三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析.doc

www.CRTER.org夏志锋，等.三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析夏志锋，梁 明，李亚峰，曾冠楠(郑州大学附属郑州中心医院骨科，河南省郑州市 450000)引用本文：夏志锋，梁明，李亚峰，曾冠楠. 三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析J.中国组织工程研究，2016，20(31): 4630-4636.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.010 ORCID: 0000-0003-0662-0270(夏志锋)文章快速阅读：有限元法分析股骨颈骨折3种内固定方式的生物力学特征夏志锋，男，1965年生，河北省故城县人，汉族，1988年新乡医学院毕业，副主任医师，主要从事创伤骨科方面的研究。中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)31-04630-07稿件接受：2016-04-24选泽身体健康的29岁男性志愿者1名，体质量69 kg，身高176 cm，CT扫描及拍片检查无髋部骨骼无异常有限元分析结果：对于Pauwels型骨折，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他2种建立内固定材料模型，包括空心拉力螺钉、空心螺钉及股骨近端锁定钢板建立股骨近端锁定钢板模型建立全螺纹空心螺钉模型建立股骨颈骨折内固定模型建立2枚拉力螺钉模型建立股骨有限元模型 文题释义：空心螺钉内固定：即将3枚螺钉以“品”字形置入股骨颈，具有比较好的抗剪和抗扭效果，适合于关节没有退变、骨折移位比较小的股骨颈骨折，操作简单，损伤比较小，对血运的破坏不大，不断成为内固定的主要选择，有研究发现空心螺钉内固定稳定性好，但术后骨折愈合时间长，容易出现内固定松动以及股骨头坏死，术后翻修率比髋关节置换高。侧方钢板内固定：具有手术快，术中创伤小等优点，并可以减少术后并发症，和空心螺钉比较，侧方钢板内固定手术时间和失血量和空心螺钉内固定无差异，但术后并发症明显低于空心螺钉，采用抗旋螺钉能够改变引起股骨头坏死的不足，侧方钢板内固定的缺点是主钉容易发生断裂，引起手术失败，修复手术过程中所需术野比较大。摘要背景：有限元法在股骨颈骨折中被广泛应用，但对股骨颈骨折不同内固定方式的研究不多。 目的：有限元法分析股骨颈骨折不同固定方式的生物力学特性。 方法：对志愿者股骨进行CT扫描，扫描厚度为0.6 mm，从股骨大转子上方开始进行扫描，扫描数据保存为.DICOM格式。将右侧股骨近端数据导入到Mimics软件，按照Pauwels型骨折截骨。建立2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型3种股骨颈骨折内固定模型，采用三维有限元法分析股骨颈骨折不同内固定方式模型的应力分布、应力集中部位、位移分布以及最大位移情况。结果与结论：2枚拉力螺钉模型的最大应力值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大应力均集中在骨折的内固定端；2枚拉力螺钉模型的股骨最大应力值最大，股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力均集中在股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处；2枚拉力螺钉模型的最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大位移值最小，2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大位移均在股骨头处；2枚拉力螺钉模型的内固定处最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的内固定处最大位移值最小。2枚拉力螺钉模型的股骨头处最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的股骨头处的最大位移值最小；结果表明，对于Pauwels型骨折而言，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他2种内固定方式。关键词：骨科植入物；数字化骨科；股骨颈骨折；有限元分析；内固定；生物力学4631 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 主题词：股骨骨折；有限元分析；内固定器；生物力学；组织工程Finite element analysis of femoral neck fracture with different fixation waysXia Zhi-feng, Liang Ming, Li Ya-feng, Zeng Guan-nan (Department of Orthopedics, Zhengzhou Central Hospital Affiliated to Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, China)AbstractBACKGROUND: Finite element method is widely used in the femoral neck fracture, but the study concerning different fixation methods of femoral neck fracture is not much.OBJECTIVE: To analyze biomechanical properties of different fixation methods for femoral neck fracture using finite element analysis. METHODS: The femur of voluntters was scanned with CT, at thickness 0.6 mm, from the site above the greater trochanter of the femur. Scanning data were saved in .DICOM format. Data of right proximal femur were imported into Mimics software. Osteotomy was performed according to Pauwels I type fracture. Models of two tensile force screws, fully threaded hollow screw and proximal femoral locking plate were established. Three-dimensional finite element method was used to analyze stress distribution, stress concentration position, displacement distribution and maximum displacement in different models of femoral neck fracture with different internal fixation methods. Xia Zhi-feng, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Zhengzhou Central Hospital Affiliated to Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, ChinaRESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum stress value of two lag screws model was biggest. The maximum stress value of fully threaded hollow screw model was minimized. The maximum stresses of two lag screws model, fully threaded hollow screw model and proximal femoral locking plate model all were concentrated in the fixed end of fractures. (2) The femoral maximum stress of two lag screws model was biggest. The femoral maximum stress value of proximal femoral locking plate model was minimized. The femoral maximum stresses of two lag screws model, fully threaded hollow screw model and proximal femoral locking plate model all were concentrated in the medial femoral small rotor near and medial femoral and fixation contact points. (3) The maximum displacement of two lag screws model was biggest. The maximum displacement of fully threaded hollow screw model was minimized. The maximum displacement of two lag screws model, fully threaded hollow screw model and proximal femoral locking plate model all was in the femoral head. (4) The maximum displacement value of two lag screws model fixed place was biggest. The maximum displacement value of fully threaded hollow screw model fixed place was minimized. The maximum displacement value of two lag screws model was biggest at femoral head. The maximum displacement value of fully threaded hollow screw model was minimized at femoral head. (5) Results showed that the treatment effect of fully threaded hollow screw on Pauwels I fractures was better than other two fixation methods.Subject headings: Femoral Fractures; Finite Element Analysis; Internal Fixators; Biomechanics; Tissue EngineeringCite this article: Xia ZF, Liang M, Li YF, Zeng GN. Finite element analysis of femoral neck fracture with different fixation ways. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(31):4630-4636.4631ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction股骨颈骨折是一种常见的骨折类型，在中老年人中比较多发，股骨颈处于松质骨和密质骨交界处，结构细小，负重大，加上岁数大的患者骨质疏松，因此在内外力的作用下，容易发生骨折，骨折如果损伤附近的动脉，容易引起股骨头的缺血坏死1，股骨颈骨折有许多种，一般采用手术治疗，手术治疗不仅可以降低术后并发症，提高疗效，还可以提高患者的生活水平。股骨颈骨折的修复方式包括内固定和人工关节置换2-5。其中内固定又包括多根螺纹加压钉固定、滑移式内固定、三刃钉类内固定和多根针类内固定等多种方式，三刃钉类内固定是最早的内固定方式，因其可能会影响血运，不易控制旋转移位，抗张强度和抗压强度欠佳等不足，使其在临床中被淘汰；多根针内固定固定强度欠佳，有退钉退针现象发生；滑移式内固定可以弥补多根针固定的不足，但操作难度较大；多根螺纹加压钉稳定性好，操作简单，损伤小，在股骨颈骨折中得到广泛应用。有限元法是一种力学研究方法，在骨外科领域被逐渐广泛应用，极大的促进了骨折外科的生物力学研究的发展，股骨生物力学的研究已经有很多年的历史了，传统的力学研究方法不便于直接应用于人体，有限元分析为股骨生物力学的研究提供了新的方法。在股骨颈骨折中被广泛应用，但有限元法对股骨颈骨折不同固定方式的研究不多。文章通过建立2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型3种股骨颈骨折内固定模型，采用三维有限元法分析股骨颈骨折不同内固定方式模型的应力分布、应力集中部位以及位移分布和最大位移情况，为临床股骨颈骨折的内固定修复提供力学依据。1 对象和方法 Subjects and methods 1.1 设计 三维有限元分析实验。1.2 时间及地点 于2013年3月至2014年9月在郑州大学附属郑州中心医院实验室完成。1.3 材料1.3.1 设备 CT机由郑州大学附属郑州中心医院放射科提供；宏碁笔记本电脑1台，计算机工作站为Windows 7 Home操作系统。1.3.2 软件 Mimics 10.0 软件(比利时 Materialise 公司)，Geomagic Studio 11(美国Geomagic公司)，交互式计算机辅助设计与计算机辅助制造软件(法国Dassault Systemes S.A公司)，Hypermesh 10.0 (美国Altair公司)，Ansys 12.0 (美国ANSYS公司)。1.3.3 内固定材料 空心拉力螺钉、股骨近端锁定钢板等由Stryker公司提供。材料属性见表1。表1 材料属性Table 1 Material properties材料弹性模量(MPa)泊松比钛合金195 5000.30松质骨1 5800.28皮质骨16 8500.281.4 对象 选择身体健康的29岁男性志愿者1名，体质量69 kg，身高176 cm，无遗传病及慢性病史，无手术和外伤史，CT扫描及拍片检查无髋部骨骼无异常。患者知情并且同意。1.5 方法1.5.1 建立内固定材料模型空心拉力螺钉：设计空心拉力螺钉长8.5 cm，直径0.6 cm，空心部分直径0.2 cm，螺纹长0.2 cm，位于螺钉远端。将数据进行全真模拟并计算，以.iges格式保存输出。空心螺钉：设计为长8.5 cm，直径0.7 cm，空心部分直径0.2 cm，近端螺纹长3.2 cm，为松质骨螺纹，远端螺纹长2.4 cm，为松质骨螺纹，中部螺纹长2.4 cm，为皮质骨螺纹。将数据进行全真模拟并计算，以.iges格式保存输出。股骨近端锁定钢板：钢板长1.8 cm，厚0.8 cm，钢板上3个锁定孔，下方1个，上方2个，克氏针孔位于锁定孔上，3枚锁定螺钉，其中1枚长9.5 cm，直径0.6 cm，为全螺纹螺钉，另外2枚长8.8 cm，直径0.55 cm，螺纹长2 cm，位于螺钉远端，螺钉为松质骨半螺纹螺钉，3枚螺钉的中空部分直径均为0.2 cm。将数据进行全真模拟并计算，以.iges格式保存输出。1.5.2 建立股骨有限元模型 CT对志愿者股骨进行扫描，扫描厚度为0.6 mm，从股骨大转子上方开始进行扫描，扫描数据保存为.DICOM格式。将右侧股骨近端数据导入到Mimics软件，设置阈值，分割图像，以.stl格式保存，将.stl格式数据导入Geomagic软件，通过光滑处理，按照Pauwels型骨折截骨，进行曲面拟合，保存为.iges格式，见图1。图1 股骨模型Figure 1 Femoral model1.5.3 建立2枚拉力螺钉模型 将骨折用2枚空心钉固定，2枚空心钉上下平行，建立拉力螺钉模型。1.5.4 建立全螺纹空心螺钉模型 将3枚全螺纹空心螺钉呈“倒品字”固定股骨颈骨折，并建立全螺纹空心螺钉模型。1.5.5 建立股骨近端锁定钢板模型 股骨近端锁定钢板上面螺钉为锁定拉力螺钉，按照和骨折线垂直的方向植入，锁定钢板下方螺钉用全螺纹螺钉，螺钉顶端靠近股骨头的顶端，并建立股骨近端锁定钢板模型。1.5.6 建立股骨颈骨折内固定模型 将股骨模型和3种内固定模型导入到Hypermesh软件，进行装配，然后导入Ansys软件进行分析处理，建立股骨颈骨折内固定的三维有限元模型。1.5.7 机械特性设置 股骨头松质骨的弹性模量分别为850 MPa，股骨头松质骨的泊松比设置为0.3，股骨颈松质骨的弹性模量分别为630 MPa，股骨颈松质骨的泊松比都设置为0.30，股骨转子间松质骨的弹性模量分别为270 MPa，股骨转子间松质骨的泊松比都设置为0.3。股骨皮质骨的弹性模量分别为17 000 MPa，股骨皮质骨的泊松比都设置为0.3，钛合金的弹性模量分别为110 000 MPa，钛合金的泊松比都设置为0.35，不锈钢的弹性模量分别为185 000 MPa，不锈钢的泊松比都设置为0.3。1.5.8 载荷的施加设置 股骨颈骨折接触面的摩擦系数设为0.23，将股骨远端在X轴、Y轴和Z轴上的位移设置为0，在股骨头和髋臼接触的地方施加580 N轴向应力，应力沿轴向向下。1.6 主要观察指标 三维有限元法分析股骨颈骨折不同内固定方式模型的应力分布、应力集中部位、位移分布以及最大位移情况。 2 结果 Results 2.1 不同内固定模型的应力分布情况 2枚拉力螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的应力分布比较集中，全螺纹空心螺钉模型的应力分布比较分散，其中2枚拉力螺钉模型的最大应力值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大应力均集中在骨折的内固定端，见表2。表2 内固定模型的最大应力值及应力集中部位Table 2 The maximum stress and stress concentration area of models of internal fixation项目2枚拉力螺钉模型全螺纹空心螺钉模型股骨近端锁定钢板模型最大应力值(MPa)141.2328.34119.76应力集中部位骨折内固定端骨折内固定端骨折内固定端2.2 不同内固定模型股骨的应力分布情况 2枚拉力螺钉模型股骨应力分布比较集中，全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的股骨应力分布相对比较分散。其中2枚拉力螺钉模型的股骨最大应力值最大，股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力均集中在股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处，见表3。2.3 不同内固定模型的最大位移分布情况 由表4可以看出，2枚拉力螺钉模型的最大位移值最大，其次为股骨近端锁定钢板模型，全螺纹空心螺钉模型的最大位移值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大位移均在股骨头处。表3 内固定模型的股骨最大应力值及应力集中部位Table 3 The maximum stress and stress concentration area of the femur of models of internal fixation项目2枚拉力螺钉模型全螺纹空心螺钉模型股骨近端锁定钢板模型最大应力值(MPa)31.2516.2314.52应力集中部位股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处表4 内固定模型的最大位移值及最大位移部位Table 4 The maximum displacement and maximum displacement area of models of internal fixation项目2枚拉力螺钉模型全螺纹空心螺钉模型股骨近端锁定钢板模型最大位移值(mm)1.511.351.42最大位移部位股骨头处股骨头处股骨头处2.4 不同内固定模型内固定处的最大位移情况 由表5可以看出，2枚拉力螺钉模型的内固定处最大位移值最大，其次为股骨近端锁定钢板模型，全螺纹空心螺钉模型的内固定处最大位移值最小，明显小于前两种。表5 内固定模型内固定处及股骨头处的最大位移值 (mm)Table 5 The maximum displacement value of the femoral head and internal fixation site of models of internal fixation部位2枚拉力螺钉模型全螺纹空心螺钉模型股骨近端锁定钢板模型内固定处1.550.381.43股骨头处1.160.811.052.5 不同内固定模型股骨头处的最大位移情况 由表5可以看出，2枚拉力螺钉模型的股骨头处最大位移值最大，其次为股骨近端锁定钢板模型，全螺纹空心螺钉模型的股骨头处的最大位移值最小。3 讨论 Discussion随着人口的老龄化，骨折的发生率越来越高6，股骨颈骨折是老年人中常见的骨折类型，骨质疏松是股骨颈骨折的主要原因7，骨质疏松可以引起骨骼的强度降低，导致股骨颈的结构强度有所下降，容易引起骨折的发生。目前股骨颈骨折的分型有Garden和Pauwel两种分型方法，但这两种治疗方法对于治疗囊内骨折的效果不太理想8-9，由于不同分型标准存在误差10，也有人建议将其分为移位型股骨颈骨折和非移位型股骨颈骨折。股骨颈骨折的治疗有多种方法：非手术治疗：4637ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAHBA图2 右股骨颈骨折空心钉内固定前后X射线片Figure 2 X-ray films of a patient with right femoral neck fracture after hollow screw fixation图注：图A为右股骨颈骨折修复术前正位片；B为右股骨颈骨折空心钉内固定后正位片。对于无法进行手术治疗，或者不能耐受手术的轻型骨折可以采用非手术治疗的方法11。手术治疗：手术治疗包括骨瓣移植、内固定治疗和髋关节置换等，对于老年患者的治疗，需进行综合评估12，有研究发现股骨颈骨折术后患者的死亡率高13-14，部分患者需要二次手术15。其中股骨颈骨折的内固定损伤比较小，手术操作简单，临床应用比较广泛，对于需要内固定治疗的患者应尽早手术，降低股骨头坏死等的发生率16，但也有研究认为股骨颈骨折的手术早晚和股骨头坏死的发生率没有明显关系17，常用的固定方式有空心螺钉内固定和侧方钢板内固定等。空心螺钉内固定是将3枚螺钉以“品”字形置入股骨颈，具有比较好的抗剪和抗扭效果，适合于关节没有退变、骨折移位比较小的股骨颈骨折，操作简单，损伤比较小，对血运的破坏不大，不断成为内固定的主要选择，有研究发现空心螺钉内固定稳定性好(图2)，但术后骨折愈合时间长，容易出现内固定松动以及股骨头坏死，术后翻修率比髋关节置换高18-21。侧方钢板内固定具有手术快，术中创伤小等优点，并可以减少术后并发症，和空心螺钉比较，侧方钢板内固定手术时间和失血量和空心螺钉内固定无差异，但术后并发症明显低于空心螺钉22，采用抗旋螺钉能够改变引起股骨头坏死的不足23，侧方钢板内固定的缺点是主钉容易发生断裂，引起手术失败，手术过程中所需术野比较大24-25。髋关节置换可以减少术后并发症，二次手术比例低，能够缓解术后疼痛，降低死亡率26，以往全髋关节置换临床应用不多27-28，主要以半髋关节置换为主29-33，随着技术的发展，近年来在临床中也被广泛应用34-37。临床医生应根据骨折的具体情况选择合适的修复方式。三维有限元分析作为一种力学分析方法，近年来在骨科领域广泛应用，三维有限元可以弥补普通实验成本高、周期长、重复性比较差等缺陷，能够全面完整的分析骨骼的生物力学变化特点。并且传统的生物力学研究方法不便于直接用于人体骨骼的研究，而三维有限元分析作为一种新的方法，可以直接对人体骨骼进行模拟研究。在股骨方面，三维有限元应用也比较广泛：对股骨应力的分析：黄梦全38对股骨骨折的应力进行三维有限元分析，钟砚琳等39及袁平等40对膝关节的应力进行了三维有限元分析。预测骨折的好发部位以及骨折的发生危险：三维有限元分析可以预测骨折的好发部位以及骨折的发生风险。指导设计和改进股骨内置物：三维有限元分析可以指导设计和改进股骨假体41-42，并可以指导设计和改进股骨骨折内固定物：可以通过建立股骨骨折内固定模型，对其进行应力和位移分布，从而对股骨骨折内固定物提出改进和设计意见43。对修复方式进行评价和改进：三维有限元法可以建立股骨骨折的不同修复方式模型，通过生物力学分析，为临床股骨骨折修复提供生物力学依据44。文章通过建立2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型3种股骨颈骨折内固定模型，三维有限元分析股骨颈骨折不同内固定方式模型的应力分布、应力集中部位以及位移分布和最大位移情况，结果发现，2枚拉力螺钉模型的最大应力值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大应力均集中在骨折的内固定端。2枚拉力螺钉模型的股骨最大应力值最大，股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力均集中在股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处。2枚拉力螺钉模型的最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大位移值最小，2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大位移均在股骨头处。2枚拉力螺钉模型的内固定处最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的内固定处最大位移值最小，明显小于前两种。2枚拉力螺钉模型的股骨头处最大位移值最大，其次为股骨近端锁定钢板模型，全螺纹空心螺钉模型的股骨头处的最大位移值最小。由此可见，对于Pauwels型骨折，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他2种内固定方式。作者贡献：夏志峰负责实验设计，夏志峰、曾冠楠负责实验实施，梁明负责实验评估，夏志峰、李亚峰负责资料收集，夏志峰成文，梁明审校。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：试验方案经郑州大学附属郑州中心医院伦理委员会批准，试验方案已经患者/家属知情同意。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 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