兩種不同方式固定EvansⅢ型股骨粗隆間骨折穩定性的有限元分析

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定性的有限元分析

吳鋒 葉勁 鄒仲兵

目的通過有限元方法對EvansⅢ型股骨粗隆間骨折的動力髖螺釘(DHS)和髓內釘固定技術進行對比評價,判斷何種技術生物力學更穩定,為臨床應用提供理論依據。方法以EvansⅢ型股骨粗隆間骨折為研究對象建立有限元模型模擬單腳站立時的受載情況,對兩種不同固定技術分別進行有限元計算。結果DHS系統固定,其抗張力性能和抗阻力與髓內釘組相當,而抗壓力性能明顯差于髓內釘組,其結構穩定性差。結論DHS系統固定時,其結構穩定性比髓內釘系統差,建議臨床考慮使用髓內釘系統。

股骨粗隆間骨折；動力髖螺釘；髓內釘；生物力學；有限元分析

隨著老齡化社會的到來,股骨粗隆間骨折患者越來越多。股骨粗隆間骨折多發生于65歲以上的老年人,由于老年人多伴高血壓、糖尿病、骨質疏松癥等,給骨科的臨床治療帶來困難。股骨粗隆間骨折若未得到有效的治療,容易留下髖內翻、肢體縮短等后遺癥,甚至因長期臥床而發生肺部感染、泌尿系感染等并發癥。目前對股骨粗隆間骨折多主張早期手術治療[1］。對于不穩定型股骨粗隆間骨折,到底是采用DHS技術還是髓內釘系統,哪種生物力學更為穩定,目前仍然在探討中。本文采用有限元分析方法從生物力學角度評估DHS技術與髓內釘系統固定不穩定型股骨粗隆間骨折的效果,報告如下。

1 臨床資料

選擇臨床患者1例,男,65歲,體重60 kg。經得患者同意參與本試驗,行X線排除股骨病變、畸形等情況。對其股骨進行飛利浦雙排螺旋CT掃描,每層厚度為1 mm,取得150層,將DICOMG格式的CT數據導入圖像處理軟件Mimics中,通過閾值分析、像素修補、光滑處理,得到骨皮質、骨松質的股骨三維實體模型。根據EvansⅢ型三部分骨折對股骨粗隆間進行分割,造成股骨粗隆間骨折EvansⅢ型,得到模型M,根據滑動加壓角鋼板(DHS系統)及髓內釘設計參數在股骨三維模型軟件中進行建模。然后將DHS系統置入粗隆間骨折行布爾運算,得到模型B1,髓內釘系統置入股骨粗隆間骨折進行布爾運算得到模型B2。將模型B1、B2防備導入有限元分析軟件ABAQUS中。進行四面體的網路劃分,然后參照相關文獻對材料賦值,皮質骨彈性模量16.1 GPa,泊松比為0.3；松質骨的彈性模量為450 MPa,泊松比為0.2。假設內固定與股骨的接觸牢靠,不發生松動及移位,骨折端磨察參數為0.2。對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°的壓力下進行分析。判定兩種內固定的穩定性。設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,其中U1、U2為反映固定系統抗張力及抗扭力,U3、L為反映固定系統抗壓力。

2 結果

納入本次研究符合要求的患者20例,取得大致相同的結果。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系統明顯高于髓內釘系統。而在壓力作用下四組數據比較,DHS系統均高于髓內釘系統。見圖1,圖2,圖3。

圖1 25°作用下不同固定生物力學穩定性的比較

圖2 90°作用下不同固定生物力學穩定性的比較

圖3 壓力作用下不同固定生物力學穩定性的比較

3 討論

有限元法是對連續體力學及物理問題的一種新的數值求解方法[2］,隨著目前計算機技術的發展,越來越多技術應用于骨科領域,同樣有限元也被廣泛應用于骨科領域,并取得一定的效果。在臨床上,對于不穩定型股骨粗隆間骨折較常見,如EvansⅢ型骨折,治療上常需使用伸縮套管樣內固定器如髖加壓螺釘或順行髓內釘來達到解剖復位及固定。何種內固定裝置較好仍有爭議,多數學者認為髓內釘系統比釘板系統更穩定,尤其是對不穩定型轉子間骨折更具優勢[3］,與標準的髖加壓螺釘系統相比,髓內釘有更好的生物力學優勢,置入時暴露少,出血也較少,還可以對更加粉碎的骨折提供穩定的解剖固定,但Gamma髓內釘組在釘尾處股骨干繼發骨折的發生率為3%～6%[4］。權日等[5］認為,DHS已成為治療股骨轉子間骨折的一個標準內固定物,對于穩定的股骨粗隆間骨折如EvansⅠ型,臨床上采用DHS系統或髓內釘系統,髓內釘系統以Gamma釘及PFNA為代表,兩種固定的療效相差不大。而對于不穩定型股骨粗隆間骨折如EvansⅢ型,本次研究得出數據為無論在與股骨干成25°、90°甚至在壓力下,股骨頭的最大下沉及骨折端移位的數據,DHS系統均高于髓內釘系統。說明髓內釘系統的穩定性比DHS系統的較好。分析原因∶人體負重時,股骨近端內側承受壓力,外側承受張力,重力為內側皮質向下傳導,DHS的重力從股骨近端內側向遠端外側傳導,而髓內釘的重力主要傳導至遠端鎖定釘處。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阻塞,DHS于螺釘在套筒內阻塞形成釘板系統固定,導致在股骨頸內發生移位,再加上DHS系統為一枚螺釘固定粗隆間骨折,在不同角度下股骨頸呈旋轉不穩定,從而使螺釘受力位置發生改變,股骨頭將發生橫向、縱向下沉移位較多,而PFNA髓內釘為一枚絞刀,無需擴孔,不造成骨質的丟失,對于骨質疏松患者十分有利,而且釘與髓內針鎖定,絞刀螺紋深粗大,把持力穩定及具有防剪切力強的特點,其抗壓力比鵝頭釘效果好。因此DHS系統固定下的股骨頭位移明顯大于髓內釘系統。其次,髓內釘系統具有一定的生物力學優勢,因髖關節距離髓內釘系統較DHS近[6］,故其力臂短,彎矩小,可明顯降低釘棒結合處的張應力及壓應力,符合生物力學負重的力線,所以當身體負重后抗彎力壓力能力比DHS系統要好,可提供更堅強的固定。

綜上所述,對于EvansⅢ型股骨粗隆間骨折,DHS內固定系統的穩定性差于髓內釘系統,建議臨床上對于EvansⅢ型股骨粗隆間骨折,優先考慮使用髓內釘系統固定。

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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定性的有限元分析(項目編號∶2012B19)

∶527300 廣東省云浮市人民醫院骨科

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