graphics 3.20 GHz);內(nèi)存32 GB;顯卡(NVIDIA GeForce RTX3070 Laptop GPU)。

1.2.2軟件 Mimics 21.0(Materialise 公司);Geomagic Wrap 2021(Geomagic 公司 );SolidWorks 2022(Dassault Systemes S.A 公司 );Ansys Workbench 2021 R1(Ansys 公司 )。

1.3 模型建立

1.3.1正常股骨三維模型建立 使用CT對志愿者的骨盆及雙下肢部位進(jìn)行薄層掃描,讀取圖像數(shù)據(jù)并以DICOM格式保存,并將DICOM格式圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件。通過新建蒙版、區(qū)域增長、多層編輯、智能填充、光順實(shí)體等命令,依次對模型進(jìn)行預(yù)處理。將模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體對象后以.stl格式保存,并將其導(dǎo)入Geomagic Wrap 2021軟件進(jìn)行處理。通過去除特征、刪除釘狀物、快速光順、雕刻、抽殼、偏移、填充等命令完善模型。將完善的股骨模型依次進(jìn)行精確曲面、繪制構(gòu)建輪廓線、構(gòu)造曲面片、構(gòu)建格柵、擬合曲面等命令。最后,將處理完成的股骨模型(皮質(zhì)骨+松質(zhì)骨)保存為 .stp格式導(dǎo)入SolidWorks 2022軟件中。通過布爾運(yùn)算將股骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨模型進(jìn)行組合,構(gòu)建得到股骨三維模型。

1.3.2Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折模型建立 在SolidWorks 2022軟件中,經(jīng)過股骨頭中心建立第1個(gè)基準(zhǔn)面,再通過基準(zhǔn)面建立與其夾角為70°的第2個(gè)基準(zhǔn)面。使用第2個(gè)基準(zhǔn)面分割股骨模型,建立青壯年P(guān)auwels Ⅲ型股骨頸骨折模型。見圖1。

圖1 Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折模型

1.3.33種內(nèi)固定模型的建立 根據(jù)目前臨床治療股骨頸骨折常用器械及方法,通過SolidWorks 2022軟件構(gòu)建3種骨折內(nèi)固定物模型(由于實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)與螺紋無關(guān),因此將螺紋簡化為實(shí)心圓柱體模型)。見圖2。① 4枚空心拉力螺釘模型:螺桿光滑部分? 4.8 mm,螺釘中空? 2.5 mm,遠(yuǎn)端螺紋? 7.3 mm,螺紋長度16 mm。前3枚螺釘以倒品字方式相互平行置入,最后1枚螺釘于股骨外側(cè)壁大轉(zhuǎn)子偏下部位略水平置入。4枚空心拉力螺釘遠(yuǎn)端距離關(guān)節(jié)面約5 mm。② DHS+DS模型:選擇4孔DHS鋼板(135°釘板角),厚約6.2 mm,長約70 mm,配套拉力螺釘? 8.2 mm、長90 mm,鎖定釘? 4.5 mm,長度30～40 mm。DS光滑螺桿? 4.8 mm,螺釘中空? 2.5 mm,螺紋? 6.5 mm,螺紋長度16 mm。DHS緊貼股骨,配套拉力螺釘貼附股骨頸中心偏下部位,DS于配套拉力螺釘上方平行置入股骨頸。2枚配套拉力螺釘遠(yuǎn)端距關(guān)節(jié)面約5 mm。③ FNS模型:該系統(tǒng)由3部分構(gòu)成,分別為鎖定鋼板、螺栓和DS。鎖定鋼板為130°成角穩(wěn)定裝置,鎖定孔螺釘? 5 mm;螺栓? 10 mm,圓鈍頭、無螺紋,長度110 mm;DS ? 6.4 mm,可與螺栓鎖定,增加抗旋性,提升裝置穩(wěn)定性。將FNS于大轉(zhuǎn)子下方置入,使螺栓和DS位于股骨頸中心,螺栓遠(yuǎn)端距離關(guān)節(jié)面約5 mm。

圖2 3種內(nèi)固定模型示意 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型

1.4 材料參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶠槔硐氲倪B續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料,有限元模型材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[9],見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)[9]

1.5 網(wǎng)格劃分本研究使用0.5～3.0 mm的四面體網(wǎng)格進(jìn)行收斂性測試。研究結(jié)果顯示,與0.5～1.0 mm網(wǎng)格算出的等效應(yīng)力值[10]相似。基于此,我們將本研究中股骨及內(nèi)固定物的網(wǎng)格均采用1.0 mm進(jìn)行劃分,生成網(wǎng)格和單元。3種內(nèi)固定模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)見表2。

表2 3種內(nèi)固定模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)(個(gè))

1.6 約束條件及載荷設(shè)置將股骨頸骨折部位視為完全斷裂且骨折復(fù)位良好,骨折斷端摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。將股骨與螺釘、鋼板的接觸區(qū)域設(shè)置為綁定狀態(tài),股骨遠(yuǎn)端約束各項(xiàng)自由度。本研究在股骨頭負(fù)重中心區(qū)域建立一個(gè)坐標(biāo)系,坐標(biāo)系X軸與股骨冠狀面成13°夾角,與矢狀面成8°夾角。施加一個(gè)沿X軸方向700 N的載荷,從而模擬成年人正常行走時(shí)單腿負(fù)重情況下的承載力。本研究暫不考慮各個(gè)肌群的具體作用。

1.7 觀察指標(biāo)觀察3種內(nèi)固定模型中股骨近端骨折塊與3種內(nèi)固定模型的應(yīng)力分布及峰值、位移分布及峰值,以及骨折斷端骨折面的位移分布及峰值。

2 結(jié)果

2.1 股骨近端骨折塊的應(yīng)力分布及峰值見圖3。3種內(nèi)固定模型中股骨近端骨折塊的最大應(yīng)力主要集中在骨折線內(nèi)下側(cè),靠近股骨距附近。FNS模型應(yīng)力峰值最大,為35.651 MPa;4枚空心拉力螺釘模型次之,為30.664 MPa;DHS+DS模型最小,為25.404 MPa。

圖3 3種內(nèi)固定模型中股骨近端骨折塊的應(yīng)力分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖4 3種內(nèi)固定模型中股骨近端骨折塊的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖5 3種內(nèi)固定模型的應(yīng)力分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖6 3種內(nèi)固定模型的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖7 3種模型骨折斷端骨折面的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型

2.2 股骨近端骨折塊的位移分布及峰值見圖4。3種內(nèi)固定模型股骨近端骨折塊的最大位移均位于股骨頭頂端偏上部位,位移大小由近及遠(yuǎn)逐漸減小。FNS模型位移峰值最大,為1.828 mm;4枚空心拉力螺釘模型次之,為1.817 mm;DHS+DS模型最小,為1.255 mm。

2.3 3種內(nèi)固定模型的應(yīng)力分布及峰值見圖5。3種內(nèi)固定模型應(yīng)力主要集中在骨折線部位所對應(yīng)的內(nèi)固定裝置中間部位,應(yīng)力大小從中間向兩端逐漸遞減。應(yīng)力分布4枚空心拉力螺釘、DHS+DS模型較FNS模型均勻,FNS模型應(yīng)力峰值最大,為281.200 MPa;DHS+DS模型次之,為111.380 MPa;4枚空心拉力螺釘模型最小,為95.596 MPa。

2.4 3種內(nèi)固定模型的位移分布及峰值見圖6。3種內(nèi)固定模型的位移主要集中在對應(yīng)內(nèi)固定裝置的近端,最大位移均位于內(nèi)固定模型的最頂端且分布均勻。4枚空心拉力螺釘模型位移峰值最大,為1.667 mm;FNS模型次之,為1.642 mm;DHS+DS模型最小,為1.156 mm。

2.5 骨折斷端骨折面位移分布及峰值見圖7。3種內(nèi)固定模型骨折斷端骨折面的位移主要集中在骨折斷端上部,由近及遠(yuǎn)逐漸減小且均勻分布。FNS模型位移峰值最大,為1.286 mm;4枚空心拉力螺釘模型次之,為1.281 mm;DHS+DS模型最小,為0.887 mm。

3 討論

近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元已成為生物力學(xué)分析的常用工具,通過力學(xué)模擬可以對有限元模型進(jìn)行骨折內(nèi)固定的力學(xué)性能評價(jià)。Pauwels et al(1935年)根據(jù)骨折線水平傾斜角度將股骨頸骨折分為3型。當(dāng)骨折線與水平夾角<30°時(shí)為PauwelsⅠ型骨折,夾角30°～50°為Pauwels Ⅱ型骨折,夾角>50°為Pauwels Ⅲ型骨折。相關(guān)研究[11-12]認(rèn)為,骨折線夾角會(huì)影響股骨頸骨折的穩(wěn)定性和臨床預(yù)后。雖然手術(shù)治療Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折已經(jīng)進(jìn)行了生物力學(xué)、臨床對照等相關(guān)研究,但在最理想內(nèi)固定器械的選擇上仍沒有達(dá)成共識(shí)。

在生物力學(xué)穩(wěn)定性方面,鋼板優(yōu)于螺釘[22]。但對于FNS治療股骨頸骨折的臨床效果及生物力學(xué)穩(wěn)定性方面,學(xué)者們?nèi)源嬖跔幾h。相關(guān)臨床研究[23-25]表明,對于不穩(wěn)定型股骨頸骨折,FNS展現(xiàn)出良好的臨床療效及生物力學(xué)穩(wěn)定性,可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固定。然而,Xia et al[26]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),FNS的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱于空心拉力螺釘、空心拉力螺釘+內(nèi)側(cè)板和雙平面支撐螺釘,這表明該方法可能不像先前報(bào)道的那樣穩(wěn)定,FNS的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

3.2 3種內(nèi)固定模型的有限元結(jié)果分析本研究通過有限元分析方法建立3種Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折內(nèi)固定模型,對比分析他們的生物力學(xué)性能。結(jié)果顯示,4枚空心拉力螺釘和DHS+DS模型都展現(xiàn)了良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。3種內(nèi)固定模型股骨近端骨折塊應(yīng)力主要分布在靠近股骨距部位,DHS+DS模型骨折塊應(yīng)力及位移峰值均小于4枚空心拉力螺釘模型。這表明,DHS+DS模型固定不穩(wěn)定型股骨頸骨折時(shí),該內(nèi)固定抵消了大部分剪切力。3種內(nèi)固定模型的應(yīng)力均集中在骨折斷端所對應(yīng)的內(nèi)固定中間區(qū)域。與股骨近端骨折塊部位所受應(yīng)力相比,內(nèi)固定承載了更多的應(yīng)力。3種內(nèi)固定模型中,FNS模型應(yīng)力及位移峰值均大于DHS+DS和4枚空心拉力螺釘模型,說明前兩種內(nèi)固定模型力學(xué)穩(wěn)定性較FNS模型強(qiáng)。其中,4枚空心拉力螺釘模型應(yīng)力最小,DHS+DS模型位移最小。其原因可能是由于第4枚橫行螺釘分散了一部分剪切垂直應(yīng)力,使螺釘?shù)膽?yīng)力分布較為均勻和分散。斷端骨折面位移結(jié)果顯示,DHS+DS模型位移距離最小,空心拉力螺釘和FNS模型差別不明顯。因此,綜合各方面特點(diǎn)分析,DHS+DS模型能提供更加牢靠的穩(wěn)定性,可以為骨折愈合提供更加良好的生物力學(xué)環(huán)境,進(jìn)一步促進(jìn)骨形成,縮短骨折愈合時(shí)間。

3.3 有限元分析方法的局限性本次研究存在一定的局限性:① 模型材料參數(shù)設(shè)置為各向同性彈性材料,會(huì)與實(shí)際人體骨骼的各方面異性材料屬性之間有所差別。② 骨折類型和內(nèi)固定器械都僅限于特定的研究對象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不支持其他類型骨折和內(nèi)固定方式。③ 本研究只進(jìn)行有限元分析,后期仍需要尸體生物力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)研究。④ 載荷設(shè)置僅模擬了成年人正常行走時(shí)單腿負(fù)重情況下的承載力,暫未考慮各個(gè)肌群的具體作用,在接下來的研究中應(yīng)考慮髖關(guān)節(jié)周圍肌肉對股骨的載荷影響。

綜上所述,在3種內(nèi)固定模型治療青壯年P(guān)auwels Ⅲ型股骨頸骨折的有限元分析中,雖然4枚空心拉力螺釘模型的應(yīng)力峰值最小,但它同F(xiàn)NS模型一樣,股骨近端骨折塊應(yīng)力和位移峰值均大于DHS+DS模型。DHS+DS模型的生物力學(xué)穩(wěn)定性能優(yōu)于均4枚空心拉力螺釘及FNS模型,為骨折提供良好的愈合環(huán)境。所以,當(dāng)青壯年發(fā)生Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折時(shí),可酌情優(yōu)先考慮行DHS+DS內(nèi)固定治療。