摘要

目的

動(dòng)力髁螺釘（DCS）、股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘（GSH）和股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板（LCP）是目前臨床應(yīng)用于固定股骨遠(yuǎn)端骨折最多的內(nèi)固定，但對(duì)股骨遠(yuǎn)端骨折復(fù)雜的情況，各種內(nèi)固定使用及療效的差異，學(xué)者各持不同爭(zhēng)議。利用三維有限元方法對(duì)股骨遠(yuǎn)端 A、B 型骨折三種內(nèi)固定動(dòng)力髁螺釘、股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘、股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板的固定效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，比較不同內(nèi)固定方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為臨床選擇內(nèi)固定提供合理建議。

方法

對(duì)股骨遠(yuǎn)端 A 型及 B 型兩種骨折建立理想有限元模型和三種內(nèi)固定的有限元模型，分別對(duì)骨折模型進(jìn)行裝配。并模擬假設(shè)體重為 60Kg 的人正常行走步態(tài)中單足中立位的情況，對(duì)裝配好的模型加載重力作用，分別分析模型上股骨遠(yuǎn)端的位移，內(nèi)固定物的位移，內(nèi)固定構(gòu)件的應(yīng)力對(duì)比三種內(nèi)固定固定 A、B 型骨折模型的力學(xué)特征及利弊。

結(jié)果

(1)在股骨遠(yuǎn)端 A 型骨折中，股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘加載點(diǎn)位移值、內(nèi)固定位移值、內(nèi)固定應(yīng)力值均為最小，居中為股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板，最大的是動(dòng)力髁螺釘。

(2)在股骨遠(yuǎn)端 B 型骨折中，股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板應(yīng)力最小，其次是動(dòng)力髁螺釘，股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘不適用此類骨折。

結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)所建立的模型真實(shí)可信，可用于生物力學(xué)分析。

(2)利用三維有限元方法比較動(dòng)力髁螺釘、股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘、股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板三種內(nèi)固定在股骨遠(yuǎn)端骨折中的生物力學(xué)特性可行。

(3)在股骨 A 型骨折中使用三種內(nèi)固定方式均可，但以股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘力學(xué)穩(wěn)定性最好，其次是股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板，最后為動(dòng)力髁螺釘。

(4)在股骨 B 型骨折中股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次是動(dòng)力髁螺釘，股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘不適用此類骨折。

關(guān)鍵詞:股骨遠(yuǎn)端骨折，動(dòng)力髁螺釘，股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板，股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘，內(nèi)固定，三維有限元分析

1.1 研究目的及步驟

本研究建立了理想的股骨遠(yuǎn)端?A、B?型骨折的三維有限元模型，并建立股骨逆行髓內(nèi)釘系統(tǒng)、股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板系統(tǒng)和動(dòng)力髁系統(tǒng)的三維有限元模型，通過骨折模型與內(nèi)固定系統(tǒng)裝配后模擬人行走單足中立位時(shí)的情況，對(duì)模型施加約束和仿真加載負(fù)荷，進(jìn)行有限元分析，試算求解，觀察其力學(xué)傳遞的機(jī)制、各內(nèi)固定模型固定股骨遠(yuǎn)端骨折斷面的應(yīng)力分布及位移變化的特征，探討不同內(nèi)固定模型的整體穩(wěn)定性、內(nèi)固定物的位移，內(nèi)固定構(gòu)件的應(yīng)力情況，明確其適應(yīng)骨折類型及可能出現(xiàn)的并發(fā)癥，以便根據(jù)骨折類型、患者身體狀況來選擇最佳的內(nèi)固定物和治療方法。希望為下一步的具體臨床應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

研究步驟：

1．獲取健康人股骨遠(yuǎn)端的?CT?影像數(shù)據(jù)(層厚?lmm CT?平掃圖像)。

62．利用?CT?掃描的股骨圖像以?Dicom?格式輸入三維重建軟件?Mimics?中，建立股骨三維模型。

3.?股骨三維模型以?STL?格式文件導(dǎo)出并輸入到逆向工程軟件?Geomagic?軟件中，對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪、附予材料屬性數(shù)值等圖像處理，生成三維圖形?IGES文件格式。

4.?將正常骨骼模型輸入到?ANSYS Workbench?中，利用?Workbench?中強(qiáng)大的模型處理功能，沿著?A?型及?B?型的理想骨折線切分骨骼實(shí)體。

5.利用三維?CAD?軟件?Solidworks?進(jìn)行鋼板、螺釘及髓內(nèi)釘設(shè)計(jì)、構(gòu)造。并輸入骨折模型，并進(jìn)行裝配。

6.最后輸入到?ANSYS Workbench?中設(shè)置邊界條件，加載荷，定義相互關(guān)系及接觸，進(jìn)行計(jì)算處理

第二章 材料與方法

選擇一名?27?歲健康男性志愿者身高?170cm?體重?60Kg，行?X?線、CT?檢查，排除創(chuàng)傷、骨病、腫瘤等疾病，使用南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院美國(guó)?GE?公司?8?排螺旋?CT?做任一側(cè)股骨全長(zhǎng)掃描，層厚?1mm，產(chǎn)生的?DICOM?格式?CT?圖像（如圖?2-1-1，圖?2-1-2）由?MIMICS?軟件直接讀入。軟?件：MIMICS10.01、Geomagic11.0、Solidworks 2012、ANSYS Workbench 13.0均由中南大學(xué)力學(xué)工作室提供。

2.2 股骨圖像的處理

利用?CT?掃描到的股骨圖像以?Dicom?格式輸入到三維重建軟件?Mimics?中，再經(jīng)識(shí)別、轉(zhuǎn)化為內(nèi)部通用格式的處理，建立股骨三維模型（圖?2-2-1，圖?2-2-2）），以?STL格式文件導(dǎo)出并輸入到逆向工程軟件?Geomagic?軟件中，對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪等圖像處理，生成三維圖形?IGES?文件格式（圖?2-2-3）。

2.3 骨折模型的建立

將正常骨骼模型輸入到?ANASYS Workbench?中，利用?ANASYS Workbench?的強(qiáng)大的模型處理功能，劃分理想的骨折線模型。股骨遠(yuǎn)端骨折模型（參照骨折?AO?分型），股骨遠(yuǎn)端?A?型骨折為關(guān)節(jié)外股骨髁上骨折，為干骺端斜形骨折，骨折線由股骨遠(yuǎn)端內(nèi)上方斜行延伸至遠(yuǎn)端外側(cè)皮質(zhì)，與股骨縱軸呈?45?度角。（圖?2-3-1）。股骨遠(yuǎn)端?B?型骨折為部分關(guān)節(jié)內(nèi)股骨髁部骨折，本研究所選用的?B?型骨折為股骨內(nèi)髁骨折，骨折面穿經(jīng)髁間窩，部分累及負(fù)重關(guān)節(jié)面。（圖2-3-2）

2.4 不同內(nèi)固定方式的三維實(shí)體模型建立

(如圖?2-4-1、?2-4-2、?2-4-3、?2-4-4、?2-4-5、?2-4-6)在?Solidworks?三維軟件中，根據(jù)所選用的內(nèi)固定物的具體參數(shù)及與骨骼接觸的情況，確定內(nèi)固定物的尺寸，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)造。輸入設(shè)定的骨折模型，按照一定的配合關(guān)系進(jìn)行裝配，生成不同內(nèi)固定方式的三維實(shí)體模型。最后輸入到?Workbench?軟件中進(jìn)行計(jì)算處理。

（1）內(nèi)固定物的尺寸：參照臨床實(shí)際應(yīng)用的醫(yī)療器械的尺寸，設(shè)定內(nèi)固定物尺寸。由于本研究的重點(diǎn)與螺紋的關(guān)系不大，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停院雎月菁y的細(xì)節(jié)。①動(dòng)力髁（DCS）：設(shè)定五孔的?DCS?的拉力螺釘螺紋部分外徑為?12.5mm（以等直徑的圓柱體代替），螺紋長(zhǎng)度為?22mm，螺干直徑為?8.0mm，拉力螺釘長(zhǎng)度各種型號(hào)，從?50 —145?以?5mm?為階梯遞增。DCS?套筒外徑為?14mm，配套螺釘（髁螺釘）直徑為?12mm，長(zhǎng)度?55?一?70?以每?5mm?一個(gè)規(guī)格遞增。套筒鋼板厚度為?6.8mm，長(zhǎng)度為70mm，寬度為?20mm,孔間距為?16mm。②股 骨 逆 行 交 鎖 髓 內(nèi) 釘 （?GSH）：髓內(nèi)釘主釘直徑?9mm，長(zhǎng) 度?180mm?螺紋直徑為?6mm，髁 間 部 封 帽 螺 釘長(zhǎng)度：0?一?15mm， 以?5mm?規(guī) 格 遞 增 。③ 股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板（LCP）：鋼板總長(zhǎng)度：制作?7?孔鋼板?98mm,鋼板寬度?12mm，鋼板厚度?7mm， 孔間距：15mm，孔內(nèi)徑:拉力螺釘孔?7mm,普通孔?5mm；螺釘長(zhǎng)度：拉力螺釘有?35?一?90mm?規(guī)格，各規(guī)格以?5mm?遞增；普通螺釘長(zhǎng)度以能剛好穿過股骨雙側(cè)骨皮質(zhì)為宜。制作時(shí)鋼板的凹槽可不用考慮，螺釘孔在符合規(guī)格的前提下簡(jiǎn)單制作，可不必考慮普通螺釘?shù)穆菁y。

（2）三維有限元模型的建立：按照外科手術(shù)操作技術(shù)裝配模型。①動(dòng)力髁（DCS）的裝配：動(dòng)力髁系統(tǒng)髁螺釘選擇準(zhǔn)確的進(jìn)針點(diǎn)，既能避免斷端成角畸形，也能減少主鋼板與股骨干近端兩者之間的間隙。一般認(rèn)為髁螺釘?shù)膶?dǎo)針入點(diǎn)是關(guān)節(jié)面近端?2cm?與外髁前后徑中前?1/3?的交點(diǎn)，導(dǎo)針插入的方向在冠狀面上應(yīng)平行于膝關(guān)節(jié)軸。其次髁鋼板的放置與股骨干外側(cè)皮質(zhì)應(yīng)盡量緊貼，并保持膝關(guān)節(jié)約?5~7?度的外翻角。②股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘（GSH）的裝配：首先選定髓內(nèi)釘?shù)倪M(jìn)針點(diǎn)，一般選在髁間窩，位置剛好是后交叉韌帶起點(diǎn)的前方。注意進(jìn)針點(diǎn)位于兩髁中央，可防止膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻。擴(kuò)孔器開口后，由小到大選擇適當(dāng)擴(kuò)髓器逆行擴(kuò)髓，沿導(dǎo)針向股骨髓腔內(nèi)打入髓內(nèi)釘，骨折復(fù)位滿意，然后通過瞄準(zhǔn)器鎖定近端?2?枚鎖釘，再鎖遠(yuǎn)端?2?枚鎖釘。注意事項(xiàng)：髓內(nèi)釘釘尾應(yīng)沉入關(guān)節(jié)面下?1~2cm。③股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板（LCP）的裝配：鋼板在側(cè)位上看應(yīng)在股骨干的中央，正位上看和股骨干應(yīng)相貼切，鋼板勺狀頭端和股骨外髁敷貼，但應(yīng)距離股骨關(guān)節(jié)面至少?1.5cm，以免影響膝關(guān)節(jié)功能。本實(shí)驗(yàn)中股骨干應(yīng)用皮質(zhì)骨螺釘，靠近股骨干骺端使用松質(zhì)骨螺釘。

2.5 單元?jiǎng)澐趾筒牧蠈傩栽O(shè)置

不同的學(xué)者對(duì)股骨的材料屬性設(shè)置各有不同，由于骨組織結(jié)構(gòu)非均勻的復(fù)雜性，在進(jìn)行有限元模型計(jì)算中，每一個(gè)單元具有特定的剛度主方向和由?CT?密度值反映的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨及其它組織的材料屬性，基于掃描圖片數(shù)據(jù)的每一個(gè)單元來計(jì)算每個(gè)單位的灰度值，然后根據(jù)不同的灰度范圍定義相對(duì)應(yīng)的材料。也可以用彈性模量及泊松系數(shù)來定義材料。

? ?本實(shí)驗(yàn)將各種材料近似看作均質(zhì)、各象同性材料，并設(shè)置材料屬性（ 參照文獻(xiàn)[17-20]?見 表?1）

2.6 邊界條件及載荷

? 根據(jù)已建立的有限元模型，模擬人正常行走步態(tài)時(shí)單足中立位的情況，假設(shè)總體重?60Kg。對(duì)股骨髁部進(jìn)行約束（保持與人體重心方向一致），限制矢狀面、軸向、冠狀面三個(gè)方向的位移，利用有限元進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析。

第三章?結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）股骨遠(yuǎn)端骨折?A、B?型骨折模型上股骨遠(yuǎn)端位移云圖和最大位移值

（2）各骨折模型上內(nèi)固定構(gòu)件應(yīng)力云圖和應(yīng)力特點(diǎn)分布

（3）對(duì)各骨折模型加載后內(nèi)固定物位移云圖及位移分析

3.2 位移應(yīng)力云圖及分析

?（1）圖 3-1 股骨遠(yuǎn)端 A、B 型骨折加載后股骨遠(yuǎn)端位移云圖

? ? ?圖片提示股骨遠(yuǎn)端的壓應(yīng)力側(cè)位于股骨內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力部位在股骨髁，本實(shí)驗(yàn)與以往的實(shí)驗(yàn)力學(xué)及文獻(xiàn)得出的結(jié)果一致。

（2）各骨折模型上股骨遠(yuǎn)端位移云圖、位移值及分析

圖?3-2?股骨遠(yuǎn)端?A?型骨折中三種內(nèi)固定固定時(shí)加載點(diǎn)的位移云圖

圖 3-3 股骨遠(yuǎn)端 B 型骨折中三種內(nèi)固定固定時(shí)加載點(diǎn)的位移云圖

? ???在同等的加載壓力條件下，股骨內(nèi)固定的位移值越小，說明內(nèi)固定越堅(jiān)強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)股骨遠(yuǎn)端?A?型骨折從表?2?中說明髓內(nèi)釘位移值最小，股骨遠(yuǎn)端鎖定板其次，動(dòng)力髁位移值最大；股骨遠(yuǎn)端?B?型骨折同樣說明鎖定板固定最堅(jiān)強(qiáng)。相反，位移值大的并不一定指骨折固定失敗，它只是提示相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）各骨折模型上內(nèi)固定位移分析

圖 3-4 股骨遠(yuǎn)端 A 型骨折中三種內(nèi)固定位移云圖

? 從圖?3-4、3-5，表?4、5?中可以看出，在同等載荷條件下，三種內(nèi)固定最大位移部位大致都位于股骨髁部。在股骨遠(yuǎn)端?A?型骨折中由于髓內(nèi)釘是軸心固定，其鎖釘承受的壓力均勻分散，所以髓內(nèi)釘?shù)奈灰浦底钚。潭ㄒ沧顖?jiān)強(qiáng)。位移值最大的是動(dòng)力髁，居中的是股骨遠(yuǎn)端鎖定板。在股骨遠(yuǎn)端?B?型骨折中，由于骨折線波及關(guān)節(jié)面，股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘不適用此型骨折，其位移值也最大，穩(wěn)定性最強(qiáng)的是鎖定板。

（4）內(nèi)固定構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果分析

圖 3-6 在股骨遠(yuǎn)端 A 型骨折中三種內(nèi)固定的應(yīng)力云圖

? ? ?從圖?3-6、3-7，表?6、7?中可以看出，在股骨遠(yuǎn)端?A?型骨折模型中，髓內(nèi)釘?shù)膬?nèi)固定構(gòu)件應(yīng)力最小，其次是鎖定板，最大的是動(dòng)力髁系統(tǒng)。在股骨遠(yuǎn)端?B?型骨折中，鎖定板的內(nèi)固定構(gòu)件應(yīng)力最小，其次是動(dòng)力髁系統(tǒng)，最大的是髓內(nèi)釘。應(yīng)力越大，意味著內(nèi)固定構(gòu)件越容易失效。

結(jié) 論

(1)?本實(shí)驗(yàn)所建立的模型真實(shí)可信，可用于生物力學(xué)分析。

(2)?利用三維有限元方法比較動(dòng)力髁螺釘、股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘、股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板三種內(nèi)固定在股骨遠(yuǎn)端骨折中的生物力學(xué)特性可行。

(3)?在股骨?A?型骨折中使用三種內(nèi)固定方式均可，但以股骨逆行交鎖髓內(nèi)釘力學(xué)穩(wěn)定性最好，其次是股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板，最后為動(dòng)力髁螺釘。

(4)?在股骨?B?型骨折中股骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次是動(dòng)力髁螺釘，股

骨逆行交鎖髓內(nèi)釘不適用此類骨折

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