两种不同方式固定PauwellsⅢ型股骨颈骨折稳定性的有限元分析

金亚平 徐 刚 万曲桥

(乐清市人民医院,浙江 乐清 325600)

股骨颈骨折是多见的骨折之一,好发于中老年人。股骨颈骨折后骨折不愈合及股骨头无菌坏死等并发症是临床治疗的棘手问题。对于相对年龄较轻及相对运动较多的股骨颈骨折的患者,国内外的学者都主张采用内固定的方法治疗,内固定的稳定性直接影响并发症的发生。

在临床上,以内收型股骨颈骨折(即PauwellsⅢ型,Pauwells角≥70°)最为常见,骨折线受到的剪切力大,骨折端极不稳定,因此需要更加稳定的内固定。传统的空心加压螺钉内固定技术,以其可经皮穿刺创伤小、对股骨颈血运破坏少、可通过应力刺激加速骨折愈合、不易松动、游走或退出等优点,近年来已成为首选方法。然而,早在1997年Bout等[1]提出对PauwellsⅢ型的股骨颈骨折使用空心螺钉内固定技术可发生股骨颈短缩及内翻畸形,同时认为对PauwellsⅢ型的股骨颈骨折钉板系统(DHS)可能是更好的内固定系统。

对PauwellsⅢ型的股骨颈骨折,到底是采用三枚空心螺钉技术还是钉板系统,何种生物力学更为稳定,国内外尚无相关报道。本文采用有限元分析方法,试图从生物力学角度评估三枚空心螺钉内固定技术与钉板系统固定PauwellsⅢ型的股骨颈骨折,以期找到最合适的内固定方式,为临床治疗提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 有限元模型的建立 随机选取本院患者35例(股骨均正常),对35例正常成人股骨进行西门子PLUS4单倍螺旋CT扫描,层厚2mm,每例得到88张断层图像,以DICOM格式存储。在PC机上使用MIMICS软件读取CT数据,根据骨组织灰度值的差异,在MIMICS中通过阈值化及相应的擦除操作,分别提取股骨皮质骨和松质骨的相关信息,通过三维重建获得精确的股骨上端三维模型。然后将模型导入有限元软件ABAQUS。

DHS系统模型建立:根据临床上AO/ASIF DHS的尺寸,确定接骨板厚度为5.8mm,宽度为17.5mm。接骨板颈长38mm,颈部外直径12.5mm,下部固定板长度74mm,颈部与下部固定板间夹角为135°。植入股骨头的动力螺钉直径为8mm,端头螺纹部分长度为22mm,直径为12.7mm,螺距为3mm。下部固定板采用三孔固定方式,固定螺钉直径4.5mm,螺距2mm,螺纹高度0.5mm,固定螺钉长度以超过股骨直径1～2个螺纹为标准。

三枚空心钉模型建立:根据临床上AO/ASIF空心加压螺钉的尺寸,确定紧固螺钉直径为7.3mm,无螺纹部分直径为6.0mm,螺距为0.2mm,长度根据临床需要不同而调整,按照倒三角方式布置螺钉。进钉方式采用传统高角度低位置钉,上二枚在股骨大转子嵴下方2.5cm处进钉,且两枚钉间距为1.0cm,下一枚在大转子嵴下方4.0cm处进钉,即紧贴股骨距,部分嵌入其内。三枚钉植入角度均为与股骨干纵轴成135°。

为比较DHS系统与空心螺钉内固定技术对结构稳定性的影响,采用以上两组模型进行比较,并假定螺钉和骨之间把持牢固,无相互错动。

图1 DHS系统时的正位图和侧位图

图2 空心螺钉系统时的正位图和侧位图

1.2 条件假设以及材料参数设置 根据临床股骨颈骨折常见的情况,确定骨折线位于股骨颈中间部位,Pauwells角设为70°。假定骨折已经复位,骨折面完全断裂,定义两骨折面之间的接触并取摩擦系数为0.2。模型中的各种材料都假设为均质、各向同性的线弹性材料[2],材料变形为小变形。各种结构材料的弹性模量和泊松比见表1。

表1 模型中各组成部分的材料特性

1.3 网格划分 选用C3D4单元(4节点四面体单元)对模型进行网格划分,其中空心螺钉模型共得到约23658个节点100573个单元,钉板系统模型共得到30039个节点和136966个单元。两组模型的网格密度相近。

1.4 加载方式及约束条件 按单腿站立的情况分析,力作用线与股骨干成25°角,受力大小约为人体重的2.75倍[5],所以给股骨头施加2000N的压力。对股骨干下端面进行约束,限制X、Y、Z三个方向的位移。由于股骨的受力情况多变,作者增加在股骨头受垂直向下的力和压力的计算,以比较股骨在不同受力方向下的反应。

1.5 评价标准 评价固定方式的优劣是比较整体结构的稳定性。因此,确定以下指标作为评价标准:(1)股骨头的最大横向位移(U1)。横向位移体现了固定结构的抗张力性能以及骨折面结合的牢固性;(2)股骨头的最大纵向位移(U2)。由于前倾角的存在,结构还会产生纵向位移,纵向位移从侧面反映了固定结构的抗扭能力[6];(3)股骨头的最大下沉位移(U3)。它反映了结构的稳定性和抗压能力,位移越小说明固定后结构的稳定性越好,抗变形能力越大;(4)骨折面的最大裂缝距离(L)。由于骨折面是断裂的,载荷作用下骨折结合面的上端会产生微小的裂缝,如果裂缝过大将延迟骨折的愈合,严重者可能造成骨不愈合。

2 结 果

在与股骨干成25°角力的作用下,DHS的最大横向位移U1略小于空心螺钉系统,而比较最大纵向位移U2,两者的数值相差不大,对于最大下沉位移U3,DHS系统的数值明显高于空心螺钉系统,提示DHS系统的结构稳定性和抗压能力较差,同时DHS系统的最大裂缝距离L也明显高于空心螺钉系统,见图3。

在垂直力的作用下,DHS的最大横向位移U1与最大纵向位移U2的数值与空心螺钉系统相差不大。对于最大下沉位移U3,DHS系统的数值高于空心螺钉系统,同时DHS系统的最大裂缝距离L也明显高于空心螺钉系统,见图4。

在压力的作用下,DHS的各项评价指标的数据都高于空心螺钉系统,表明DHS系统的稳定性差于空心螺钉系统,见图5。

图3 25°力作用下不同固定方式生物力学稳定性的比较

图4 垂直作用下不同固定方式生物力学稳定性的比较

图5 压力作用下不同固定方式生物力学稳定性的比较

3 讨 论

本文选择内收型股骨颈骨折(PauwellsⅢ型)作为研究对象是因为该型(Pauwells角≥70°)临床最常见,骨折端受到的垂直剪力大,骨折极不稳定,内固定疗效尚不肯定,Bout等[6]发现螺钉固定可发生短缩和内翻畸形,认为该固定技术对PauwellsⅢ型骨折并非优先选择,因此研究该型骨折意义更大。临床上对于此类骨折,采取何种内固定方式更为妥当,目前国内外还没达成一致性。国外Chaim等[7]报道低角度(150°)置钉固定PauwellsⅢ型股骨颈骨折比高角度(135°)置钉生物力学更稳定[3,7-8]。徐刚[9]报道利用有限元分析得出三枚空心螺钉高角度低位置(上2枚钉在股骨大转子嵴下方2.5 cm处进钉,且2枚钉间距为1.0 cm,下1枚在大转子嵴下方4.0 cm处进钉,即紧贴股骨距,部分嵌入其内。)倒三角型构型固定股骨颈骨折具有最大的耐受载荷。本文选择高角度低位置倒三角型螺钉固定几何构型建模,是假设该构型力学稳定性最好,可与传统的DHS进行力学稳定性比较。试图找出最佳的内固定方式为临床操作提供理论依据。

本文数据表明,在与股骨干成25°角力的作用下,DHS的最大横向位移U1略小于空心螺钉系统,说明DHS系统的抗张力性能稍好于空心螺钉。而比较最大纵向位移U2,两者的数值相差不大,说明DHS和空心螺钉系统的抗扭能力相当。对最大下沉位移U3,DHS系统的数值明显高于空心螺钉系统,提示DHS系统的结构稳定性和抗压能力较差。同时DHS系统的最大裂缝距离L也明显高于空心螺钉系统,表明DHS系统的稳定性确实差于空心螺钉系统。在垂直力的作用下,DHS的最大横向位移U1与最大纵向位移U2的数值与空心螺钉系统相差不大,说明DHS系统的抗张力性能和抗扭性能与空心螺钉相当。对于最大下沉位移U3,DHS系统的数值高于空心螺钉系统,提示DHS系统的结构稳定性和抗压能力较差。同时DHS系统的最大裂缝距离L也明显高于空心螺钉系统,表明DHS系统的稳定性比空心螺钉系统的稳定性要差。股骨头最大下沉位移DHS固定系统明显大于空心螺钉系统。在压力的作用下,DHS系统的各项评价指标的数据都高于空心螺钉系统,说明DHS系统的稳定性和抗压能力差于空心螺钉系统。分析原因:首先相比于高角度低位置倒三角空间构型的三枚空心螺钉系统而言,DHS固定系统在骨折处只有一枚螺钉固定,显然单钉系统固定的结构稳定性和抗压能力比多钉系统差。因此在股骨头受力作用下,仅靠植入股骨头的一枚螺钉支撑,DHS系统固定下的股骨头位移明显大于空心螺钉系统。其次,从支撑力方面分析,DHS系统在股骨外侧有钢板支撑,其螺钉支撑点在股骨大转子下方附近,虽然在其下方使用了固定板加以固定,但研究表明其传递支撑的力很小。其实对于空心螺钉系统,其支撑也在大转子下方附近,即股骨头的进钉处附近。仅从力学角度考虑,若患者股骨大转子下方的骨密度正常,使用空心螺钉系统较好;若患者股骨在进钉处有较严重的骨质疏松,则进钉处不能很好地提供支撑,可考虑采用DHS系统,使支撑范围扩大,并能减少转子下的应力集中,降低转子下骨折的发生概率。

本文分析结果表明,对PauwellsⅢ型股骨颈骨折,DHS固定系统的稳定性差于高角度低位置倒三角空间构型的空心螺钉系统。建议临床上仍采用传统的高角度低位置倒三角空间构型的空心螺钉系统。

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