空心螺釘聯合同種異體腓骨治療股骨頸骨折的三維有限元力學研究*

葛輝，蘇麗霞，陳鵬，湯永南，羅東斌，焦鋒，何偉

（1.廣州市中西醫結合醫院 骨科，廣東 廣州 510800；2.廣州中醫藥大學第一附屬醫院 骨科，廣東 廣州 510405；3.廣州中醫藥大學第三附屬醫院 骨科，廣東 廣州 510378）

股骨頸骨折是臨床上常見的骨折之一，約占全身骨折的3.6%，占股骨近段骨折的51.97%［1］。三枚空心螺釘內固定術是目前臨床最常用的股骨頸骨折內固定方式［2-3］。盡管三枚空心螺釘內固定構型具有較強的抗剪力作用，使骨折斷端能獲得較好的力學穩定性，但股骨頭壞死仍是其主要的并發癥之一，根據研究顯示：股骨頸骨折術后股骨頭壞死發生率高達14.3%［4］。一旦發生股骨頭壞死，股骨頭將面臨塌陷的風險，一旦塌陷將快速誘發髖關節骨性關節炎，最終不得不進行人工關節置換，這對于中青年股骨頸骨折患者將是災難性的［5-11］。股骨頸骨折內固定術后如何預防股骨頭壞死塌陷成為人們關注的重點。理想的股骨頸骨折內固定術式，是在股骨頸骨折復位后能提供有效的力學穩定性，同時在股骨頭壞死發生后仍能形成穩定的力學支撐，預防股骨頭塌陷，并促進股骨頭壞死的修復。

相關研究證實腓骨在股骨頭壞死后提供的有效力學支撐可以預防股骨頭塌陷，同時腓骨的生物相容性還能促進壞死股骨頭的修復［12］，因此腓骨移植支撐術常用于治療非創傷性股骨頭壞死。然而，股骨頸骨折術后繼發股骨頭壞死患者，如采用腓骨移植支撐術治療股骨頭壞死患者需面臨二次手術，同時很多繼發股骨頭壞死患者診斷明確時股骨頭已經塌陷，錯過了最佳手術時機。如果在應用空心螺釘固定股骨頸骨折的同時聯合腓骨植入，這樣既解決了骨折固定的問題，還解決了術后股骨頭壞死的防治問題，也避免了二次手術。腓骨沒有螺紋，其力學強度也不及空心螺釘，空心螺釘聯合同種異體腓骨內固定構型能否為股骨頸骨折的固定提供良好的力學穩定性，目前尚缺乏有效的力學依據。

為此本研究擬應用受試對象的CT數據，應用三維重建、逆向工程、有限元生物力學分析等技術，建立空心螺釘聯合同種異體腓骨治療股骨頸骨折的三維有限元力學模型，進行力學分析，評估其力學穩定性，為解決股骨頸骨折術后繼發股骨頭的治療難題做出新的探索。

1 材料與方法

1.1 幾何模型數據來源

1名45歲骨盆及股骨符合正常生理解剖的男性志愿者，體重70 kg，身高175 cm。應用Somatom Balance 64 排螺旋CT（德國西門子公司）獲取研究對象的骨盆及股骨CT數據。

1.2 軟件設備

Mimics 14.1軟件（比利時Materialise公司），Geomagic Studio 2013（美國Geomagic公司），Geomagic Design X軟件（美國Geomagic公司），Solidworks 2014（美國Dassault Systemes S.A），Abaqus 6.10（美國Dassault Systemes S.A），Rexcan CS+3D激光掃描儀（韓國首爾Solutionix公司），6.5 mm空心螺釘（Synthes公司）。

1.3 模型構建

1.3.1 股骨頸骨折三維模型的建立 將研究者的CT數據導入Mimics軟件，通過Thresholding，Region Growing，Edit Masks和Calculating 3D等功能，重建出包括髂骨松質骨，髂骨皮質骨，股骨松質骨和股骨皮質骨的三維模型，然后利用Smoothing和Wrap等功能對三維模型進行初步優化處理，并導出STL格式文件。導入Geomagic Studio軟件進一步行光滑、網格劃分、輪廓探測及擬合曲面等處理，導出IGS格式文件。將文件導入Soildworks軟件，應用拉伸切除功能，進行股骨頸骨折的模擬，建立股骨頸骨折的三維模型，本研究對骨折線垂直股骨頸的骨折類型進行建模，見圖1。

圖1 股骨頸骨折模擬示意圖

1.3.2 空心螺釘固定股骨頸骨折的三維模型建立應用3D激光掃描儀掃描空心螺釘實體，建立空心螺釘的點云數據，保存為STL格式。將點云數據導入Geomagic Design X軟件，進入“點云模塊”，應用 “過濾雜點”、“平滑”等功能對點云數據進行優化，然后應用“構造曲面”功能將空心螺釘的點云數據制作成曲面模型。再應用Geomagic Design X軟件的曲面片模塊的“平滑”、“穴填補”、“面片優化”、“包裹”等功能對空心螺釘的曲面數據模型進行優化，制作成精細的曲面數據模型。然后應用“變換實體”把曲面數據模型轉換成三維實體數據模型，見圖2，保存為IGS格式。將建立的股骨頸骨折與空心螺釘三維模型導入到Solidworks軟件中，進入裝配模塊，根據手術中空心螺釘的排列位置，進行空心螺釘固定股骨頸骨折的手術模擬，建立空心螺釘固定股骨頸骨折的三維實體模型，螺釘的排列方式為倒“品”字型，見圖3，螺釘的植入深度為股骨頭皮質骨下5 mm。

圖2 空心螺釘三維實體模型

圖3 三枚空心螺釘倒“品”字植入示意圖

1.3.3 空心螺釘聯合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的三維模型建立 進入Soildworks軟件零件模塊，應用草圖、凸臺拉伸、拉伸切除等功能，建立腓骨的三維模型。根據腓骨的生理解剖，設置同種異腓骨的參數為長95 mm、外直徑12 mm、內直徑8 mm，見圖4。將建立的股骨頸骨折、空心螺釘、腓骨三維模型導入到Solidworks軟件中，進入裝配模塊，根據手術中空心螺釘和腓骨的排列位置，進行空心螺釘聯合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的手術模擬，建立空心螺釘聯合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的三維模型。螺釘和腓骨的排列方式為倒“品”字型，螺釘和腓骨的植入深度為股骨頭皮質骨下5 mm，股骨頭壞死常發生于股骨頭的前上方，腓骨的植入位置位為倒“品”字型的左上方，見圖5。

圖4 同種異體腓骨三維實體模型

圖5 空心螺釘聯合同種異體腓骨倒“品”字植入示意圖，腓骨位于前上方

1.3.4 關節軟骨、韌帶、肌肉三維模型的建立根據髖臼、股骨頭軟骨的厚度和關節間隙，應用Geomagic Design X軟件建立髖臼、股骨頭軟骨三維模型。根據髖關節韌帶的解剖學結構和生物力學特性，應ABAQUS軟件桁架（TRUSS）模型模擬關節韌帶。基于髖關節肌肉的解剖結構與生物力學特點，應ABAQUS軟件的創建連接模塊的軸（Axial）模擬髖關節7條主要肌肉（大收肌、梨狀肌、臀小肌、臀中肌、長收肌、闊筋膜張肌、臀大肌）。根據SVERDLOVA等［13］報道的肌力和肌肉橫斷面面積關系，估算站立位關節周圍7條肌肉的肌力大小見表1，在ABAQUS軟件進行肌力賦值。

表1 髖關節7條主要肌肉的肌力 （N）

1.3.5 三維有限元模型的網格劃分與材料屬性賦值 進入ABAQUS有限元分析軟件的“Mesh”模塊，應 用“Seed Part Instance”、“Mesh Part Instance”等功能對上述建立的骨盆、股骨、韌帶、關節軟骨、腓骨、螺釘等組件進行網格劃分。空心螺釘聯合同種異體腓骨術式模型的單元總數為627 089，節點總數為161 869。多枚空心螺釘術式模型的單元總數為592 863，節點總數為160 798。

進入ABAQUS軟件的“Property”模塊，應用“Create Material”等功能，給上述的骨盆、股骨、韌帶、軟骨的三維模型，賦予各向同性勻質材料屬性。具體賦值如表2所示［14-18］。

表2 有限元模型的材料屬性

1.3.6 三維有限元模型的邊界條件設置與力學加載 進入到ABAQUS軟件的“Interaction”模塊，“Create Interaction”、“Create Interaction Property”、“Create Constraint”等功能，將髂骨的骶髂關節和恥骨聯合定義為完全約束；關節定義為無摩擦接觸（Smooth）。韌帶、肌肉與骨表面定義為捆綁（Tie）約束，植入物與宿主骨之間的接觸定義為摩擦系數為0.6的摩擦接觸，骨折斷端的接觸關系定義為摩擦系數0.46的摩擦接觸，各接觸關系見表3［19-22］。進入到“Load”模塊，應用“Create Load”等功能，等效于體重的地面反作用力（700 N）施加于與股骨遠端捆綁（Tie）在一起的剛體平面上，模擬人體單腿站立。已賦予邊界條件的股骨頸骨折三維有限元模型，見圖6。

表3 髖關節模型各個接觸關系

圖6 股骨頸骨折三維有限元模型

2 結果

2.1 股骨頭頸部皮質骨的應力和位移情況

空心釘聯合腓骨術式和多枚空心釘術式固定股骨頸骨折皮質骨最大應力均出現在股骨頭皮質的頭頂部，空心釘聯合腓骨術式最大應力為81.38 MPa，多枚空心釘術式的最大應力為98.00 MPa，兩者的差值為16.62 MPa，應力云圖見圖7。空心釘聯合腓骨術式和多枚空心釘固定術式的股骨頭頸位移均從股骨頭頸上緣向下緣逐漸減小，最大位移均發生在股骨頭頸張力最大的外上緣，空心釘聯合腓骨術式最大位移為2.759 mm，多枚空心釘術式的最大位移為3.066 mm，兩者的差值為0.307 mm，位移云圖見圖8。空心螺釘聯合同種異體腓骨術式的股骨頭頸部皮質骨的最大應力和最大位移分布位置與多枚空心螺釘術式差異無統計學意義，但股骨頭頸部皮質骨的最大應力和最大位移值均比多枚空心螺釘術式小。

圖7 股骨頭頸部皮質骨應力云圖

圖8 股骨頭頸部位移云圖

2.2 骨組織內部和內固定的應力情況

應用剖面視圖，觀察股骨頭內部骨組織的力學變化。空心螺釘聯合同種異體腓骨術式和多枚空心螺釘術式固定股骨頸骨折的骨組織最大應力均出現在骨組織的皮質骨部位，空心螺釘聯合同種異體腓骨術式最大應力52.76 MPa，多枚空心螺釘術式的最大應力65.09 MPa，兩者的差值為12.33 MPa，應力云圖見圖9。空心螺釘聯合同種異體腓骨術式內固定的最大應力為538.9 MPa，多枚空心螺釘術式內固定的最大應力為650.0 MPa，兩者的差值為111.1 MPa，兩者的應力較大區域均出現在骨折斷端及內固定的尾部，應力云圖見圖10。空心螺釘聯合同種異體腓骨術式的骨組織內部和內固定的最大應力分布位置與多枚空心螺釘術式無明顯差異，但骨組織內部和內固定的最大應力值均比多枚空心螺釘術式小。

圖9 骨組織內部應力云圖

圖10 內固定應力云圖

3 討論

穩定的股骨頸骨折內固定構型能有效的重建股骨頸內部的應力傳導，避免應力集中，降低骨組織及內固定需要承受的最大應力。一旦發生應力集中，骨組織和螺釘承受的應力超過其屈服強度，將發生骨組織被切割和斷釘等現象。

雖然空心螺釘聯合同種異體腓骨術式與多枚空心螺釘術式的股骨頭頸部皮質的最大應力和位移及骨組織內部和內固定的最大應力分布位置無明顯差異，但空心螺釘聯合同種異體腓骨術式的股骨頭頸部皮質的最大應力和位移及骨組織內部和內固定的最大應力均比多枚空心螺釘術式小，說明空心螺釘聯合同種異體腓骨內固定構型能更好地重建股骨近端的應力傳導，使骨組織和內固定整體結構的應力相對分散，骨組織和內固定需要承受的最大應力更小，失效可能性低，具有更好的力學穩定性。

結合以上研究結果，本研究認為空心螺釘聯合同種異體腓骨術式固定股骨頸骨折的力學穩定性優于多枚空心螺釘術式，能夠為股骨頸骨折愈合提供良好的力學穩定性。同時同種異體腓骨具有力學支撐作用及生物相容性，股骨頭壞死發生后能提供有效的力學支撐，預防股骨頭的塌陷，腓骨的生物相容性能促進壞死的修復，因此空心螺釘聯合同種異體腓骨術式為較理想的股骨頸骨折內固定術式。

本研究的優勢：既往的髖部生物力學研究，進行髖關節三維有限元模型建立時，常常忽略關節軟骨、韌帶、肌肉對關節應力的影響；也未對骨盆進行建模，直接將力加載在股骨頭上，無法真實的反應髖部的應力及股骨頭的受力點［23］。本研究對上述問題進行了改良，使力學結果更加接近實際，對臨床應用更具有指導意義。其次，以往對股骨頸骨折的力學研究著重于尋求更加穩定的內固定構型，避免內固定失效，忽略股骨頸骨折術后繼發股骨頭壞死的防治［24］。本研究應用腓骨替代一枚空心螺釘，建立空心螺釘聯合腓骨的全新內固定構型，既保證了股骨頸骨折固定的力學穩定性，股骨頭壞死發生后又能提供有效的力學支撐預防壞死股骨頭塌陷，同時解決了股骨頸骨折固定和股骨頭壞死的防治問題，本術式具有較好的臨床推廣意義。

本研究的局限性：本研究只對股骨頸骨折的一種常見類型進行了分析，未對股骨頸骨折的各種分型進行系統性的分析；同時，本研究在進行空心螺釘聯合同種異體腓骨術式及多枚空心螺釘術式固定股骨頸骨折手術模擬時，假設股骨頸骨折已獲得理想的解剖復位，尚缺乏對未獲得解剖復位情況下生物力學穩定性的研究，對臨床的參考尚存在一定的局限性，在進一步的研究中，筆者將對上述內容深入探討。