股骨粗隆间骨折术后步行状态的生物力学特性

王爱国，郑昆仑，张荣位，李瑞峰，谷福顺，胡志刚，张 健

髋部骨折的发生率目前已经居于老年骨折的首位，而粗隆间骨折占到了老年髋部骨折的一半以上，是严重威胁老年人群健康的重要疾病之一。国内外绝大多数学者认为，只要没有手术禁忌证，手术治疗应当作为首选治疗方案[1-2]。但多数老年患者常合并有全身疾患，如脑梗塞、糖尿病、心肺脑肾脏疾病等，采用内固定手术或人工关节置换可能会危及生命。天津中医药大学第二附属医院采用单臂外固定架治疗老年股骨粗隆间骨折，取得了满意的临床疗效[3-4]。本研究运用有限元方法，模拟单臂外固定架治疗股骨粗隆间骨折术后步态过程，分析其应力分布情况，为临床治疗提供理论支持。

1 资料与方法

1.1 标本 健康老年人，男性，63岁。经伦理委员会批准，签署知情同意书。排除全身严重疾患及外伤史，行股骨正侧位X光片排除骨折情况。

1.2 设备 16排螺旋CT扫描机（西门子）；I7/2.0G CPU及2 GB内存计算机。

1.3 软件 Simpleware6.0（Simpleware，英国）；Abaqus6.12（Dassault Systems，法国）；AnyBody5.3（AnyBody Technology，丹麦）。

1.4 单臂外固定架材料 单臂外固定架由五根不锈钢半螺纹钉、一根碳素棒及5个棒针夹钳连接而成。5根不锈钢半螺纹钉，直径6 mm，长度分别为2个180 mm、3个130 mm；一根碳素棒，直径11 mm，长度250 mm。

1.5 单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折示意见图1。

图1 单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折

1.6 模型中参数设计 为方便研究，对单臂外固定架及股骨粗隆间骨折模型进行统一编号，单臂外固定架中的5根不锈钢半螺纹钉相对于人体由近及远编为1～5号；棒针夹钳由近及远编为6～10号；碳素棒编为11号。股骨粗隆间骨折也由近及远编号，12号为骨折断面以近；13号为骨折断端；14号为骨折断面以远。见表1。

表1 单臂外固定架及股骨粗隆间骨折模型编号

1.7 单臂外固定架固定骨折整体几何模型的建立

1.7.1 几何模型生成 将CT数据文件（DICOM文件），经Simpleware软件进行三维重建处理，得到股骨及外固定架的三维几何模型。步骤：（1）通过CT数据，分割图像，并对图像进行优化，建立每个组分独立的三维几何模型，并输出为stl格式文件。不同组分（共14个）用不同颜色表示。见图2。

图2 骨折术后三维几何模型

（2）将模型导入Simpleware的FE模块中，设置输出单位、网格属性、材料属性以及接触对。见图 3.1～3.4。

图3.1 设置输出单位

图3.2 设置网格属性

图3.3 设置材料属性

图3.4 设置接触对

（3）进行网格划分，并输出inp格式的文件。完成后的三维网格模型见图4，其节点单位数量见表2。

图4 骨折术后三维网格模型示意图

表2 三维网格模型节点单元数量统计表

1.7.2 几何模型配准 从Anybody软件中建立正常人体股骨模型，并与股骨外固定架模型（stl几何模型）一同导入GeomagicStudio软件中，将两组模型进行比对配准，将外固定架模型的位置调到与Anybody模型的位置一致。

1.7.3 步行状态股骨肌肉力的提取 将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中，Anybody软件中置换前后图像见图5.1～5.4。

图5.1 无肌肉模型正面

图5.2 无肌肉模型侧面

图5.3 带肌肉模型正面面

图5.4 带肌肉模型侧面

将配准好的股骨外固定架模型导入Anybody软件中，进行1个周期步态分析。步速1.22 m/s，过程持续1.96 s。全步态过程中，取5个典型分帧动作，分别为左足跟着地、右足趾离地、左全足底着地、右足跟着地、左足趾离地。步态仿真见图 6.1～6.5。

图6.1 步态典型姿态1左足跟着地

图6.2 步态典型姿态2-右足趾离地

图6.3 步态典型姿态3-左全足底着地，左足全支撑

图6.4 步态典型姿态4右足跟着地

图6.5 步态典型姿态5-左足趾离地

1.7.4 有限元建模 （1）有限元模型生成。将通过Simpleware得到的网格模型（inp格式）导入到Abaqus软件中。见图7。

图7 骨折术后有限元模型

（2）材料属性设置。骨折断端以近即12号及骨折断端以远即14号视为均质、各向同性、线弹性的，弹性模量为12 GPa，泊松比为0.3；1～5号（不锈钢半螺纹钉）光滑圆柱体模型，弹性模量110 GPa，泊松比为0.3[5]；6～10号（棒针夹钳）规则长方体模型，弹性模量110 GPa，泊松比为0.3；11号（碳素棒连杆）圆柱体模型，弹性模量44.3 GPa，泊松比为0.3；骨折断端即13号赋予弹性模量0.01 MPa[6]。

（3）载荷和边界条件。在Anybody中得到的肌肉力导入Abaqus中，约束股骨远端表面上的所有节点，将其自由度全部固定。见图8.1～8.2。

图8.1 载荷及约束-前视图

图8.2 载荷及约束-后视图

2 结果

股骨粗隆间骨折单臂外固定术后在行走过程中较大应力发生在不锈钢钉与股骨的连接处以及不锈钢钉与固定架的连接处，整体未见明显应力集中现象，步态各类型数据见表3。SEQV（等效应力）云图见图9.1～9.5（单位：Pa）。

表3 步行状态数据表

图9.1 左足跟着地

图9.2 右足趾离地

图9.3 左全足着地

图9.4 右足跟着地

图9.5 左足趾离地

对比地面反作用力与有限元仿真结果的最大等效应力和最大位移，可以看出其曲线变化趋势一致，当左脚受力增大时，其相应的最大等效应力和最大位移也相应增大。见图10。

图10.1 地面反作用力曲线

图10.2 最大等效应力曲线

图10.3 最大位移曲线

3 讨论

外固定治疗骨折，不破坏骨折周围组织及血供，不剥离骨膜，无骨皮质萎缩,骨折周围血肿依靠骨外膜的成骨细胞侵入形成外骨痂。其最大特点为，既有固定作用又有复位作用，属于弹性固定，可在功能锻炼过程中利用生理应力自身磨造，使骨折复位更臻完善。对患者全身情况干扰小，不切开皮肤等，较切开复位内固定适应证宽，如合并心肺疾患、心功能差者，轻至中度糖尿病，体质弱者均适用，尤其是年龄较大，不能耐受内固定手术的高龄患者、多病患者和麻醉风险较高的患者[7-8]。优点如下：（1）手术损伤小，不破坏血运，无出血，对一些高龄且有较重内科疾病的患者更为适用。（2）手术时间短、风险小，符合BO、CO微创理念。（3）建立整体框架结构的稳定效应，有效防止髋内翻。（4）可以早期离床活动，减少长期卧床的并发症。（5）费用少，术后缩短了抗生素的应用时间及住院时间，不用2次手术。（6）使用半螺纹钉，对折端有滑动加压作用。（7）技术要求不高，手术操作方便，易于成功[3,9]。

步态分析是用于研究骨科疾病治疗和康复效果的方法，能实时测定患者的步态运动参数，从而判定康复程度，帮助医生正确指导患者后续的功能锻炼[10]。目前步态分析系统在儿骨科更多的应用于非手术疗法的效果评价[11]。本研究将步态分析用于单臂外固定架固定股骨粗隆间骨折术后治疗效果的评价，建立肌骨三维有限元模型，得到患者外固定架固定以及附着在股骨上的肌肉，从而为有限元计算确立了完整的、真实的载荷环境。相比传统的有限元特定值载荷分析[12-13]，本模型不仅考虑了肌肉力的情况，而且选取了人体1个步行周期过程中五个典型步态，其分析结果将更加符合生物力学要求。

应力分布情况是衡量固定方式优劣的一个标准，理想的固定物应使应力均匀分布在固定物上，而不应过度集中在某一部位[14]。本研究中发现，在1个步行周期过程中，最大应力发生在不锈钢钉与股骨的连接处以及不锈钢钉与固定架的连接处，最大应力发生在右足趾离地为458.5 Mpa，其最大位移为1.727 mm。其次为右足跟着地及左全足底着地，较小的为右足跟着地和左足趾离地，符合左侧股骨粗隆间骨折术后的临床步态表现，整体未见明显应力集中现象。同时，其整个步行周期应力及反作用力的曲线变化趋势具有步行的动力学特征-双峰性质[15]。因此，对于稳定性股骨粗隆间骨折，单臂外固定架固定是安全、有效的。本研究不足之处在于，只考虑了稳定性股骨粗隆间骨折模型，实际临床骨折线多为不规则形，

本研究对骨折线进行了简化处理。其次，只考虑了外固定架后1个步行周期的应力分布情况，未考虑其他运动状态时的应力情况。