股骨远端骨折锁定钢板螺钉布局的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.22.013

摘要/Abstract

摘要：

背景：股骨远端骨折主要使用股骨远端锁定钢板进行内固定，内固定的失效屡有报道，临床对钢板上的螺钉分布意见不一，螺钉的分布和内固定失效是否相关，缺乏力学的实验依据。

目的：探讨治疗股骨远端骨折锁定钢板的合理螺钉布局。

方法：通过ANSYS软件建模，建立骨折和钢板模型，骨折近端、远端均固定4枚螺钉，设计128种不同的螺钉布局方案，分析不同的螺钉、钢板应力和骨折位移，进行第1，6孔单皮质固定组、双螺钉固定组的单因素方差分析；以及第5孔单皮质固定组、双皮质固定组、无螺钉固定组的单因素方差分析。

结果与结论：128种螺钉分布中，第1孔螺钉应力最大的分布是“-2分布组”(-2表示第2孔无螺钉固定)，应力最小的分布是“-4分布组”(-4表示第4孔无螺钉固定)；第5孔螺钉应力最大的分布为“-4分布组”，应力最小的分布为“-3分布组”(-3表示第3孔无螺钉固定)；第6孔螺钉应力最大的分布为“-4分布组”，应力最小的分布为“-2分布组”；钢板的应力最大的分布为“-4分布组”，应力最小的分布为“-5分布组”(-5表示第5孔无螺钉固定)；骨折的位移最大的分布为“-5分布组”，位移最小的分布为“-3分布组”。128种螺钉分布中，第1，6孔单皮质固定组和双皮质固定组螺钉、钢板应力和骨折位移对比差异无显著性意义；第5孔单皮质固定组、双皮质固定组、无螺钉固定组对比，无螺钉固定组的骨折位移显著大于其他两组(P < 0.05)，3组螺钉应力和钢板应力差异无显著性意义。提示钢板最近端第1，2孔需固定；靠近骨折端的近端2个孔(例如文章的第4，5孔)，第4孔必须固定，根据骨折稳定性判断是否固定第5孔；中间的孔可不固定；第6孔建议固定。ANSYS分析是有效的骨科临床分析方法。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 股骨骨折, 有限元, 螺钉布局, 内固定, 钢板断裂

Abstract:

BACKGROUND: Distal femoral fractures mainly used distal femoral locking plate as internal fixation. The failure of internal fixation has been frequently reported. The distribution of steel screws was controversial in the clinic. Whether the distribution of screws was associated with the failure of internal fixation lacks of experimental evidence on mechanics.

OBJECTIVE: To investigate the screw layout of locking plates for treating the distal femoral fracture.

METHODS: By using ANSYS software modeling, fractures and plate models were established. Four screws were fixed on the proximal and distal ends of fracture. 128 kinds of screw layout were designed. Stress and fracture displacement of different screws and plates were analyzed. Screw holes 1 and 6 fixed single and double cortex groups were analyzed using one-way analysis of variance. Screw hole 5 fixed single and double cortex groups and no screw group were analyzed using one-way analysis of variance.

RESULTS AND CONCLUSION: In the distribution of 128 kinds of screws, maximum stress of the first hole was “-2 distribution group” (-2 means hole 2 without screw), and minimum stress distribution was “-4 distribution group” (-4 means hole 4 without screw). Biggest stress distribution of fifth hole was “-4 distribution group”, and minimum stress distribution was “-3 distribution group” (-3 means hole 3 without screw). The distribution of the maximum stress in the screw hole 6 was “-4 distribution group”, and minimum stress distribution was “-2 distribution group”. The distribution of maximum stress in the plate was “-4 distribution group”, and minimum stress distribution was “-5 distribution group” (-5 means hole 5 without screw). The distribution of the maximum displacement was “-5 distribution group”, minimum distribution was “-3 distribution group”. Of the 128 kinds of screws, no significant difference was detected in screws, plate stress and fracture displacement in the first and sixth holes of single and double cortex distributed groups. Fracture displacement in no screw group was bigger than in hole 5 single and double cortex groups (P < 0.05). No significant difference was detectable in screw stress and plate stress among the three groups. Results indicated that the proximal first hole and second hole in the plate should be fixed. Two holes were close to the proximal end of the fracture (for example holes 4 and 5). The hole 4 should be fixed. Whether the hole 5 should be fixed was judged according to the stability of the fracture. The middle hole could not be fixed. The hole 6 was recommended to be fixed. ANSYS analysis is an effective orthopedic clinical research method.

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Key words: femoral fractures, finite element analysis, internal fixators, biomechanics

中图分类号:

R318

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Lin Zhen-en, Xie Dan, Zhang Sen. Finite element analysis of screw layout of locking plate for treating the distal femur fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(22): 3517-3522.

图/表（结果） 1

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引言

股骨远端骨折是临床常见的骨折，占成人股骨骨折的9.45%^[1]，包括关节内的股骨髁间骨折和关节外的股骨髁上骨折，目前临床上多数使用股骨髁锁定钢板治疗，临床报道的治疗效果基本满意，并发症主要为骨折不愈合、螺钉松动、钢板断裂等^[2-5]，以上并发症和钢板、螺钉的应力分布有关。股骨髁锁定钢板的螺钉固定可采用单皮质固定、双皮质固定，或者在某些钉孔中不使用螺钉固定，在临床中未形成统一的标准，缺乏力学的实验依据。

有限元分析是近年骨科生物力学实验的实用方法^[6-8]，课题通过建立128种螺钉布局情况，根据ANSYS有限元分析结果，探讨螺钉的合理布局。目前常用的软件有ANSYS、ABAQUS，课题采用ANSYS 13.0软件^[9]。在股骨中下段，主要的肌肉剪切拉力为大收肌和小收肌，该拉力有2个方面的影响：①向内侧、向近端的应力分量。②向内侧、向近端的骨折位移。课题目的是比较128种螺钉分别的最终结果，螺钉分布的不同，肌肉的作用在128种布局中的影响结果是相同的，所以课题未将肌肉拉力作为单独的应力进行载荷；并且因为涉及128个样本量，建模量大，根据软件掌握程度的难易，选择ANSYS，为研究提供简便的可重复性。在有限元分析中，很多学者选择MIMICS直接建模^[10-11]，操作方便。但课题需要建立128个模型，如果小样本的分析，可以用MIMICS建模，因为建立的是面网格模型，需要在三维软件中进行画图和组配，如果模型不够理想，还需要有限元的前分析软件，比如Geomagic Studio或PROE进行模型的前处理，组配之后，网格化，才能进入ANSYS或ABAQUS进行后处理分析，求解、得到应力云图^[12-14]。因为课题涉及复杂的钢板、螺钉、股骨组配的问题，并且研究的是螺钉分布的不同，所以对模型与实体形态差异不要求完全吻合，只要求128个样本的均匀性，即要求股骨的中空、各材料的弹性模量、锁定螺钉和钢板的吻合，钢板螺钉的实心等，所以未采用MIMICS建模。

对于128个样本的分析，为提供简便的可重复性，课题均从ANSYS软件中进行，包括建模、组配、网格化、求解、应力云图，得到结果。ANSYS的方法简单有效，为很多学者使用并报道，但单纯的应用ANSYS进行骨科实验的研究不多，多数需要结合其他软件^[15-18]。因为临床工作者没必要掌握复杂的力学分析工程软件，如果单纯使用ANSYS，能说明临床上需要解释的力学问题，不失为一个良好选择。

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材料方法

设计：测量性实验。

时间及地点：于2012年10月至2013年10月在厦门大学附属福州第二医院骨六科完成。

材料：运用ANSYS 13.0软件造模，锁定钢板和股骨为2种不同弹性模量材料，钛合金钢板为1.1×10¹¹，泊松比为0.3^[19]；用中空圆柱模拟股骨，弹性模量为1.2×10¹⁰，泊松比为0.3^[20]；用缺损模拟骨折粉碎区，以利于分析钢板应力。钢板的骨折近端布置5枚钉孔，骨折远端布置4枚钉孔，钉孔位置、钢板和螺钉大小均模拟北京理贝尔公司股骨远端髁锁定钢板(图1)。根据远近端螺钉分布的不同、螺钉单或双皮质固定的选择不同，本文设计了128种不同的分布(图2，A代表单皮质固定，B代表双皮质固定，1，2，3，4，5，6为图1中钢板的钉孔)。

方法：

设计方案：本文设计了128种螺钉布局的模型，所有模型均安排8枚螺钉固定，骨折近端有5个钉孔，安排4枚螺钉；骨折远端安排4枚螺钉。近端5个钉孔，最近端的第1孔必须使用螺钉固定，其余4孔(即2，3，4，5孔)，选择性固定，共有4种分布；每种分布中，近端4枚螺钉，每个均有单皮质固定或双皮质固定2种选择，所以每种分布可设计2⁴=16种选择，这样近端就可设计4×16=64种选择。远端的螺钉只分析离骨折端最近的1枚螺钉(即6孔)的情况，有单皮质固定或双皮质固定2种选择，所有一共设计了4×2⁴×2=128种分布(图2)。

ANSYS方法：为精确计算模型的应力分布，选择solid 186定义材料，通过建立圆柱、组配钢板、布尔运算、切割、网格化、约束、载荷、求解、后处理，其中，约束范围在钢板远端的股骨，保持该段股骨在载荷下无移动，载荷应力设为500 N，均匀分布于近端股骨的横截面，最后得到应力云图，得出所有螺钉的应力、骨折段(即模拟的缺损区)钢板的应力、骨折端的位移等(图3)。

主要观察指标：观察128种螺钉布局中，每种布局1，2，3，4，5，6孔螺钉应力、骨折段钢板应力及骨折近端位移。

统计学分析：设分析因素为各枚螺钉的最大应力、骨折位移、缺损区钢板应力，进行第1，6孔单皮质固定组、双螺钉固定组的单因素方差分析；第5孔单皮质固定组、双皮质固定组、无螺钉固定组的单因素方差分析，应用SPSS 17.0软件进行统计学计算。

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讨论

随着现代社会交通事故的增多，该骨折发生率高，近年临床上主要用股骨远端外侧锁定钢板行内固定治疗。临床报道的内固定失败率有5%，主要为螺钉松动、断裂、骨折端钢板断裂、感染、骨折不愈合等^[21-24]。不同的螺钉布局问题，在骨科临床未形成统一的观点，目前的主流意见是“长钢板、少螺钉”，在不影响钢板稳定的同时，增加了钢板弹性形变的能力^[25]，在治疗简单骨折时，理想的钢板的跨越率(板长/骨折区长度)应>8-10；在治疗粉碎性骨折时，钢板的跨越率应>2-3，螺钉的密度应≤0.4-0.5^[26]，对于骨质疏松患者，钢板螺钉最好双皮质固定^[27]。关于螺钉数量的要求众说不一，有的学者总结骨折远近端至少各二至三枚螺钉，如果不稳定可予三至四枚固定^[28]，对于螺钉如何具体分布，则根据个体差异，选择不同。本文的主体是模拟股骨远端骨折，螺钉密度设为0.8，和治疗原则不符，原因有三：①股骨远端骨折的近端一般临床上予4枚螺钉固定，依据骨折区域的长度，选择钢板，如果骨折区域越长，选择的钢板就越长，那么螺钉布局的组配将成几何级变化，不利于研究分析。②本文可以把骨折区设计较长，满足螺钉密度需要，但钢板的跨越率就不满足需要。③本文分析的是128种分布的差异，螺钉密度的增加，对于同长度钢板，不同螺钉分布的比较无影响。所以本文的螺钉密度设计，利于实验的实施，虽和临床不符(这是本文的缺陷)，但能够体现实验的目的，提供临床参考。

本文设计128个不同分布的样本量，通过统计设计和计算结果，说明了以下问题：①第1孔应力最大的分布为“-2分布组”，提示该类型分布，第1孔承担的应力大，第1孔容易松动。②第2孔置钉后，第1孔的应力比较“-2分布组”明显降低，说明第2孔置钉可降低第1孔应力。③钢板应力最大的分布为“-4分布组”，提示该分布组中钢板容易断裂。④第4孔置钉后，第5孔的应力比较“-4分布组”明显降低，说明第4孔置钉可降低第5孔应力。⑤钢板应力最小的分布为“-5分布组”，第5孔单皮质固定组、双皮质固定组、无螺钉固定组的单因素方差分析，无螺钉固定组的骨折位移显著大于其他两组(P < 0.05)，提示骨折的位移最大的是 “-5分布组”，所以临床上可根据骨折粉碎程度判断：如果骨折稳定性差，以保证稳定为主，第5孔需要固定；如果骨折稳定性好，以保证钢板应力的减少为主，第5孔不需要固定。⑥第3孔置钉和“-3分布组”比较，“-3分布组”的所有螺钉的应力和骨折位移均有减少，提示临床上在第3孔的区域，本文定义为：骨折近端的钢板，除最近端的2孔和离骨折端最近的2孔之间的区域，不宜置钉固定。⑦从1孔到第5孔，螺钉的应力逐渐增大。⑧通常钢板容易断裂的区域在骨折区^[29-30]，临床病例多见(图4A，B)，在本文中，如果骨折区的钢板不置钉，应力的方向为水平方向(图4C)，易导致钢板水平断裂，这与临床病例相符；但在该区域置入短螺钉后，应力可减小，并把应力方向转变为垂直方向(图4D)，对钢板有利。⑨根据第1孔、第5孔、第6孔单皮质固定组、双皮质固定组的单因素方差分析，P > 0.05，差异无显著性意义，说明第1，5，6孔的单、双皮质的选择无差别，提示临床上使用单、双皮质均可。以上的临床提示，对于切开术式或闭合术式均可适用，对于降低负重的长管骨，包括膝关节周围骨折的关于钢板断裂、螺钉松动、骨折移位等并发症^[31-35]，对于报道的关于关节周围骨折的并发症^[36-37]，均有可行的参考意义。

通过128个螺钉布局的研究，对比各枚螺钉和钢板的应力、骨折位移，结合单、双、无螺钉分布的统计分析结果，本文可对临床提供如下参考建议：①钢板最近端1，2孔需固定，可增加钢板的抗拔出力，与很多报道相符^[38-39]。②骨折端的近端前2孔(例如本例的第4，5孔)，第4孔必须固定，根据骨折稳定性判断是否固定第5孔。③中间的孔可不固定。④各孔的选择单或双皮质螺钉固定对骨折移位、钢板应力无影响，但本文是基于锁定螺钉和钢板吻合的前提下，锁定螺钉通过锁定钢板的螺纹实现锁定的原理是众所周知的^[40]，因为内固定材料的差异、生产工艺的差异、术者操作的差异，可能导致螺纹的锁定不佳，故本文建议临床均使用双皮质螺钉固定，以提高骨折的稳定性，并且不影响应力的均衡。⑤骨折端远端前1孔(例如本例的第6孔)的固定，对骨折稳定有利，不增加钢板、螺钉应力。以上的5个建议，对于目前骨科临床锁定钢板的使用可提供有力学依据的医学参考，不仅对于股骨远端骨折，而且对长管骨骨折、关节周围骨折均有一定的参考意义，具体各部位的骨折是否有独特的力学特征，可通过ANSYS软件的使用，进一步探讨分析。

综上所述，股骨远端骨折锁定钢板固定时，螺钉的合理分布，对于钢板、螺钉的稳定，对于骨折的稳定，对于钢板断裂风险有意义。临床骨折的个体差异大，钢板有长短各种选择，本文提示的螺钉布局有可重复性的意义，为临床的螺钉布局选择提供参考。软组织的应力分量关系，不在本文范围内。螺钉密度增加是本文的缺陷，如果减少螺钉密度，将增加几倍的布局可能，在今后的研究中，可进一步探讨。根据应力分布的影响，ANSYS有限元分析的方法为临床研究提供简便的途径，通过对钢板、螺钉的改造实现理想的应力分布，可进一步探索验证。

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