新型髓內(nèi)釘與交鎖髓內(nèi)釘固定成人股骨干骨折的有限元分析.pdf

1、目的:應(yīng)用有限元法對(duì)新研制的新型髓內(nèi)釘與交鎖髓內(nèi)釘固定成人股骨干骨折模型進(jìn)行力學(xué)載荷實(shí)驗(yàn),比較二者應(yīng)變及應(yīng)力分布特征,分析并驗(yàn)證新型髓內(nèi)釘固定成人股骨干骨折生物力學(xué)方面的可行性,同時(shí)提出手術(shù)適應(yīng)征,并通過(guò)比較,判斷新型髓內(nèi)釘在固定成人股骨干骨折方面能否代替交鎖髓內(nèi)釘,成為一種安全、有效的髓內(nèi)固定。
　　 股骨干骨折是指股骨小轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)至股骨髁上近側(cè)的骨折。股骨干骨折是臨床最常見(jiàn)的骨折之一,約占四肢骨折的18.5％,占全身骨折的6%[

2、1],總體發(fā)生率為萬(wàn)分之1.33[2],股骨是人體最長(zhǎng)的骨,也是下肢主要的承重骨之一,成人股骨干骨折常由高能量損傷所致,骨折后并發(fā)癥較多,若治療不當(dāng),將嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量甚至威脅患者生命。由于非手術(shù)治療臥床時(shí)間長(zhǎng)、并發(fā)癥多,且隨著內(nèi)固定材料、手術(shù)方法不斷改進(jìn)以及人們對(duì)骨折治療方法觀念的轉(zhuǎn)變,現(xiàn)今成人股骨干骨折多趨向于手術(shù)內(nèi)固定治療。從19世紀(jì)開(kāi)始,接骨板與髓內(nèi)釘逐步用于股骨干骨折的治療中。對(duì)于股骨干骨折,髓內(nèi)釘因其更加符合骨的力學(xué)特性

3、,常作為治療的首選[3],最初的髓內(nèi)釘主要依靠主釘與髓腔的摩擦力控制骨折斷端穩(wěn)定,這一固定方式只能在一定程度上對(duì)抗彎曲載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,而對(duì)于軸向載荷及旋轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力則不能提供足夠的對(duì)抗,常造成骨折斷端的短縮及旋轉(zhuǎn)移位?，F(xiàn)今交鎖髓內(nèi)釘?shù)某霈F(xiàn)很好地解決了這一難題。但經(jīng)過(guò)大量臨床病例觀察,發(fā)現(xiàn)交鎖髓內(nèi)釘雖較其它髓內(nèi)釘相比具有更好的軸向和旋轉(zhuǎn)固定作用,但對(duì)于復(fù)雜股骨干骨折,如WinquistⅢ、Ⅳ型、股骨干多段骨折等,交鎖髓內(nèi)釘依然不能提供

4、足夠可靠的斷端穩(wěn)定性,為解決這一難題,學(xué)者們已經(jīng)做出了眾多的嘗試,如輔助鋼板固定以及改進(jìn)髓內(nèi)釘主釘外形[4]等,但都沒(méi)有從根本上解決斷端過(guò)度微動(dòng)的問(wèn)題。隨著鎖定鋼板的出現(xiàn),鎖定原理逐漸為臨床醫(yī)生所接受,因其能夠?qū)⒙葆斖摪彐i定而形成整體,增加了固定穩(wěn)定性及持久性而廣泛應(yīng)用于臨床。但鎖定鋼板為偏心固定,在力學(xué)特性上不如中心固定。
　　 為此,我們結(jié)合髓內(nèi)釘及鎖定鋼板的優(yōu)勢(shì),在交鎖髓內(nèi)釘?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)一種新型髓內(nèi)釘。它的原理

5、是通過(guò)改變主釘截面形狀、增加主釘上橫釘釘孔數(shù)目、改變橫釘釘孔位置及使橫釘同主釘進(jìn)行鎖定,為骨折斷端提供可靠的穩(wěn)定性。
　　 有限元法[5]可將連續(xù)的彈性體分成有限個(gè)單元,利用計(jì)算機(jī)中的有限元軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行合成,對(duì)每個(gè)單元的性質(zhì)進(jìn)行研究,在結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、材料質(zhì)地及機(jī)械性能方面達(dá)到與實(shí)際研究對(duì)象最大的相似性,從而達(dá)到分析整個(gè)彈性體的目的。該方法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要應(yīng)用于生物力學(xué)研究。由于人體是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)體,生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)常常難

6、以直接應(yīng)用于人體,有限元法可對(duì)人體生物力學(xué)行為進(jìn)行模擬研究,因而可以作為人們深化認(rèn)識(shí)人體力學(xué)特征的一種有效方法,其有效性、優(yōu)越性已在基礎(chǔ)試驗(yàn)及臨床應(yīng)用中得到充分證明。
　　 方法:
　　 1.建立成人股骨干骨折的有限元模型及新型髓內(nèi)釘與交鎖髓內(nèi)釘?shù)挠邢拊Ｐ?在此基礎(chǔ)上分別建立新型髓內(nèi)釘固定成人股骨干骨折的有限元模型作為實(shí)驗(yàn)組,建立交鎖髓內(nèi)釘固定成人股骨干骨折的有限元模型作為對(duì)照組;
　　 2.應(yīng)用有限元分析軟件

7、分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組模型進(jìn)行軸向載荷、橫向彎曲載荷及扭轉(zhuǎn)載荷以及8倍體重的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷實(shí)驗(yàn);
　　 3.分別觀察兩組模型在軸向載荷、彎曲載荷及扭轉(zhuǎn)載荷以及8倍體重的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變、應(yīng)力特征,并對(duì)結(jié)果加以分析,最后得出結(jié)論。
　　 結(jié)果:在各項(xiàng)載荷實(shí)驗(yàn)中:股骨、主釘及橫釘均存在應(yīng)力集中區(qū);新型髓內(nèi)釘組的橫釘應(yīng)力值均較為平均,而交鎖髓內(nèi)釘組的橫釘應(yīng)力值差別較大。
　　 1.在235～700N的軸

8、向載荷下,新型髓內(nèi)釘組股骨、主釘、橫釘?shù)淖畲髴?yīng)力值及骨折斷端位移值均小于交鎖髓內(nèi)釘組;在1400、2100N的軸向載荷下,新型髓內(nèi)釘組股骨、主釘、橫釘?shù)淖畲髴?yīng)力值及骨折斷端位移值均大于交鎖髓內(nèi)釘組;
　　 2.在200～600N彎曲載荷下,新型髓內(nèi)釘組的股骨、主釘?shù)淖畲髴?yīng)力值及骨折斷端位移值均小于交鎖髓內(nèi)釘組;在800N、1000N的彎曲載荷下,新型髓內(nèi)釘組的股骨、主釘?shù)淖畲髴?yīng)力值及骨折斷端位移值均大于交鎖髓內(nèi)釘組;各組彎曲載荷

9、下新型髓內(nèi)釘組橫釘最大應(yīng)力值均大于交鎖髓內(nèi)釘組;
　　 3.在2-15Nm的扭轉(zhuǎn)載荷下,新型髓內(nèi)釘組的股骨、主釘、橫釘?shù)淖畲髴?yīng)力值及骨折斷端位移值均小于交鎖髓內(nèi)釘組;
　　 4.在8倍體重的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷中,新型髓內(nèi)釘?shù)淖畲髴?yīng)力值均小于本身材料的屈服強(qiáng)度,股骨最大應(yīng)力值均小于皮質(zhì)骨的最大強(qiáng)度。
　　 結(jié)論:
　　 1.新型髓內(nèi)釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,具有良好的生物力學(xué)特性,能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)骨干骨折,特別是復(fù)雜股骨干