股骨—螺釘—骨板系統應力分流研究

鄭 智，段朋云，丁曉紅

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

股骨是具有獨特曲拱外形的人體最長的管狀骨，在人體承重中發揮著重要作用，暴力沖擊直接導致的股骨骨折發病率約占全身骨折的6%，已成為外科臨床中常見的一種疾病。股骨骨折多采用內固定手術方法治療，即利用螺釘、骨板和髓內針等植入物將斷裂的股骨復位并穩定固定，植入物如骨板和螺釘的作用是臨時代替骨骼傳導生理應力。對于股骨干橫斷骨折，由于相關的生物力學研究較少，對于不同螺釘布局下的內固定系統應力分布仍存有爭議。Xu 等認為骨折處臨近1-2 孔應空置螺釘，使得骨痂具有一定的微動，以分散骨板應力，而Sommer 等則認為螺釘應盡量靠近骨折處以保證內固定系統的穩定性。為了有效指導骨折固定及術后恢復，國內外學者對內固定治療使用的骨板和螺釘進行了大量研究。如方潤心等通過有限元方法研究了不同螺釘布局下的骨愈合過程，但并未探討內固定系統骨板及對應股骨應力分布；在骨板設計方面，Kim 等采用有限元方法，對骨板的長度、厚度和寬度等設計參數進行分析，得到了在保證骨板強度的情況下需盡可能減小骨板應力參數，但并未研究不同的螺釘布局；孫興文等利用有限元方法計算出骨折固定時鎂合金、鈦合金等材料骨板在骨折處的應力，并進行了實驗驗證，但僅涉及了骨板材料的研究，并未考慮到骨折處的股骨應力分布。臨床中內固定系統骨板與股骨應力占比的合理性對于手術成功具有重要意義。在骨折愈合初期，若骨板應力占比過低會導致內固定系統穩定性不足，骨板與螺釘發生彎折、斷裂等現象，導致手術失敗，給病患帶來極大痛苦；在骨折愈合后期，若骨板應力占比過高會出現應力遮擋現象，導致病人出現骨質疏松、骨萎縮及術后二次骨折等問題。然而，目前針對股骨—螺釘—骨板組成的內固定系統應力分流相關研究較少，因此本文研究不同螺釘布局對內固定系統應力分流占比的影響具有重要意義。

針對上述問題，本文在Mimics 軟件中進行股骨幾何模型三維重建，使用三維建模軟件SolidWorks 建立股骨與骨板及3 種螺釘布局的裝配模型，使用有限元分析軟件HyperWorks 進行股骨干橫斷骨折系統有限元建模，通過對比分析得到雙腿站立工況下股骨與骨板應力分流占比的最優方案，為股骨干橫斷骨折內固定治療時確定合理的螺釘布局提供理論依據。

1 內固定系統有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

使用高能譜計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）方式獲得人工股骨的原始圖像，并以DICOM 格式儲存。利用Mimics 軟件對掃描圖像進行閾值分割、蒙板編輯與區域增長處理，得到股骨三維幾何模型。

接骨板及螺釘結構參數均來自于某醫療器械公司生產的產品，依據生產廠家提供的數據，在SolidWorks 中創建八孔鎖定加壓鈦合金骨板與接骨螺釘的三維模型。研究表明，使用鎖定加壓骨板進行內固定手術，骨折處兩側各應用3 枚螺釘即可滿足強度要求，更多的螺釘數目也無法顯著增加內固定系統的穩定性。因此，本文選取如圖1所示的3 種六螺釘布局方案固定八孔骨板（彩圖掃OSID 碼可見，下同），螺釘在骨折處兩側呈對稱分布。方案一的4、5 孔處空置接骨螺釘，方案二的3、6 孔處空置接骨螺釘，方案三的2、7 孔處空置接骨螺釘。根據張力帶原則（AO principle），骨板與螺釘置于股骨中部的受拉側。

Fig.1 Three typical fixation methods of femoral fracture internal fixation system圖1 股骨骨折內固定系統3 種典型固定方式

在HyperWorks 中，對內固定裝配模型的股骨干中部進行兩次分割，得到2mm 厚度骨痂以模擬股骨干中部橫斷骨折的術后愈合情況。

1.2 網格劃分與材料屬性

內固定系統三維模型曲面較多，將有限元網格單元類型設定為八節點的四面體單元。對骨板螺釘孔處應力集中進行處理后，最終骨板模型被劃分為10 383個單元、3 366個節點，股骨模型被劃分為855 195個單元、177 673個節點。其中，螺釘與股骨通過共節點連接方式替代實際模型的螺紋連接，使載荷由股骨近端傳至接骨螺釘。

為保證研究的可行性，根據傳統的骨骼生物力學分析方法，假設股骨、骨板等部位均為連續、均質、各向同性的線彈性材料。模擬內固定手術骨痂愈合20%的情況，設定骨痂彈性模量為4GPa。股骨骨折系統模型各部分材料屬性如表1 所示。

Table 1 Material properties表1 材料屬性

1.3 邊界條件與載荷

對內固定系統接骨螺釘與骨板之間的接觸面建立無摩擦滑動接觸，使載荷經由骨板傳遞至股骨遠端。依據DICOM 數據，在股骨頭表面中心點坐標處建立RBE3 單元。相關研究表明，成年人雙腿呈站立姿態時，股骨主要的受力形式為軸向的壓縮力，一側股骨承受的載荷約為自身體重的20%～30%。考慮到術后患者行動需借助拐杖等輔助器械，對股骨有限元模型RBE3 單元主節點施加大小為300N、垂直向下的載荷，約束股骨遠端下緣節點6個方向的自由度作為有限元模型的邊界條件，得到如圖2 所示的有限元模型。

Fig.2 Finite element model of femoral fracture internal fixation system圖2 股骨骨折內固定系統有限元模型

2 股骨—骨板應力及其分流情況分析

2.1 股骨—骨板應力分析

3 種螺釘布局方案下的股骨應力分布云圖如圖3 所示，云圖顯示出由股骨近端傳遞至股骨遠端的應力傳遞路徑，云圖中應力較大處為股骨主要承力區域。由于股骨與螺釘連接處出現應力集中現象，螺釘孔應力明顯大于對應的股骨干應力，股骨應力最大值出現在第八螺釘孔處。

Fig.3 Femur stress distribution cloud diagram of three schemes圖3 三種方案股骨應力分布云圖

3 種螺釘布局方案下的骨板應力分布云圖如圖4 所示，忽略局部應力集中現象，可看出應力在骨折線兩邊大致呈對稱分布，應力分布較為均勻。骨板中部應力較大，應力從骨折線到兩端呈減小趨勢，在接骨螺釘固定的螺釘孔附近應力更加集中，最大應力出現在骨板遠離骨折處的螺釘處。

在內固定系統中，離骨折處最近的兩個接骨螺釘距離為骨板工作長度。方案一空置了骨折處附近的兩個螺釘，增加了骨板工作長度，使應力更有效地傳至骨板末端，由應力云圖可看出股骨與骨板的最大等效應力均為3 種方案中最低的。由于緩解了內固定系統的應力集中現象，方案一中骨板失效的幾率更低。臨床研究表明，骨板的工作長度過短時，骨板上應力集中于骨折處附近，無法有效傳導至整個骨板，會增加骨板斷裂的風險。臨床上使用鎖定骨板固定治療時，在骨折處空置2～3個螺釘孔用于增加整個內固定系統的彈性，并提高骨板的抗疲勞強度，與方案一的螺釘布局方案相吻合。

Fig.4 Stress distribution cloud diagram of bone plates of three schemes圖4 3 種方案骨板應力分布云圖

2.2 股骨—骨板應力分流情況分析

為探究骨板—股骨應力分流情況，即骨板—股骨等效應力占比，本文依據骨板幾何形狀，使用HyperWorks 對骨板及對應股骨進行分段處理，如圖5 所示。

Fig.5 Segmented schematic diagram of femoral internal fixation system圖5 股骨內固定系統分段示意圖

分別提取股骨與骨板每一段所有單元的應力值，取平均值作為該段的等效應力，得到結果如表2 所示。

采用式（1）、式（2）分別計算股骨與骨板的等效應力占比，得到內固定系統股骨與骨板的應力分流情況，如圖6所示。

Table 2 Equivalent stress of internal fixation system表2 內固定系統等效應力

Fig.6 Histogram of stress ratio of internal fixation圖6 內固定系統應力占比柱狀圖

在骨折初期，理想的內固定系統應提供足夠的力學穩定性，直至編織骨與板層骨恢復正常的生理應力。由內固定系統應力占比柱狀圖可知，3 種方案的骨板在骨折處的應力均占比最高，由骨折處到兩端骨板的應力占比逐漸降低。手術后，在骨折處骨板替代股骨承受載荷的支撐作用更為明顯。方案一在骨折處骨板的應力占比最高為87.459%，能更有效地提升股骨骨折處抵抗折彎、扭轉等有害應力的能力，力學穩定性更高。

3 結果與討論

通過對骨板—股骨內固定系統進行有限元分析，得到3 種螺釘布局方案下骨板—股骨二者的應力分流占比。由上述分析結果可知，采用方案一螺釘布局的內固定系統，骨板的工作長度最長，保證了骨折處的彈性，在充分誘導骨痂生成的同時，可防止骨板因應力集中造成內固定早期失效。方案一中骨板在骨折處應力占比更高，能在手術恢復前中期更好地替代股骨承擔生理應力，使內固定系統具有充分的穩定性，與臨床治療方案相吻合，為臨床選擇手術方案提供了理論依據。

由于對股骨與骨板上的應力分流情況不了解，臨床中常出現骨板應力過大導致骨板斷裂、失效的醫療事故。之前學者們在生物力學研究中采用實驗方法，利用測點法測出股骨或骨板局部位置的應變值。由于未進行有限元分析，只有測點處可計算得到與有限元分析相近的應力值，實驗結果并不能反映出整個內固定系統應力情況，具有一定的局限性。而有限元方法可擺脫以上弊端，得到股骨骨折內固定系統各個位置的應力分布，可作為股骨內固定系統應力分析的主要方法，為骨折內固定手術方案制定提供參考。在應力云圖中，應力值較大處是主要的承力區域，在承力區域合理布置骨板位置與螺釘布局，可得到最優的股骨與骨板應力分流占比，在骨折愈合前期可提高內固定系統的穩定性，在愈合后期可降低骨板對股骨的應力遮擋效應，從而給予骨斷端適宜的成骨應力刺激，有利于促進術后斷骨恢復。而且分析內固定系統的應力分布，對于骨板的設計研發也具有一定幫助。

本研究在保證結果準確的前提下，對股骨骨折內固定系統有限元模型進行了適當的簡化與假設，以保證研究的簡便性。但實際上術后內固定系統失效往往并非由單一的暴力創傷引起，受韌帶與肌肉組織影響，內固定系統承受隨步態發生改變的循環載荷，導致骨板與螺釘發生疲勞斷裂。因此，后續考慮對骨板—股骨內固定系統進行不同步態工況下循環載荷的動態有限元分析，以對本文研究作進一步完善。

4 結語

本文通過有限元方法模擬與分析人體雙腿在站立工況下，股骨干中部橫斷骨折采用3 種六螺釘布局方案固定的股骨—螺釘—骨板系統應力分流情況，分析結果直觀表現出不同螺釘布局對內固定系統應力分流情況的影響。在第一種方案中，骨板工作長度更長，骨折處骨板應力占比高，且骨板與股骨最大應力最小，因此使用6 顆螺釘固定8 孔骨板時，第4、5 孔不放置螺釘是最優的螺釘布局方案。雖然本文的有限元分析過程尚存在一定不足，但是整個有限元仿真分析結果與臨床治療方案相吻合。后續的課題研究將對本文研究進行完善，從而為股骨干橫斷骨折臨床治療及相關的力學分析提供更準確的理論依據與指導。