鎖定加壓接骨板固定股骨骨干骨折生物力學(xué)特征的三維有限元分析
摘要:基于人體股骨 CT數(shù)據(jù),結(jié)合股骨骨折不同階段的結(jié)構(gòu)特征,建立了鎖定加壓接骨板(LCP)固定 股 骨 中 部 骨折的醫(yī)學(xué)裝配模型,運(yùn)用三維有限元分析(3D-FEA)
方法:選 擇 一 倍 體 重(70kg)生理載荷和約束條件,計(jì)算 分 析 鎖定加壓接骨板固定股骨骨折在不同愈合階段時(shí)股骨及 LCP中的應(yīng)力分布。結(jié)果表明,在骨折部位未發(fā)生愈合階 段與軟組織形成階段,股骨及 LCP中應(yīng)力分布相近,股骨內(nèi)最大應(yīng)力值(371.23、272.76 MPa)遠(yuǎn)高于自然股骨,且 應(yīng)力主要分布于骨折處以上部位股骨;在骨痂形 成 階 段,部分股骨內(nèi)應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移,最 大 應(yīng) 力 值(68.17 MPa)較前 兩階段明顯降低且低于正常骨的極限強(qiáng)度,安排適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練有利于新骨生長和患者康復(fù)。?
關(guān)鍵詞:鎖定加壓接骨板;三維有限元分析;生物力學(xué);骨折治療模型
引言??
? ? ? ?應(yīng) 用 鎖 定 加 壓 接 骨 板 (lockingcompression plate,LCP)對骨折部位,特別是長骨骨折部位進(jìn)行 固定治療是目前臨床應(yīng)用較為廣泛的骨折治療手段 之一。工作環(huán) 境 下 LCP 及股 骨 內(nèi) 的 力 學(xué) 特 征 數(shù) 據(jù) 是 LCP研究、開 發(fā) 設(shè) 計(jì)、手 術(shù) 及 術(shù) 后 的 康 復(fù) 訓(xùn) 練 重 要基礎(chǔ)。目前,對 LCP的力學(xué)特征研究方法主要分為離體測量分析和理論分析兩種。有學(xué)者做了大量的離 體測量實(shí)驗(yàn)[1-2],但是由于標(biāo)本個(gè)體差異、設(shè)備條件、 實(shí)驗(yàn)者技術(shù)水平等諸多因素的影響,限 制 了 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果的精度[3]。隨著 有 限 元 分 析 方 法(finiteelement analysis,FEA)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn), 應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬技術(shù),可以獲得較準(zhǔn)確的內(nèi)固 定物及其周圍骨在載荷條件下的力學(xué)特征。?
? ? ??本文基于人體股骨計(jì)算 機(jī) 斷 層 掃 描(computed tomography,CT)數(shù)據(jù),以及LCP(8孔)和鎖定螺釘 的典型零件尺寸,建立了應(yīng)用 LCP內(nèi)固定系統(tǒng)治療 股骨干橫斷型骨折的骨折治療模型。在骨折治療的 不同時(shí)期,即骨折部位未發(fā)生愈合階段、骨愈合的軟 組織形成階段及骨痂長出階段,分別采用三維有限 元分 析(three-dimensionalFEA,3D-FEA),研究 各 時(shí)期骨折治療模型在載荷作用下,LCP內(nèi)固定系統(tǒng) 及股骨內(nèi)的力學(xué)特征。同時(shí)深入研究了各階段的骨 折治療模型在本文載荷條件下能承受的安全載荷作 用力,為該類鎖定加壓接骨板的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和臨床應(yīng) 用提供相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)。
1? 材料與方法
1.1 模型的建立
? ??? 選取健康男性志愿者(23歲,身高170cm,體重 約70kg)的 股 骨 螺 旋 CT 掃 描 數(shù)據(jù)建立股骨模 型[4]。CT 數(shù) 據(jù) 為 德 國 西 門 子 公 司 的 Somatom 4 Plus,掃描層厚為1.0mm,共掃描股骨斷層758層, 總長為758mm。采用 Efilm 軟件 對 CT 斷層 進(jìn) 行 圖像識(shí)別和區(qū)域分割,提取出右側(cè)股骨邊緣輪廓數(shù) 據(jù)并輸入 Pro/Engineering軟件 以 生 成 精 確 的 股 骨 實(shí)體模型,如圖1(a)所示,其全長450mm (以股骨 頭最高點(diǎn)平面至內(nèi)側(cè)髁最底部平面的距離計(jì)算),股 骨 骨 干 自 然 彎 曲 率 為 0.015~0.200,頸 干 角 為 130°,前傾角為12°。該模 型 中,骨折面與水平面成 12°角,骨折端之間距離為1.5mm,如圖1(b)所示, 骨折面距股骨頭最高點(diǎn)平面282mm,接骨板系統(tǒng)選 用6枚鎖定螺釘。根據(jù)解 剖 生 理 學(xué) 要 求,生 成 鎖 定 加壓接骨板 的 模 型,裝 配 完 成 后 導(dǎo) 入 ANSYS軟件 進(jìn)行三維有限元分析,如圖1(c)所示。為方便描述, 本文將骨折部位未發(fā)生愈合階段的模型簡稱為 F12 模型,將 骨 愈 合 的 軟 組 織 形 成 階 段 的 模 型 簡 稱 為 S12模型,將骨痂長出階段的模型簡稱為 C12模型。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)設(shè)置正常股骨模型作為對照模型。


圖1 股骨骨干 LCP醫(yī)學(xué)裝配、約束條件及軟組織形成區(qū)域示意圖 (a)股骨計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraideddesign,CAD)模型;(b)醫(yī) 學(xué)裝配及約束示意圖;(c)軟組織形成區(qū)域示意圖
? ? ? ? ?本文采用的接骨板系統(tǒng)各部分制作材料均為 Ti-6Al-4V(TC4)。其中 LCP和鎖定螺釘?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)如 圖 2(a)所 示,接 骨 板 孔 數(shù) 為 8,總 長 度 為 160mm,厚度 為5.4mm,正面和背面的寬度分別 為18mm 和17mm,孔間距為18mm,帶螺紋孔和 普通孔的直徑分別為8.4mm (正面)、6mm (背面) 和8mm (正面)、5.6mm (背面);鎖定螺釘?shù)拈L度 為35mm,直徑為5mm,螺帽部螺距為1mm,桿部 螺距 為 2 mm,螺 紋 深 度 為 0.4 mm,螺 帽 直 徑 為 8.4mm,螺帽高度 為5.2mm。鎖定螺釘?shù)淖畲筇?征在于螺帽處的螺紋與 LCP 螺紋孔中的螺紋完全 匹配,螺釘旋緊后,螺釘 和 接 骨 板 渾 為 一 體,成 為 內(nèi) 支架?;阪i定螺釘?shù)?零 件 尺 寸,對螺釘進(jìn)行適當(dāng) 的簡化,即將螺釘?shù)臈U部簡化為直徑5mm 的圓柱 體,如圖2(b)所示。

圖2 LCP及鎖定螺釘?shù)?CAD模型 (a)LCP的 CAD模型;(b)鎖定螺釘?shù)?CAD簡化模型
1.2 有限元模型及約束條件?
? ? ? 人體單腳占立時(shí),股骨作為生理加載支撐,加載 力F 應(yīng)位于股骨踝支撐面內(nèi),才能達(dá)到力學(xué)平衡與 穩(wěn)定,LCP骨折內(nèi) 固 定 復(fù) 位 后,生 理 加 載 力 F 應(yīng)具 有相同的情況[5],如圖1所示,本文取加載力矢量所 在直線穿過股骨踝面 中 心。為 方 便 模 型 加 載,本 文 在股骨頭頂部作一垂直于股骨受力軸線的切面,切 面面 積 為344.129mm2 。選 用 志 愿 者 一 倍 重 力(700N)作為 加 載 力,方 向 與 體 力 線 重 合 向 下。同 時(shí),對股骨髁面進(jìn)行全位移約束。在此載荷下,股骨 和鎖定加壓板系統(tǒng)產(chǎn)生的應(yīng)變較小,可 近 似 視 為 線 彈性小應(yīng)變。因此,模型中 所 涉 及 的 各 部 件 均 視 為 連續(xù)均勻的各向 同 性 線 彈 性 材 料[6],其各 部 分 材 料 屬性[7-8]如表1所示。

? ? ? ? 在模擬計(jì)算中,模型的各個(gè)部分均采用三維10 節(jié)點(diǎn)四面體實(shí) 體 單 元solid187劃分 網(wǎng) 格,并 在 骨 折 部位細(xì)化網(wǎng)格。在實(shí)際術(shù) 后 過 程 中,各 個(gè) 部 件 都 是 緊密結(jié)合在一起不會(huì)發(fā)生相對位移的,因此,各個(gè)部 件的接觸面均采用粘結(jié) 約 束。網(wǎng)格劃分完成后,模 型的單元總數(shù)約 為90萬,節(jié)點(diǎn) 數(shù) 約 為140萬,具有 較好的計(jì)算精度。
1.3 安全載荷分析
?? ? ? ?為了獲得各個(gè)模型的安全載荷作用力,本 文 分 別加載 不 同 載 荷 于 各 個(gè) 模 型,F12 模 型:500、350、 300、250、200、150、100、70 N;S12 模 型:500、400、 300、200N;C12模型:1400、2100、2800N。
2 結(jié)果
??? ? ??在700N 載荷作用下,對照模型內(nèi) 最 大 應(yīng) 力 值 為38.48MPa,位于股骨距區(qū),該值遠(yuǎn)低于皮質(zhì)骨的 極限強(qiáng)度。股骨外側(cè)為張 應(yīng) 力 側(cè),股骨內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力側(cè)。本文分析載荷下對照模型的力學(xué)部分情況 時(shí),主要研究接骨板系統(tǒng)周圍的骨干段。圖 3 為 182mm 骨干段內(nèi)的平均等效 應(yīng) 力 von Miese 分布 云圖。該骨 段 中,平 均 等 效 應(yīng) 力 值 范 圍 為 0.04~ 19.76MPa,應(yīng)力集中于骨干后側(cè)的縱脊(粗線)上。

? ? ? ?圖4給出了在700N 載荷作用下,股骨骨折治 療中 F12模型、S12模型及 C12模型的股骨和 LCP 中的應(yīng)力分布云圖。在 F12模型中,股骨內(nèi)的最大 等效應(yīng)力值為371.23MPa,出現(xiàn)在股骨內(nèi)側(cè)髓腔與 第一枚鎖定螺釘釘桿的接觸界面,該值超過了皮質(zhì) 骨的極限強(qiáng)度(240.32 MPa),股骨內(nèi)應(yīng)力主要集中 在股骨髓腔與第一、二、三枚螺釘?shù)慕佑|面。LCP中 應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在第三、四螺紋孔之間區(qū)域、 第五與第六螺紋孔之間區(qū)域,以及第三、四枚鎖定螺 釘?shù)穆?帽 與 接 骨 板 螺 紋 孔 接 觸 面 附 近,最 大 值 為 1792.10MPa。在S12模型中,骨內(nèi)最大 等 效 應(yīng) 力 值為272.76MPa,出現(xiàn)在股骨內(nèi)側(cè)髓腔與第二枚鎖 定螺釘釘桿的接觸面,股骨內(nèi)應(yīng)力主要集中在股骨 髓腔與第一、二、三枚螺 釘 的 接 觸 面,以 及 股 骨 外 側(cè) (LCP固定側(cè))與接骨板的接觸面。LCP 中應(yīng) 力 集 中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在第三與第四枚螺紋孔之間區(qū)域、 第五與第六枚螺紋孔之間區(qū)域,以及第三、四枚顆鎖 定螺釘?shù)穆菝迸c接骨板螺紋孔接觸面附近,最 大 應(yīng) 力值為1554.40MPa。在 C12模型中,骨內(nèi)最大應(yīng) 力值為68.17MPa,出現(xiàn)在股骨外側(cè)與第一枚鎖定 螺釘接觸界面、應(yīng)力分布于骨干外側(cè)與第二枚鎖定 螺釘接觸面以上部分及骨干外側(cè)與第六枚鎖定螺釘 接觸 面 附 近。LCP 中 應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在 LCP正面右側(cè)第二~六復(fù)合孔之間區(qū)域,最大應(yīng)力 值為203.05MPa,位于接骨板正面第二枚螺紋孔右 側(cè)與鎖定螺釘螺帽的分離界面。


圖4 三種模型骨與 LCP中vonMiese應(yīng)力分布云圖
? ? ? 與對照模型相對比,F12與 S12模型中 骨 應(yīng) 力 最大值明 顯 高 出 許 多,且超過皮質(zhì)骨的極限強(qiáng)度, C12模型中骨應(yīng)力最大值雖然也較高,但是屬 于 安 全范圍以內(nèi)。F12、S12和 C12模型在本文研究的加 載方式下,不同的載荷大小與骨內(nèi)及 LCP中產(chǎn)生的 最大應(yīng)力呈線性變化(見圖5)。

5 不同加載下三種模型各部分最大等效應(yīng)力分布曲線?
將所產(chǎn)生的最大應(yīng) 力與各種材料的極限強(qiáng)度進(jìn)行比較可以得出,F12 和S12模型的安 全 載 荷 分 別 為328N 和378N,患 者在該 兩 個(gè) 階 段 只 能 進(jìn) 行 較 輕 負(fù) 重 的 恢 復(fù) 訓(xùn) 練。C12模型的安全載荷力為2896N,該階段患者可以下床進(jìn)行適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練。
3 討論? ? ? ? ??
? ? ???目前,一些學(xué)者對 LCP骨折固定系統(tǒng)的生物力 學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究。Stoffel等[9]對在骨折端間距不 同的情況 下,LCP 系 統(tǒng) 表 現(xiàn) 出 的 力 學(xué) 行 為 進(jìn) 行 研 究,認(rèn)為當(dāng)骨折間隙較大時(shí),螺釘?shù)闹踩胛恢脩?yīng)盡量 向接骨板中部靠近。Ahmad等[10]將 LCP固定于人 工骨,研究骨與接骨板的間距對接骨板系統(tǒng)的影響, 該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng) LCP與骨面距離低于2mm 時(shí)表現(xiàn) 出與 無 間 距 情 況 下 相 同 的 特 征,均 在1633~ 1833N的加載下失效;當(dāng) LCP與骨間距超過5mm 時(shí),系統(tǒng)在683N 的靜態(tài)加載下失效。也有一些學(xué) 者[11]對 LCP和螺釘?shù)脑S多參數(shù),例如 LCP的長度、 螺釘?shù)姆胖梦恢?,以?LCP系統(tǒng)復(fù)雜的生物力學(xué)行 為等進(jìn)行了研究和探討。大多數(shù)研究集中在植入固 定方式以及 LCP 結(jié)構(gòu)形態(tài)相關(guān)的研究。本 文 針 對 股骨中部骨折,對 LCP固定骨愈合不同階段進(jìn)行模 擬計(jì)算,并采用單腳支撐時(shí),對術(shù)后骨折區(qū)附近骨內(nèi) 應(yīng)力進(jìn)行分析,用以評估康復(fù)訓(xùn)練的力學(xué)安全性,結(jié) 果可為臨床康復(fù)訓(xùn)練的制定提供參考。
? ? ? ?本文基于股骨 CT 掃描數(shù)據(jù)建立了正常股骨的 CAD精確模型,確保了模型的準(zhǔn)確性;有 限 元 模 型 的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)都在一百萬左右,這 使 得 計(jì) 算 結(jié) 果達(dá)到了比較高的精度要求;加載中選擇700N 沿 其體力線方向作用于關(guān)節(jié)頭面上,股骨前傾12°,股 骨髁面全位移約束,這種載荷條件符合人體正常生 理行為的生理載荷,約束條件也趨于合理,結(jié)果具有 臨床實(shí)用價(jià)值。
? ? ? 近年來,隨著對骨內(nèi)植物的深入研究,對其制作 材料提出了許多要求,植入體材料的生物相容性和 力學(xué)相容性是最重要的考慮因素[12]。其中,力學(xué)相 容性包括植入體材料的剛度、韌性、抗疲勞強(qiáng)度和磨 損性等。內(nèi)植物的剛度和強(qiáng)度與材料的剛度和強(qiáng)度 有很大關(guān)系,復(fù) 合 材 料、不 銹 鋼、鈦 合 金(TC4)及純 鈦均可作為 LCP 及螺釘?shù)闹谱鞑牧?。這些 材 料 均 具有良好的生物相 容 性[13-15],并且 可 以 提 供 較 高 的 剛度、強(qiáng)度以及較好的延展性,但內(nèi)植物的形狀和空 間結(jié)構(gòu)對其力學(xué)相容性的影響更為重要[16-17]。本文 研究所得結(jié)果可為 LCP 形狀和空間結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 提 供可靠依據(jù)。
? ? ? ? 本文計(jì)算表明,F12模型與對照模型相比較,在 700N 載荷作 用 下,F12模型 股 骨 中 出 現(xiàn) 的 最 大 等 效應(yīng)力值 遠(yuǎn) 高 于 對 照 模 型 骨 干 中 的 最 大 等 效 應(yīng) 力 值,應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在 髓 腔 與 第 一、二、三 枚 螺 釘 的接觸面,以及骨折部位上方股骨側(cè)與接骨板的接 觸面。說明上部分?jǐn)喙侵袘?yīng)力主要利用 LCP 內(nèi)固 定系統(tǒng)的內(nèi)支架作用。F12模型中的最大應(yīng)力出現(xiàn) 在 LCP上,這是 由 于 鎖 定 螺 釘 與 LCP 組成 的 內(nèi) 固 定系統(tǒng)在骨折部位為單側(cè)受力,并且骨折部位附近 的 LCP板面有復(fù)合孔存在,因此在材料結(jié)構(gòu)不連接 的部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
? ? ? S12模型 中 股 骨 及 LCP 內(nèi)固定系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力 分布情況均與 F12模型中相似,并且最大等效應(yīng)力 值出現(xiàn)的位置也相同,但由于軟組織的形成,使LCP 在骨折部 位 的 單 側(cè) 受 力 情 況 減 弱。LCP 上的 最 大 等效應(yīng)力值較 F12模型 減 少 了 約13%,同時(shí),股 骨 內(nèi)最大等 效 應(yīng) 力 值 比 F12 模 型 中 減 少 了 約 27%。說明在軟組織形成的骨愈合模型中,雖 然 軟 組 織 彈 性模量較低,但傳遞了骨折部位上方股骨內(nèi)的一部 分應(yīng)力至骨折部位下方股骨。
? ? ? C12模 型 中,最 大 等 效 應(yīng) 力 仍 然 出 現(xiàn) 在 LCP 上,但出現(xiàn)位置與S12模型中不同,位于接骨板第二 螺紋孔右側(cè)與鎖定螺釘螺帽的分離界面,該 值 為 相 同載荷下S12模型中最大應(yīng)力的近1/8。其整體及 骨內(nèi)最大等效應(yīng)力大幅降低說明隨著骨折部位處材 料的彈性模量增加,雖然 LCP內(nèi)固定系統(tǒng)組成的內(nèi) 固定架仍然將骨折部位外側(cè)上方骨內(nèi)應(yīng)力傳遞至骨 折部位下方股骨,但骨內(nèi)內(nèi)側(cè)應(yīng)力開始主要通過骨 折部位長出的骨痂傳遞至骨折部位下方股骨。
4 結(jié)論
? ? ? 有限元分析結(jié)果表明:在骨折愈合初期,骨痂未形成前,股骨內(nèi)應(yīng)力主要集中在股骨髓腔與第一、 二、三枚螺釘?shù)慕佑|面,LCP中應(yīng)力主要集中在第三 與第四螺紋孔之間區(qū)域以及第五與第六螺紋孔之間 區(qū)域,并具有較強(qiáng)的應(yīng)力集中,負(fù)載可能導(dǎo)致這些區(qū) 域二次損害;在骨痂形成階段,股骨內(nèi)部分應(yīng)力向股 骨遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移,分布于骨干外側(cè)與第二枚鎖定螺釘接 觸面以上部分和骨干外側(cè)與第六枚鎖定螺釘接觸面 附近,LCP中應(yīng)力主要集中在 LCP正面右側(cè)第二~ 六復(fù)合孔之間,應(yīng)力集中的現(xiàn)象與強(qiáng)度明顯下降,適 宜的訓(xùn)練有利于新骨生長與骨傷的愈合。
? ? ??上述研究結(jié) 果 可 以 作 為 LCP 設(shè)計(jì) 及 改 進(jìn) 等 方 面工作的力學(xué)參考數(shù) 據(jù)。同 時(shí),計(jì)算所得的各個(gè)階 段所能承受的安全載荷,也可以作為臨床康復(fù)訓(xùn)練 計(jì)劃制定的 參 考 數(shù) 據(jù)。有 關(guān) LCP 形態(tài) 結(jié) 構(gòu) 的 優(yōu) 化 設(shè)計(jì),以及復(fù)合孔間距離對骨折治療模型的影響等 方面工作將在下一步的研究工作中開展。
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