敖荣广+禹宝庆+朱雅龙
股骨轉子下骨折内固定的生物力学有限元比较研讨
敖荣广 禹宝庆 朱雅龙▲
上海市浦东医院骨科，上海 201399
[摘要] 意图 借助于有限单元技能评论髓内和髓外办法固定股骨转子下骨折的生物力学特性。 办法 树立完好股骨的三维有限元模型以及PFP和加长型PFNA的CAD模型，依照规范骨科手术技能予以固定，于股骨头处加载应力，剖析内固定的应力散布状况和骨折块的位移。成果PFP钢板的应力首要会集在钢板的内侧和钢板螺钉交界处。其间最大应力为190.6MPa，会集在最远端的螺钉钢板交界处。钢板螺钉交界处的应力会集也非平等散布。其头端和远端的应力较为会集，中心三颗螺钉应力会集并不显着。加长型PFNA固定的应力散布首要会集在主钉的外侧中段和下端。应力会集的最大值为165Mpa。最大应力会集在头端螺钉与主钉交界处。PFP固定转子下骨折的骨折块位移，别离取榜首、二、三块（由近端及远端）骨折块接近骨折线的节点作为符号点，以符号骨折在应力加载后的位移度。榜首骨折块位移2.38mm，第二骨折块位移为2.25mm，第三骨折块位移1.74mm。PFNA加长型固定转子下骨折的骨折块位移，别离取榜首、二、三块（由近端及远端）骨折块接近骨折线的节点作为符号点，以符号骨折在应力加载后的位移度。榜首骨折块位移2.13mm，第二骨折块位移为2.35mm，第三骨折块位移1.75mm，两者的差异具有统计学含义。 定论 从静力剖析视点，加长型PFNA比PFP在固定股骨转子下损坏性骨折方面，更有优势。
[要害词] 骨科植入物；有限元；股骨转子下骨折
[中图分类号] R331 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2017）20-11-05
Biomechanical finite element comparative study of internal fixation for subtrochanteric fracture
AO Rongguang YU Baoqing ZHU Yalong
Department of Orthopedics，Pudong Hospital of Shanghai，Shanghai 201399， China
[Abstract] Objective To investigate the biomechanical characteristics of intramedullary and extramedullary fixation of subtrochanteric fractures of the femur With the aid of finite element technique. Methods A three-dimensional finite element model of the intact femur，PFP model and CAD model with long PFNA were established and fixed according to the standard Department of orthopedics surgical technique，the stress was loaded at the femoral head，the stress distribution of the internal fixation and the displacement of the fracture block were analyzed. Results The stress of PFP steel plate was mainly concentrated At the junction between the inside of the steel plate and the plate screws.The maximum stress was 190.6MPa，concentrated at the distal end of the screw plate junction.The stress concentration at the juncture between the steel plate and the screw was not equally distributed.The stress at the head and distal end was more concentrated，and the stress concentration among the three screws was not obvious.The stress distribution of the lengthened PFNA was mainly concentrated in the middle and lower ends of the outer side of the main nails.The maximum of the stress concentration was 165Mpa.The maximum stress concentrated at the junction of the head end of screw and the main nail.For the Fracture displacement of subtrochanteric fracture fixed by PFP，the first，second，three blocks （from the proximal and distal nodes） fracture block near the fracture line were taken as a marker to mark the fracture stress after loading displacement.The first block fracture displacement was 2.38mm，the second fracture displacement was 2.25mm，the third fracture displacement was 1.74mm.For the fracture displacement of PFNA lengthened subtrochanteric fracture，the first，second，three blocks （proximal and distal） fracture block near the fracture line were taken as the mark point to mark the displacement of the fracture after stress loading.The first block fracture displacement was 2.35 mm，the second fracture displacement was 1.75mm，the difference was statistically significant. Conclusion From the point of view of static analysis，lengthened PFNA is more advantage than PFP in comminuted fracture of fixed subtrochanteric femur.endprint
[Key words] Orthopedic Implants；Finite element；Subtrochanteric fracture
跟着经济的不断发展，各种高能量损害逐年增多，股骨转子下骨折的发病率呈上升趋势[1-3]。股骨转子下骨折医治难度较大，医治不妥简单呈现骨折变形愈合，内固定开裂等并发症而影响患肢功用。髓内固定是股骨转子下骨折最常用的医治办法，文献报导可以取得较好的医治作用，但关于严峻损坏的股骨转子下骨折，髓内固定存在开口困难，外侧壁损坏影响近端拉力螺钉的加压作用等，或许会导致内固定的失利。股骨近端确定钢板（proximal femoral plate，PFP）是为股骨近端骨折规划的专用确定钢板，关于损坏的股骨转子间骨折，经过微创的手术操作办法，经过螺钉对损坏骨块进行有用固定，然后有或许防止内固定失效等并发症。
2017年2～5月，咱们运用核算机有限元建模剖析技能[4]，研讨PFP确定钢板及加长PFNA内固定办法医治股骨转子下损坏性骨折的力学特征，为股骨转子下损坏性骨折手术医治办法的挑选供给参阅和依据。
1 资料与办法
1.1 规划
模仿生物力学试验。
1.2 时刻及地址
试验于2015年6月在上海市浦东医院骨科生物力学试验室完结。
1.3 一般资料
选取医院印象体系中下肢CT三维重建图画，在取得患者授权后，用于本研讨。股骨CT三维图画来自一位男性患者（年纪45岁，升高175cm，体重75kg）。问询该患者病史后，扫除下肢股骨相关疾病。志愿者经过对此次试验内容的充沛了解后，签署了相应的知情同意书。
1.4 试验设备
西门子64排螺旋CT，核算机工作站（根本装备：CPU Intel（R）Core（TM）i7-6700 CPU @3.40 GHz，内存8 G，硬盘 500 GB），Mimics 15.0医用图画处理软件（比利时Materialise公司），Abaqus 6.14 有限元核算软件，Altar Hypermesh有限元通用前处理软件，Solidworks 2016 CAD规划软件（法国达索公司），Geomagic studio 12.0前处理软件。依据加长PFNA及PFP的外形结构，运用CAD规划软件制作两种内固定的CAD模型，见图1。
1.5 试验办法 CT图画获取
患者仰卧位，扫描规模包含股骨、胫腓骨以及踝关节。扫描参数：120kV，240mA，螺旋层厚1.25mm。
共取得扫描图画645张。CT数据以dicom格局保存，层厚1mm。将CT数据导入Mimics15.0软件，经过设置骨骼阈值为150～300Hu，然后取得骨骼概括。再经过区域添加功用，别离出股骨三维股骨模型，以stl格局保存。运用Geomagic studio软件的去向特征，砂纸等功用，打磨润饰股骨模型，对导入的骨骼模型进行进一步的简单化，去除一些不必要的细节特征，以便节约核算时刻。并运用平面取舍功用，模仿Seinsheimer IV骨折线。内固定器械规划参照器械厂商供给的产品参数，树立如图所示PFP和PFNA三维模型。PFP钢板厚度为4.5mm，自第六孔开端，制作出半径为2.3m的解剖型前弓。处于便当有限元剖析的需求，钢板圆角、螺钉螺纹等特征并未制作。
1.6 有限元模型的树立和参数设置
（1）选用Hypermesh软件关于面网格直接主动进行体网格区分，生成人股骨三维有限元模型。（2）接骨板和螺钉的处理：接骨板和螺钉选用三维实体单元来仿真，螺钉和钢板之间（PFNA主钉和其它螺钉之间）选用共用节点的衔接办法，以模仿彼此确定的结构联系。（3）触摸单元：股骨骨折块之间的距離为lmm，将骨折的两个断面设定为面面触摸单元，冲突系数0.3，内固定螺钉与骨面之间的触摸联系设置为Rough。（4）内固定器械和钢板的资料力学参数设定为各项同性弹性资料。内固定器械的弹性模量为110Gpa，泊松比0.3[5]；股骨骨质的资料特性运用Mimmics中的赋值功用，依据CT值进行赋值。见图2。
1.7 鸿沟加载与束缚
对上述树立好的有限元模型施加轴向紧缩。轴向紧缩载荷中束缚股骨远端表里髁关节面，以股
骨头为加载点，沿股主干长轴方向，施加巨细500N的力笔直加载。
1.8 成果剖析
运用abaqus软件核算出有限元模型的成果。以应力云图的办法表现出来内固定器械的力学特征。一起取榜首、二、三块骨折块，每块骨折块选定一符号点，以符号骨折块的位移状况，核算出两种不同内固定办法的骨折块位移值，以剖析这两种内固定办法固定转子下骨折的实践作用。
2 成果
2.1 PFP固定转子下骨折的应力散布
如下图所示，PFP钢板的应力首要会集在钢板的内侧和钢板螺钉交界处。其间最大应力为190.6MPa，会集在最远端的螺钉钢板交界处。钢板内侧的应力会集并非均匀散布，而是存在于钢板与骨折线交界处，以及螺钉孔的内侧。钢板螺钉交界处的应力会集也非平等散布。其头端和远端的应力较为会集，中心三颗螺钉应力会集并不显着。
2.2 PFP固定转子下骨折的骨折块位移。
别离取榜首、二、三块（由近端及远端）骨折块接近骨折线的20个节点作为符号点，以符号骨折在应力加载后的均匀位移度。榜首骨折块位移（2.38±0.11）mm，第二骨折块位移为（2.25±0.26）mm，第三骨折块位移（1.74±0.20）mm。
2.3 PFNA加长型固定转子下骨折的应力散布。
如下图所示，加长型PFNA固定的应力散布首要会集在主钉的外侧中段和下端。与PFP不同，加长型PFNA的远端确定螺钉与主钉之间的交界处应力会集并不显着的现象。应力会集的最大值为165Mpa。最大应力会集在头端螺钉与主钉交界处。见图3。endprint
2.4 PFNA加长型固定转子下骨折的骨折块位移
别离取榜首、二、三块（由近端及远端）骨折块接近骨折线的节点作为符号点，以符号骨折在应力加载后的位移度。榜首骨折块位移（2.13±0.05）mm，第二骨折块位移为（2.35±0.18）mm，第三骨折块位移（1.80±0.10）mm。
运用秩和查验比较，与PFP比较，PFNA模型的榜首骨折块的位移更小（χ2=10.20，P<0.05），PFNA模型的第二骨折块的位移更大（χ2=12.05，P<0.05），PFNA的第三骨折块的位移与PFP模型比较位移更大（χ2=8.25，P<0.05），此外可以显着观察到加长型PFNA其主钉有显着的曲折和向内侧成角的倾向。
3 评论
股骨转子下骨折是临床上常见的骨折，约占一切髋部的10%～30%[6]，文献报导死亡率达8.3%～20.9%，是临床上很难处理的骨折，多由高能量损害所形成的，骨折常呈损坏，移位显着，保存医治有较高的变形愈合、不愈合等并发症发作率，因而多建议手术医治。手术的意图是康复下肢力线，纠正旋转变形，取得骨性愈合。但关于损坏性的股骨转子下骨折（SeinsheimerⅢ、IV、V型），内固定物挑选不妥或操作失误简单引起骨折不愈合、推迟愈合、髋内翻变形及内固定物开裂等并发症，因而，对骨科医生的应战极大。怎么有用医治股骨转子下损坏性骨折，有用下降并发症，进步医治作用，成为伤口骨科医生急需解决的问题。
加长PFNA、股骨重建钉、加长Intertan等髓内固定具有显着生物力学优势，是股骨转子下骨折最常用的医治办法，但关于股骨髓腔狭小、骨折累及大转子、股骨近端冠状面劈裂、股骨近端外侧壁骨折等特别状况下，髓内固定仍难以达到有用的固定，其间股骨重建钉具有“Z”字效应，简单发作退钉或螺钉切出；PFNA和InterTan虽有用下降了“Z”字效应，但关于外侧壁骨折的股骨转子下骨折，将影响近端拉力螺钉的加压作用，进而下降内固定的安稳性[7-9]。
PFP是为股骨近端骨折规划的专用确定钢板，其近端确定螺钉之间彼此成角，且受力均匀，与钢板一起构成一个相对安稳的框架结构，因而具有杰出的成角安稳性，确定钢板的规划使得固定不依赖钢板和骨界面的冲突，可维护骨折端的血液供给，加速骨折愈合，一起这种结构使确定螺钉的拔除强度更高，并兼有内固定支架的作用。近端有三角形散布的螺钉孔，直径相对较小的股骨近端螺钉对股骨头、颈内的血供损坏较小，其拉力螺钉的操纵力度更大，有利于小转子复位，康复内侧皮质完好性。一起关于外侧壁损坏的股骨近端骨折，可以经过PFP来重建外侧壁[10-12]。
两种内固定办法各有优缺点。但是，现有文献鲜有此方面报导，因而本研讨拟运用有限元建模技能，比较PFP和加长型PFNA固定股骨转子下骨折（Seinsheimer IV）的生物力学特征。
股骨转子下区肌肉丰厚，在影响骨折愈合的2个要害要素-血运要素和解剖学（也就是力学）要素中，骨解剖比血管解剖更为重要，力学要素成为影响骨折医治作用的要害[9-12]。股骨近端解剖结构特别，具有135°颈干角、10°～15°前倾角，力的轴线与股骨轴线不重合，然后在股骨转子下粗隆区域构成特别的生物力学特性：股骨上端除矢状面的轴向应力外，还存在冠状面上的压张应力（股骨近端端的内侧皮质传导压应力，外侧传导张应力）和水平面上的旋转应力。这部位骨折后，拉伸力导致骨折端别离，剪切力导致骨折端侧向移位，改变力导致骨折断端旋转移位。大部分股骨粗降下骨折的患者有显着的骨高应力会集，形成骨折复位后的安稳性差，易发作再移位。所以股骨转子下骨折对内固定的机械性要求较高，内同定物挑选的正确与否决议了骨折医治的胜败[13-16]。在加载在股骨的一切应力中，股骨冠状面上的应力占有主导地位，本文在股骨头处加载笔直的应力，模仿人在站立情況下的受力状况，可以较为精确的反响实践手术状况。
髓外及髓内固定的力学特征各有特点。PFP钢板的应力首要会集在钢板的内侧和钢板螺钉交界处。 其间最大应力为109.6MPa，会集在最远端的螺钉钢板交界处。钢板内侧的应力会集并非均匀散布，而是存在于钢板与骨折线交界处，以及螺钉孔的内侧，这与股骨长轴的曲度有关，股骨长轴有必定的前曲弧度，应力从长轴传导，钢板坐落弧度凹侧会接受较大的应力[17-19]。此外，钢板螺钉交界处的应力会集也非平等散布。其头端和远端的应力较为会集，中心三颗螺钉应力会集并不显着。这首要是因为头端的拉力螺钉起到支撑的作用，尾端的螺钉因为力矩较大，也会发生较大的应力。 加长型PFNA固定的应力散布首要会集在主钉的外侧中段和下端。这也是因为股骨长轴向前的弧度有关。与PFP不同，加长型PFNA的远端确定螺钉与主钉之间的交界处应力会集并不显着的现象。这是因为主钉的长轴承载了大多数的应力，应力首要是沿着长轴传导，尾端螺钉的力矩较小。
别离取榜首、二、三块（由近端及远端）骨折块接近骨折线的节点作为符号点，以符号骨折在应力加载后的位移度。PFP固定的模型，榜首骨折块位移2.38mm，第二骨折块位移为2.25mm，第三骨折块位移1.74mm。而加长型PFNA模型，榜首骨折块位移2.13mm，第二骨折块位移为2.35mm，第三骨折块位移1.80mm。榜首骨折块所取得符号点在近端的股骨头处，此处的位移反映的是股骨全体的曲折位移程度，可见全体上PFNA模型形变较小，加长型PFNA固定模型的安稳性较好。但是，第二块和第三块骨折块的位移程度，加长型PFNA模型的较大，这或许是因为加长型PFNA短少操纵近端损坏小骨块的才能，使得在近端小骨块的位移程度增大，因而在临床实践中，在运用髓内固守时，往往会运用钢丝等在股骨近端固定这些小的骨折块，以补偿此项缺点[20-21]。此外，主钉和投端确定衔接处的高应力，也会添加其开裂的危险。
因而，从本研讨的视点来看，加长型PFNA比PFP在固定股骨转子下骨折方面，更有优势，但是短少操纵近端损坏小骨块的才能，使得在近端小骨块的位移程度增大，在实践使用中或许需求额定的固定。endprint
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