不同內(nèi)固定方法治療不穩(wěn)定型粗隆間骨折的有限元分析

賀洪輝，侯 威

（南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院關(guān)節(jié)運動科，湖南衡陽421000）

不同內(nèi)固定方法治療不穩(wěn)定型粗隆間骨折的有限元分析

賀洪輝，侯 威

（南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院關(guān)節(jié)運動科，湖南衡陽421000）

目的 利用三維有限元技術(shù)對不穩(wěn)定型粗隆間骨折及動力髖螺釘（DHS）、股骨近端髓內(nèi)釘（PFN）、股骨近端鎖定鋼板（PF-LCP）進行建模，分析3種方式固定不穩(wěn)定型粗隆間骨折（AO分型31-A2型、31-A3型）的生物力學(xué)特性及其穩(wěn)定性，以期對不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折的治療提供科學(xué)、客觀、可靠的力學(xué)理論依據(jù)，指導(dǎo)臨床治療。方法 建立31-A2型、31-A3型骨折模型（AO分型理想模型），分別采用DHS、PFN、PF-LCP 3種方式固定2種骨折，利用有限元方法模擬及分析正常載荷靜止狀態(tài)下單足中立位時3種方式固定2種骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果 力學(xué)加載后在31-A2型、31-A3型骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值及骨折線位移值最大者均為DHS，其次為PF-LCP，PFN應(yīng)力及位移最小，三者最大應(yīng)力在31-A2型分別為15.3、4.30、3.80 MPa，在31-A3型分別為56.9、31.16、16.63 MPa；3種方式骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。三者最大位移值在31-A2型分別為381、334、269 μm，在31-A3型分別為430、333、271 μm。2種骨折斷面應(yīng)力最均勻的固定方式為PFN，其次分別為PF-LCP、DHS；骨折位移最小的固定方式為PFN，其次分別為PF-LCP、DHS。結(jié)論 在31-A2型、31-A3型骨折中PFN固定效果最優(yōu)，其次分別為PF-LCP、DHS；DHS對股骨近端具有明顯的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，且在31-A3型骨折斷面外側(cè)區(qū)有應(yīng)力過分集中現(xiàn)象，容易導(dǎo)致固定衰敗，是不適用的。

股骨骨折/外科學(xué)； 有限元分析； 骨螺絲； 骨折固定術(shù)，內(nèi)； 骨釘； 骨折固定術(shù)，髓內(nèi)； 股骨近端鎖定鋼板

粗隆間骨折是髖部常見骨折，好發(fā)于老年骨質(zhì)疏松者，是致殘及致死的主要原因[1]。隨著我國老齡化逐年加劇，股骨粗隆間骨折發(fā)病率逐年上升。早期行粗隆間骨折內(nèi)固定術(shù)可明顯減少患者臥床時間，降低并發(fā)癥發(fā)生率和病死率。臨床主要應(yīng)用髓外及髓內(nèi)系統(tǒng)進行固定，髓外系統(tǒng)主要代表為動力髖螺釘（dynamic hip screw，DHS）、股骨近端鎖定鋼板（proximal femur locking plate，PF-LCP）等。髓內(nèi)主要代表為Gamma釘、股骨近端髓內(nèi)釘（poximal femoral nails，PFN）等。目前國內(nèi)外學(xué)者選擇何種內(nèi)固定系統(tǒng)還存在爭議[2]。尤其對不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折選用何種內(nèi)固定尚缺乏有效的生物力學(xué)依據(jù)。本研究利用三維有限元法對DHS、PFN、PF-LCP固定不穩(wěn)定型粗隆間骨折（AO分型31-A2型、31-A3型）的應(yīng)力、位移等特征進行對比分析，以期對不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折的治療提供科學(xué)、客觀、可靠的力學(xué)理論依據(jù)，為臨床選擇內(nèi)固定方法提供合理建議。

1 資料與方法

1.1 一般資料 對70歲健康男性志愿者（自愿參加并簽訂知情同意書）1例進行X射線、CT檢查，排除股骨及髖關(guān)節(jié)創(chuàng)傷、骨病及腫瘤等。使用美國GE牌64排CT進行髖關(guān)節(jié)及全長股骨薄層掃描，層厚1 mm，生成380張DICOM格式的CT圖像，由Mimics軟件讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 實驗步驟 （1）將CT圖片導(dǎo)入Mimics軟件中建立股骨三維模型；（2）將三維模型導(dǎo)入Geomagic逆向工程軟件中進行優(yōu)化處理；（3）利用Workbench軟件模型處理功能，按31-A2、31-A3理想骨折線切割股骨模型，31-A2型：骨折線位于轉(zhuǎn)子間線與股骨縱軸45°，內(nèi)側(cè)及后側(cè)骨皮質(zhì)破裂，外側(cè)骨皮質(zhì)完好；31-A3型：骨折線由小轉(zhuǎn)子上向外向下延伸至股骨外側(cè)皮質(zhì)；（3）依據(jù)骨折模型尺寸并參考臨床實際醫(yī)療器械按比例對內(nèi)固定模型進行設(shè)計構(gòu)造，并按照標準手術(shù)方法裝配骨折模型及內(nèi)固定模型；（4）采用Workbench軟件Solid187實體單元對模型進行網(wǎng)格劃分（十節(jié)點四單元體），設(shè)置邊界條件，加載荷，定義相互接觸關(guān)系，進行計算分析。

1.2.2 邊界條件、接觸設(shè)置及材料屬性 （1）邊界條件：固定股骨遠端，進行靜態(tài)力學(xué)加載，模擬單足中立位時生物力學(xué)特征。（2）設(shè)置：所有拉力螺釘在股骨頭內(nèi)為牢固固定，在股骨頸、髓內(nèi)釘主釘及動力髖鋼板中為部分固定，摩擦系數(shù)為0.3；骨折斷面摩擦接觸，摩擦系數(shù)亦為0.3。髓內(nèi)釘遠端交鎖釘在骨皮質(zhì)處為完全固定，在髓內(nèi)釘主釘滑動孔中為滑動固定。固定構(gòu)件與股骨間為綁定接觸。（3）由于股骨近端形態(tài)不規(guī)則且骨質(zhì)不均勻缺乏規(guī)律，將所有模型材質(zhì)均設(shè)為均勻體，材料屬性參照文獻[3]，見表1。

表1 相關(guān)材料屬性

1.2.3 加載條件 模擬體質(zhì)量60 kg患者靜止狀態(tài)下單足中立位時髖關(guān)節(jié)承受的重量。承重力線經(jīng)股骨頭中心垂直向下[4]。加載點選取股骨頭中心，方向垂直向下。

1.2.4 評價指標 （1）骨折斷面應(yīng)力分布特點：在2種骨折斷面分別均勻選取8個節(jié)點進行應(yīng)力測定，骨折斷面應(yīng)力分布越均勻說明骨折端越穩(wěn)定；（2）骨折位移：分別在6個模型的骨折線選取5個節(jié)點進行位移測量，位移越小說明內(nèi)固定越可靠；（3）應(yīng)力特點分析：分析3種方式固定股骨近端應(yīng)力特點。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 應(yīng)用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用多獨立樣本非參數(shù)檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 骨折斷面應(yīng)力分布特點

2.1.1 31-A2型 DHS固定時應(yīng)力主要集中在小轉(zhuǎn)子附近區(qū)域，PFN固定時應(yīng)力主要集中在拉力螺釘區(qū)域；PF-LCP固定時應(yīng)力主要集中在拉力螺釘附近區(qū)域；3種方式骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），見表2。骨折斷面應(yīng)力最均勻的固定方式為PFN，其次分別為PF-LCP、DHS，見圖1。

表2 31-A2型骨折中3種方式骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值比較（MPa）

圖1 31-A2型骨折斷面應(yīng)力云圖

2.1.2 31-A3型 DHS固定時應(yīng)力在骨折面上分布極度不均勻，且在骨折面外側(cè)區(qū)有應(yīng)力過分集中現(xiàn)象，勢必導(dǎo)致固定衰敗。3種方式骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.048），見表3。骨折斷面應(yīng)力最均勻的固定方式為PFN，其次分別為PF-LCP、DHS，見圖2。

表3 31-A3型骨折中3種方式骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值比較（Mpa）

圖2 31-A3型骨折斷面應(yīng)力云圖

2.2 骨折位移 31-A2型、31-A3型骨折3種方式骨折線位移比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.02、0.03）；31-A2型、31-A3型骨折線位移最小的固定方式為PFN，其次分別為PF-LCP、DHS，見表4。

表4 2種骨折3種方式骨折線位移比較（μm）

2.3 3種方式固定股骨近端應(yīng)力特點分析 DHS側(cè)方鋼板下股骨有一明顯應(yīng)力遮擋區(qū)域，容易形成應(yīng)力遮擋區(qū)域骨質(zhì)失用性疏松，造成去鋼板后應(yīng)力遮擋區(qū)域骨折。PF-LCP、PFN固定時股骨近端應(yīng)力分布較均勻，且PFN固定股骨近端應(yīng)力分布更接近正常。3種方式固定股骨近端應(yīng)力云圖見圖3、4。

圖3 31-A2型骨折3種方式固定股骨近端應(yīng)力云圖

圖4 31-A3型骨折3種方式固定股骨近端應(yīng)力云圖

圖5 完整正常股骨近端模型加載后應(yīng)力云圖

3 討 論

股骨粗隆間骨折嚴重危害老年患者健康，若不及時治療病死率較高。大多數(shù)學(xué)者認為，對老年股骨粗隆間骨折如無明顯禁忌證均應(yīng)早期給予手術(shù)治療[5]。當前，用于固定股骨粗隆間骨折的內(nèi)固定種類較多，有髓外固定及髓內(nèi)固定系統(tǒng)。對不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折內(nèi)固定方法的選擇尚有較多爭議，主要是由于缺乏相應(yīng)生物力學(xué)研究及可靠的力學(xué)理論依據(jù)。由于股骨近端形態(tài)復(fù)雜、力學(xué)傳導(dǎo)非線性，傳統(tǒng)力學(xué)實驗方法不能較精確、直觀、完整地反映力學(xué)傳導(dǎo)及變化過程，且傳統(tǒng)力學(xué)實驗方法周期長，重復(fù)性差，加載方式及屬性較為單一。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維有限元技術(shù)能對不同材料屬性及結(jié)構(gòu)功能進行精確模擬，不僅能對生物體力學(xué)特性進行定量精確計算分析，又可將力學(xué)傳遞及分布特征直觀表現(xiàn)出來，且研究重復(fù)性高，應(yīng)用廣泛，損耗小，較普通實驗方法獲取的實驗結(jié)果更具有臨床意義[6]。

本研究首先建立完整股骨模型，并對模型進行材料賦值，模仿生理條件及載荷下股骨應(yīng)力特征，得出股骨近端張應(yīng)力位于外側(cè)，而壓應(yīng)力位于內(nèi)側(cè)，最大值壓應(yīng)力在小轉(zhuǎn)子附近，見圖5。將這一應(yīng)力分布特征與傳統(tǒng)實驗所得結(jié)果進行對比分析具有95%的一致性，驗證了本研究力學(xué)加載方式科學(xué)、合理。本研究采用的網(wǎng)格劃分方式為十節(jié)點四單元體，在精確度方面較四節(jié)點四單元體更具有優(yōu)勢[7]。本研究對股骨及內(nèi)固定材料均進行了降噪、磨光等優(yōu)化處理，并對其進行精確網(wǎng)格劃分，能精確模擬及分析模型加載后的生物力學(xué)特征，并對力學(xué)進行定量分析，使模型更加接近真實的生物力學(xué)特征。由于31-A2型、31-A3型骨折形式的多樣性，本研究尚不能一一模擬分析，故將31-A2型、31-A3型骨折進行理想化處理，也能滿足研究要求。本研究主要通過分析模型應(yīng)力分布特點、骨折斷面節(jié)點應(yīng)力值及骨折線位移值3個方面對比3種方式固定2種骨折模型的力學(xué)傳遞特征及利弊，總體說來在2種骨折模型中PFN效果最優(yōu)，其次分別為PF-LCP、DHS，其中DHS對31-A3性骨折是不適用的。

在DHS與髓內(nèi)釘力學(xué)對比研究方面，李山珠等[8]利用有限元方法對 DHS、PFN 2種內(nèi)固定治療 Evans-JensenⅡb型股骨粗隆間骨折進行了生物力學(xué)分析及比較，結(jié)果顯示，PFN固定時股骨近端和內(nèi)固定上的應(yīng)力及骨折位移量均較DHS小，PFN較DHS具有較明顯的優(yōu)勢，尤其是伴小轉(zhuǎn)子骨折的股骨粗隆間骨折。

在DHS與股骨近端鋼板對比研究方面，既往大多數(shù)研究表明，股骨近端經(jīng)皮加壓鋼板及鎖定鋼板較DHS在出血量、手術(shù)時間、感染率、術(shù)后并發(fā)癥及康復(fù)時間方面均具有明顯優(yōu)勢[9-11]。張凱瑞等[12]通過有限元法證明，經(jīng)皮加壓鋼板治療穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折較DHS在力學(xué)穩(wěn)定性方面更具有優(yōu)勢，主張治療穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折使用經(jīng)皮加壓鋼板，但對不穩(wěn)定型粗隆間骨折是否適用還缺乏進一步的研究。本研究同樣利用有限元方法對PF-LCP固定不穩(wěn)定型粗隆間骨折的生物力學(xué)特性進行了分析，結(jié)果表明，在股骨近端應(yīng)力分布均勻性、骨折斷面應(yīng)力分布均勻性、骨折穩(wěn)定性方面PF-LCP較DHS同樣具有明顯優(yōu)勢。

在Gamma釘、DHS與股骨近端鋼板對比研究方面，樸海旺[13]利用有限元方法對Gamma釘、DHS及鎖定鋼板固定31-A2型粗隆間骨折進行了研究，并從抗壓力、抗旋轉(zhuǎn)及抗張力角度詳細闡述了Gamma釘、DHS及鎖定鋼板的力學(xué)特性及優(yōu)劣性，表明在抗壓力方面Gamma釘優(yōu)于DHS及鎖定鋼板，在抗旋轉(zhuǎn)方面鎖定鋼板優(yōu)于Gamma釘和DHS，Gamma釘與DHS比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。在抗張力方面Gamma釘、鎖定鋼板優(yōu)于DHS，Gamma釘與鎖定鋼板比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；DHS及鎖定鋼板可造成股骨近端應(yīng)力遮擋效應(yīng)，Gamma釘應(yīng)力遮擋效應(yīng)較小。本研究同樣利用有限元法對PFN、DHS及PF-LCP固定不穩(wěn)定型粗隆間骨折的生物力學(xué)特性及優(yōu)劣性進行了對比分析，從骨折斷面、股骨近端應(yīng)力及骨折位移方面闡述了3種方式的生物力學(xué)特征，從另一角度進一步完善了固定不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折的力學(xué)理論依據(jù)。

三維有限元生物力學(xué)研究為多科學(xué)交叉綜合研究，涉及臨床醫(yī)學(xué)、臨床影像學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機輔助制造、有限元分析等眾學(xué)科，由于涉及知識面較廣泛，且受經(jīng)驗?zāi)芰皩嶒灄l件等影響本研究尚存在一些不足，尚需依靠以后繼續(xù)研究及努力完善。本研究進行的是一種靜態(tài)力學(xué)研究，僅加載垂直方向的作用力進行有限元分析，所以得出的實驗結(jié)果與真實動態(tài)行走下的結(jié)果存在一定偏差。且骨骼是一種各向異性材料，目前，還沒有辦法將生命體骨骼用數(shù)學(xué)的方法精確、全面地表達出來，故無法精確、全面地對生命體骨骼進行建模，也會對有限元分析精度有所影響[14]。任何有限元模型均是近似的模擬，其不可能將所有的實驗要求及影響因素均包括在內(nèi)，因此，再精確的有限元分析也或多或少存在一些偏差，其結(jié)果及結(jié)論的真實、可靠性最終仍需用傳統(tǒng)的實體生物力學(xué)實驗進行檢驗。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展一些學(xué)者開始對肌肉、關(guān)節(jié)囊、軟骨、血管、神經(jīng)甚至流動的血液進行建模并模擬其生物力學(xué)特性，這也使有限元分析精度越來越逼近真實的生命體。作者將在以后的研究中進一步豐富模型，提高模型的全面、精確性。

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Finite element analysis on different internal fixation methods for treating unstable intertrochanteric fractures

He Honghui，Hou Wei
（Department of Joint Movement，Affiliated Nanhua Hospital，University of South China，Hengyang，Hunan 421000，China）

ObjectiveTo establish the models of unstable intertrochanteric fractures，dynamic hip screw（DHS），proximal femoral nail（PFN）and proximal femoral-locking plate（PF-LCP）by applying the three-dimensional finite element technique and to analyze the biomechanical characteristics and stability of unstable intertrochanteric fractures（AO classification，type 31-A2 and type 31-A3）fixed with three kinds of methods in order to provide scientific，objective and reliable mechanical theoretical bases for treating unstable femoral intertrochanteric fractures and guiding clinical treatment.MethodsThe type 31-A2 and 31-A3 fracture models（ideal models of AO classification）were established and the 3 kinds of mode DHS，PFN and PF-LCP were adopted to fix the two kinds of fractures respectively.The biomechanical stability of two kinds of fractures fixed with three fixation approaches in the neutral position of a single foot under normal quiescent loads.ResultsIn type 31-A2 and 31-A3 after mechanical loading，the DHS fixation had the greatest stress values of fracture surface and fracture line displacement，followed by PFLCP，and which of PFN fixation was minimal.The greatest stress values were 15.3，4.30，3.80 MPa for type 31-A2，56.9，31.16，16.63 MPa for type 31-A3，the differences among the three kinds of mode were statistically significant（P<0.05）；the greatest displacement values were 381，334，269 μm for type 31-A2 type and 430，333，271 μm for type 31-A3 respectively.The most homogeneous stress of fixation mode in fracture cross section of two kinds of fracture was PFN，followed by PF-LCP and DHS；the minimal displacement of fixation mode was PFN，followed by PF-LCP and DHS.ConclusionThe PFN fixation has best effect in type 31-A2 and 31-A3 fracture，followed by PF-LCP and DHS；DHS has an obvious stress-shielding effect on proximal femur，moreover the over-centralized phenomenon of stresses appears in the lateral region of type 31-A3 fracture surface，which is easy to result in the fixation failure and is unsuitable.

Femoral fractures/surgery； Finite element analysis； Bone screws； Fracture fixation，internal； Bone nails； Fracture fixation，intramedullary； Proximal femur locking plate

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.24.005

A

1009-5519（2015）24-3700-04

2015-09-15）

2013年度湖南省醫(yī)藥衛(wèi)生科研計劃課題基金資助項目（B2013-047）。

賀洪輝（1973-），男，湖南耒陽人，碩士研究生，副主任醫(yī)師，主要從事骨關(guān)節(jié)與運動醫(yī)學(xué)研究工作；E-mail：hhh19731102@163.com。

侯威（E-mail：280640580@qq.com）。