INTERTAN與PFNA治療Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析

張建國，呂 欣

股骨轉(zhuǎn)子間骨折為臨床上骨科常見疾病，常見于老年人，隨著社會人口老齡化的到來，其發(fā)病率呈上升趨勢[1]。目前研究表明，因股骨轉(zhuǎn)子間骨折具有并發(fā)癥多、病死率高等特點(diǎn)，手術(shù)治療是主流[2]。但內(nèi)植物的選擇一直是骨科醫(yī)師爭論的熱點(diǎn)話題之一，臨床上常見的內(nèi)植物有鋼板螺釘固定系統(tǒng)和髓內(nèi)固定系統(tǒng)，動力髖螺釘(DHS)和股骨近端鎖定鋼板(LCP)作為鋼板螺釘固定系統(tǒng)的代表，在臨床上被廣泛使用。DHS很長一段時間作為手術(shù)治療的金標(biāo)準(zhǔn)，但是DHS更多地適用于穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子間骨折的固定[3]。隨著內(nèi)固定材料不斷發(fā)展和生物力學(xué)研究不斷進(jìn)步，股骨近端髓內(nèi)釘(PFN)、股骨近端防旋髓內(nèi)釘(PFNA)和INTERTAN髓內(nèi)釘?shù)人鑳?nèi)固定系統(tǒng)在臨床上使用越來越多[4]。PFNA是在PFN的基礎(chǔ)上針對老年骨質(zhì)疏松患者研制的內(nèi)固定系統(tǒng)[5]，具有操作簡單、創(chuàng)傷小、手術(shù)時間短、骨量丟失少等特點(diǎn)。而INTERTAN 作為新一代髓內(nèi)釘[6]，很大程度上避免了其他內(nèi)植物的缺點(diǎn)，如主釘近端橫截面采用梯形，增強(qiáng)了抗旋轉(zhuǎn)能力，遠(yuǎn)端采用獨(dú)特的發(fā)卡形分叉設(shè)計，可有效分散應(yīng)力，避免遠(yuǎn)端假體周圍骨折。

目前，有限元分析是研究骨骼生物力學(xué)特性的一種重要方法，其采用建模對數(shù)值仿真分析，得出系統(tǒng)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布等結(jié)果[7]。本實(shí)驗通過運(yùn)用三維有限元分析法，對Evens-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折采用INTERTAN和PFNA治療的生物力學(xué)進(jìn)行分析，旨在為臨床治療提供理論依據(jù)。

材料與方法

1 材料

1.1實(shí)驗資料 健康男性1名，年齡26歲，身高175cm，體重70kg，既往無股骨病史。

1.2實(shí)驗設(shè)備 Discovery CT750 HD寶石能譜CT，美國GE公司。

惠普高性能計算機(jī)工作站配置：Windows10操作系統(tǒng)，CPU：Inter(R)Core(TM)i5-6200u，2.30GHz，內(nèi)存 8GB。

1.3實(shí)驗軟件 Mimics15.0軟件，比利時Materialise公司；Geomagic Studio12.0軟件，美國Geomagic公司；Ansys軟件，美國Ansys公司；Solidworks，美國達(dá)索公司。

2 方法

2.1獲取圖像 對健康成年人雙側(cè)股骨進(jìn)行CT平掃，掃描長度為股骨全長，具體掃描條件是：球管電壓設(shè)置為140kv，電流設(shè)置為140mA，層厚 0.625mm，無間隔，共800張，將CT掃描的圖片以DICOM格式保存。

2.2建立股骨有限元模型 第一步：使用mimics15.0軟件處理CT掃描獲得的DICOM格式的圖像資料，將灰度值設(shè)置為226-3071Gv，對所得的三維圖像進(jìn)行處理，提取出所需骨骼模型，以STL格式文件導(dǎo)出。第二步：使用工程軟件GeomagicStudio12.0處理導(dǎo)出的STL格式文件，生成實(shí)體，導(dǎo)出為STP格式文件。第三步：在專業(yè)的三維軟件Solidworks里進(jìn)行模型編輯，生成骨折面。第四步：最后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.3PFNA 和INTERTAN 三維模型的建立 第一步：CT平掃Synthes生產(chǎn)的PFNA內(nèi)固定系統(tǒng)，電壓設(shè)定140kv，電流設(shè)定140mA，層厚0.625mm，使用mimics15.0處理掃描得到的PFNA影像學(xué)資料，獲得PFNA的三維圖像，以STL 格式文件導(dǎo)出。第二步：使用工程軟件GeomagicStudio12.0處理導(dǎo)出的STL格式文件，建立PFNA三維模型，導(dǎo)出為IGES格式。第三步：根據(jù)Smith Nephew生產(chǎn)的INTERTAN髓內(nèi)釘資料，使用Solidworks對INTERTAN進(jìn)行三維模擬重建，得到INTERTAN三維模型，導(dǎo)出為IGES格式，見圖1。

圖1 a.PFNA三維模型;b.INTERTAN 三維模型

2.4兩種不同固定的有限元模型的建立 按照Evens-Jensen IV型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療方法，及Synthes生產(chǎn)的PFNA和Smith Nephew生產(chǎn)的INTERTAN兩種內(nèi)固定裝配標(biāo)準(zhǔn)流程，采用Solidworks將股骨模型和兩種內(nèi)固定的三維模型進(jìn)行處理，得到兩種不同固定結(jié)果的有限元模型(所得節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)見表1)。將以上結(jié)果導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行處理、計算、分析。

表1 兩種不同固定的有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)

2.5有限元模型接觸方式設(shè)置 將合適裝配的兩組模型導(dǎo)入Ansys中，對內(nèi)植物進(jìn)行設(shè)置，骨折面的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2[8]，根據(jù)臨床上對Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的處理辦法，對小轉(zhuǎn)子不進(jìn)行固定，本實(shí)驗將小轉(zhuǎn)子設(shè)置為游離狀態(tài)，將內(nèi)植物拉力釘與主釘之間的接觸關(guān)系設(shè)置為綁定，且股骨和內(nèi)植物之間沒有相對位移。根據(jù)Bergmann等[9]的研究，人在步行過程中力的峰值可達(dá)體重的2.6～2.8倍。結(jié)合志愿者身體重量，將2 100N(3倍體重)的力垂直加到股骨頭上進(jìn)行有限元加載。

3 材料屬性

有限元模型各部分材料參數(shù)見表2。

表2 有限元模型各部分材料參數(shù)

4 評價指標(biāo)

通過以下指標(biāo)評定兩種內(nèi)固定：模型中股骨的應(yīng)力分布和應(yīng)力峰值；模型中PFNA和INTERTAN的應(yīng)力分布和應(yīng)力峰值；兩種模型中股骨應(yīng)變結(jié)果；股骨大小轉(zhuǎn)子周圍a和b區(qū)域的應(yīng)力峰值(圖2)。

圖2 股骨大小轉(zhuǎn)子周圍a和b區(qū)域圖

5 有限元模型的可靠性驗證

用正常股骨模擬正常人生理狀態(tài)下受力情況的有限元模型，得出正常股骨的應(yīng)力分布圖(圖3)，其所示應(yīng)力分布情況與張雪鵬等[10]生物力學(xué)研究獲得的結(jié)果較吻合，證明本實(shí)驗建立的有限元模型是可行的，可以用該模型進(jìn)行計算。

圖3 正常股骨應(yīng)力云圖

1 股骨的von Mises應(yīng)力分布

兩種模型(圖4a、b)中股骨最大應(yīng)力均位于股骨近端內(nèi)側(cè)，分別為61.827MPa和66.382MPa。I模型的股骨最大應(yīng)力小于P模型。

圖4 a.I模型股骨應(yīng)力云圖;b.P模型股骨應(yīng)力云圖

2 內(nèi)固定的von Mises 應(yīng)力分布

INTERTAN和PFNA中內(nèi)固定最大應(yīng)力點(diǎn)均位于主釘遠(yuǎn)端(圖5a、b)，分別為72.554MPa和75.486MPa。內(nèi)植物INTERTAN應(yīng)力峰值小于PFNA。

圖5 a.I模型內(nèi)植物應(yīng)力云圖;b.P模型內(nèi)植物應(yīng)力云圖

3 兩種模型股骨應(yīng)變結(jié)果

兩種模型中股骨最大應(yīng)變點(diǎn)均位于股骨近端內(nèi)側(cè)(圖6a、b)，分別為1421×10-6和1526×10-6。INTERTAN應(yīng)變峰值小于PFNA。

圖6 a.I模型股骨微應(yīng)變云圖;b.P模型股骨微應(yīng)變云圖

4 股骨大小轉(zhuǎn)子周圍2個區(qū)域的應(yīng)力峰值、及股骨、內(nèi)植物應(yīng)力峰值

I模型中，股骨大小轉(zhuǎn)子周圍a和b區(qū)域的應(yīng)力峰值均低于股骨和內(nèi)植物應(yīng)力峰值；P模型中，股骨大小轉(zhuǎn)子周圍a、b區(qū)域和股骨的應(yīng)力峰值均低于內(nèi)植物應(yīng)力峰值，見表3。

表3 股骨大小轉(zhuǎn)子周圍2個區(qū)域的應(yīng)力峰值及股骨、內(nèi)植物應(yīng)力峰值(MPa)

討 論

股骨轉(zhuǎn)子間骨折多由暴力所致，尤其老年骨質(zhì)疏松患者多發(fā)，造成患處腫痛，下地行走等活動受限，易發(fā)長期臥床并發(fā)癥，給患者和家屬造成重大負(fù)擔(dān)[11]。根據(jù)Evans-Jensen 分型，Ⅲ型及以上不穩(wěn)定骨折以手術(shù)治療為主[12]。目前臨床上治療方法較多，有鋼板螺釘固定系統(tǒng)、髓內(nèi)釘固定系統(tǒng)、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)等[13]，由于人工關(guān)節(jié)置換術(shù)具有假體使用年限受限、假體松動、下沉、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者假體失穩(wěn)等缺陷，該手術(shù)方式受一定的限制；鋼板螺釘固定系統(tǒng)抗旋轉(zhuǎn)能力較差、容易出現(xiàn)螺釘切割等問題，嚴(yán)重粉碎性骨折患者不易使用。髓內(nèi)釘固定系統(tǒng)中有Gamma釘、PFN、PFNA和INTERTAN釘?shù)龋R床上后兩者最為常用，盡管取得良好的療效，但是術(shù)后髖內(nèi)翻、內(nèi)植物斷裂、應(yīng)力性骨折等并發(fā)癥并不能完全避免[14]。

股骨轉(zhuǎn)子間骨折尤其是合并小轉(zhuǎn)子骨折的患者，發(fā)生髖內(nèi)翻的概率更大[15]。研究結(jié)果顯示，在相同壓力下，兩組模型股骨的應(yīng)力分布與正常股骨基本相同，應(yīng)力主要位于股骨近端內(nèi)側(cè)，但兩組模型股骨各區(qū)域應(yīng)力較正常股骨相同部位應(yīng)力均有升高，外側(cè)升高最為顯著，與馮衛(wèi)等[16]的結(jié)論相同。骨小梁和股骨近端內(nèi)側(cè)皮質(zhì)會承受更大的應(yīng)力，力會從股骨近端結(jié)構(gòu)中央的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，股骨頭內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)可以起支撐作用，而外側(cè)沒有，因此股骨近端會有內(nèi)翻的傾向[17]。研究結(jié)果顯示，在給予相同載荷作用下， I模型與P模型股骨近端內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力分別為31.312MPa、31.570MPa，與正常股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力無明顯區(qū)別，I模型與P模型股骨近端外側(cè)應(yīng)力分別為36.832Mpa、31.143MPa，模型股骨外側(cè)應(yīng)力較正常股骨明顯升高，I模型外側(cè)的最大應(yīng)力小于P模型，因此P模型發(fā)生髖內(nèi)翻的概率高于I模型。

內(nèi)植物斷裂是股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定術(shù)后失敗的原因之一[18]。內(nèi)固定能夠為骨折的股骨提供穩(wěn)定的支撐，同時能將壓力向下傳導(dǎo)，避免應(yīng)力的集中。本研究發(fā)現(xiàn)兩組模型內(nèi)植物應(yīng)力主要分布于遠(yuǎn)端。結(jié)合兩組模型股骨近端內(nèi)側(cè)應(yīng)力分布分析，Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)側(cè)壁小轉(zhuǎn)子丟失，內(nèi)側(cè)應(yīng)力無法通過內(nèi)側(cè)壁向下傳導(dǎo)，對于此型骨折使用髓內(nèi)固定時股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力沒有明顯增加，而內(nèi)固定相應(yīng)位置承受一部分應(yīng)力，應(yīng)力集中于內(nèi)植物的遠(yuǎn)端。INTERTAN的應(yīng)力峰值為72.554MPa,PFNA應(yīng)力峰值為75.486MPa，均位于主釘與遠(yuǎn)端鎖釘交界處。根據(jù)醫(yī)用鈦合金材料的相關(guān)報道[19]：醫(yī)用鈦合金的屈服強(qiáng)度通常不低于700MPa，研究顯示兩組模型內(nèi)植物的應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，能夠為骨折提供可靠固定。

股骨中段應(yīng)力性骨折也是股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定術(shù)后失敗的原因之一[20]。應(yīng)變是指在外力等因素作用下物體局部產(chǎn)生的相對變形，是形變量與原來尺寸的比值，用ε表示，即ε=ΔL/L[21]。研究結(jié)果顯示I模型股骨最大應(yīng)變(ε)為1421×10-6，位于股骨中段內(nèi)側(cè)，而P模型股骨最大應(yīng)變(ε)為1525×10-6，也位于股骨內(nèi)側(cè)近端。根據(jù)Frost[22]的相關(guān)理論，當(dāng)應(yīng)變 (ε)達(dá)到 3000×10-6時，會產(chǎn)生過多的骨微量損傷，進(jìn)而引起骨小梁斷裂和骨的疲勞骨折。由研究可見，兩組模型應(yīng)變峰值均未達(dá)到可以造成股骨應(yīng)力性骨折的閾值。

綜上所述，PFNA和INTERTAN均可用于Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療。相較于PFNA，INTERTAN具有一定的生物力學(xué)優(yōu)勢。