股骨頸空心釘鎖定板與空心釘固定股骨頸骨折的有限元分析

摘要：目的 采用有限元分析法對股骨頸空心釘鎖定板與空心釘固定股骨頸骨折的生物力學特點。方法 以1名男性健康志愿者為研究對象，使用64排螺旋CT進行掃描，以右側股骨數據當做樣本，使用逆向工程軟件依次建立股骨頸骨折三維模型、空心釘鎖定板模型和空心釘固定模型，并對股骨的應力肺部和位移情況進行分析，對比內固定與股骨模型的生物力學的特征。結果 內固定物應力大都集中在骨折線附近，空心定鎖定板和空心釘固定模型的應力峰值分別為65.8MPa、118.2MPa，骨端的應力大都集中在股骨近端內側，空心定鎖定板模型的應力峰值為13.8MPa、空心釘固定模型的峰值為28.1MPa。結論 2種固定方式均應用在股骨頸骨折中，空心定鎖定板固定穩定性較好，能有效避免股骨頸縮短，成為最佳的治療辦法。

關鍵詞：股骨頸空心釘鎖定板；空心釘；股骨頸骨折；有限元分析

股骨頸骨折主要發病癥狀為骨不連和股骨頭缺血性壞死，空心釘鎖定板系統是2枚交鎖拉力螺釘組合而成的交鎖系統，能在一定程度上避免股骨頸短縮[1]。文中以2中固定方式展開研究，探討哪種固定方式更好，現報道如下。

1資料與方法

1.1一般資料 本次研究選擇一名男性志愿者，其年齡為26歲，身高和體重分別為175cm、72kg。主要設備：筆記本電腦一臺、使用的操作系統為Windows 7 Home、三維軟件Mimics 13.0和交互軟件CAD/CAM。

1.2方法 采用X線對志愿者檢查，證實其髖部并未出現骨折、畸形、或腫瘤等情況，使用64排螺旋CT對其股骨進行掃描檢查，掃描的層厚度為7.5mm，電壓設置為120kV，管電流為250～300mA，從而獲取相應的二維CT圖像，數據保存的格式為DICOM。Mimics可以自動檢測數據格式，把數據轉換為文本自身格式。把DICOM格式的文件導入Mimics10.0軟件內，明確二維空間的位置，展現出冠狀面或矢狀畫面。根據不同組織其CT值，設置合理的閥值范圍，合理區分骨骼與其他位置。根據各自的mark對其身體不同位置建立三維模型，設置合理的平滑參數，便于清晰展現再線骨結構的立體畫面。通過Mimics工具欄的STL格式導出股骨的三維模型，最后使用Geomagic Studio軟件對畫面進行自動擬合處理，由Iges格式輸出NURBS曲面并保存。把Geomagic Studio軟件內形成的文件導入UG軟件中，使用縫合功能形成所需的實體模型。采用proE4.0軟件對其實施虛擬重建操作，使用直徑為6.5mm的空心拉力螺釘，長度為90mm，最后的實體模型通過Iges格式進行保存。

1.3創建有限元模型 所用的內固定螺紋都加入全真模擬并進行歸納計算，把股骨及內固定的模型導入有限元分析軟件Hypermesh10.0內實施裝配，形成有限元模型。假定骨折面完全斷裂其摩擦系數是0.2，把股骨三維有限元模型中外髁下緣位置的原有節點其邊界條件設置為0，單單考慮骨盆寬臼窩作用的股股通力上，采用大轉子附近的外展肌力與骨外側肌力當做其外載荷，設定軸向600N的盈利，沿著軸向向下，判定靜態環境下股骨及內固定的應力分布情況。本研究以股骨頸中段作為同心圓，分析過圓心各內徑在股骨頸表層的交點和壓強值。本次研究有線元模型的材料見表1。

1.4判斷標準 判斷兩種內固定物應力分布的位置和峰值，股骨應力分布位置極其峰值，股骨位移情況和峰值。

2結果

2.1分析兩種內固定物應力分布情況 在空心釘鎖定板模型中，其內固定應力大多集中在中間近骨折線位置，它的應力峰值是65.8MPa，空心釘固定模型其應力大都集中在骨折線螺釘位置，應力峰值是118.2MPa，后者明顯比前者應力峰值高。

2.2分析股骨應力分布情況 空心釘鎖定板模型其側應力主要集中在股骨近端內側轉子附近，應力峰值是13.6MPa，股骨頭和骨折端所承受的應力比較小，峰值僅有1.58MPa。空心釘固定模型的股骨側應力都集中在骨折近端側皮質位置，其峰值是28.1MPa，空心釘固定模型都比空心釘鎖定板模型的應力峰值高。

2.3分析股骨位移的分布情況 在空心釘鎖定板模型內位移均集中在骨折遠端，位移峰值是0.78mm，空心釘模型位移處在骨折遠端，位移峰值是1.59mm。

3討論

股骨頸骨折是老年人群比較常見的髖部骨折，有可能引發骨不連或股骨頭壞死[2]。相關研究表明，患者的年齡、精神、及骨折分型影響著選擇哪種手術方式，也影響患者的預后效果[3]。有限元分析法就是采用求解微分方程組或積分方程組求解的技術。有限元分析解法就是把微分方程轉換為代數方程組，通過數學近似的辦法對真實系統展開模擬，進而使用標準的數值技術進行求解[4]。有限元分析法作為高效的現代分析辦法，先把研究對象求解區域分離成一組有限個進行聯結的單元組合體[5]。因單元可以按照不同的聯結方法展開組合，且單元自身又能分為不同性質，這時可以擬建為多個幾何形狀求解區域，隨后把小區域實施力學分析并展開整體分析[6]。有限元分析法與傳統應力分析法比較的優點：這種分析法能建立真實幾何比較相似的數字模型，賦予材料獨特的性質。因這種分析法使用最先進的電子計算機，這種分析方法更加精確、成本比較低、可靠性高，擁有相對應的開放性和研究空間[7]。從本次研究可知，采用空心釘固定模型對愈合骨折效果更好。

總之，股骨頸骨折具有不同的生物力學特點，采用空心釘鎖定板固定能避免股骨頸短縮，可以達到穩定生物力學穩定性的效果，具有微創的特點，成為主要的推薦方法。

參考文獻：

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[3]王奉雷.空心釘鎖定板治療股骨頸骨折術后股骨頭壞死的危險因素分析[J].重慶醫學，2014（8）：909-912.

[4]葉永杰，王秀敏，銀毅，等.空心釘鎖定板與加壓空心螺釘治療青壯年股骨頸骨折療效對比[J].中國藥業，2014（15）：91-92，93.

[5]閆江濤，秦福，汪琦，等.股骨近端空心釘鎖定板治療股骨頸骨折的臨床效果觀察[J].中國綜合臨床，2014，30（9）：978-981.

[6]陳建陽.用微創股骨近端空心釘鎖定板內固定術治療中老年股骨頸骨折11例療效探討[J].當代醫藥論叢（下半月），2014（2）：130.

[7]陳建陽.用微創股骨近端空心釘鎖定板內固定術治療中老年股骨頸骨折11例療效探討[J].當代醫藥論叢，2014（2）：130.

編輯/申磊