股方肌骨瓣移植聯(lián)合內(nèi)固定治療青壯年股骨頸骨折有限元分析

張登君，魏杰*，王根偉，郭秀生，王曉東，余建平，賈中偉

(1.山西醫(yī)科大學(xué)附屬山西省人民醫(yī)院骨科，山西 太原 030029；2.太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所，山西 太原 030024)

近年來，青壯年股骨頸骨折患者逐漸增多。這類骨折為高能量損傷，骨折多移位明顯，損傷嚴(yán)重，少數(shù)伴有脫位，后期常有股骨頭壞死或骨折不愈合。青壯年股骨頸骨折患者現(xiàn)多主張早期手術(shù)治療，空心釘閉合復(fù)位內(nèi)固定是主要方式。近年來，為進(jìn)一步加強(qiáng)股骨頭血運(yùn)，減少后期股骨頭壞死率，發(fā)展了帶血管蒂骨瓣及肌骨瓣等手術(shù)。我們采用股方肌骨瓣聯(lián)合空心釘內(nèi)固定治療上述骨折，臨床效果較好[1]。為進(jìn)一步研究骨折復(fù)位、內(nèi)固定排列、骨瓣在股骨頸植入處等對手術(shù)的影響，為臨床提供理論依據(jù)，我們進(jìn)行了仿真三維有限元的研究，力圖用數(shù)學(xué)模型的方法彌補(bǔ)尸體實(shí)驗(yàn)的不足[2-3]，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 選取1名健康青年志愿者，性別：男；年齡：32歲；身高：172 cm；體重：63 kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材及軟件 內(nèi)置物：空心螺釘(山東威高)；64排螺旋CT(西門子)；Dell高性能計算機(jī)工作站。配置：Windows10操作系統(tǒng)；CPU：Inter(R)Xeon(R)E5-1607 v 23.0 GHz；內(nèi)存：16 GB；硬盤：2 TB；醫(yī)學(xué)圖像處理軟件：Mimics16.0；有限元處理軟件：Hypermesh12.0，Abaqus6.13。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 建立三維有限元模型 將CT掃描獲得的DICOM格式文件導(dǎo)入到Mimics軟件中，利用Segmentation模塊下的工具按鈕對圖像分割并進(jìn)行股骨三維重建，主要包括：調(diào)整合適閾值，用Thresholding工具生成股骨模型的mask；觀察生成的mask，根據(jù)解剖學(xué)知識編輯、填充斷層圖像的空洞和缺陷，完善股骨模型；對修復(fù)后的股骨模型運(yùn)用Smoothing進(jìn)行光順處理，得到比較光滑的股骨模型。模擬股骨頸骨折并在骨折處后方縱向開骨瓣槽，置入股方肌骨瓣并在股骨近端外側(cè)置入3枚螺釘(見圖1)。將建好的股骨頸骨折手術(shù)模型導(dǎo)入到hypermesh中，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立三角形的面網(wǎng)格，網(wǎng)格精度為1mm。之后對畫好的面網(wǎng)格進(jìn)行3d-tetramesh操作，建立四面體網(wǎng)格，以inp格式導(dǎo)出。

圖1 正三角、倒三角置入的空心釘及股方肌骨瓣模型

1.3.2 材料賦值和加載方式 根據(jù)股骨的彈性模量、密度以及CT圖像灰度值之間的函數(shù)關(guān)系，通過某點(diǎn)的灰度值來確定股骨模型每個位置的材料屬性，根據(jù)張國棟等[4]提出了彈性模量、密度與灰度值之間的線性關(guān)系。進(jìn)入Mimics軟件的FEA模塊，導(dǎo)入模型，輸入彈性模量、密度與灰度值之間的線性關(guān)系式進(jìn)行賦值。內(nèi)固定空心釘?shù)拿芏葹? 850 kg/m3，彈性模量為193×109Pa，泊松比為0.3。將股骨遠(yuǎn)端固定，限制6個方向的自由度，股骨頂部近端選擇100個節(jié)點(diǎn)(約10×10 mm2)施加方向豎直向下、合力大小為1 000 N的力。

1.4 觀察指標(biāo) 空心釘分布(正三角、倒三角)、骨折部位位置(頭下型、經(jīng)頸型、基底型)、前傾角(+5°、+10°、0°、-5°、-10°)和頸干角(+5°、+10°、0°、-5°、-10°)不同時，觀察股骨近端應(yīng)力分布及最大應(yīng)力值(見圖2～3)。

圖2 模擬前傾角增大、減小模型

圖3 模擬頸干角增大、減小模型

2 結(jié) 果

模擬股方肌長方形骨塊大小為3.0 cm×1.5 cm×1.0 cm，植于股骨頸后方，應(yīng)力峰值為(34.56±0.82)MPa，和沒有植入股方肌骨瓣的模型(35.12 MPa)比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=3.61，P<0.01)。股骨和空心釘應(yīng)力集中區(qū)域均分布于股骨頸及股骨干交界處的外側(cè)皮質(zhì)，正三角固定時稍偏前，在下方靠前的螺釘中部。倒三角空心釘固定的應(yīng)力最小，峰值為(32.2±0.93)Mpa(見圖4)；股骨倒三角固定時的應(yīng)力最小，峰值為(12.06±0.29)MPa，其余為股骨正三角，峰值為(12.61±0.32)MPa；螺釘正三角，峰值為(34.56±0.82)MPa；螺釘?shù)谷牵逯禐?32.2±0.93)MPa。經(jīng)頸型骨折空心釘固定的應(yīng)力最小，峰值為(34.56±0.82)MPa，頭下型峰值為(38.68±1.12)MPa，基底型峰值為(44.73±1.57)MPa。前傾角和頸干角為正常解剖角度時，空心釘固定的(對應(yīng)模型中0°位)應(yīng)力最小，峰值均為(34.56±0.82)MPa(見圖5)。前傾角不同角度時，空心釘?shù)膽?yīng)力值和正常解剖角度比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(F=927.48，P<0.05)；但前傾角不同角度之間兩兩比較，除-5°和-10°比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，其余差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(LSD法，P=0.08)。

圖4 倒三角分布時空心釘?shù)膽?yīng)力峰值

圖5 頸干角減小10°時空心釘固定的應(yīng)力峰值

3 討 論

青壯年股骨頸骨折由于其特殊的發(fā)病年齡、機(jī)制和不同的治療方法，導(dǎo)致了其預(yù)后的千差萬別。骨折順利愈合、減少股骨頭壞死發(fā)生率一直是骨科醫(yī)生追求的目標(biāo)。有限元仿真分析骨折內(nèi)固定手術(shù)類似機(jī)械元件的力學(xué)仿真，有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但是比起機(jī)械仿真，骨折類型千變?nèi)f化，仿真只能就某些因素變化進(jìn)行仿真計算，因此對骨折的預(yù)后要綜合分析。

為了改善青壯年股骨頸骨折治療的預(yù)后，現(xiàn)有的治療方法有：積極手術(shù)、早期手術(shù)、股骨頭內(nèi)減壓、盡量保護(hù)股骨頭血運(yùn)、增加改善股骨頭血運(yùn)的手術(shù)等。股方肌骨瓣聯(lián)合空心釘治療青壯年股骨頸骨折，就是在經(jīng)典內(nèi)固定手術(shù)上增加改善股骨頭血運(yùn)的手術(shù)。本實(shí)驗(yàn)力圖用有限元的方法分析此手術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)，但在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，股方肌骨瓣對股骨近端應(yīng)力的變化影響很小，因此我們重點(diǎn)分析內(nèi)固定物及股骨近端前傾角、頸干角的變化。關(guān)于內(nèi)固定的選擇，王穎等[5]應(yīng)用有限元方法研究了動力髖螺釘、鎖定加壓鋼板、空心釘和髓內(nèi)釘?shù)膽?yīng)力分布和位移分布，認(rèn)為鎖定加壓鋼板穩(wěn)定性最高，但承受的剪切力更大，空心釘固定時股骨受力最小，但股骨位移最大。夏志鋒等[6]應(yīng)用有限元方法研究了拉力螺釘、全螺紋空心螺釘和股骨近端鎖定鋼板，認(rèn)為對于PauwelsⅠ型骨折而言，空心螺釘固定效果優(yōu)于其他兩種方式。張晟等[7]應(yīng)用有限元方法研究了拉力螺釘、空心螺釘、股骨頸鎖定鋼板、InterTan釘板模型，認(rèn)為對于PauwelsⅢ型股骨頸骨折，釘板系統(tǒng)力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于螺釘系統(tǒng)，且能預(yù)防股骨頸短縮。潘林華[8]應(yīng)用有限元分析了骨折伴后內(nèi)壁骨缺損的特殊類型，行空心螺釘和DHS加防旋螺釘固定，認(rèn)為后者具有生物力學(xué)優(yōu)勢。由此我們可以看出，釘板系統(tǒng)的抗剪切力好于螺釘系統(tǒng)，Pauwels角越大內(nèi)固定物的剪切力越大。我們對于青壯年股骨頸骨折考慮的因素更多，更多的兼顧預(yù)后及如何減少并發(fā)癥，空心釘創(chuàng)傷小，對股骨頭的血運(yùn)影響小，同時利于股方肌骨瓣的手術(shù)操作。

對于空心釘?shù)臄?shù)量和分布情況，也有學(xué)者做了相關(guān)的有限元研究。王穎等[5]認(rèn)為3枚空心釘固定時較4枚的股骨應(yīng)力最小。殷浩等[9]認(rèn)為3枚空心釘聯(lián)合支持鋼板相較4枚空心釘聯(lián)合支持鋼板固定更符合股骨的生物力學(xué)，應(yīng)力分布更均勻，是治療Pauwels角大的較好選擇。任棟等[10]認(rèn)為4枚菱形排列的空心拉力螺釘，具有更好的生物力學(xué)特性。張浩等[11]認(rèn)為4枚螺釘治療PauwelsⅢ型股骨頸骨折具有更強(qiáng)的抗剪切力，生物力學(xué)穩(wěn)定性更好。我們認(rèn)為3枚空心釘固定時股骨的應(yīng)力大小及分布更好，對股骨頭血運(yùn)的影響小。空心釘?shù)姆植记闆r也有研究，許景紅等[12]認(rèn)為“F”形空心釘固定相比正三角固定可減小軸向壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切應(yīng)力。虎群盛等[13]研究了取出空心釘后的釘?shù)李愋蛯晒墙肆W(xué)分布的影響，認(rèn)為內(nèi)固定取出后，正三角形空心釘分布的釘?shù)溃晒墙藨?yīng)力明顯升高，可能會有再骨折的風(fēng)險。吳偉等[14]認(rèn)為空心釘分布方式、釘尖位于股骨頭下深度和數(shù)量是影響骨折愈合和股骨頭壞死的生物力學(xué)因素，推薦國際內(nèi)固定研究學(xué)會的置釘方式，即倒等邊三角形、空心釘尖端位于股骨頭下5～10 mm。唐洪濤等[15]認(rèn)為骨折愈合取出螺釘后，釘?shù)纼?nèi)植骨會提高股骨頭頸部的生物力學(xué)性能，可預(yù)防股骨頭塌陷。Sensoz等[16]認(rèn)為倒三角可以減少醫(yī)源性轉(zhuǎn)子下骨折的風(fēng)險。我們的研究提示倒三角固定和正三角固定相比，在股骨近端整體應(yīng)力及股骨自身應(yīng)力上，倒三角固定生物力學(xué)性能較好。倒三角上方的釘尖距離股骨頭頂端較遠(yuǎn)，術(shù)后股骨頭壞死的可能較小。4枚菱形排列的空心釘，雖然生物力學(xué)性能好，但上方螺釘對股骨頭血運(yùn)有影響，我們也不建議采用。

前傾角、頸干角的變化對內(nèi)固定后股骨近端生物力學(xué)影響的研究較少。杜長嶺等[17]對股骨內(nèi)固定術(shù)后不同前傾角模型分析顯示，隨著前傾角的變化，股骨和空心釘應(yīng)力均有所改變。前傾角增大或減小，應(yīng)力、位移、最大冠狀面位移、等效應(yīng)變值均有所升高，提示術(shù)中恢復(fù)前傾角的必要性。我們對前傾角研究的結(jié)果也提示，前傾角增大或減小時，應(yīng)力值均有所升高，同時還發(fā)現(xiàn)前傾角增大時的應(yīng)力峰值明顯高于減小的峰值。另外減小5°～10°時無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，換句話說，正常的前傾角趨于0°時，空心釘?shù)膽?yīng)力變小，同時明顯小于前傾角增大時的應(yīng)力，但是越過中立位成后傾時應(yīng)力的變化未做實(shí)驗(yàn)。以上研究提示復(fù)位時盡量恢復(fù)正常的前傾角，復(fù)位有困難時寧可前傾小一些，這樣會有更好的生物力學(xué)性能。我們的研究中頸干角應(yīng)力的變化類似前傾角，頸干角增大或減小，空心釘?shù)膽?yīng)力值均有所升高，提示術(shù)中恢復(fù)正常頸干角的必要性。

股方肌骨瓣移植聯(lián)合內(nèi)固定治療青壯年股骨頸骨折，我們在治療骨折的同時要更多的兼顧股骨頭血運(yùn)的保護(hù)，努力減少骨折不愈合及股骨頭壞死，對Garden Ⅲ、Ⅳ型股骨頸骨折一期行股方肌骨瓣移植的目的也是為增加血供、較少股骨頭壞死等并發(fā)癥[1]。有限元可以在一定程度上模擬內(nèi)固定的生物力學(xué)特性，為內(nèi)固定的選擇和置入的方向、角度、數(shù)量、深淺等提供了模型分析，指導(dǎo)臨床醫(yī)師工作。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，股方肌骨瓣對股骨近端的力學(xué)變化影響很小，3枚空心釘固定時股骨的應(yīng)力大小及分布更好，倒三角分布在力學(xué)特性和減少股骨頭塌陷上好于其他形式，手術(shù)復(fù)位置釘時盡量恢復(fù)股骨頸正常的前傾角和頸干角會有更好的生物力學(xué)性能[18]。