股骨頸骨折內固定方式優選方法研究

王沫楠+高鍵+徐雯雯+張凱

摘要：為了避免在股骨頸骨折手術中人為選擇內固定方式產生的不良后果，滿足用PC機優選內固定方式的需要，從生物力學的角度出發，基于有限元法開發了集合前處理、求解、后處理于一體的股骨頸骨折內固定方式優選程序，目的是將最優固定效果下的緊固螺釘數量、內固定角度及組合方式提供給醫生施術，該系統在分析了股骨與載荷之間的力學關系的基礎上，運用參數化的思想，建立個體化的股骨有限元模型和骨折內固定模型，井應用有限元法進行模型解算，得到相應內固定方式下的股骨頭下沉位移、股骨頭橫向位移、股骨頭扭轉位移、股骨頭總位移及骨折面之間最大斷裂位移的解算結果，并根據評價算法優選出最合理的內固定方案.為臨床選擇內固定方式提供有效的定量參考。

關鍵詞：股骨頸骨折；有限元法；面向對象；參數化

DOI：10.15938/j.hust.2016.01.001

中圖分類號：TP301 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2016）01-0001-05

0引言

股骨頸骨折的治療分為保守治療和手術治療兩種，鑒于保守治療的骨不合率約為48%，發生股骨頭壞死的概率約為34%，因此現代骨科多提倡積極的手術治療.手術治療通常分為骨折復位、內固定方式選擇、穿釘施術這三個階段.整個手術過程中除了操作手法由醫生把握外，內固定方式的選擇也是完全憑借醫生的經驗，常常忽略力學結構的合理性且不可重復.股骨頸骨折手術治療過程中，內固定方式的選擇是其中唯一的可控變量，也是在醫生施術手法嫻熟的前提下，唯一制約術后效果的關鍵因素.所以，選擇最合理的內固定方式是穿釘施術成功的根本保障，本文以股骨頸骨折內固定方式優選為目標，將醫生的操作與理論分析相結合，從工程學的角度提出一個可供醫生操作的優選系統.該系統基于有限元法解算出個體化骨折情況下，內固定方式的術后骨折部位的應力、應變數據結果，輔助醫生優選出最合理的內固定手術方案.

1股骨頸骨折固定方式優選系統方案設計

1.1設置骨折類型與內固定方式

緊固螺釘數量、穿釘角度、螺釘的組合方式這三者排列組合后形成了多種內固定方式.本系統以股骨頸骨折情況中最常見的經頸型骨折為研究對象，按照臨床治療方法，將骨折角度（0）設置從30°～70°公差為10°的5種情況；將穿釘角度（B）設置從30°～70°公差為10°的5種情況；緊固螺釘數量的選擇為1～3；將組合方式設置為單釘、2釘斜放、2釘豎放、2釘平放、3釘正放、3釘倒放的5組合方式.

1.2參數化的有限元三維建模方式

將骨視為彈性體，并遵守線彈性理論.將CT數據讀入醫學軟件，建立精確的股骨三維模型，應用圣維南定理對研究對象進行有效的簡化，確保應用彈性力學的方法來解決實際問題時的有效性.對于股骨來說，由于實際受力環境復雜，根據Scige等提出的較精確的股骨力學模型，可知在典型的單腿站立位時，股骨受到的力合成后劃分為3種：關節反力R、臀肌肌群力M、骼脛束肌力T.

為了實現參數化的建模方式，在有限元語言中將頸干角b、股骨頭的直徑d、股骨頸的長度1，股骨干的直徑d₁等患者的解剖學參數應用*SET函數設置為可變參數，具體的值根據患者的CT圖像測量得到，由界面輸入，傳遞至有限元代碼中，形成參數化的有限元代碼文件.

1.3有限元解算

應用有限元解算時本文提出下列假設：

1）解算起始點設定為骨折部位剛剛完成復位和內固定，骨的愈合過程還未開始；

2）應用圓柱形螺釘固定骨折部位，并假設螺釘與骨質之間是緊密結合的；

3）假設圓柱螺釘不會發生斷裂，其強度足夠；

4）根據骨本身的粗糙情況，設定螺釘與骨之間的摩擦系數為0.8.

1.4設置判定準則

因為患者施術后只能進行輕微的活動如緩慢行走等，這是一個近似靜力分析的過程，本文考慮其中的單腿站立位.根據生物力學原理和AO準則，從下列參數人手：

1）股骨頭的位移變化：在單腿站立的情況下，股骨頭上將受到載荷的作用，產生位移，有X方向上反映骨折面抗張力性能和骨折面結合牢固性的橫向位移UX、Y方向上的反映結構穩定性的下沉位移UY、Z方向上的反映抗扭性的扭轉位移UZ.這三個方向的位移值越小表明固定方式越好，結構的抗變形能力越強，固定的越牢固。為了綜合評價這3個方向上的位移情況，設置一個判斷標準US表示3個方向上的合成位移，U3越小穩定性越好.

2）骨折面的最大斷裂位移：股骨近端是一種類似懸臂梁的結構，在外載荷的作用下上側受拉應力，下側受壓應力.假設骨折面完全斷裂，因此在載荷的作用下會產生一定量的斷裂位移，這個位移DS通過測量骨折處的兩個節點之間的距離得到.DS是反映固定結構的抗彎性，其值越小抗彎性越好。

首先按照U3排序選擇出最優U5結果對應的內固定方式，其余內固定方式的US值與其的比例關系是1.047以內，先選出來，比較每種情況下的DS值與最優DS值之間的比例是否在1.17以內，若在，那么以U3最優結果內固定方式為最優選項，若不在則排除該情況，然后將該種比較方法形成C++算法，供系統優選，最終形成的評價準則見表1.

2股骨頸骨折內固定方式優選系統建立

2.1股骨頸骨折內固定方式優選系統程序設計

步驟1 編寫Visual C++與有限元參數化語言之間的通信代碼，將用戶界面上搜集的信息傳遞至有限元代碼中實現建模、解算、結果實時顯示、后處理結果顯示的功能.

步驟2 根據獲取的患者信息，如前傾角、頸干角、股骨頭直徑等，將這些信息通過步驟1的代碼傳遞至有限元代碼中對應的可變參數，建立參數化的股骨三維模型.

步驟3 依據患者的病史信息，考慮到患者可能對內固定方式產生影響的疾病，如骨質疏松癥.若患者有這種骨質疏松的情況，根據文獻提醒用戶在誤差10′的范圍內優先選擇單釘的固定方式.