3種內固定方式治療青壯年股骨頸骨折的有限元分析

馬 季,張玉強,智曉東,王 偉,3

青壯年股骨頸骨折多由暴力導致,骨折類型多以不穩定Pauwels Ⅲ型為主[1]。基于股骨頸解剖及生物力學特征,其骨折術后易發生骨不連和股骨頭壞死等并發癥,進一步導致高致殘率和病死率[2-3]。目前,動力髖螺釘(DHS)和3枚空心拉力螺釘是臨床廣泛應用的手術方式。Johnson et al[4]發現,3枚空心拉力螺釘雖能有效地抵抗扭轉,但它不能有效對抗垂直剪切力和彎曲力。研究者[5]發現,在3枚空心拉力螺釘上,于大轉子偏下部位水平置入1枚橫行螺釘,可優化股骨力學穩定性[6]。相關研究[7-8]表明,如果僅用DHS內固定,其抗旋轉能力甚至不如多枚空心螺釘。而平行DHS插入防旋螺釘(DS),能有效增強抗旋轉能力。股骨頸動力交叉釘系統(FNS)以微創、穩定的優勢廣泛應用于臨床。雖然股骨頸骨折的治療在不斷進步和優化,但最佳手術方案無統一定論。本研究建立青壯年Pauwels Ⅲ型骨折的有限元模型,比較4枚空心拉力螺釘、DHS+DS和FNS 3種內固定模型治療的青壯年Pauwels Ⅲ型骨折的生物力學差異。

1 材料與方法

1.1 研究對象選取1名健康成年男性志愿者,30歲,身高178 cm,體重70 kg,無手術史、外傷史、骨質疏松、慢性疾病及傳染病等。志愿者知曉研究目的并簽署知情同意書。本研究于2022年6月11日在錦州醫科大學附屬第一醫院骨科完成,符合錦州醫科大學附屬第一醫院的相關倫理要求。

1.2 設備及軟件

1.2.1設備 西門子128排螺旋CT由錦州醫科大學附屬第一醫院提供;聯想筆記本電腦1臺,Windows11 64位操作系統;CPU(AMD Ryzen7 5800H with Radeon Graphics 3.20 GHz);內存32 GB;顯卡(NVIDIA GeForce RTX3070 Laptop GPU)。

1.2.2軟件 Mimics 21.0(Materialise 公司);Geomagic Wrap 2021(Geomagic 公司 );SolidWorks 2022(Dassault Systemes S.A 公司 );Ansys Workbench 2021 R1(Ansys 公司 )。

1.3 模型建立

1.3.1正常股骨三維模型建立 使用CT對志愿者的骨盆及雙下肢部位進行薄層掃描,讀取圖像數據并以DICOM格式保存,并將DICOM格式圖像數據導入Mimics 21.0軟件。通過新建蒙版、區域增長、多層編輯、智能填充、光順實體等命令,依次對模型進行預處理。將模型轉化為實體對象后以.stl格式保存,并將其導入Geomagic Wrap 2021軟件進行處理。通過去除特征、刪除釘狀物、快速光順、雕刻、抽殼、偏移、填充等命令完善模型。將完善的股骨模型依次進行精確曲面、繪制構建輪廓線、構造曲面片、構建格柵、擬合曲面等命令。最后,將處理完成的股骨模型(皮質骨+松質骨)保存為 .stp格式導入SolidWorks 2022軟件中。通過布爾運算將股骨皮質骨和松質骨模型進行組合,構建得到股骨三維模型。

1.3.2Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折模型建立 在SolidWorks 2022軟件中,經過股骨頭中心建立第1個基準面,再通過基準面建立與其夾角為70°的第2個基準面。使用第2個基準面分割股骨模型,建立青壯年Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折模型。見圖1。

圖1 Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折模型

1.3.33種內固定模型的建立 根據目前臨床治療股骨頸骨折常用器械及方法,通過SolidWorks 2022軟件構建3種骨折內固定物模型(由于實驗的重點與螺紋無關,因此將螺紋簡化為實心圓柱體模型)。見圖2。① 4枚空心拉力螺釘模型:螺桿光滑部分? 4.8 mm,螺釘中空? 2.5 mm,遠端螺紋? 7.3 mm,螺紋長度16 mm。前3枚螺釘以倒品字方式相互平行置入,最后1枚螺釘于股骨外側壁大轉子偏下部位略水平置入。4枚空心拉力螺釘遠端距離關節面約5 mm。② DHS+DS模型:選擇4孔DHS鋼板(135°釘板角),厚約6.2 mm,長約70 mm,配套拉力螺釘? 8.2 mm、長90 mm,鎖定釘? 4.5 mm,長度30～40 mm。DS光滑螺桿? 4.8 mm,螺釘中空? 2.5 mm,螺紋? 6.5 mm,螺紋長度16 mm。DHS緊貼股骨,配套拉力螺釘貼附股骨頸中心偏下部位,DS于配套拉力螺釘上方平行置入股骨頸。2枚配套拉力螺釘遠端距關節面約5 mm。③ FNS模型:該系統由3部分構成,分別為鎖定鋼板、螺栓和DS。鎖定鋼板為130°成角穩定裝置,鎖定孔螺釘? 5 mm;螺栓? 10 mm,圓鈍頭、無螺紋,長度110 mm;DS ? 6.4 mm,可與螺栓鎖定,增加抗旋性,提升裝置穩定性。將FNS于大轉子下方置入,使螺栓和DS位于股骨頸中心,螺栓遠端距離關節面約5 mm。

圖2 3種內固定模型示意 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型

1.4 材料參數設置實驗模型均為理想的連續、均質、各向同性的線彈性材料,有限元模型材料參數參考文獻[9],見表1。

表1 有限元模型材料參數[9]

1.5 網格劃分本研究使用0.5～3.0 mm的四面體網格進行收斂性測試。研究結果顯示,與0.5～1.0 mm網格算出的等效應力值[10]相似。基于此,我們將本研究中股骨及內固定物的網格均采用1.0 mm進行劃分,生成網格和單元。3種內固定模型的節點數及單元數見表2。

表2 3種內固定模型的節點數及單元數(個)

1.6 約束條件及載荷設置將股骨頸骨折部位視為完全斷裂且骨折復位良好,骨折斷端摩擦系數設置為0.2。將股骨與螺釘、鋼板的接觸區域設置為綁定狀態,股骨遠端約束各項自由度。本研究在股骨頭負重中心區域建立一個坐標系,坐標系X軸與股骨冠狀面成13°夾角,與矢狀面成8°夾角。施加一個沿X軸方向700 N的載荷,從而模擬成年人正常行走時單腿負重情況下的承載力。本研究暫不考慮各個肌群的具體作用。

1.7 觀察指標觀察3種內固定模型中股骨近端骨折塊與3種內固定模型的應力分布及峰值、位移分布及峰值,以及骨折斷端骨折面的位移分布及峰值。

2 結果

2.1 股骨近端骨折塊的應力分布及峰值見圖3。3種內固定模型中股骨近端骨折塊的最大應力主要集中在骨折線內下側,靠近股骨距附近。FNS模型應力峰值最大,為35.651 MPa;4枚空心拉力螺釘模型次之,為30.664 MPa;DHS+DS模型最小,為25.404 MPa。

圖3 3種內固定模型中股骨近端骨折塊的應力分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖4 3種內固定模型中股骨近端骨折塊的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖5 3種內固定模型的應力分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖6 3種內固定模型的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型 圖7 3種模型骨折斷端骨折面的位移分布云圖 A.4枚空心拉力螺釘模型;B.DHS+DS模型;C.FNS模型

2.2 股骨近端骨折塊的位移分布及峰值見圖4。3種內固定模型股骨近端骨折塊的最大位移均位于股骨頭頂端偏上部位,位移大小由近及遠逐漸減小。FNS模型位移峰值最大,為1.828 mm;4枚空心拉力螺釘模型次之,為1.817 mm;DHS+DS模型最小,為1.255 mm。

2.3 3種內固定模型的應力分布及峰值見圖5。3種內固定模型應力主要集中在骨折線部位所對應的內固定裝置中間部位,應力大小從中間向兩端逐漸遞減。應力分布4枚空心拉力螺釘、DHS+DS模型較FNS模型均勻,FNS模型應力峰值最大,為281.200 MPa;DHS+DS模型次之,為111.380 MPa;4枚空心拉力螺釘模型最小,為95.596 MPa。

2.4 3種內固定模型的位移分布及峰值見圖6。3種內固定模型的位移主要集中在對應內固定裝置的近端,最大位移均位于內固定模型的最頂端且分布均勻。4枚空心拉力螺釘模型位移峰值最大,為1.667 mm;FNS模型次之,為1.642 mm;DHS+DS模型最小,為1.156 mm。

2.5 骨折斷端骨折面位移分布及峰值見圖7。3種內固定模型骨折斷端骨折面的位移主要集中在骨折斷端上部,由近及遠逐漸減小且均勻分布。FNS模型位移峰值最大,為1.286 mm;4枚空心拉力螺釘模型次之,為1.281 mm;DHS+DS模型最小,為0.887 mm。

3 討論

近年來,隨著計算機技術的發展,有限元已成為生物力學分析的常用工具,通過力學模擬可以對有限元模型進行骨折內固定的力學性能評價。Pauwels et al(1935年)根據骨折線水平傾斜角度將股骨頸骨折分為3型。當骨折線與水平夾角<30°時為PauwelsⅠ型骨折,夾角30°～50°為Pauwels Ⅱ型骨折,夾角>50°為Pauwels Ⅲ型骨折。相關研究[11-12]認為,骨折線夾角會影響股骨頸骨折的穩定性和臨床預后。雖然手術治療Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折已經進行了生物力學、臨床對照等相關研究,但在最理想內固定器械的選擇上仍沒有達成共識。

在生物力學穩定性方面,鋼板優于螺釘[22]。但對于FNS治療股骨頸骨折的臨床效果及生物力學穩定性方面,學者們仍存在爭議。相關臨床研究[23-25]表明,對于不穩定型股骨頸骨折,FNS展現出良好的臨床療效及生物力學穩定性,可實現穩定的固定。然而,Xia et al[26]研究結果發現,FNS的結構穩定性弱于空心拉力螺釘、空心拉力螺釘+內側板和雙平面支撐螺釘,這表明該方法可能不像先前報道的那樣穩定,FNS的穩定性有待進一步研究。

3.2 3種內固定模型的有限元結果分析本研究通過有限元分析方法建立3種Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折內固定模型,對比分析他們的生物力學性能。結果顯示,4枚空心拉力螺釘和DHS+DS模型都展現了良好的生物力學穩定性。3種內固定模型股骨近端骨折塊應力主要分布在靠近股骨距部位,DHS+DS模型骨折塊應力及位移峰值均小于4枚空心拉力螺釘模型。這表明,DHS+DS模型固定不穩定型股骨頸骨折時,該內固定抵消了大部分剪切力。3種內固定模型的應力均集中在骨折斷端所對應的內固定中間區域。與股骨近端骨折塊部位所受應力相比,內固定承載了更多的應力。3種內固定模型中,FNS模型應力及位移峰值均大于DHS+DS和4枚空心拉力螺釘模型,說明前兩種內固定模型力學穩定性較FNS模型強。其中,4枚空心拉力螺釘模型應力最小,DHS+DS模型位移最小。其原因可能是由于第4枚橫行螺釘分散了一部分剪切垂直應力,使螺釘的應力分布較為均勻和分散。斷端骨折面位移結果顯示,DHS+DS模型位移距離最小,空心拉力螺釘和FNS模型差別不明顯。因此,綜合各方面特點分析,DHS+DS模型能提供更加牢靠的穩定性,可以為骨折愈合提供更加良好的生物力學環境,進一步促進骨形成,縮短骨折愈合時間。

3.3 有限元分析方法的局限性本次研究存在一定的局限性:① 模型材料參數設置為各向同性彈性材料,會與實際人體骨骼的各方面異性材料屬性之間有所差別。② 骨折類型和內固定器械都僅限于特定的研究對象,實驗結果并不支持其他類型骨折和內固定方式。③ 本研究只進行有限元分析,后期仍需要尸體生物力學方面的實驗研究。④ 載荷設置僅模擬了成年人正常行走時單腿負重情況下的承載力,暫未考慮各個肌群的具體作用,在接下來的研究中應考慮髖關節周圍肌肉對股骨的載荷影響。

綜上所述,在3種內固定模型治療青壯年Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的有限元分析中,雖然4枚空心拉力螺釘模型的應力峰值最小,但它同FNS模型一樣,股骨近端骨折塊應力和位移峰值均大于DHS+DS模型。DHS+DS模型的生物力學穩定性能優于均4枚空心拉力螺釘及FNS模型,為骨折提供良好的愈合環境。所以,當青壯年發生Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折時,可酌情優先考慮行DHS+DS內固定治療。