改良股骨近端髓內(nèi)釘固定EvansⅣ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析.pdf

1、目的:
　　隨著生物力學(xué)、材料學(xué)的發(fā)展，股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療也取得了許多進(jìn)步，多種多樣的內(nèi)固定器械隨之產(chǎn)生，髓內(nèi)釘固定成為了目前股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療主流，但仍無法避免內(nèi)固定失敗的發(fā)生?；仡櫺苑治龉晒寝D(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘固定術(shù)后的患者基本臨床資料、骨質(zhì)疏松評(píng)級(jí)、骨折復(fù)位質(zhì)量、尖頂距等資料，探討股骨轉(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘固定后發(fā)生內(nèi)固定失敗的危險(xiǎn)因素。
　　有限元分析已被用于內(nèi)固定器械的力學(xué)性能評(píng)價(jià)，指導(dǎo)醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和改造。本研究根據(jù)股

2、骨近端“三角固定”理論設(shè)計(jì)了改良股骨近端髓內(nèi)釘。在PFNA-Ⅱ的基礎(chǔ)上調(diào)整螺旋刀片與主釘?shù)慕嵌?，同時(shí)增加1枚近端抗張力螺釘。通過有限元分析方法比較生理載荷狀態(tài)下改良股骨近端髓內(nèi)釘和PFNA-Ⅱ固定EvansⅣ型不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的生物力學(xué)性能，檢驗(yàn)改良股骨近端髓內(nèi)釘設(shè)計(jì)的合理性，為新器械的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)及研究思路。
　　方法:
　　選取廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院診斷為股骨轉(zhuǎn)子間骨折并接受閉合復(fù)位髓內(nèi)釘固定的患者，設(shè)

3、定納入標(biāo)準(zhǔn)和排除標(biāo)準(zhǔn)。收集患者年齡、性別、骨折患側(cè)、骨折類型、復(fù)位質(zhì)量、內(nèi)固定種類、尖頂距、內(nèi)固定失敗等臨床資料。采用卡方檢驗(yàn)等方法比較內(nèi)固定失敗組和內(nèi)固定未失敗組患者的臨床資料之間的差異，通過二元回歸的方法了解骨折內(nèi)固定失敗的危險(xiǎn)因素。
　　選取一名健康老年男性志愿者，用螺旋CT對(duì)其右側(cè)股骨進(jìn)行全段薄層掃描。CT影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics14.1軟件，根據(jù)不同組織灰度值的差異，通過閾值化及像素修補(bǔ)、區(qū)域增長(zhǎng)和消除孤立點(diǎn)等處理，分離

4、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓腔，利用三維模型生成功能生成股骨中上段三維模型。將股骨中上段三維模型導(dǎo)入逆向工程軟件GeomagicStudio10.0進(jìn)行光滑處理網(wǎng)格劃分。將股骨模型導(dǎo)入Abaqus12.0進(jìn)行載荷預(yù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本研究的模型可靠有效。再將股骨模型導(dǎo)入到Solidwork2010軟件中模擬EvansⅣ型骨折進(jìn)行截骨建立EvansⅣ型股骨轉(zhuǎn)子間不穩(wěn)定型骨折模型。在SolidWorks2010軟件中根據(jù)PFNA-Ⅱ髓內(nèi)釘數(shù)據(jù)尺寸三維重建P

5、FNA-Ⅱ和改良股骨近端髓內(nèi)釘?shù)玫綌?shù)字模型。將EvansⅣ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型及兩種髓內(nèi)釘模型導(dǎo)入SolidWorks2010中進(jìn)行裝配，生成改良股骨近端髓內(nèi)釘和PFNA-Ⅱ內(nèi)固定后的模型。髓內(nèi)釘在股骨中的位置以辛迪思所提供手術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)為參考，螺旋刀片位于股骨頭中下靠后位置。然后將骨折內(nèi)固定模型導(dǎo)入到限元分析軟件Abaqus12.0進(jìn)行處理分析。參照參考文獻(xiàn)中的材料賦值、邊界條件和加載條件，模擬成人雙足站立位和步態(tài)周期關(guān)節(jié)承載峰值時(shí)刻兩

6、種受力情況進(jìn)行靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載有限元分析。得到兩種內(nèi)固定模型在相同載荷下的內(nèi)固定物的應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值、股骨的應(yīng)力分布及應(yīng)力值、內(nèi)固定模型的位移情況及位移值，比較分析兩種不同髓內(nèi)釘固定老年不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的生物力學(xué)性能。
　　結(jié)果:
　　共納入107例股骨轉(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘閉合復(fù)位固定的患者，男性45例，女性62例，平均年齡為75.07±6.16歲（65歲-90歲）。其中內(nèi)固定失敗組10例，內(nèi)固定未失敗組97例。內(nèi)固定

7、失敗組和內(nèi)固定未失敗組患者在性別比例、骨折患側(cè)、骨折分型、內(nèi)固定方式、骨質(zhì)疏松方面的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。兩組患者在年齡、骨折復(fù)位質(zhì)量、尖頂距方面的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。二元回歸顯示尖頂距大于25mm是發(fā)生股骨轉(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定失敗的唯一危險(xiǎn)因素。
　　建立老年EvansⅣ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的三維有限元模型、改良股骨近端髓內(nèi)釘及PFAN-Ⅱ兩種髓內(nèi)釘固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折后的三維有限元模型。在兩種生理載荷狀

8、態(tài)下，兩種內(nèi)固定模型的應(yīng)力集中均位于頭頸螺釘與主釘交界部位。改良股骨近端髓內(nèi)釘?shù)膬?nèi)固定應(yīng)力值大于PFNA-Ⅱ，靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載情況下兩者的應(yīng)力峰值分別為228.0Mpa、214.4Mpa和618.3Mpa、575.4Mpa。改良股骨近端髓內(nèi)釘固定模型的股骨應(yīng)力峰值大于PFNA-Ⅱ固定模型的股骨應(yīng)力峰值，靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載情況下股骨的應(yīng)力峰值分別為113.4Mpa、95.8Mpa和150.8Mpa、125.8Mpa。兩種加載模式下改良股

9、骨近端髓內(nèi)釘固定模型的位移值較小于PFNA-Ⅱ組，分別為5.01mm、5.37mm和5.18mm、5.59mm。
　　結(jié)論:
　　股骨轉(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘固定術(shù)后有較高的內(nèi)固定失敗發(fā)生率。高齡患者、骨折復(fù)位不佳、尖頂距大于25mm時(shí)出現(xiàn)內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)較高。尖頂距是預(yù)測(cè)髓內(nèi)釘內(nèi)固定失敗的重要因素。在臨床手術(shù)操作中需要注意控制頭頸螺釘?shù)募忭斁嘈∮?5mm，以降低內(nèi)固定失敗的可能。
　　有限元分析方法可以很好的模擬和驗(yàn)證新器械

10、的生物力學(xué)性能，具有力學(xué)性能測(cè)試全面、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于不穩(wěn)定型EvansⅣ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折，改良股骨近端髓內(nèi)釘在固定不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。考慮到臨床實(shí)際情況，本研究中抗張力螺釘與螺旋刀片之間未產(chǎn)生接觸，導(dǎo)致抗力螺釘、螺旋刀片、髓內(nèi)釘主釘三者之間無法形成閉合三角形結(jié)構(gòu)，上方的抗張力螺釘由于更加接近受力點(diǎn)而承受較高應(yīng)力存在導(dǎo)致應(yīng)力峰值較高。有限元分析是對(duì)實(shí)際情況的一種模擬分析，是將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，仍需要和傳統(tǒng)的離體