股骨颈骨折内固定术后前倾角变化对股骨近端力学影响的有限元分析

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[摘要] 目的 使用有限元分析内固定术治疗股骨颈骨折后前倾角变化对股骨近端力学产生的影响，为股骨颈骨折内固定治疗的有效性提供重要依据。 方法 2015年5～8月，选择1名男性志愿者，身体健康，使用16层螺旋CT对该志愿者的髋关节进行扫描，获取数据，在CAD软件和三维重建软件的基础上，以股骨近端为目标，结合有限元分析建立Pauwells角是70°的三维模型，该模型中股骨颈骨折接受内固定术后的前倾角度数分别是0°、10°、20°，然后将人体缓慢行走时应承受的约束力和应承载的负荷附加到该三维模型上，观察不同模型间股骨近端的应力分布情况。 结果 当前倾角为10°时，股骨近端承受的最大应力值是200 MPa，位移是1.2 mm，随着前倾角增大或者减小，股骨端承受的应力和位移也会随之增大。 结论 在股骨颈骨折的内固定术中，帮助患者恢复前倾角对患者术后康复异常重要，可明显抑制术后患者出现股骨头坏死。

[关键词] 股骨颈骨折；内固定术；前倾角变化；力学影响；有限元分析

[中图分类号] R683.42 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2016）01（a）-0107-04

股骨颈骨折属于骨折的一种，常见于老年人，其在全身骨折中占3.58%[1]。股骨颈骨折的治疗方以手术为主，其中最主要的方法有两种，一是髋关节置换，二是空心螺钉内固定[2]，其中以空心螺钉内固定为主。空心螺钉内固定术成功的保证是解剖复位的良好性，但是内固定术后股骨颈前倾角的变化在X线片中很难看出[3]，因此，解剖复位的效果往往不甚理想。目前，对于内固定术后股骨颈前倾角变化对股骨近端产生的力学影响还没有严格的生物学证明，因此，本研究针对这个课题进行有限元分析，以期为前倾角的解剖复位提供有效的依据。

1 资料与方法

1.1 有限元模型的建立和前倾角测量

2015年5～8月，选取1名身体健康的男性志愿者，年龄32岁，体重72 kg，用CT对其双髋关节进行扫描。扫描仪器为16排螺旋CT，扫描电压为120 kV，电流为100 mA。骨组织窗扫描，结果为骨组织层厚为1.6 mm，层间隔为0.626 mm。将CT扫描结果以Dicom的格式导入到Mimics中[4]，建立股骨近端的三维模型。

测量患者股骨颈的前倾角，结果为10.32°，将该前倾角假设为10°，分别以股骨近端为目标建立0°、10°、20°的三维模型，如图1所示。

1.2 内固定术后前倾角模型的建立

将上述环节生成的三维重建模型导入Geomagic Studio软件和CAD软件中[5]，通过对曲面片的编辑以完成股骨NURBS的曲面重构，同时在该软件中以igs的格式将股骨近端模型表现出来，导入Solidworks 软件中[6]，生成空心螺钉三维模型。根据临床上使用的空心螺钉尺寸[7]，将空心螺钉各部位的参数确定如下：螺纹直径7.3 mm，螺杆直径4.8 mm，在拉伸切除功能下生成的中空孔直径为2.6 mm，长度根据实际需要进行调整。在内固定放置空心钉的原则上，以布尔运算为基础，将空心钉和股骨近端完美地融合在一起，建立Pauwells角是70°的三维有限元分析模型，其中前倾角分别为0°、10°、20°。

1.3 加载关节负荷

在空心钉进入股骨头后，可以将股骨头与空心钉之间的摩擦力看似无穷大，在进行有限元模型建立时，可以使用glue命令将股骨近端的骨折块与代替空心钉螺纹的圆柱体结合在一起。为了保证试验结果的准确性，将股骨颈骨折远端与无螺纹的空心钉部分的摩擦系数设定为0.15，同时假设骨折已复位，骨折面断裂完全，将两个骨折面之间的摩擦系数设定为0.2。同时，对3组模型分别施加72×2.38 kg的荷载，将对股骨远端节点产生约束的6个自由度设置为0。

1.4 结果与评价指标

将施加荷载之后的有限元计算结果以彩图或者数字的形式显示，观察不同股骨近端接受内固定后的有限元模型中的Von Mises应力云图、股骨颈位置的近折端位移与等效应变云图，求取最大的Von Mises应力、最大等效应变值与最大位移；观察股骨颈骨折的近端应力云图和最大冠状面位移、空心钉应力云图。

2 结果

2.1 股骨近端的变化分析

随着股骨颈前倾角的变化，股骨与内固定的应力分布也发生了相应的改变。当前倾角为10°时，股骨近端所承受的应力、所产生的位移、股骨近端最大冠状面移位最小，股骨近端承受的最大应力值是200 MPa，位移是1.2 mm；随着前倾角的增大或者减小，上述指标均升高，并且变化越大，升高越明显，具体变化见图2。

2.2 应力变化分析

在前倾角为10°的模型中，应力主要集中在股骨头与股骨颈结合的下方位置，随着前倾角的变化，颈下应力日益减小，股骨头与股骨颈结合的外上方应力逐渐集中，如图3所示。

2.3 空心钉应力分析

在此模型中，空心钉承受的应力比周围组织承受的应力普遍较高，其中最下面的空心钉承受的压力比上面的高。当前倾角为10°时，空心钉承受的应力最小；随着前倾角变化，空心钉承受的应力也逐渐增大。当前倾角为10°时，股骨颈骨折近端的等效应变值主要集中于100～3000 με，等效应变值的最大值为4405 με。随着前倾角的变大或者减小，等效应变值逐渐增高。当前倾角为0°时，等效应变值集中于500～3500 με，其中等效应的最大值为7500 με，如图4所示。

3 讨论

在全身骨折中股骨颈骨折的发生率为3.58%，其治疗方法有两种，分别是髋关节置换、空心钉内固定，其中空心钉内固定术以其操作简单、费用低、损伤小、效果好、恢复时间短等优势成为股骨颈骨折治疗的主要手段[8]，但是在使用空心钉内固定进行治疗的过程中，前倾角变化对股骨近端产生的影响以及其与股骨头坏死的关系一直未得到生物学的有效验证，成为临床治疗的难题之一。

本研究在CAD软件的基础上，以不同前倾角为依据，精确地建立了股骨颈骨折内固定术后的有限元模型，为股骨颈骨折固定术后前倾角变化对股骨近端力学影响的研究提供了有效的方法。本研究建立了3组模型，其前倾角分别为0°、10°、20°。①通过研究发现，当前倾角为10°时，股骨颈所承受的应力、所产生的位移和等效应变最小，随着前倾角的变化，股骨颈承受的有效应力峰值、所产生的最大位移、所产生的等效应变值均逐渐增大，同时，接受内固定模型的骨折面结合的牢固度与抗张力性能均逐渐下降，可知股骨颈骨折内固定术后，前倾角变化对骨折的愈合和恢复均会产生不良影响。②本研究还发现，内固定术中使用的螺钉，在承受荷载的情况下，最下方的螺钉承受的应力集中更明显，由此，在股骨颈骨折的内固定术中，下方螺钉要以低角度进入，贴近股骨进行放置，同时，也对倒三角形式置钉[9]的合理性进行了有效的验证。③本研究表明，在前倾角变化的过程中，股骨近端的应力同样出现了明显的变化，股骨近端的应力集中部位逐渐从股骨距区向股骨头和股骨颈接触区域转移，在转移的过程中，股骨头的受力方向也发生了一定的变化，在这个变化过程中，骨小梁要同时承受两种作用力，一是轴向应力，二是剪切应力，其中剪切应力对骨小梁的稳定性会产生不利的影响。在正常情况下，骨组织吸收能够保持相对平衡[10]；当荷载增加到1000～3000 με时，骨组织塑性会保持活跃，骨量增加，骨强度增加[11]；当荷载>3000 με时，骨组织会发生累积性微损伤[12]；当荷载>5000 με时，骨组织就会出现骨折危险[13]。在本研究中，当前倾角是10°时，骨折近端的等效应值主要集中在100～3000 με；前倾角发生变化，等效应值也发生变化，当前倾角为0°时，骨折近端的等效应值的最大值为7500 με，如果这种不良荷载持续发生，股骨重塑必然会发生，组织内部骨小梁的分布也会发生变化，从而对微骨折的恢复效果产生不良的影响，同时会增高股骨头坏死发生率，严重的情况下还会导致股骨头表面塌陷[14-16]。

尽管本研究在对股骨颈骨折内固定术前倾角变化对股骨近端力学影响的探讨取得了一定的成果，但是也存在很多不足之处：①股骨颈骨折的类型比较多，但是本研究涉及的种类有限，其结果在其他类型的骨折中是否适用还有待探讨；②本研究在研究中没有对髋关节周围的软组织（如肌肉、韧带）对关节合力产生的影响进行分析，未对髋关节活动对股骨动态的应力变化进行分析；③本研究在建造模型的过程中，模型中的解剖复位模拟、无骨质缩短和缺损模拟与临床均存在一定的差异，因此，本课题的探讨还需要更复杂、更精准的三维模型。

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（收稿日期：2015-08-27 本文编辑：许俊琴）