股骨近端鎖定鋼板與Gamma釘用于伴有外側(cè)壁骨折股骨轉(zhuǎn)子間骨折的三維有限元分析

汪燦鋒，韓雷，胡云根，何杭

股骨轉(zhuǎn)子外側(cè)壁概念在臨床上近年來(lái)逐漸獲得重視[1]。Palm 等[2]認(rèn)為外側(cè)壁是影響二次手術(shù)重要因素，建議根據(jù)外側(cè)壁完整性進(jìn)行骨折分型。多數(shù)臨床醫(yī)師建議該類型骨折使用髓內(nèi)固定[3]，但也有學(xué)者提出使用鎖定鋼板，認(rèn)為鎖定鋼板可恢復(fù)股骨外側(cè)壁完整性[4-5]；同時(shí)，通過(guò)隨訪顯示術(shù)后髖關(guān)節(jié)功能方面髓內(nèi)釘與鎖定鋼板固定相比兩者無(wú)明顯差異[4]。目前鎖定鋼板及髓內(nèi)釘固定伴有外側(cè)壁骨折的的生物力學(xué)研究仍較少。本研究通過(guò)對(duì)伴有外側(cè)壁骨折的股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型進(jìn)行不同內(nèi)固定的有限元分析，比較鎖定鋼板及Gamma釘?shù)牧W(xué)有效性。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇1 例AO 分型為31A1.2型股骨轉(zhuǎn)子間骨折及同時(shí)存在外側(cè)壁骨折患者。男性，年齡80 歲，身高170 cm，體質(zhì)量60 kg，排除病理性骨折、腫瘤及感染性疾病、骨骼畸形及代謝性骨病等。本研究已獲得患者的知情同意。采用美國(guó)GE 公司32 排螺旋CT，將CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)人Mimics 19.0 軟件（Materialise 公司，比利時(shí)）。采用閾值分割方法對(duì)CT圖像中的股骨進(jìn)行分割，建立三維模型，將Mimics所建立粗糙模型導(dǎo)入Geomagic Studio 12.0（Geomagic公司，美國(guó)）進(jìn)行打磨處理。運(yùn)用Solidworks 2017 軟件畫出內(nèi)固定模型，利用軟件分割命令模擬外側(cè)壁破裂進(jìn)行截骨。建立鎖定鋼板與Gamma 釘三維模型，在裝配界面與股骨模型進(jìn)行裝配。

1.2 方法 將上述幾何模型導(dǎo)入到ANSYS 17.0 有限元分析軟件中，建立Static Structural 分析類型，在分析材料庫(kù)中分別建立皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、內(nèi)固定物的材料屬性參數(shù)，進(jìn)入Mechanical 工作界面，在geometry 中對(duì)股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、內(nèi)固定物等模型賦予相關(guān)的材料。接下來(lái)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置邊界條件和載荷：將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁下緣節(jié)點(diǎn)的自由度約束為0 作為邊界條件，即遠(yuǎn)端各節(jié)點(diǎn)在x、y、z 軸上的位移為0，在股骨頭上方關(guān)節(jié)面予以縱軸向下500 N 應(yīng)力，平均作用于股骨頭與髖臼的接觸面，沿縱軸向下，通過(guò)運(yùn)行分析后，得到股骨近端位移云圖、骨折部及內(nèi)固定應(yīng)力。

2 結(jié)果

在相同加載應(yīng)力下，得到Mises 應(yīng)力云圖顯示兩種模型模型均出現(xiàn)形變，在股骨頭上部的加載力的區(qū)域出現(xiàn)最大位移。其中鎖定鋼板模型最大位移為1.4 001 mm，Gamma 釘模型最大位移為1.2 578 mm；兩種模型在骨折線下方骨折遠(yuǎn)端部分均出現(xiàn)應(yīng)力不同程度增加，其中Gamma 釘模型最大應(yīng)力值為23.4MPa。鎖定鋼板組在遠(yuǎn)端骨塊的骨折線下方及外側(cè)壁周圍均有較大應(yīng)力出現(xiàn)，最大應(yīng)力值為25.8MPa；兩種模型固定的應(yīng)力分布情況呈現(xiàn)出明顯差異，鎖定鋼板應(yīng)力的應(yīng)力集中于在股骨外側(cè)壁與鋼板接觸部，其中最大應(yīng)力位于貼近股骨距螺釘尾端與鋼板接觸部，最高應(yīng)力達(dá)72.5MPa。Gamma釘在股骨內(nèi)側(cè)顯示有分散且均勻的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于主釘近端與股骨頸拉力釘接觸部，最高應(yīng)力為57.6 MPa。見(jiàn)封四彩圖2 ～4。

3 討論

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為股骨轉(zhuǎn)子外側(cè)壁是影響股骨近端骨折穩(wěn)定及預(yù)后的重要因素[1,6-7]。股骨轉(zhuǎn)子外側(cè)壁以松質(zhì)骨為主，且在術(shù)中置入主釘時(shí)形成外側(cè)壁破裂，形成二次損傷[8]。生物力學(xué)上分析外側(cè)壁阻擋股骨頭頸部骨塊向外側(cè)移位，一旦外側(cè)壁破壞則可致使近側(cè)頭頸骨塊向外側(cè)移位，并發(fā)生內(nèi)旋，后期出現(xiàn)拉力螺釘切出股骨頭。Gotfried 等[9]通過(guò)對(duì)24 例股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定失敗患者的進(jìn)行回顧性研究，發(fā)現(xiàn)所有患者均存在不同程度的外側(cè)壁骨折。目前已有越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)外側(cè)壁對(duì)股骨轉(zhuǎn)子間內(nèi)固定的重要性，認(rèn)為無(wú)論髓內(nèi)或髓外固定，均需在手術(shù)過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)外側(cè)壁的完整性。

本研究?jī)山M有限元模型在同樣的應(yīng)力加載下，Gamma 釘模型股骨近端的應(yīng)力集中位于在主釘與股骨頸拉力釘接觸部，鎖定鋼板模型中股骨近端的應(yīng)力在股骨外側(cè)臂皮質(zhì)骨處出現(xiàn)應(yīng)力集中，內(nèi)固定應(yīng)力最大值大于Gamma 釘內(nèi)固定的骨折模型，這與以往文獻(xiàn)報(bào)道一致[10]。鎖定鋼板因?yàn)槠墓潭ǎ虼顺惺芨嗟妮d荷，而鎖定鋼板近端的多螺釘設(shè)計(jì)有利于應(yīng)力分散，避免應(yīng)力集中而出現(xiàn)內(nèi)固定斷裂。本實(shí)驗(yàn)采用外側(cè)壁骨折模型，在載荷下大轉(zhuǎn)子與外側(cè)壁骨塊的所形成的股骨外側(cè)張力帶的斷裂，當(dāng)對(duì)股骨頭部施加應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力一部分沿內(nèi)固定向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)，另一部分沿股骨內(nèi)側(cè)向下傳導(dǎo)，同時(shí)在外側(cè)壁處形成了外翻應(yīng)力，因?yàn)槿鄙偻鈧?cè)壁，導(dǎo)致內(nèi)固定在外側(cè)壁臨近股骨頸、骨折斷端處的應(yīng)力增大[11]，應(yīng)力分布云圖顏色在相應(yīng)部位加深。此外，Gamma 釘內(nèi)固定的最大應(yīng)力明顯小于鎖定鋼板，因?yàn)樗鑳?nèi)釘?shù)墓潭ㄗ饔脤?duì)外側(cè)壁的張力輔助要求較低，且內(nèi)固定軸心內(nèi)移。通過(guò)內(nèi)固定應(yīng)力云圖可顯示Gamma 釘使應(yīng)力通過(guò)主釘傳導(dǎo)，在股骨內(nèi)側(cè)形成分散且均勻的應(yīng)力，明顯降低局部的應(yīng)力遮擋和應(yīng)力集中發(fā)生。鎖定鋼板的工作力臂更長(zhǎng)，加上外側(cè)壁的缺損，因此在外側(cè)壁與鋼板接觸部出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。

綜上所述，Gamma 釘與股骨外側(cè)鎖定鋼板均有效固定伴有外側(cè)壁骨折的轉(zhuǎn)子間骨折，Gamma 釘內(nèi)固定所承受的應(yīng)力較鎖定鋼板小，臨床應(yīng)首選髓內(nèi)固定。當(dāng)選擇鎖定鋼板內(nèi)固定時(shí)，需要盡量重建外側(cè)壁的完整，提高股骨近端的穩(wěn)定性，減少內(nèi)固定失敗率。