接骨板固定股骨干骨折的有限元分析

阿孜古丽·克热木，乌日开西·艾依提，滕 勇

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆军区总医院全军骨科中心脊柱外科，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

接骨板固定是常见的一种骨折内固定方式[1]。医生通常根据临床经验来选择接骨板的类型，尺寸，螺钉的类型、数量及螺钉分布。当接骨板和螺钉的选择不合理时会导致接骨板和螺钉的变形、断裂及松动等情况，如图1所示。接骨板系统失效的问题不仅是医学方面的问题，而且还涉及到力学，材料等多方面的问题。目前针对接骨板失效的问题研究的常用方法是实验研究方法与数值模拟方法来解决。文献[2]对五种接骨板在斜度45°骨折的稳定性和愈合情况进行了实验研究，表明安全性良好。文献[3]通过压缩实验研究异体皮质骨板联合可吸收螺钉加捆绑带固定治疗股骨干骨折的力学强度及机制。文献[4]通过压缩实验比较桥接组合式内固定与金属锁定接骨板钉系统修复股骨干骨折的生物力学特性。文献[5]采用压缩实验研究斜置锁定钢板对股骨干骨折内固定的生物力学影响。文献[6]利用生物力学实验机研究了三种股骨骨折固定治疗方式对股骨远端C1型骨折的生物力学特性。

文献[7]通过硬度测试，SEM扫描和EDS微量分析等分析不锈钢植入物内失效的原因。文献[8]利用数值模拟研究股骨干简单骨折锁定板内固定时的接骨板及螺钉最大应力情况。文献[9]对两种螺钉孔形式的接骨板对肱骨近端骨折的生物力学影响进行了研究。文献[10]通过有限元分析设计一种个性化三维矫形支具的设计及其生物力学研究。文献[11]通过数值模拟方式对横向长骨骨折锁定钢板治疗的稳定性进行了生物力学研究。

利用计算机辅助设计技术，逆向工程技术和有限元分析技术针对采用锁定型接骨板固定股骨干骨折的生物力学特性进行了研究，分析了接骨板长度，螺钉数量以及螺钉分布对接骨板的变形和应力的影响规律。

图1 接骨板固定的失效形式Fig.1 Failure Form of Plate Fixation

2 股骨干骨折模型的建立

2.1 股骨的逆向重建

利用逆向工程技术，将患者股骨的CT扫描数据导入Mimics中，通过三维重构得到了股骨三维CAD模型，如图2所示。并将其以STL格式输出。在Geomagic中对STL股骨模型进一步进行编辑，再去除多余的三角面片后，将模型以STEP格式导出。随后在UG8.5中导入STEP模型并在股骨干中部做出一个断口间距离3mm的骨折模型。

图2 股骨的三维重建过程Fig.2 Three-Dimensional Reconstruction of Femur

2.2 接骨板的逆向重建

根据合作医院提供的骨科锁定接骨板目录，在UG8.5中建立了两种长度的锁定型接骨板三维CAD模型。长接骨板：长度229mm，孔数12，厚度5.2mm，宽度17.5mm，短接骨板：长度193mm，孔数8，厚度5.2mm，宽度17.5mm。长接骨板的三维CAD模型，如图3所示。

2.3 股骨和接骨板的装配

在UG中导入STEP格式的股骨、锁定型接骨板及螺钉的三维CAD模型，根据方案进行装配，如表1、表2所示。装配时接骨板的中间部分对应在骨折断口处，上下对称，断口两侧螺钉数量相同。长接骨板上装有所有螺钉的方案。股骨与接骨板之间安装距离设为1mm，如图3所示。

3 分析方案

3.1 螺钉的分布方案

研究中采用的方案，如表1、表2所示。表1中螺钉编号（1～12）是长接骨板上由上到下的螺钉编号，表2中螺钉编号（1～8）是短接骨板上由上到下的螺钉编号。表中的实心圆点表示该位置有双皮质长螺钉，空心圆点表示该位置有单皮质短螺钉，空白表示该位置没有螺钉。

表1 长接骨板的螺钉分布方案Tab.1 Screw Distribution Scheme for Long Bone Plate

表2 短接骨板的螺钉分布方案Tab.2 Screw Distribution Scheme for Short Plate

3.2 定义材料特性

采用的钛合金接骨板及螺钉的弹性模量为110GPa，泊松比为0.3，股骨（皮质骨）的弹性模量为17GPa，泊松比为0.3。

3.3 网格划分

采用混合网格划分方法根据股骨-接骨板系统各部位的特点进行网格化分，对接骨板和螺钉划分5mm的六面体网格，股骨采用自由划分。

3.4 边界条件与加载方式

对装配好的两种接骨板的各八组模型进行有限元分析，施加相同的约束及载荷。股骨远端为全约束，在股骨头上垂直施加大小为300N的面载荷，如图3所示。

图3 接骨板系统轴向压缩加载示意图Fig.3 Axial Compression Loading Diagram of Plate System

4 分析结果与讨论

4.1 变形与应力的模拟结果

4.1.1 接骨板的变形

两种接骨板的变形曲线，如图4所示。

图4 接骨板的纵向变形曲线和分布图Fig.4 Longitudinal Deformation Curve and Distribution Map of the Plate

4.1.2 两种接骨板的应力

两种接骨板的应力分布，如图5所示。

图5 接骨板内侧的应力和应力分布图Fig.5 Stress Distribution on the Plate

4.1.3 两种接骨板螺钉的应力

长接骨板方案1-1（长度为45mm双皮质长螺钉）和方案1-8（长度为20mm单皮质短螺钉）螺钉的应力，可以看出不同方案中螺钉的应力也不相同，如图6（a）所示。

图6 长接骨板螺钉的应力值Fig.6 Stress of Screws of Long Plate

4.2 模拟结果分析与讨论

4.2.1 接骨板长度的影响

从图4中可以看出，两种长度的接骨板的变形曲线和应力分布规律相似，但长接骨板的变形量总体上比短接骨板小，如方案1-3和方案2-3（骨折断口两端各去掉两个螺钉）的分析结果显示，短接骨板的变形是长接骨板变形的1.56倍。长接骨板的应力分布比短接骨板的应力分布相对均匀，例如方案1-3和方案2-3（骨折段口两端各去掉两个螺钉）的分析结果显示，短接骨板的最大应力是长接骨板的最大应力的1.28倍。可以看出长接骨板的安全性相对较高。

4.2.2 螺钉数量和分布的影响

从图5中可以看出螺钉的位置和数量对接骨板系统的影响显著。从接骨板的变形曲线可以看出，当所有螺钉都有（方案1-1和方案2-1）时的变形和应力最小，骨折断口两端各取一个螺钉后（方案1-2和方案2-2）接骨板的变形和应力明显增大，出现了明显的应力峰值，分别为方案1-1和方案2-1的1.88倍和2.18倍，当骨折断口两端各取两个螺钉后（方案1-3和方案2-3）接骨板的变形和应力进一步增大，出现了更高的应力峰值，分别为两个接骨板方案1-1和方案2-1的3.77倍和4.81倍，说明距骨折断口最近的各两个螺钉对接骨板系统的变形和应力的影响很明显高于其他方案。断口上侧的螺钉的应力值比下侧的应力值大，疲劳断裂的风险较大。

从图4和5的变形和应力图可以看出，方案1-1和方案2-1的接骨板变形和应力的最大处于接骨板的中间部分。接骨板在骨折断口上侧部分的变形较大，而且最大值位于距断口最近的螺钉孔处。此外，接骨板最远端的螺钉的应力也明显大于相邻的螺钉，方案1-6、方案2-6，方案1-7、方案2-7中在接骨板上没有安装与骨折最远螺钉相邻的那颗螺钉，最远端螺钉的应力值明显增高，分别为方案1-1和方案2-1的2.0倍和2.05倍。而其他方案的变形和应力差别不明显。

4.2.3 螺钉类型的影响

从图4（b）和图4（d）变形分布图可以看出全部螺钉双皮质长螺钉（方案1-1，2-1）和全部螺钉单皮质短螺钉（方案1-8，2-8）方案的变形和应力特点相似，都是接骨板中部的变形大。长接骨板方案1-1全部长螺钉和方案1-8全部短螺钉的应力值，如图6所示。可以看出，短螺钉的应力值与长螺钉的应力值的差别为3.13%。说明对于锁定型接骨板固定股骨干骨折的治疗方案来说长螺钉和短螺钉的差别不明显。

5 结论

本研究利用计算机辅助设计技术，逆向工程技术和有限元分析技术针对采用锁定型接骨板固定股骨干骨折的生物力学特性进行了研究，对锁定型接骨板固定股骨干骨折的螺钉数量与分布对内固定系统的变形及应力的影响规律进行了研究。主要结论如下：

（1）接骨板的长度对内固定系统的力学性能有显著的影响。分析结果显示长接骨板的变形量小于短接骨板的变形量，且应力分布比短接骨板更均匀，长接骨板的最大应力值小于短接骨板，表明长接骨板的安全性优于短接骨板。接骨板在骨折断口上端的变形较大，而且最大值位于距断口最近的螺钉孔处。

（2）螺钉的数量与分布对内固定系统的变形及应力分布有显著的影响。尤其是骨折断口两侧距端口最近的两个螺钉应力值明显大于其他螺钉，而且骨折断口上侧的螺钉的应力值明显高于下侧的螺钉，疲劳断裂的风险较大。

（3）分析结果表明对于锁定型接骨板固定股骨干骨折的治疗方案来说双皮质长螺钉和单皮质短螺钉的差别不明显。