不稳定股骨转子间骨折不同内固定方式的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.014

摘要/Abstract

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文题释义：

动力髋螺钉：是修复股骨转子间骨折的主要固定装置，其操作简单，固定效果好，抗剪切应力比较大，不足为对骨质疏松患者固定效果不理想，没有抗旋转作用。

骨折有限元模型：可以从生物力学的角度研究骨折发生的机制，发现骨折的易发部位，从而有效预测和防止骨折的发生，并且可以对骨折进行生物力学分析，为临床骨折的治疗提供有效的依据。有限元对骨折固定装置的生物力学也有指导意义。

摘要

背景：由于不稳定型股骨转子间骨折骨骼的形态及力学传递比较复杂，普通的实验方法难以全面完整的分析其生物力学变化特点，并且普通实验成本高、周期长、重复性比较差等缺陷使其在生物力学方面的研究受到限制。

目的：应用三维有限元法分析不稳定股骨转子间骨折不同内固定方式的生物力学特点。

方法：建立股骨转子间骨折锁定动力髋螺钉内固定模型(C1)、Gamma钉内固定模型(C2)以及股骨近端解剖锁定钢板内固定模型(C3)，将股骨远端固定，施加髋关节反作用力2 800 N及外展肌力分别为1 200 N。三维有限元法分析不稳定股骨转子间骨折3种内固定模型不同部位的应力分布、应力集中部位以及最大位移情况。

结果与结论：①骨折断面应力值：C3骨折断面前外侧应力值和前内侧应力值均最大，C3骨折断面后外侧应力值和后内侧应力值均最小，3组比较差异均有显著性意义(P均< 0.05)。②骨折间隙应力值：C1、C2和C3的前外侧应力值、前内侧应力值、后外侧应力值和后内侧应力值之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。其中C1前外侧应力值明显大于C2前外侧应力值(P < 0.05)，C3的前外侧应力值明显小于C1前外侧应力值和C2前外侧应力值(P < 0.05)，C3的前内侧应力值明显小于C1前内侧应力值和C2前内侧应力值(P < 0.05)；C1后外侧应力值明显大于C2后外侧应力值和C3后外侧应力值(P < 0.05)，C1后内侧应力值明显大于C2后内侧应力值(P < 0.05)，C3的后内侧应力值明显小于C1后内侧应力值和C2后内侧应力值(P < 0.05)。③螺钉顶部周围骨质应力值：3组之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，其中C3的螺钉顶部周围骨质应力值明显大于C1和C2(P < 0.05)。④由此可见，锁定动力髋螺钉、Gamma钉和股骨近端解剖锁定钢板3种内固定方式修复不稳定股骨转子间骨折各有优缺点，可以根据需要选择合适的内固定装置。

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

ORCID:0000-0001-6536-4671(陈少明)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 不稳定股骨转子间骨折, 内固定, 三维有限元分析, 锁定动力髋螺钉, Gamma钉, 锁定钢板

Abstract:

BACKGROUND: The morphological and mechanical transfers of unstable intertrochanteric fractures were complicated, so it is difficult to analyze the biomechanical characteristics of the common experimental methods in a comprehensive way. Moreover, the high cost, long cycle and poor repeatability of common tests limit its application in biomechanics.

OBJECTIVE: To analyze the biomechanical characteristics of unstable intertrochanteric fracture in different fixation ways by three-dimensional finite element analysis.

METHODS: Intertrochanteric fracture locking dynamic hip fixation model (C1), Gamma nail fixation model (C2) and proximal femoral anatomical locking plate model (C3) were established. The distal end of the femur was fixed, and subjected to the hip reaction force of 2 800 N and abduction muscle strength of 1 200 N. Three-dimensional finite element analysis was used to analyze the stress distribution, stress concentration and maximum displacement of unstable intertrochanteric fracture in three different fixation ways.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Stress: the anterolateral stress and anteromedial stress of C3 were the maximum. Posterolateral stress and posteromedial stress of C3 were the minimum. There were significant differences among the three groups (all P < 0.05). (2) Stress of fracture space: significant differences in anterolateral stress, anteromedial stress, posterolateral stress and posteromedial stress were determined in C1, C2 and C3 (P < 0.05). Anterolateral stress of C3 was significantly less than anterolateral stresses of C1 and C2 (P < 0.05). Anteromedial stress of C3 was significantly less than that of C1 and C2 (P < 0.05). Posterolateral stress of C1 was significantly larger than that of C2 and C3 (P < 0.05). Posteromedial stress of C1 was significantly larger than that of C2 (P < 0.05). Posteromedial stress of C3 was significantly less than that of C1 and C2 (P < 0.05). (3) Significant differences in bone stress around the screw top were detected among the three groups (P < 0.05). Bone stress around the screw top of C3 was significantly larger than that of C1 and C2 (P < 0.05). (4) Thus, locking dynamic hip screw, Gamma nail and proximal femoral anatomical locking plate have their advantages and disadvantages for treatment of unstable intertrochanteric fracture of the femur. The appropriate internal fixation device should be selected according to the need.

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

Key words: Femoral Fractures, Internal Fixators, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈少明，邱玉金，卢斌，杨志强，王宝九，冯振东. 不稳定股骨转子间骨折不同内固定方式的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(26): 3890-3896.

Chen Shao-ming, Qiu Yu-jin, Lu Bin, Yang Zhi-qiang, Wang Bao-jiu, Feng Zhen-dong. Three-dimensional finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture in different fixation ways[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(26): 3890-3896.

图/表（结果） 5

2.1 不同内固定最大应力值及最大位移值比较 由表1可以看出，C1的应力主要集中在套筒根部和拉力螺钉处，C2的应力主要集中在主钉和拉力螺钉相交处，C3

的应力主要集中在拉力螺钉根部。C3的应力最大值最大，C2的最大应力值最小。C1、C2和C3的最大位移处均为拉力螺钉顶部，其最大位移值从小到大依次为C3小于C2小于C1。

2.2 不同内固定股骨近端应力集中部位及应力最大值比较 由表2可以看出，C1近端股骨和C2近端股骨的应力主要集中在前内侧股骨皮质断面处，C3近端股骨应力主要集中在螺钉和前内侧股骨骨质接触处。3者的最大应力值从小到大依次为C2近端股骨小于C1近端股骨小于C3近端股骨，其中C3近端股骨明显大于C1近端股骨和C2近端股骨。
2.3 不同内固定股骨近端总位移及不同矢向位移比较 由表3可以看出，C1近端股骨水平最大位移、冠状最大位移、轴状最大位移和股骨近端总位移均最大，C3近端股骨水平最大位移、轴状最大位移和股骨近端总位移均最小；C2近端股骨冠状最大位移最小。

2.4 不同内固定骨折断面处应力值比较 由表4可以看出，C3骨折断面前外侧应力值和前内侧应力值均最大，C3骨折断面后外侧应力值和后内侧应力值均最小。3种不同内固定组比较差异有显著性意义(P均< 0.05)。3组之间两两比较：C1骨折断面和C2骨折断面在前外侧应力值、前内侧应力值、后外侧应力值和后内侧应力值之间比较差异无显著性意义(P > 0.05)，C3骨折断面前外侧应力值和前内侧应力值均明显大于C1骨折断面组和C2骨折断面组(P < 0.05)，C3骨折断面后外侧应力值和后内侧应力值均明显小于C1骨折断面组和C2骨折断面组(P < 0.05)。

2.5 不同内固定骨折间隙应力值比较 由表5可以看出，C1、C2和C3的前外侧应力值、前内侧应力值、后外侧应力值和后内侧应力值之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。其中两两之间比较：C1前外侧应力值明显大于C2前外侧应力值(P < 0.05)，C3的前外侧应力值明显小于C1前外侧应力值和C2前外侧应力值(P < 0.05)；C1前内侧应力值和C2前内侧应力值之间没有明显差异(P > 0.05)，C3的前内侧应力值明显小于C1前内侧应力值和C2前内侧应力值(P < 0.05)；C1后外侧应力值明显大于C2后外侧应力值和C3后外侧应力值(P < 0.05)，C2后外侧应力值和C3后外侧应力值比较差异无显著性意义(P > 0.05)，C1后内侧应力值明显大于C2后内侧应力值(P < 0.05)，C3的后内侧应力值明显小于C1后内侧应力值和C2后内侧应力值(P < 0.05)。

2.6 不同内固定螺钉顶部周围骨质应力值比较 由表6可以看出，C1、C2和C3的螺钉顶部周围骨质应力值之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，其中两两比较：C3的螺钉顶部周围骨质应力值明显大于C1和C2(P < 0.05)，C1和C2的螺钉顶部周围骨质应力值比较差异无显著性意义(P > 0.05)。

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2014年7月至2015年7月在昌邑市人民医院完成。

1.3 材料

1.3.1 设备 CT机由山东省昌邑市人民医院放射科提供；计算机工作站为Windows 7操作系统。

1.3.2 软件 Mimics 10.01软件(比利时Materialise公司)，Geomagic Studio 11(美国Raindrop公司)，ANSYS 13.0(美国ANSYS公司)，Solidworks(法国Dassault公司)。

1.3.3 内固定材料锁定动力髋螺钉由康辉公司公司提供，侧钢板长11 cm，钉孔直径1 cm，螺钉直径3.6 cm和4 cm。Gamma钉由康辉公司提供，主钉长18 cm，近端直径3.4 cm，末端直径2.2 cm，锁钉直径1.26 cm。股骨近端解剖锁定钢板由康辉公司提供，近端钉孔直径1.2 cm，钢板长1.7 cm，厚0.7 cm，螺钉长0.8 cm，远端钉孔直径1 cm，螺钉长4 cm。

1.4 对象 选择身体健康的35岁男性志愿者，体质量68 kg，身高179 cm，既往没有遗传病及慢性病史，没有外伤和手术史，拍片及CT扫描无骨盆病变。

1.5 方法

1.5.1 CT数据收集和转换 CT扫描机以0.75 mm的层厚从髋臼上方7 cm处扫描至胫骨平台下方7 cm处，得到0.75 mm层厚的清晰二维CT图像，图像以DICOM格式保存；将DICOM格式的二维图像导入Mimics 10.01软件，通过空腔填充等处理制作股骨三维模型。股骨三维模型以STL格式保存。

1.5.2 建立股骨模型将STL格式保存的股骨三维模型导入Geomagic Studio 11软件，对其进行编辑、空洞填补等处理，生成股骨三维模型，股骨CAD三维模型以IGES格式保存，见图1。

1.5.3 建立股骨转子间骨折(31-A2)模型将上述股骨模型进行切割^[5]，切割线与股骨纵轴夹角为45°，沿转子间线切割，构建31-A2股骨转子间骨折模型，设置骨折间隙为0.2 cm。

1.5.4 建立股骨和转子间骨折的三维有限元分析模型将上述资料导入ANSYS 12.0软件，进行网络划分，建立股骨的三维有限元分析模型和转子间骨折的三维有限元分析模型。

1.5.5 建立锁定动力髋螺钉、Gamma钉和股骨近端解剖锁定钢板的三维有限元模型根据锁定动力髋螺钉、Gamma钉和股骨近端解剖锁定钢板的实物尺寸在Solidworks软件中进行设计构建，螺钉用圆柱体替代^[6-7]，锁定动力髋螺钉模型为A1，Gamma钉模型为A2，股骨近端解剖锁定钢板模型为A3。将锁定动力髋螺钉模型、Gamma钉模型和股骨近端解剖锁定钢板模型分别导入ANSYS软件中，建立锁定动力髋螺钉、Gamma钉和股骨近端解剖锁定钢板的三维有限元模型。

1.5.6 建立股骨转子间骨折不同内固定的三维有限元分析在Geomagic Studio 软件中将锁定动力髋螺钉、Gamma钉和股骨近端解剖锁定钢板CAD模型和股骨转子间骨折CAD模型进行组合，建立股骨转子间骨折不同内固定的CAD模型，其中股骨转子间骨折锁定动力髋螺钉内固定CAD模型为B1，股骨转子间骨折Gamma钉内固定的CAD模型为B2，股骨转子间骨折股骨近端解剖锁定钢板CAD模型为B3。分别将B1，B2，B3的CAD模型导入到ANSYS软件中，进行网络划分，建立股骨转子间骨折不同内固定的三维有限元模型，其中股骨转子间骨折锁定动力髋螺钉内固定CAD模型为C1，股骨转子间骨折Gamma钉内固定的CAD模型为C2，股骨转子间骨折股骨近端解剖锁定钢板CAD模型为C3。

1.5.7 机械特性设置股骨皮质骨的弹性模量分别为 16 800 MPa，股骨皮质骨的泊松比都设置为0.3，股骨松质骨的弹性模量分别为580 MPa，股骨松质骨的泊松比都设置为0.28，股骨皮质骨的弹性模量分别为16 800 MPa，股骨皮质骨的泊松比都设置为0.3。内固定材料的弹性模量分别为105 000 MPa，内固定材料的泊松比0.31。

1.5.8 载荷的施加设置将股骨远端固定，髋关节反作用力、外展肌力分别为2 800，1 200 N。髋关节反作用力在X轴、Y轴和Z轴上的分力分别为605，-1 990和 165 N。外展肌力在X轴、Y轴和Z轴上的分力分别为-420，-1 150和730 N。

1.6 主要观察指标 三维有限元法分析不稳定股骨转子间骨折3种内固定模型不同部位的应力分布、应力集中部位以及最大位移情况。

1.7 统计学分析 所有数据输入SPSS 18.0软件进行处理，齐性方差采用q 检验，非齐性方差采用秩和检验，取P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

股骨转子间骨折是比较常见的骨折类型，以老年者居多^[8]，严重影响患者的生活质量，股骨转子间骨折内固定是其主要的修复方法^[9-10]，分为髓内和髓外内固定两种。髓外内固定有：①动力髋螺钉内固定：动力髋螺钉内固定对股骨头有比较强的固定作用，即使患者有骨质疏松，其固定也是不容易脱落的，并且可以促进骨折的愈合^[11-13]。②动力髁螺钉内固定：动力髁螺钉内固定是近年来一种新的修复方式，主要治疗髁间骨折，该固定方式螺钉多、旋转力强、固定效果好、并发症少，治疗的有效率可达90%以上^[14-16]。③近端解剖钢板内固定：是一种固定物为钢板的固定方式，治疗的有效率也高达90%以上^[17-18]。髓内内固定：①Gamma钉内固定：该修复方式患者术后下地时间早，并且操作简单，有效率接近90%^[19-20]。②股骨近端髓内钉内固定：是Gamma钉内固定改进后的一种修复方式，不用扩髓处理，能够防止移位和旋转，可以减轻骨折处应力，治疗总有效率达100%^[21-27]。③股骨近端抗旋髓内钉内固定：由股骨近端髓内钉内固定发展而来的，股骨近端抗旋髓内钉内固定的效果较股骨近端髓内钉内固定的效果更好，术后下地活动时间早，总有效率也达100%^[28-29]。上述固定方式均有优缺点^[30]，临床上可以根据需要选择合适的固定方式。

有限元模型的建立为生物力学的分析提供了数字平台，在骨骼的生物力学研究中得到广泛应用。在骨科中有限元分析最早应用与股骨的生物力学分析，方国芳等^[31]对全股骨不同受伤机制进行应力分析，发现不同状态下股骨的应力集中部位也不同。随后在胫骨、足髁外科等也有广泛应用^[32]。在关节方面，有限元分析对髋关节和膝关节的应力分布进行了大量研究，为关节成形和骨折内固定提供了比较准确的生物力学依据^[33]。在脊柱和骨盆方面，国内外学者对颈椎、腰椎以及骨盆进行了有限元分析^[34]，为临床脊柱及骨盆的生物力学提供可靠的结果。在骨折中，有限元模型可以从生物力学的角度研究骨折发生的机制，发现骨折的易发部位，从而有效预测和防止骨折的发生，并且可以对骨折进行生物力学分析，为临床骨折的治疗提供有效的依据^[35-36]。有限元对骨折固定装置的生物力学也有指导意义，在内固定装置方面，有限元可以对骨折不同内固定方式的应力分布进行研究，并且可以施加载荷，获得不同内固定不同载荷下的骨折应力分布以及位移情况，从而对临床骨折的内固定提供生物力学依据^[37]。在外固定装置方面，外固定在骨折以及骨骼畸形等方面有广泛应用^[38]，曾有研究对Bennett骨折的外固定进行研究，发现其稳定效果比克氏针内固定效果好，且术后关节炎的发生率低^[39]。

虽然三维有限元分析在骨折领域的应用比较广泛，在股骨骨折方面也有大量研究，但关于不稳定型股骨转子间骨折的生物力学的研究不多。动力髋螺钉是治疗股骨转子间骨折的主要固定装置，其操作简单，固定效果好，抗剪切应力比较大^[40]，不足为对骨质疏松患者固定效果不理想，没有抗旋转作用。锁定钢板是一种新的内固定装置^[41]，角稳定性好，不容易断板断钉，对组织影响小。本研究通过建立转子间骨折锁定动力髋螺钉内固定模型、转子间骨折Gamma钉内固定模型以及转子间骨折股骨近端解剖锁定钢板模型，将股骨远端固定，施加髋关节反作用力2 800 N及外展肌力分别为1 200 N，三维有限元分析不稳定转子间骨折3种不同内固定方式模型不同部位的应力分布、应力集中部位以及最大位移情况。结果发现：C1的应力主要集中在套筒根部和拉力螺钉处，C2的应力主要集中在主钉和拉力螺钉相交处，C3的应力主要集中在拉力螺钉根部。C3的应力最大值最大，C2的最大应力值最小。C1、C2和C3的最大位移处均为拉力螺钉顶部，C3的最大位移值最小，C1的最大位移最大。C1近端股骨和C2近端股骨的应力主要集中在前内侧股骨皮质断面处，C3近端股骨应力主要集中在螺钉和前内侧股骨骨质接触处。C3近端股骨明显大于C1近端股骨和C2近端股骨。C1近端股骨水平最大位移、冠状最大位移、轴状最大位移和股骨近端总位移均最大。C3骨折断面前外侧应力值和前内侧应力值均最大，C3骨折断面后外侧应力值和后内侧应力值均最小，3种不同内固定组比较差异均有显著性意义(P均< 0.05)。C1、C2和C3的前外侧应力值、前内侧应力值、后外侧应力值和后内侧应力值之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。其中C1前外侧应力值明显大于C2前外侧应力值(P < 0.05)，C3的前外侧应力值明显小于C1前外侧应力值和C2前外侧应力值(P < 0.05)，C3的前内侧应力值明显小于C1前内侧应力值和C2前内侧应力值(P < 0.05)；C1后外侧应力值明显大于C2后外侧应力值和C3后外侧应力值(P < 0.05)，C1后内侧应力值明显大于C2后内侧应力值(P < 0.05)，C3的后内侧应力值明显小于C1后内侧应力值和C2后内侧应力值(P < 0.05)。C1、C2和C3的螺钉顶部周围骨质应力值之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，其中C3的螺钉顶部周围骨质应力值明显大于C1的螺钉顶部周围骨质应力值和C2的螺钉顶部周围骨质应力值(P < 0.05)。

由此可见，不稳定股骨转子间骨折3种不同内固定方式各有优缺点，临床可以根据需要选择合适的内固定装置。

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