三种内固定方式固定股骨远端骨折的三维有限元分析

摘要

目的

动力髁螺钉（DCS）、股骨逆行交锁髓内钉（GSH）和股骨远端锁定钢板（LCP）是目前临床应用于固定股骨远端骨折最多的内固定，但对股骨远端骨折复杂的情况，各种内固定使用及疗效的差异，学者各持不同争议。利用三维有限元方法对股骨远端 A、B 型骨折三种内固定动力髁螺钉、股骨逆行交锁髓内钉、股骨远端锁定钢板的固定效果进行对比评价，比较不同内固定方式的优缺点，为临床选择内固定提供合理建议。

方法

对股骨远端 A 型及 B 型两种骨折建立理想有限元模型和三种内固定的有限元模型，分别对骨折模型进行装配。并模拟假设体重为 60Kg 的人正常行走步态中单足中立位的情况，对装配好的模型加载重力作用，分别分析模型上股骨远端的位移，内固定物的位移，内固定构件的应力对比三种内固定固定 A、B 型骨折模型的力学特征及利弊。

结果

(1)在股骨远端 A 型骨折中，股骨逆行交锁髓内钉加载点位移值、内固定位移值、内固定应力值均为最小，居中为股骨远端锁定钢板，最大的是动力髁螺钉。

(2)在股骨远端 B 型骨折中，股骨远端锁定钢板应力最小，其次是动力髁螺钉，股骨逆行交锁髓内钉不适用此类骨折。

结论

(1)本实验所建立的模型真实可信，可用于生物力学分析。

(2)利用三维有限元方法比较动力髁螺钉、股骨逆行交锁髓内钉、股骨远端锁定钢板三种内固定在股骨远端骨折中的生物力学特性可行。

(3)在股骨 A 型骨折中使用三种内固定方式均可，但以股骨逆行交锁髓内钉力学稳定性最好，其次是股骨远端锁定钢板，最后为动力髁螺钉。

(4)在股骨 B 型骨折中股骨远端锁定钢板稳定性最强，其次是动力髁螺钉，股骨逆行交锁髓内钉不适用此类骨折。

关键词:股骨远端骨折，动力髁螺钉，股骨远端锁定钢板，股骨逆行交锁髓内钉，内固定，三维有限元分析

1.1 研究目的及步骤

本研究建立了理想的股骨远端 A、B 型骨折的三维有限元模型，并建立股骨逆行髓内钉系统、股骨远端锁定钢板系统和动力髁系统的三维有限元模型，通过骨折模型与内固定系统装配后模拟人行走单足中立位时的情况，对模型施加约束和仿真加载负荷，进行有限元分析，试算求解，观察其力学传递的机制、各内固定模型固定股骨远端骨折断面的应力分布及位移变化的特征，探讨不同内固定模型的整体稳定性、内固定物的位移，内固定构件的应力情况，明确其适应骨折类型及可能出现的并发症，以便根据骨折类型、患者身体状况来选择最佳的内固定物和治疗方法。希望为下一步的具体临床应用提供可靠的理论依据。

研究步骤：

1．获取健康人股骨远端的 CT 影像数据(层厚 lmm CT 平扫图像)。

62．利用 CT 扫描的股骨图像以 Dicom 格式输入三维重建软件 Mimics 中，建立股骨三维模型。

3. 股骨三维模型以 STL 格式文件导出并输入到逆向工程软件 Geomagic 软件中，对三维模型进行光滑、打磨、去噪、附予材料属性数值等图像处理，生成三维图形 IGES文件格式。

4. 将正常骨骼模型输入到 ANSYS Workbench 中，利用 Workbench 中强大的模型处理功能，沿着 A 型及 B 型的理想骨折线切分骨骼实体。

5.利用三维 CAD 软件 Solidworks 进行钢板、螺钉及髓内钉设计、构造。并输入骨折模型，并进行装配。

6.最后输入到 ANSYS Workbench 中设置边界条件，加载荷，定义相互关系及接触，进行计算处理

第二章 材料与方法

选择一名 27 岁健康男性志愿者身高 170cm 体重 60Kg，行 X 线、CT 检查，排除创伤、骨病、肿瘤等疾病，使用南华大学附属南华医院美国 GE 公司 8 排螺旋 CT 做任一侧股骨全长扫描，层厚 1mm，产生的 DICOM 格式 CT 图像（如图 2-1-1，图 2-1-2）由 MIMICS 软件直接读入。软 件：MIMICS10.01、Geomagic11.0、Solidworks 2012、ANSYS Workbench 13.0均由中南大学力学工作室提供。

2.2 股骨图像的处理

利用 CT 扫描到的股骨图像以 Dicom 格式输入到三维重建软件 Mimics 中，再经识别、转化为内部通用格式的处理，建立股骨三维模型（图 2-2-1，图 2-2-2）），以 STL格式文件导出并输入到逆向工程软件 Geomagic 软件中，对三维模型进行光滑、打磨、去噪等图像处理，生成三维图形 IGES 文件格式（图 2-2-3）。

2.3 骨折模型的建立

将正常骨骼模型输入到 ANASYS Workbench 中，利用 ANASYS Workbench 的强大的模型处理功能，划分理想的骨折线模型。股骨远端骨折模型（参照骨折 AO 分型），股骨远端 A 型骨折为关节外股骨髁上骨折，为干骺端斜形骨折，骨折线由股骨远端内上方斜行延伸至远端外侧皮质，与股骨纵轴呈 45 度角。（图 2-3-1）。股骨远端 B 型骨折为部分关节内股骨髁部骨折，本研究所选用的 B 型骨折为股骨内髁骨折，骨折面穿经髁间窝，部分累及负重关节面。（图2-3-2）

2.4 不同内固定方式的三维实体模型建立

(如图 2-4-1、 2-4-2、 2-4-3、 2-4-4、 2-4-5、 2-4-6)在 Solidworks 三维软件中，根据所选用的内固定物的具体参数及与骨骼接触的情况，确定内固定物的尺寸，然后进行设计、构造。输入设定的骨折模型，按照一定的配合关系进行装配，生成不同内固定方式的三维实体模型。最后输入到 Workbench 软件中进行计算处理。

（1）内固定物的尺寸：参照临床实际应用的医疗器械的尺寸，设定内固定物尺寸。由于本研究的重点与螺纹的关系不大，为了简化实验模型，所以忽略螺纹的细节。①动力髁（DCS）：设定五孔的 DCS 的拉力螺钉螺纹部分外径为 12.5mm（以等直径的圆柱体代替），螺纹长度为 22mm，螺干直径为 8.0mm，拉力螺钉长度各种型号，从 50 —145 以 5mm 为阶梯递增。DCS 套筒外径为 14mm，配套螺钉（髁螺钉）直径为 12mm，长度 55 一 70 以每 5mm 一个规格递增。套筒钢板厚度为 6.8mm，长度为70mm，宽度为 20mm,孔间距为 16mm。②股 骨 逆 行 交 锁 髓 内 钉 （ GSH）：髓内钉主钉直径 9mm，长 度 180mm 螺纹直径为 6mm，髁 间 部 封 帽 螺 钉长度：0 一 15mm， 以 5mm 规 格 递 增 。③ 股骨远端锁定钢板（LCP）：钢板总长度：制作 7 孔钢板 98mm,钢板宽度 12mm，钢板厚度 7mm， 孔间距：15mm，孔内径:拉力螺钉孔 7mm,普通孔 5mm；螺钉长度：拉力螺钉有 35 一 90mm 规格，各规格以 5mm 递增；普通螺钉长度以能刚好穿过股骨双侧骨皮质为宜。制作时钢板的凹槽可不用考虑，螺钉孔在符合规格的前提下简单制作，可不必考虑普通螺钉的螺纹。

（2）三维有限元模型的建立：按照外科手术操作技术装配模型。①动力髁（DCS）的装配：动力髁系统髁螺钉选择准确的进针点，既能避免断端成角畸形，也能减少主钢板与股骨干近端两者之间的间隙。一般认为髁螺钉的导针入点是关节面近端 2cm 与外髁前后径中前 1/3 的交点，导针插入的方向在冠状面上应平行于膝关节轴。其次髁钢板的放置与股骨干外侧皮质应尽量紧贴，并保持膝关节约 5~7 度的外翻角。②股骨逆行交锁髓内钉（GSH）的装配：首先选定髓内钉的进针点，一般选在髁间窝，位置刚好是后交叉韧带起点的前方。注意进针点位于两髁中央，可防止膝关节内外翻。扩孔器开口后，由小到大选择适当扩髓器逆行扩髓，沿导针向股骨髓腔内打入髓内钉，骨折复位满意，然后通过瞄准器锁定近端 2 枚锁钉，再锁远端 2 枚锁钉。注意事项：髓内钉钉尾应沉入关节面下 1~2cm。③股骨远端锁定钢板（LCP）的装配：钢板在侧位上看应在股骨干的中央，正位上看和股骨干应相贴切，钢板勺状头端和股骨外髁敷贴，但应距离股骨关节面至少 1.5cm，以免影响膝关节功能。本实验中股骨干应用皮质骨螺钉，靠近股骨干骺端使用松质骨螺钉。

2.5 单元划分和材料属性设置

不同的学者对股骨的材料属性设置各有不同，由于骨组织结构非均匀的复杂性，在进行有限元模型计算中，每一个单元具有特定的刚度主方向和由 CT 密度值反映的松质骨和皮质骨及其它组织的材料属性，基于扫描图片数据的每一个单元来计算每个单位的灰度值，然后根据不同的灰度范围定义相对应的材料。也可以用弹性模量及泊松系数来定义材料。

   本实验将各种材料近似看作均质、各象同性材料，并设置材料属性（ 参照文献[17-20] 见 表 1）

2.6 边界条件及载荷

  根据已建立的有限元模型，模拟人正常行走步态时单足中立位的情况，假设总体重 60Kg。对股骨髁部进行约束（保持与人体重心方向一致），限制矢状面、轴向、冠状面三个方向的位移，利用有限元进行静态力学分析。

第三章 结果

3.1 评价指标

（1）股骨远端骨折 A、B 型骨折模型上股骨远端位移云图和最大位移值

（2）各骨折模型上内固定构件应力云图和应力特点分布

（3）对各骨折模型加载后内固定物位移云图及位移分析

3.2 位移应力云图及分析

 （1）图 3-1 股骨远端 A、B 型骨折加载后股骨远端位移云图

     图片提示股骨远端的压应力侧位于股骨内侧，最大压应力部位在股骨髁，本实验与以往的实验力学及文献得出的结果一致。

（2）各骨折模型上股骨远端位移云图、位移值及分析

图 3-2 股骨远端 A 型骨折中三种内固定固定时加载点的位移云图

图 3-3 股骨远端 B 型骨折中三种内固定固定时加载点的位移云图

     在同等的加载压力条件下，股骨内固定的位移值越小，说明内固定越坚强。本实验股骨远端 A 型骨折从表 2 中说明髓内钉位移值最小，股骨远端锁定板其次，动力髁位移值最大；股骨远端 B 型骨折同样说明锁定板固定最坚强。相反，位移值大的并不一定指骨折固定失败，它只是提示相对风险较大。

（3）各骨折模型上内固定位移分析

图 3-4 股骨远端 A 型骨折中三种内固定位移云图

  从图 3-4、3-5，表 4、5 中可以看出，在同等载荷条件下，三种内固定最大位移部位大致都位于股骨髁部。在股骨远端 A 型骨折中由于髓内钉是轴心固定，其锁钉承受的压力均匀分散，所以髓内钉的位移值最小，固定也最坚强。位移值最大的是动力髁，居中的是股骨远端锁定板。在股骨远端 B 型骨折中，由于骨折线波及关节面，股骨逆行交锁髓内钉不适用此型骨折，其位移值也最大，稳定性最强的是锁定板。

（4）内固定构件的应力结果分析

图 3-6 在股骨远端 A 型骨折中三种内固定的应力云图

     从图 3-6、3-7，表 6、7 中可以看出，在股骨远端 A 型骨折模型中，髓内钉的内固定构件应力最小，其次是锁定板，最大的是动力髁系统。在股骨远端 B 型骨折中，锁定板的内固定构件应力最小，其次是动力髁系统，最大的是髓内钉。应力越大，意味着内固定构件越容易失效。

结 论

(1) 本实验所建立的模型真实可信，可用于生物力学分析。

(2) 利用三维有限元方法比较动力髁螺钉、股骨逆行交锁髓内钉、股骨远端锁定钢板三种内固定在股骨远端骨折中的生物力学特性可行。

(3) 在股骨 A 型骨折中使用三种内固定方式均可，但以股骨逆行交锁髓内钉力学稳定性最好，其次是股骨远端锁定钢板，最后为动力髁螺钉。

(4) 在股骨 B 型骨折中股骨远端锁定钢板稳定性最强，其次是动力髁螺钉，股

骨逆行交锁髓内钉不适用此类骨折

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