王漢卿, 樓 躍, 王浩然

(1. 浙江省杭州市兒童醫(yī)院 骨科, 浙江 杭州, 310014; 2. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院, 江蘇 南京, 210000)

兒童股骨干骨折是兒童四肢骨折中的常見類型，占兒童骨折的1.4%～1.7%[1-3]。在治療兒童股骨干骨折時，應(yīng)依據(jù)年齡來選擇合適的治療方法。大齡兒童(>12歲)骨折愈合快，但重塑潛力明顯下降，使用彈性髓內(nèi)釘治療后，骨折斷端發(fā)生移位及畸形愈合的風(fēng)險增大[4-5]。大齡兒童的股骨髓腔直徑足以容納交鎖髓內(nèi)釘，故可選用交鎖髓內(nèi)釘或鋼板螺釘內(nèi)固定治療。目前對交鎖髓內(nèi)釘技術(shù)治療大齡兒童股骨干骨折的生物力學(xué)研究較少，交鎖髓內(nèi)釘技術(shù)與鎖定加壓鋼板內(nèi)固定對大齡兒童股骨干骨折模型的應(yīng)力分析比較研究則更少。有限元分析法已廣泛用于醫(yī)學(xué)生物力學(xué)領(lǐng)域，特別是在比較手術(shù)方案優(yōu)劣方面有較大優(yōu)勢[6]。本研究應(yīng)用有限元分析方法，比較交鎖髓內(nèi)釘內(nèi)固定及鎖定加壓鋼板內(nèi)固定在治療大齡兒童股骨干橫行骨折時的應(yīng)力分布與位移情況，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選擇1名健康的13歲兒童志愿者，拍攝股骨正側(cè)位片以排除病變，并取得家屬同意。鎖定加壓鋼板建模采用上海傲馳醫(yī)療器械有限公司提供的兒童股骨鎖定加壓鋼板(5孔, 孔徑5.0/4.5 mm); 交鎖髓內(nèi)釘建模采用上海捷邁醫(yī)療國際貿(mào)易有限公司提供的解剖型股骨順行髓內(nèi)釘(大轉(zhuǎn)子入路, 8.3 mm主釘)。

1.2 實驗方法

1.2.1 獲取影像學(xué)資料: 兒童平躺于Philips CT(256排，層厚1 mm)機內(nèi)，雙下肢取中立位，雙側(cè)髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)屈曲0°。最后共獲得斷層圖像1 133層，并以DICOM格式導(dǎo)出。

1.2.2 建立三維仿真模型: 在Mimics影像控制系統(tǒng)中導(dǎo)入股骨斷層圖像，生成股骨三維模型，優(yōu)化后使用cut功能，于股骨中段設(shè)計寬度為1 mm的橫行缺損，建立股骨干中段橫行骨折模型。應(yīng)用Geomagic studio軟件，參考實物數(shù)據(jù)，創(chuàng)建鎖定加壓鋼板及解剖型股骨順行髓內(nèi)釘模型。導(dǎo)入hypermesh軟件，并按照實際手術(shù)方式將其與股骨干中段橫行骨折模型組合，構(gòu)建交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型、鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型(鎖定加壓鋼板固定于張力側(cè))。

1.2.3 構(gòu)建2種不同骨折內(nèi)固定的三維有限元模型: 應(yīng)用hypermesh前處理，先劃分網(wǎng)格，然后由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格，并將單元類型定義為solid 186十節(jié)點四面體單元，參數(shù)見表1。

表1 2種內(nèi)固定模型的有限元參數(shù)

在hypermesh中，對模型進(jìn)行賦值。將股骨模型簡化為連續(xù)且各向同性的線彈性材料，參考已報道的公式[7-8], 計算出骨松質(zhì)彈性模量(E)=507 MPa, 骨皮質(zhì)E=10 877 MPa, μ=0.3。鎖定加壓鋼板及交鎖髓內(nèi)釘采用Ti6Al4V合金制成，其E=110 GPa, 泊松比μ=0.33[9]。將賦值好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行軸向壓縮實驗、四點彎曲實驗及扭轉(zhuǎn)實驗。將股骨由近端至遠(yuǎn)端等分為4段，每段隨機選取400個點，計算得出的應(yīng)力值及位移值的平均值作為此段的應(yīng)力及位移。

載荷與邊界條件如下: 在軸向壓縮實驗中，將模型設(shè)定為人體直立負(fù)重力線方向，股骨縱軸與垂線呈 15°, 在股骨頭負(fù)重面隨機取100個節(jié)點，均勻施加軸向載荷，加載450 N。四點彎曲實驗中，以骨折線為基準(zhǔn)，等長跨距為20 cm, 短跨距為10 cm, 股骨內(nèi)外側(cè)各取2個支撐點，其中長跨距位于股骨外側(cè)(即張力側(cè))，短跨距位于對側(cè)，支撐點均加載300 N。扭轉(zhuǎn)實驗中設(shè)定股骨遠(yuǎn)端固定約束，并在股骨頭上端建立MPC耦合單元，在耦合點施加骨干軸向扭矩，扭矩為150 000 N·mm。加載模型進(jìn)行力學(xué)模擬計算分析，使用ANSYS后處理功能導(dǎo)出應(yīng)力分布云圖、位移云圖及數(shù)據(jù)文件。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 22進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，計量資料以[n(%)]表示，多組間差異采用單因素方差分析。當(dāng)n>100時，組間差異采用成組u檢驗分析代替t檢驗分析。檢驗水準(zhǔn)α=0.05,P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

軸向壓縮實驗、四點彎曲實驗及扭轉(zhuǎn)實驗中，交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型、鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型的應(yīng)力及位移情況見圖1～6。2種內(nèi)固定物的應(yīng)力值見表2。交鎖髓內(nèi)釘在軸向壓縮實驗、四點彎曲實驗中的最大應(yīng)力值與平均值均大于鎖定加壓鋼板，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。在扭轉(zhuǎn)實驗中，交鎖髓內(nèi)釘?shù)淖畲髴?yīng)力值與平均值小于鎖定加壓鋼板，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。2種內(nèi)固定中股骨的最大位移見表3。鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型中股骨的最大位移均大于交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。在骨折內(nèi)固定模型中，鎖定加壓鋼板及交鎖髓內(nèi)釘承擔(dān)較大的應(yīng)力，存在應(yīng)力遮蔽效應(yīng)。在軸向壓縮實驗中, 2種內(nèi)固定模型中股骨四段應(yīng)力見表4。鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型中股骨骨折線附近的應(yīng)力大于交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型中的應(yīng)力，故交鎖髓內(nèi)釘?shù)膽?yīng)力遮蔽較大。

表2 不同載荷下2種內(nèi)固定物的應(yīng)力值 MPa

表3 不同載荷下2種骨折內(nèi)固定模型中股骨的最大位移 mm

表4 軸向壓縮實驗中2種內(nèi)固定模型中股骨的四段應(yīng)力 MPa

股骨等長分為4段，是為了測量股骨不同部位的應(yīng)力，不同于股骨干骨折的分型。

A: 股骨應(yīng)力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 交鎖髓內(nèi)釘應(yīng)力云圖; D: 交鎖髓內(nèi)釘位移云圖。圖1 軸向壓縮實驗交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型的應(yīng)力云圖及位移云圖

A: 股骨應(yīng)力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 鎖定加壓鋼板應(yīng)力云圖; D: 鎖定加壓鋼板位移云圖。圖2 軸向壓縮實驗鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型的受力云圖及位移云圖

A: 股骨受力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 交鎖髓內(nèi)釘受力云圖; D: 交鎖髓內(nèi)釘位移云圖。圖3 四點彎曲實驗交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型的受力云圖及位移云圖

A: 股骨受力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 鎖定加壓鋼板應(yīng)力云圖; D: 鎖定加壓鋼板位移云圖。圖4 四點彎曲實驗鎖定加壓鋼板內(nèi)固定模型的受力云圖及位移云圖

A: 股骨受力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 交鎖髓內(nèi)釘受力云圖; D: 交鎖髓內(nèi)釘位移云圖。圖5 扭轉(zhuǎn)實驗交鎖髓內(nèi)釘骨折內(nèi)固定模型的受力云圖及位移云圖

A: 股骨受力云圖; B: 股骨位移云圖; C: 鎖定加壓鋼板受力云圖; D: 鎖定加壓鋼板位移云圖。圖6 扭轉(zhuǎn)實驗鎖定加壓鋼板骨折內(nèi)固定模型的受力云圖及位移云圖

3 討 論

2種內(nèi)固定物置入股骨后，其彈性模量均高于股骨，從應(yīng)力云圖可見其承擔(dān)了股骨的大部分應(yīng)力，骨折線及周圍部位的受力因此減少，從股骨四段應(yīng)力表格可見，交鎖髓內(nèi)釘固定后的應(yīng)力遮蔽作用大于鎖定加壓鋼板固定，這不利于骨折的愈合與塑形。但本研究所用的鎖定加壓鋼板及交鎖髓內(nèi)釘均按照Ti6Al4V合金賦值，其彈性模量E=110 GPa, 泊松比μ=0.33, 此材料是目前廣泛使用的內(nèi)固定材料，屬于低彈性模量材料。盡管交鎖髓內(nèi)釘?shù)膽?yīng)力遮蔽作用大于鎖定加壓鋼板，早期不利于骨折愈合，但交鎖髓內(nèi)釘在股骨干骨折處產(chǎn)生連續(xù)骨痂后，可拔除遠(yuǎn)端固定螺釘，將靜力性固定變?yōu)閯恿π怨潭?，此時的應(yīng)力分布也會隨之發(fā)生改變[10]，可促進(jìn)骨折愈合和塑形。

在軸向壓縮實驗、四點彎曲實驗及扭轉(zhuǎn)實驗中，股骨的最大位移均小于0.2 mm, 因此交鎖髓內(nèi)釘與鎖定加壓鋼板均可為股骨干橫行骨折提供穩(wěn)定的固定。交鎖髓內(nèi)釘固定后股骨的位移均小于鎖定加壓鋼板固定后股骨的位移，由此可認(rèn)為無論是承受正常人體負(fù)重、行走等軸向載荷時，還是在受到側(cè)向彎曲應(yīng)力及發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，交鎖髓內(nèi)釘固定后的穩(wěn)定性均強于鎖定加壓鋼板固定。大齡兒童對內(nèi)固定物穩(wěn)定性及術(shù)后早期參加活動的需求高于低齡兒童，故股骨干橫行骨折采用交鎖髓內(nèi)釘固定方式優(yōu)于鎖定加壓鋼板固定。孫先潤等[11]使用交鎖髓內(nèi)釘、鋼板等材料治療53例股骨干骨折，對比后認(rèn)為交鎖髓內(nèi)釘效果優(yōu)于其他固定方式，與本研究結(jié)果相一致。在軸向壓縮實驗、四點彎曲實驗中交鎖髓內(nèi)釘承擔(dān)應(yīng)力大于鎖定加壓鋼板，而在扭轉(zhuǎn)實驗中，鎖定加壓鋼板的承擔(dān)應(yīng)力稍高于交鎖髓內(nèi)釘。由于鋼板僅置于股骨骨折線附近處，低彈性模量的骨折線改變了應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得此處承擔(dān)了更大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。鎖定加壓鋼板為偏心固定，骨折線處的高扭轉(zhuǎn)應(yīng)力并不利于固定的穩(wěn)定性，易發(fā)生鋼板疲勞、斷裂等情況[12]。

交鎖髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)相較于鎖定加壓鋼板內(nèi)固定術(shù)對骨折部位的應(yīng)力遮蔽大，但其抗彎曲能力強，抗扭轉(zhuǎn)能力強，手術(shù)創(chuàng)傷小，對股骨血運的影響小[13]，并可早期進(jìn)行活動。在骨折愈合后期可改靜力性固定為動力性固定，骨折斷端產(chǎn)生一定的微應(yīng)力，使其受力分布更符合股骨原有的生物力學(xué)特性，可以促進(jìn)骨折的愈合和塑形。因此，對于大齡兒童的股骨干橫行骨折，交鎖髓內(nèi)釘內(nèi)固定技術(shù)可以作為首選治療方式，考慮到患兒對于生長發(fā)育的需求，故在連續(xù)骨痂形成后應(yīng)盡早去除遠(yuǎn)端固定螺釘。