不同內(nèi)固定方式對股骨近端應(yīng)力分布的影響

股骨頸骨折是一種常見的臨床損傷。目前，首選的治療方案是手術(shù)恢復(fù)和內(nèi)固定。由于股骨頸及其臨近的解剖關(guān)系復(fù)雜,因此內(nèi)固定螺釘?shù)墓潭ń嵌?、螺釘?shù)量和組合方式對骨折端的應(yīng)力分布具有重要影響,并成為決定骨折愈合進程和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。盡管這一問題很久以前就引起臨床的關(guān)注,但以何種角度固定、多少根螺釘、螺釘怎樣組合最有利于骨折愈合至今仍無定論。國外有學(xué)者提出低角度進針的觀點,國內(nèi)則多采用沿股骨頸軸線方向或按照器械生產(chǎn)廠商操作規(guī)程來固定,這些方案甚至沒有考慮骨折線角度這一重要因素,因此只能是經(jīng)驗性的總結(jié)而缺乏科學(xué)的論證。近年來多釘內(nèi)固定較為常用,然而選用幾根螺釘、怎樣進行螺釘?shù)目臻g組合才能獲得最好的固定效果仍缺乏系統(tǒng)的研究。有限元分析法是近年來研究生物力學(xué)問題的一個新手段,本文擬用該方法分析不同固定方式與骨折面應(yīng)力分布的關(guān)系及其影響規(guī)律,以最有利于骨折愈合的應(yīng)力分布特點為目標(biāo)尋找最佳固定方式,以期為臨床治療股骨頸骨折提供可靠的理論依據(jù)。1建模和計算1.1建模1.1.1pauwdls角的選擇根據(jù)臨床股骨頸骨折常見的情況和對股骨近端模型有限元初步分析結(jié)果確定骨折模型為骨折線在股骨頸中間部位的經(jīng)頸型骨折,Pauwel′s角設(shè)為50°,固定角度(θ角)為緊固螺釘與垂線的夾角(圖1)。本研究在臨床可操作的范圍內(nèi)選取7種θ角,分別為30°、34°、38°、43°、50°、55°、60°。不同固定方式下螺釘?shù)目偨孛婷娣e相等,單釘固定時的螺釘直徑選取8mm,兩釘時為6.48mm,三釘時為4.62mm,長度控制在距股骨頭皮質(zhì)骨下5mm左右。1.1.2實體建模與模型建立以成人正常股骨標(biāo)本為參照,截取含股骨頭、股骨頸的股骨近端150mm。采用LSH600三維激光測量儀進行測繪,結(jié)合游標(biāo)卡尺和角度尺獲得股骨近端的解剖特征數(shù)據(jù),在Pro/ENGINEER軟件下完成實體建模,在不影響計算結(jié)果的情況下對模型進行簡化,并建立不同角度下的計算模型。頸干角選取127°,為模擬人單腿站立時的情況,股骨干與矢狀面的夾角取10°。1.1.3彈性材料的選取分析軟件選用ANSYS5.7,單元類型選取三維四面體10節(jié)點單元(solid92),研究假定骨為各向同性的線彈性材料,皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、緊固螺釘?shù)膹椥阅Ａ?N/mm2)分別選取16800、840、206000,伯松比分別選取0.3、0.2、0.3。1.2計算1.2.1靜態(tài)受力分析在有限元計算允許和不影響最終結(jié)論的前提下進行計算前的假設(shè):骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài);螺釘和骨之間無相互錯動;螺釘強度足夠大,不會發(fā)生斷裂;單腿站立狀態(tài)緩步行走可認(rèn)為是靜態(tài)受力,因此按單腿站立時的狀況分析。受力大小約人體重的2.75倍,按2000N計算。對股骨干下端面進行約束,限制X、Y、Z向的位移。扭轉(zhuǎn)時的受力情況模擬提腿時的狀態(tài),限制股骨頭的位移,對股骨干施加縱向的沖擊力,大小設(shè)為1000N。1.2.2單視頻居民身份證計算第一步對單釘固定時的7種固定角度的骨折模型按單腿站立狀態(tài)進行計算,找出最佳固定角度;第二步按該最佳固定角度分別建立多釘內(nèi)固定時的計算模型并分別按照單腿站立和受扭時的情況進行計算。1.2.3螺釘受力的測定,當(dāng)造林(1)A整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性:載荷作用下股骨頭會發(fā)生位移變化,位移越小說明固定后的穩(wěn)定性越好、抗變形能力越強。(2)緊固螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力:相同載荷作用下緊固螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力越小,則螺釘?shù)某休d能力越強。(3)結(jié)合面的張開位移:假定結(jié)合面完全斷裂,載荷作用下結(jié)合面的上端會產(chǎn)生微小的張開位移。如果張開位移過大將影響骨折的愈合。(4)固定方式的抗扭性:不同固定方式的抗扭轉(zhuǎn)能力各部相同,在相同扭轉(zhuǎn)力情況下的縱向位移越小則說明該固定方式的抗扭性越好。綜上所述,以相同載荷下最大位移(USUM),結(jié)合面的最大張開位移(L,見圖3示意),緊固螺釘?shù)淖畲驧ises應(yīng)力(VON)和相同扭轉(zhuǎn)力下的最大縱向位移(UZ扭)為指標(biāo)評價不同固定角度下的力學(xué)特征。2結(jié)果與分析2.1單釘計算2.1.1陽性氣動物的致不同θ角下應(yīng)力分布和位移變化的趨勢基本一致,USUM、L、VON的變化曲線見圖2。圖3是θ角為50°時的綜合位移等值線圖及該角度下緊固螺釘?shù)腗ises應(yīng)力等值線圖。2.1.2股骨頸骨折固定后螺釘?shù)姆€(wěn)定性θ角在30°～55°之間時,USUM的數(shù)值在一定范圍內(nèi)波動,當(dāng)θ角為50°時,達到最小,說明當(dāng)骨折線Pauwel′s角為50°時,單從位移角度考慮θ角為50°時效果最佳。當(dāng)θ角為60°時,固定后的股骨頸穩(wěn)定性明顯下降。股骨頸骨折固定后緊固螺釘是主要的傳力部件,從計算結(jié)果可知,受載時緊固螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力發(fā)生在與骨折面重合的截面上側(cè)。螺釘?shù)纳隙顺惺芾瓚?yīng)力,下端承受壓應(yīng)力,上端的拉應(yīng)力大于下端的壓應(yīng)力。緊固螺釘?shù)目箟耗芰Υ笥诳估芰?因此該截面的上端是螺釘?shù)奈ｋU部位。由于骨折面是完全斷裂的,當(dāng)股骨頭受到髖關(guān)節(jié)的壓力時,其上端會產(chǎn)生微量的張開位移。θ角在30°時到55°之間時,VON、L隨固定角度的增加其變化趨勢基本一致,無明顯差別。當(dāng)θ角為50°時,VON和L值最小,說明是最佳固定角度。當(dāng)θ角為60°時VON和L明顯增大,這一結(jié)果與位移的計算結(jié)果相似。2.2多桿計算2.2.1多釘計算模型的建立根據(jù)第一步的計算結(jié)果可知對于Pauwel′s角為50°的股骨頸骨折,當(dāng)固定角度為50°時的固定效果最佳,因此建立多釘計算模型時螺釘?shù)墓潭ń嵌染创私嵌冉?。臨床應(yīng)用中螺釘數(shù)量一般不超過3根,因此本研究選取兩釘豎放、兩釘斜放(傾斜45°)、兩釘橫放、三釘正△、三釘?shù)埂鞯?種固定方式進行研究(見圖4)。2.2.2計算對多釘不同固定方式分別按單腿站立和受扭狀態(tài)進行計算,不同固定方式下USUM、L、VON和UZ扭的計算結(jié)果見圖5。2.2.3兩釘橫放時多釘固定時的穩(wěn)定性計從圖5中位移分布可以看出,不同固定方式下USUM的值相互差別不明顯,當(dāng)固定方式為單釘固定和兩釘豎放時值均較小,兩釘橫放時最大,其余固定方式下USUM的值介于它們之間。張開位移L和VON的分布趨勢基本相似,當(dāng)固定方式為單釘固定、兩釘豎放和兩釘斜放時它們相差不大,數(shù)值均比較小;當(dāng)為兩釘橫放時的L和VON最大;三釘正倒△固定時的VON介于兩種之間,但L值均很小,其中三釘?shù)埂鞴潭〞r的L值最小。因此單從抗彎、抗張力、穩(wěn)定性等方面來考慮,除兩釘橫放效果最差外,其余固定方式各有其長處。UZ扭在不同固定方式下的分布表明,兩釘豎放固定時的值最大,單釘固定次之,其它固定方式下的UZ扭值相差不顯著,其中三釘固定時的值最小。綜合以上的分析結(jié)果,兩釘豎放固定時的抗扭性較差,而兩釘橫放時的抗張抗彎能力和穩(wěn)定性均較差;單釘固定、兩釘斜放、三釘固定時各參數(shù)值均無很顯著的變化,其中三釘?shù)埂鞴潭〞r的L和UZ扭值均最小,綜合固定效果最好。用兩釘固定時斜放的固定方式抗扭、彎和張力性能均較好。單釘固定時各評價指標(biāo)并不是最差,可見固定效果并不單純隨螺釘數(shù)量的增加而增加,與釘?shù)慕M合方式有密切關(guān)系。3影響股骨頸骨折愈合的因素股骨頸骨折是一種發(fā)病率較高的重度骨損傷,發(fā)生率約占全身骨折的3.6%,尤其多發(fā)生于老年人以及女性等骨質(zhì)較疏松的人群。據(jù)美國整形外科學(xué)會提供的數(shù)據(jù)表明,美國髖關(guān)節(jié)骨折的年發(fā)生率約35萬,預(yù)計到2050年該數(shù)字將上升到65萬。該骨折特點是局部創(chuàng)傷嚴(yán)重、患者骨密度較低、骨斷端的再生修復(fù)條件差。同時由于股骨頸部位動脈分支的解剖學(xué)特點使該部位血供較差,因此股骨頸骨折的愈合通常是比較困難的,骨折不愈合率約為10%～20%,因此精確的解剖復(fù)位和理想的內(nèi)固定成為骨折愈合的首要條件。目前有多種內(nèi)固定方法用于股骨頸骨折,但起核心作用的仍是釘入股骨頸內(nèi)的緊固螺釘。由于股骨頸周圍解剖學(xué)特點和生物力學(xué)機制較為復(fù)雜,因此,緊固螺釘?shù)姆较蚣捌浣M合方式成為決定骨折面應(yīng)力分布的關(guān)鍵,并成為影響骨折愈合的重要因素。股骨頭所承擔(dān)的力是垂直向下的人體重力的一部分,需要沿股骨頸的方向傳遞給大轉(zhuǎn)子及股骨,因此力的方向發(fā)生了變化,這必然導(dǎo)致在股骨頸上應(yīng)力的重新分布。在內(nèi)固定的條件下,應(yīng)力的重新分布規(guī)律受多種因素的影響,包括緊固螺釘?shù)摩冉呛皖A(yù)緊力、不同數(shù)量釘?shù)慕M合方式、骨折端的復(fù)位情況、局部軟組織條件等。以上諸因素中,θ角、釘數(shù)量和組合方式是最重要的因素并可人為調(diào)整,適宜的θ角和合理的組合方式可以使螺釘上下兩部分骨折斷面上的應(yīng)力分布趨于合理,避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的骨吸收和骨愈合受阻,從而獲得更好的臨床治療效果。本研究首先從固定角度出發(fā),計算單釘不同角度固定的固定效果,并優(yōu)化出最佳固定角度。通過有限元分析發(fā)現(xiàn),對于Pauwel′s為50°這種常見的骨折類型,當(dāng)固定角度為50°,無論是位移,還是VON、L的值都最小,如果手術(shù)時能精確把握,該角度固定是最合理的?？梢姴⒉皇枪潭ń嵌仍叫≡胶?固定角度和骨折角度存在著一定的內(nèi)在關(guān)系,但具體關(guān)系需要通過對不同骨折角度下的內(nèi)固定模型進行分析。本文在多釘計算時均按此最佳角度,結(jié)果表明當(dāng)固定方式為單釘固定、兩釘豎放和兩釘斜放時各指標(biāo)數(shù)值均比較小,且相互差別不顯著;而兩釘橫放時各參數(shù)值明顯加大,釘Mises應(yīng)力和L的變化明顯;三釘固定時L的值均很小,倒△固定時的L值最小?？古ば缘挠嬎憬Y(jié)果表明,兩釘豎放時的抗扭性最差,其余固定方式相差不顯著,其中三釘固定時抗扭性最好。以上結(jié)果提示,兩釘橫放時除抗扭性較好外其余指標(biāo)均比較差,建議臨床上應(yīng)盡量避免采用該固定方式,而兩釘豎放時除抗扭性差外其余指標(biāo)均比較好,如果在愈合的前期能避免股骨受扭,也不失為一種合理的固定方式。三釘固定時各評價指標(biāo)均比較理想,其中倒放時的效果最好?？梢?在固定螺栓數(shù)量確定的情況下,合理安排組合形式將是非常重要