三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析

中国组织工程研究第20卷第31期2016–7–22出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJuly22,2016Vol.20,No.31P.O.Box10002,Shenyang110180·研究原著·夏志锋，男，1965年生，河北省故城县人，汉族，1988年新乡医学院毕业，副主任医师，主要从事创伤骨科方面的研究。中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)31-04630-07稿件接受：2016-04-24三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析夏志锋，梁明，李亚峰，曾冠楠(郑州大学附属郑州中心医院骨科，河南省郑州市450000)引用本文：夏志锋，梁明，李亚峰，曾冠楠.三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析[J].中国组织工程研究，2016，20(31):4630-4636.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.010ORCID:0000-0003-0662-0270(夏志锋)文章快速阅读：文题释义：空心螺钉内固定：即将3枚螺钉以“品”字形置入股骨颈，具有比较好的抗剪和抗扭效果，适合于关节没有退变、骨折移位比较小的股骨颈骨折，操作简单，损伤比较小，对血运的破坏不大，不断成为内固定的主要选择，有研究发现空心螺钉内固定稳定性好，但术后骨折愈合时间长，容易出现内固定松动以及股骨头坏死，术后翻修率比髋关节置换高。侧方钢板内固定：具有手术快，术中创伤小等优点，并可以减少术后并发症，和空心螺钉比较，侧方钢板内固定手术时间和失血量和空心螺钉内固定无差异，但术后并发症明显低于空心螺钉，采用抗旋螺钉能够改变引起股骨头坏死的不足，侧方钢板内固定的缺点是主钉容易发生断裂，引起手术失败，修复手术过程中所需术野比较大。摘要背景：有限元法在股骨颈骨折中被广泛应用，但对股骨颈骨折不同内固定方式的研究不多。目的：有限元法分析股骨颈骨折不同固定方式的生物力学特性。方法：对志愿者股骨进行CT扫描，扫描厚度为0.6mm，从股骨大转子上方开始进行扫描，扫描数据保存为.DICOM格式。将右侧股骨近端数据导入到Mimics软件，按照PauwelsⅠ型骨折截骨。建立2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型3种股骨颈骨折内固定模型，采用三维有限元法分析股骨颈骨折不同内固定方式模型的应力分布、应力集中部位、位移分布以及最大位移情况。结果与结论：①2枚拉力螺钉模型的最大应力值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大应力均集中在骨折的内固定端；②2枚拉力螺钉模型的股骨最大应力值最大，股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力值最小。2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的股骨最大应力均集中在股骨内侧小转子附近以及股骨内侧和内固定接触处；③2枚拉力螺钉模型的最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的最大位移值最小，2枚拉力螺钉模型、全螺纹空心螺钉模型和股骨近端锁定钢板模型的最大位移均在股骨头处；④2枚拉力螺钉模型的内固定处最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的内固定处最大位移值最小。2枚拉力螺钉模型的股骨头处最大位移值最大，全螺纹空心螺钉模型的股骨头处的最大位移值最小；⑤结果表明，对于PauwelsⅠ型骨折而言，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他2种内固定方式。关键词：骨科植入物；数字化骨科；股骨颈骨折；有限元分析；内固定；生物力学有限元法分析股骨颈骨折3种内固定方式的生物力学特征选泽身体健康的29岁男性志愿者1名，体质量69kg，身高176cm，CT扫描及拍片检查无髋部骨骼无异常建立全螺纹空心螺钉模型建立股骨近端锁定钢板模型建立股骨有限元模型建立内固定材料模型，包括空心拉力螺钉、空心螺钉及股骨近端锁定钢板建立2枚拉力螺钉模型建立股骨颈骨折内固定模型有限元分析结果：对于PauwelsⅠ型骨折，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他2种夏志锋，等.三种内固定方式修复股骨颈骨折的有限元分析ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH4631主题词：股骨骨折；有限元分析；内固定器；生物力学；组织工程FiniteelementanalysisoffemoralneckfracturewithdifferentfixationwaysXiaZhi-feng,LiangMing,LiYa-feng,ZengGuan-nan(DepartmentofOrthopedics,ZhengzhouCentralHospitalAffiliatedtoZhengzhouUniversity,Zhengzhou450000,HenanProvince,China)AbstractBACKGROUND:Finiteelementmethodiswidelyusedinthefemoralneckfracture,butthestudyconcerningdifferentfixationmethodsoffemoralneckfractureisnotmuch.OBJECTIVE:Toanalyzebiomechanicalpropertiesofdifferentfixationmethodsforfemoralneckfractureusingfiniteelementanalysis.METHODS:ThefemurofvoluntterswasscannedwithCT,atthickness0.6mm,fromthesiteabovethegreatertrochanterofthefemur.Scanningdataweresavedin.DICOMformat.DataofrightproximalfemurwereimportedintoMimicssoftware.OsteotomywasperformedaccordingtoPauwelsItypefracture.Modelsoftwotensileforcescrews,fullythreadedhollowscrewandproximalfemorallockingplatewereestablished.Three-dimensionalfiniteelementmethodwasusedtoanalyzestressdistribution,stressconcentrationposition,displacementdistributionandmaximumdisplacementindifferentmodelsoffemoralneckfracturewithdifferentinternalfixationmethods.RESULTSANDCONCLUSION:(1)Themaximumstressvalueoftwolagscrewsmodelwasbiggest.Themaximumstressvalueoffullythreadedhollowscrewmodelwasminimized.Themaximumstressesoftwolagscrewsmodel,fullythreadedhollowscrewmodelandproximalfemorallockingplatemodelallwereconcentratedinthefixedendoffractures.(2)Thefemoralmaximumstressoftwolagscrewsmodelwasbiggest.Thefemoralmaximumstressvalueofproximalfemorallockingplatemodelwasminimized.Thefemoralmaximumstressesoftwolagscrewsmodel,fullythreadedhollowscrewmodelandproximalfemorallockingplatemodelallwereconcentratedinthemedialfemoralsmallrotornearandmedialfemoralandfixationcontactpoints.(3)Themaximumdisplacementoftwolagscrewsmodelwasbiggest.Themaximumdisplacementoffullythreadedhollowscrewmodelwasminimized.Themaximumdisplacementoftwolagscrewsmodel,fullythreadedhollowscrewmodelandproximalfemorallockingplatemodelallwasinthefemoralhead.(4)Themaximumdisplacementvalueoftwolagscrewsmodelfixedplacewasbiggest.Themaximumdisplacementvalueoffullythreadedhollowscrewmodelfixedplacewasminimized.Themaximumdisplacementvalueoftwolagscrewsmodelwasbiggestatfemoralhead.Themaximumdisplacementvalueoffullythreadedhollowscrewmodelwasminimizedatfemoralhead.(5)ResultsshowedthatthetreatmenteffectoffullythreadedhollowscrewonPauwelsIfractureswasbetterthanothertwofixationmethods.Subjectheadings:FemoralFractures;FiniteElementAnalysis;InternalFixators;Biomechanics;TissueEngineeringCitethisarticle:XiaZF,LiangM,LiYF,ZengGN.Finiteelementanalysisoffemoralneckfracturewithdifferentfixationways.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(31):4630-4636.0引言Introduction股骨颈骨折是一种常见的骨折类型，在中老年人中比较多发，股骨颈处于松质骨和密质骨交界处，结构细小，负重大，加上岁数大的患者骨质疏松，因此在内外力的作用下，容易发生骨折，骨折如果损伤附近的动脉，容易引起股骨头的缺血坏死[1]，股骨颈骨折有许多种，一般采用手术治疗，手术治疗不仅可以降低术后并发症，提高疗效，还可以提高患者的生活水平。股骨颈骨折的修复方式包括内固定和人工关节置换[2-5]。其中内固定又包括多根螺纹加压钉固定、滑移式内固定、三刃钉类内固定和多根针类内固定等多种方式，三刃钉类内固定是最早的内固定方式，因其可能会影响血运，不易控制旋转移位，抗张强度和抗压强度欠佳等不足，使其在临床中被淘汰；多根针内固定固定强度欠佳，有退钉退针现象发生；滑移式内固定可以弥补多根针固定的不足，但操作难度较大；多根螺纹加压钉稳定性好，操作简单，损伤小，在股骨颈骨折中得到广泛应用。有限元法是一种力学研究方法，在骨外科领域