对不同构型空心拉力钉影响PauwelsⅢ型股骨颈骨折稳定性的有限元分析.pdf

骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .:./.作者单位:山东省泰安市第一人民医院骨科(陈纪宝、管士伟、庞涛 周峰、赵爱娜)泰安 山东第一医科大学附属第二医院消化科(盈梅、周磊)通信作者:盈梅:.临床研究对不同构型空心拉力钉影响 型股骨颈骨折稳定性的有限元分析陈纪宝 管士伟 庞涛 周峰 赵爱娜 盈梅 周磊【摘要】目的 采用三维有限元方法对 种不同空心拉力螺钉构型治疗 型股骨颈骨折的稳定性进行分析 方法 选择来自山东省泰安市第一人民医院骨科的 名 岁健康男性志愿者行股骨近端 薄层扫描利用医学三维重建软件 .、软件、软件建立 型股骨颈骨折三维模型 构建三种不同排布方式的内固定空心螺钉固定模型:三枚空心螺钉倒三角平行植入(模型)三枚空心螺钉倒三角头端外展植入(模型)和三枚空心螺钉倒三角头端内聚植入(模型)在 .有限元软件中进行不同模型应力大小的数据计算分析各模型中股骨颈骨折断端及股骨近端应力分布情况、应力值大小和不同平面的位移情况从而分析不同类型固定情况下骨折断端的稳定性 结果 模型 中股骨颈骨折远近端应力差值最大模型 最小 模型中股骨头可承受压力最小模型与模型 无明显差距 模型 中内固定物平均应力随压力增加其应力增加幅度最小 不同压力条件下模型 在不同轴线的位移较其他两种模型小 结论 枚空心螺钉不同构型植入治疗 型股骨颈骨折时外展植钉分布表现出来良好的支撑、抗内翻、抗旋转应力作用但滑动加压作用较平行植钉时差内聚植钉时骨折整体稳定性最差 因此空心钉治疗股骨颈骨折时并非必须平行植入但应避免螺钉内聚型植入【关键词】股骨颈骨折 内固定器 有限元分析 生物力学现象 螺钉 .:.【】.骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .【】股骨颈骨折是临床中常见的骨折约占全身骨折的.占髋部骨折的 对年龄 岁的股骨颈骨折患者首选内固定治疗 岁的患者可根据身体情况选择治疗方式 在内固定治疗中三枚空心加压螺钉()的倒品字型固定为主要治疗方案 该固定方式能够最大限度地降低骨不连和股骨头缺血坏死等并发症的发生 等研究发现多枚空心拉力螺钉治疗垂直剪切型股骨颈骨折具有创伤小、失血量少、恢复快等优点 另外 等利用三维有限元分析发现等腰三角形是最佳构型同时螺钉位置、角度、钻孔的频率都会影响固定骨折的机械强度 虽然空心拉力螺钉通过持续加压可以促进骨折愈合但是也容易导致术后发生股骨颈短缩从而造成术后股骨颈短缩及内翻畸形 因而 等对平行置钉提出质疑通过回顾性分析股骨颈骨折使用非平行分散空心钉固定推测平行置钉不是必要的 同时平行植钉存在反复多次钻孔的情况破坏了股骨外侧皮质患者术后容易出现股骨粗隆下骨折 因而股骨颈骨折非平行置钉越来越被认可 本研究基于临床实践设计了三种关于三枚空心钉不同角度倒三角置钉的有限元模型以通过有限元生物力学分析明确不同植钉角度下倒三角植钉方式对骨折稳定性的影响资料与方法一、资料来源来自山东省泰安市第一人民医院骨科的 名 岁健康成年男性志愿者体重 获取其股骨近端原始 数据(层厚.)并经 线检查未见髋关节发育异常 志愿者对实验知情同意并签署知情同意书 试验经山东省泰安市第一人民医院医学伦理委员会审核通过二、方法.股骨三维模型构建:采用 排螺旋 对股骨近端进行扫描得到二维横断图像(层厚.)将 图像()格式文件输出至医学三维重建软件 .、软件构建得到股骨松质骨与皮质骨的三维模型(采用等距方法建立股骨皮质骨定义皮质骨厚)在 软件中通过组合建立出皮质骨和松质骨结构重建出符合人体结构的股骨模型.型股骨颈骨折模型:将股骨模型整合到 软件中创建 型股骨颈骨折模型(模拟骨折线与股骨颈长轴呈约角).内固定模型的建立:使用 软件建立拉力螺钉模型(长度 、直径.)将空心钉内固定模型与股骨颈骨折模型分别组合形成 种组合模型 枚空心螺钉倒三角平行植入(模型)枚空心螺钉倒三角头端外展植入(模型)枚空心螺钉倒三角头端内聚植入(模型)(图)将螺纹截面简化为实心圆柱体以简化模型 螺钉由钛合金材料组成 将完整的模型导入到 .软件中进行材料属性赋予、建立坐标系、边界条件约束、载荷分配和网格划分 装配体由四面体单元划分网格 实验假设所有模型均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料材料参数见表.边界条件:为模型人体在站立时期的状态股骨远端下表面被完全固定 在有限元模型中于股骨头的中心分别施加相当于人体重量 倍、倍、倍的力量即 、从而模拟人站立、行走、单足站立时的受力情况 同时固定股骨头端于股骨远端给予 的扭矩模拟人体在卧床期间外旋下肢时的受力情况 根据以往研究中的接触方法设定接触关系在内固定螺钉和股骨骨折远端之间形成绑定接触在内固定螺钉和股骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .图 种内固定装置模型结构示意 枚空心螺钉倒三角平行植入(模型)枚空心螺钉倒三角头端外展植入(模型)枚空心螺钉倒三角头端内聚植入(模型)表 有限元模型材料参数项目钛合金股骨皮质骨 股骨松质骨弹性模量()泊松比.骨骨折近端之间形成摩擦接触摩擦系数为.在骨折表面上使用摩擦接触摩擦系数为.在模型中新建坐标系改坐标系 轴平行于股骨颈轴线方向 轴为股骨颈矢状位(图).观察指标:在有限元软件中模拟相同应力下通过不同模型中的股骨颈骨折远近端、股骨转子区域、内固定物的应力分布值评估不同固定类型下相同骨折的应力稳定性 分析股骨头顶端及底端、大转子及小转子、内固定远近端在应力作用下在、位移情况评估不同固定类型对骨折位移稳定性的影响(图).统计学处理:采用 .软件进行统计学分析 计量资料采用重复测量方差分析结 果.股骨近端应力分布及峰值:股骨颈骨折 种内固定模型中股骨颈骨折端应力峰值均集中在骨折线内下侧靠近股骨距附近且骨折远端应力较骨折近端应力大股骨近端应力在股骨转子下内侧股骨区域受力较大 骨折端应力及股骨近端应力随着压力的增加也随之增加其中模型 股骨颈骨折远近端的应力差最大与其余模型相比有统计学意义(.)在模型 中可见股骨近端的应力增加较其余两者大(图、表).内固定装置应力分布及峰值:股骨颈骨折 种内固定模型内固定装置的应力峰值主要集中在骨折线附近的螺钉表面且随着受力的增加内固定物的应力随之增大模型 螺钉所受应力较小且均匀 模型、模型 中拉力螺钉的应力略大 模型 内聚下植钉时内固定螺钉的应力最大但与是否平行植钉无相关性与其余模型相比差异有统计学意义(.)(图、表)种模型中应力主要集中在骨折线附近的螺钉区域模型 随着受力的增加内固定物的应力增加较其余两者明显 模型 骨折端的应力差值较小模型 骨折端的应力差值较大 个模型间位移相比差异有统计学意义(.).股骨头顶端及底端、大转子及小转子在、位移骨折端位移情况:型股骨颈骨折 种内固定模型的股骨在、轴方向位移峰值主要集中在股骨头顶端 模型 在不同压力下骨折端在 轴、轴及 轴方向整体位移最小与其余模型相比差异有统计学意义(.)随着压力的增加模型 在 轴及 轴方向的位移增加较其他两者较大而模型 则在 轴方向的位移增加明显与其余模型相比差异有统计学意义(.)在 外旋力的作用下模型 大转子与小转子间在 轴方向的位移差值较小 种内固定模型的骨折最大位移主要在股骨头顶部 不同压力下模型 空心钉外展位植入时 轴、轴、轴的位移均较小与模型 相比差异有统计学意义(.)(图、表)讨 论随着社会老龄化的不断加快股骨颈骨折呈现骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .上升趋势 股骨颈骨折成为临床中常见疾病对股骨颈骨折手术治疗的研究越来越受到重视其中手术治疗主要包括内固定治疗和髋关节置换两类 目前对于年龄 岁的病人以空心加压螺钉治疗为主 空心加压螺钉固定方式具有创伤小、血供医源性破坏小等优点 另有研究对 例股骨颈骨折患者分析发现年龄和复位质量是影响空心钉内固定治疗股骨颈骨折临床疗效的主要因素而稳定的内固定尤其重要 皮质支撑理念认为贴近皮质的螺钉可以起到更好的支撑作用这与股骨距支撑理论相符合 通过对 例接受正三角形或者倒三角形空心加压螺钉固定的股骨颈骨折患者的临床资料分析发现正三角形构型、骨折移位、复位不良等因素是股骨颈骨折不愈合的危险因素等图 骨折内固定模型、应力施加图以及新建坐标系模型 骨折内固定及新建坐标系模型 股骨头端施加垂直向下应力 固定股骨头以备施加旋转应力 股骨远端施加旋转应力 图 模型应力情况 模型整体应力图 股骨颈骨折远端应力 图 内固定空心螺钉应力情况 平行螺钉应力 外展螺钉应力 内聚螺钉应力骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .图 不同应力条件下位移情况 轴线位移 轴线位移 轴线位移 外旋应力下 轴线位移表 种模型不同压力下股骨受力情况()模型股骨颈骨折远端应力股骨颈骨折近端应力股骨近端应力内固定物应力模型.模型.模型.值.表 种模型不同压力下股骨 轴位移情况()模型股骨头顶端股骨头底端模型.模型.模型.值.表 种模型不同压力下股骨 轴位移情况()模型股骨头顶端股骨头底端大转子小转子模型.模型.模型.值.对 例股骨颈骨折的患者进行研究发现当侧位片上螺钉越分散其固定效果越好并降低了骨不连的发生率 等通过有限元分析发现倒置等腰三角形是最佳置钉构型但钻孔的频率会影响骨折固定的机械强度 倒立、等腰、平行、分散的三角构型是骨折固定的标准因该构型可产生持续应力加压作用即使断端坏死吸收后螺钉也可通过滑动加压传导应力促进骨折的愈合骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .表 种模型不同压力下股骨 轴位移情况()模型股骨头顶端股骨头底端模型.模型.模型.值.表 种模型在外旋应力下股骨 轴位移情况()模型股骨头顶端股骨头底端模型.模型.模型.值.近年来许多空心钉固定构型被认为可能优于传统平行三角形的固定模式如 形置钉、枚螺钉菱形固定 因而平行置钉可能不是必要的 在临床工作中常因平行等腰植钉的要求对股骨颈区域反复穿刺定位不仅增加了手术时间还因反复穿刺钻孔降低了骨折部位内固定的机械强度导致股骨外侧皮质破坏严重而引起股骨粗隆下骨折的发生本研究通过 种 枚空心钉不同角度倒三角置钉的有限元模型发现空心钉外展植入时对骨折断端的支撑作用更强并减少了骨折端的滑动加压作用而平行植入时骨折端的滑动加压作用最大 随着压力增加空心钉内聚植入出现转子下股骨近端骨折的风险较大 股骨颈骨折 种内固定模型内固定装置的应力峰值主要集中在骨折线附近的螺钉表面且随着受力的增加内固定物的应力随之增大 另外 种模型中应力主要集中在骨折线附近的螺钉区域模型 具有良好的分散应力作用 此外内聚下植钉时骨折断端的稳定性最差而外展植钉骨折断端稳定性最好说明骨折的稳定性与是否平行植钉无相关性 种模型中模型 空心钉平行植入其随压力增加骨折端的抗内翻作用减弱可出现骨折断端的内翻畸形 模型 具有较好的抗内翻、抗旋转作用其固定骨折的整体稳定性较好 模型 空心钉内聚植入时随受力的增加其抗旋转能力较差 本实验通过有限元分析方法建立了三种空心加压螺钉植入模型在保证一枚股骨距方向空心钉的前提下三枚螺钉头部保持平行、外展、内聚通过分析来明确不同植钉方向对股骨颈骨折固定的牢靠性 实验结果显示三枚空心加压螺钉头部外展情况下可发挥更好的骨折端应力支撑及抗骨折内翻、旋转及外旋应力的效果对股骨颈骨折治疗具有良好的整体稳定性 其次为三枚空心钉头端平行植入时骨折的稳定性较好 三枚空心钉平行植入时骨折断端滑动加压作用较外展时更好而三枚空心钉头端内聚植入骨折端应力支撑及抗骨折内翻、旋转及外旋应力的效果较其余两种情况差并且空心螺钉的应力较为集中 但分析结果显示三种情况下各应力值及位移值结果间相差不大 因此空心螺钉不同植入方向对股骨颈骨折固定整体稳定性有一定影响螺钉头部内聚对骨折固定的可靠性较差临床中需要规范应用本实验应用有限元分析存在一定的局限性该骨折模型为 型股骨颈骨折但是骨折断端无明显移位为理想状态下的骨折与临床实际有差别 因此本实验只能通过不同模型的应力及位移大小来判断内固定稳定性之间的差别反映的是不同模型对骨折固定稳定性影响的趋势无法反映具体的应力及位移大小 另外本研究主要涉及 型股骨颈骨折且设定的 角为 今后将逐渐完善 型及 型的相关研究 另外有限元分析是在 名正常健康志愿者提供的薄层 的基础上进行模拟股骨颈骨折及不同空心螺钉构型 数据是建模的基础但后期的实验设计是在该标准基础上完成的 同时非平行置钉是否会因滑动加压效果差造成骨折愈合差后期会进一步行体外生物力学及临床回顾性研究等相关系列研究参 考 文 献 .:.:./.周方.股骨颈骨折治疗的热点与创新.中华创伤骨科杂志():.:./.骨科临床与研究杂志 年 月第 卷第 期 .:.():.:./.():.:./.():.:./.:.():.:./.():.:./.():.:./.张迪峰余霄庞清江.股骨颈骨折空心钉内固定有限元分析的研究进展.中国骨科临床与基础研究杂志():.:./.王建光夏勇李玉民等.闭合复位空心钉内固定治疗股骨颈骨折疗效的生物力学分析.北京生物医学工程():.:./.():.:./.():.:./.:.():.:./.王子凡缪佳庆.空心钉 形内固定骨质疏松性 型股骨颈骨折的体外生物力学研究.中国骨与关节损伤杂志():.:./.(收稿日期:)(本文编辑:张朔)(上接第 页)韦永安周继辉陈文瑶等.锁骨远端骨折治疗及内置物的选择.中国组织工程研究():.:.():.:./.:.():.:./.()?.():.:./.():.:./.鲁驷原冯宏伟张建洛等.双带袢钢板技术治疗 型锁骨远端骨折的疗效分析.创伤外科杂志():.:./.:.():.:./.():.:.:.:.:./.姜济世翟云雷黄徐兵等.钢板联合高强度缝线 结固定治疗锁骨远端骨折疗效分析.中国修复重建外科杂志():.:.():.:./().():.:./.(收稿日期:)(本文编辑:秦学军)