吳鋒 葉勁 鄒仲兵

兩種不同方式固定EvansⅢ型股骨粗隆間骨折穩(wěn)定性的有限元分析

吳鋒 葉勁 鄒仲兵

目的通過(guò)有限元方法對(duì)EvansⅢ型股骨粗隆間骨折的動(dòng)力髖螺釘(DHS)和髓內(nèi)釘固定技術(shù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),判斷何種技術(shù)生物力學(xué)更穩(wěn)定,為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。方法以EvansⅢ型股骨粗隆間骨折為研究對(duì)象建立有限元模型模擬單腳站立時(shí)的受載情況,對(duì)兩種不同固定技術(shù)分別進(jìn)行有限元計(jì)算。結(jié)果DHS系統(tǒng)固定,其抗張力性能和抗阻力與髓內(nèi)釘組相當(dāng),而抗壓力性能明顯差于髓內(nèi)釘組,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。結(jié)論DHS系統(tǒng)固定時(shí),其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比髓內(nèi)釘系統(tǒng)差,建議臨床考慮使用髓內(nèi)釘系統(tǒng)。

股骨粗隆間骨折；動(dòng)力髖螺釘；髓內(nèi)釘；生物力學(xué)；有限元分析

隨著老齡化社會(huì)的到來(lái),股骨粗隆間骨折患者越來(lái)越多。股骨粗隆間骨折多發(fā)生于65歲以上的老年人,由于老年人多伴高血壓、糖尿病、骨質(zhì)疏松癥等,給骨科的臨床治療帶來(lái)困難。股骨粗隆間骨折若未得到有效的治療,容易留下髖內(nèi)翻、肢體縮短等后遺癥,甚至因長(zhǎng)期臥床而發(fā)生肺部感染、泌尿系感染等并發(fā)癥。目前對(duì)股骨粗隆間骨折多主張?jiān)缙谑中g(shù)治療[1］。對(duì)于不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折,到底是采用DHS技術(shù)還是髓內(nèi)釘系統(tǒng),哪種生物力學(xué)更為穩(wěn)定,目前仍然在探討中。本文采用有限元分析方法從生物力學(xué)角度評(píng)估DHS技術(shù)與髓內(nèi)釘系統(tǒng)固定不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折的效果,報(bào)告如下。

1 臨床資料

選擇臨床患者1例,男,65歲,體重60 kg。經(jīng)得患者同意參與本試驗(yàn),行X線排除股骨病變、畸形等情況。對(duì)其股骨進(jìn)行飛利浦雙排螺旋CT掃描,每層厚度為1 mm,取得150層,將DICOMG格式的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖像處理軟件Mimics中,通過(guò)閾值分析、像素修補(bǔ)、光滑處理,得到骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)的股骨三維實(shí)體模型。根據(jù)EvansⅢ型三部分骨折對(duì)股骨粗隆間進(jìn)行分割,造成股骨粗隆間骨折EvansⅢ型,得到模型M,根據(jù)滑動(dòng)加壓角鋼板(DHS系統(tǒng))及髓內(nèi)釘設(shè)計(jì)參數(shù)在股骨三維模型軟件中進(jìn)行建模。然后將DHS系統(tǒng)置入粗隆間骨折行布爾運(yùn)算,得到模型B1,髓內(nèi)釘系統(tǒng)置入股骨粗隆間骨折進(jìn)行布爾運(yùn)算得到模型B2。將模型B1、B2防備導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中。進(jìn)行四面體的網(wǎng)路劃分,然后參照相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)材料賦值,皮質(zhì)骨彈性模量16.1 GPa,泊松比為0.3；松質(zhì)骨的彈性模量為450 MPa,泊松比為0.2。假設(shè)內(nèi)固定與股骨的接觸牢靠,不發(fā)生松動(dòng)及移位,骨折端磨察參數(shù)為0.2。對(duì)于股骨下端零移位約束,假定患者60 kg,單足站立著地,給予股骨頭2000 N的壓力,分別在與股骨干成角25°、90°的壓力下進(jìn)行分析。判定兩種內(nèi)固定的穩(wěn)定性。設(shè)定股骨頭最大橫向移位為U1,最大縱向移位為U2,最大下沉移位為U3,骨折端移位為L(zhǎng),其中U1、U2為反映固定系統(tǒng)抗張力及抗扭力,U3、L為反映固定系統(tǒng)抗壓力。

2 結(jié)果

納入本次研究符合要求的患者20例,取得大致相同的結(jié)果。與股骨干分別成角25°及90°,兩者的U1及U2相比相差不大,而U3及L DHS系統(tǒng)明顯高于髓內(nèi)釘系統(tǒng)。而在壓力作用下四組數(shù)據(jù)比較,DHS系統(tǒng)均高于髓內(nèi)釘系統(tǒng)。見(jiàn)圖1,圖2,圖3。

圖1 25°作用下不同固定生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

圖2 90°作用下不同固定生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

圖3 壓力作用下不同固定生物力學(xué)穩(wěn)定性的比較

3 討論

有限元法是對(duì)連續(xù)體力學(xué)及物理問(wèn)題的一種新的數(shù)值求解方法[2］,隨著目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多技術(shù)應(yīng)用于骨科領(lǐng)域,同樣有限元也被廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域,并取得一定的效果。在臨床上,對(duì)于不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折較常見(jiàn),如EvansⅢ型骨折,治療上常需使用伸縮套管樣內(nèi)固定器如髖加壓螺釘或順行髓內(nèi)釘來(lái)達(dá)到解剖復(fù)位及固定。何種內(nèi)固定裝置較好仍有爭(zhēng)議,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為髓內(nèi)釘系統(tǒng)比釘板系統(tǒng)更穩(wěn)定,尤其是對(duì)不穩(wěn)定型轉(zhuǎn)子間骨折更具優(yōu)勢(shì)[3］,與標(biāo)準(zhǔn)的髖加壓螺釘系統(tǒng)相比,髓內(nèi)釘有更好的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì),置入時(shí)暴露少,出血也較少,還可以對(duì)更加粉碎的骨折提供穩(wěn)定的解剖固定,但Gamma髓內(nèi)釘組在釘尾處股骨干繼發(fā)骨折的發(fā)生率為3%～6%[4］。權(quán)日等[5］認(rèn)為,DHS已成為治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)固定物,對(duì)于穩(wěn)定的股骨粗隆間骨折如EvansⅠ型,臨床上采用DHS系統(tǒng)或髓內(nèi)釘系統(tǒng),髓內(nèi)釘系統(tǒng)以Gamma釘及PFNA為代表,兩種固定的療效相差不大。而對(duì)于不穩(wěn)定型股骨粗隆間骨折如EvansⅢ型,本次研究得出數(shù)據(jù)為無(wú)論在與股骨干成25°、90°甚至在壓力下,股骨頭的最大下沉及骨折端移位的數(shù)據(jù),DHS系統(tǒng)均高于髓內(nèi)釘系統(tǒng)。說(shuō)明髓內(nèi)釘系統(tǒng)的穩(wěn)定性比DHS系統(tǒng)的較好。分析原因∶人體負(fù)重時(shí),股骨近端內(nèi)側(cè)承受壓力,外側(cè)承受張力,重力為內(nèi)側(cè)皮質(zhì)向下傳導(dǎo),DHS的重力從股骨近端內(nèi)側(cè)向遠(yuǎn)端外側(cè)傳導(dǎo),而髓內(nèi)釘?shù)闹亓χ饕獋鲗?dǎo)至遠(yuǎn)端鎖定釘處。作用在DHS上的垂直力以及螺釘體部與套筒接觸面積減少,均可提高摩擦阻力,從而引起螺釘在套筒內(nèi)阻塞,DHS于螺釘在套筒內(nèi)阻塞形成釘板系統(tǒng)固定,導(dǎo)致在股骨頸內(nèi)發(fā)生移位,再加上DHS系統(tǒng)為一枚螺釘固定粗隆間骨折,在不同角度下股骨頸呈旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定,從而使螺釘受力位置發(fā)生改變,股骨頭將發(fā)生橫向、縱向下沉移位較多,而PFNA髓內(nèi)釘為一枚絞刀,無(wú)需擴(kuò)孔,不造成骨質(zhì)的丟失,對(duì)于骨質(zhì)疏松患者十分有利,而且釘與髓內(nèi)針鎖定,絞刀螺紋深粗大,把持力穩(wěn)定及具有防剪切力強(qiáng)的特點(diǎn),其抗壓力比鵝頭釘效果好。因此DHS系統(tǒng)固定下的股骨頭位移明顯大于髓內(nèi)釘系統(tǒng)。其次,髓內(nèi)釘系統(tǒng)具有一定的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì),因髖關(guān)節(jié)距離髓內(nèi)釘系統(tǒng)較DHS近[6］,故其力臂短,彎矩小,可明顯降低釘棒結(jié)合處的張應(yīng)力及壓應(yīng)力,符合生物力學(xué)負(fù)重的力線,所以當(dāng)身體負(fù)重后抗彎力壓力能力比DHS系統(tǒng)要好,可提供更堅(jiān)強(qiáng)的固定。

綜上所述,對(duì)于EvansⅢ型股骨粗隆間骨折,DHS內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性差于髓內(nèi)釘系統(tǒng),建議臨床上對(duì)于EvansⅢ型股骨粗隆間骨折,優(yōu)先考慮使用髓內(nèi)釘系統(tǒng)固定。

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Finite element analysis of stability by two different methods in Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture fixation

WU-feng,YE Jin,ZOU Zhong-bing.Department of Orthopedics,Guangdong Yunfu City People’s Hospital,Yunfu 527300,China

ObjectiveTo comparatively evaluate dynamic hip screw (DHS) and intramedullary nail by finite element analysis in Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture fixation,to judge superiority of biomechanical stability in the two methods,and to provide theoretical reference for clinical application.MethodsFinite element model was established by Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture patients for simulation of loaded condition on one leg.Finite element calculation was made on the two difference fixation methods.ResultsDHS fixation had the similar tension resistance and anti-resistance with intramedullary nail,while it had obviously worse compressive resistance than intramedullary nail.DHS fixation had poor structure stability.ConclusionDHS fixation has worse structure stability than intramedullary nail.Thus it is recommended to apply intramedullary nail for fixation.

Femoral intertrochanteric fracture; Dynamic hip screw; Intramedullary nail; Biomechanics; Finite element analysis

2015-05-27］

∶二種方式固定股骨粗隆間骨折穩(wěn)定性的有限元分析(項(xiàng)目編號(hào)∶2012B19)

∶527300 廣東省云浮市人民醫(yī)院骨科

DOI∶10.14164/j.cnki.cn11-5581/r.2015.17.004