股方肌骨瓣移植联合内固定治疗青壮年股骨颈骨折有限元分析

张登君，魏杰*，王根伟，郭秀生，王晓东，余建平，贾中伟

(1.山西医科大学附属山西省人民医院骨科，山西 太原 030029；2.太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所，山西 太原 030024)

近年来，青壮年股骨颈骨折患者逐渐增多。这类骨折为高能量损伤，骨折多移位明显，损伤严重，少数伴有脱位，后期常有股骨头坏死或骨折不愈合。青壮年股骨颈骨折患者现多主张早期手术治疗，空心钉闭合复位内固定是主要方式。近年来，为进一步加强股骨头血运，减少后期股骨头坏死率，发展了带血管蒂骨瓣及肌骨瓣等手术。我们采用股方肌骨瓣联合空心钉内固定治疗上述骨折，临床效果较好[1]。为进一步研究骨折复位、内固定排列、骨瓣在股骨颈植入处等对手术的影响，为临床提供理论依据，我们进行了仿真三维有限元的研究，力图用数学模型的方法弥补尸体实验的不足[2-3]，现报告如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料 选取1名健康青年志愿者，性别：男；年龄：32岁；身高：172 cm；体重：63 kg。

1.2 实验器材及软件 内置物：空心螺钉(山东威高)；64排螺旋CT(西门子)；Dell高性能计算机工作站。配置：Windows10操作系统；CPU：Inter(R)Xeon(R)E5-1607 v 23.0 GHz；内存：16 GB；硬盘：2 TB；医学图像处理软件：Mimics16.0；有限元处理软件：Hypermesh12.0，Abaqus6.13。

1.3 实验方法

1.3.1 建立三维有限元模型 将CT扫描获得的DICOM格式文件导入到Mimics软件中，利用Segmentation模块下的工具按钮对图像分割并进行股骨三维重建，主要包括：调整合适阈值，用Thresholding工具生成股骨模型的mask；观察生成的mask，根据解剖学知识编辑、填充断层图像的空洞和缺陷，完善股骨模型；对修复后的股骨模型运用Smoothing进行光顺处理，得到比较光滑的股骨模型。模拟股骨颈骨折并在骨折处后方纵向开骨瓣槽，置入股方肌骨瓣并在股骨近端外侧置入3枚螺钉(见图1)。将建好的股骨颈骨折手术模型导入到hypermesh中，对其进行网格划分，建立三角形的面网格，网格精度为1mm。之后对画好的面网格进行3d-tetramesh操作，建立四面体网格，以inp格式导出。

图1 正三角、倒三角置入的空心钉及股方肌骨瓣模型

1.3.2 材料赋值和加载方式 根据股骨的弹性模量、密度以及CT图像灰度值之间的函数关系，通过某点的灰度值来确定股骨模型每个位置的材料属性，根据张国栋等[4]提出了弹性模量、密度与灰度值之间的线性关系。进入Mimics软件的FEA模块，导入模型，输入弹性模量、密度与灰度值之间的线性关系式进行赋值。内固定空心钉的密度为7 850 kg/m3，弹性模量为193×109Pa，泊松比为0.3。将股骨远端固定，限制6个方向的自由度，股骨顶部近端选择100个节点(约10×10 mm2)施加方向竖直向下、合力大小为1 000 N的力。

1.4 观察指标 空心钉分布(正三角、倒三角)、骨折部位位置(头下型、经颈型、基底型)、前倾角(+5°、+10°、0°、-5°、-10°)和颈干角(+5°、+10°、0°、-5°、-10°)不同时，观察股骨近端应力分布及最大应力值(见图2～3)。

图2 模拟前倾角增大、减小模型

图3 模拟颈干角增大、减小模型

2 结 果

模拟股方肌长方形骨块大小为3.0 cm×1.5 cm×1.0 cm，植于股骨颈后方，应力峰值为(34.56±0.82)MPa，和没有植入股方肌骨瓣的模型(35.12 MPa)比较，差异无统计学意义(t=3.61，P<0.01)。股骨和空心钉应力集中区域均分布于股骨颈及股骨干交界处的外侧皮质，正三角固定时稍偏前，在下方靠前的螺钉中部。倒三角空心钉固定的应力最小，峰值为(32.2±0.93)Mpa(见图4)；股骨倒三角固定时的应力最小，峰值为(12.06±0.29)MPa，其余为股骨正三角，峰值为(12.61±0.32)MPa；螺钉正三角，峰值为(34.56±0.82)MPa；螺钉倒三角，峰值为(32.2±0.93)MPa。经颈型骨折空心钉固定的应力最小，峰值为(34.56±0.82)MPa，头下型峰值为(38.68±1.12)MPa，基底型峰值为(44.73±1.57)MPa。前倾角和颈干角为正常解剖角度时，空心钉固定的(对应模型中0°位)应力最小，峰值均为(34.56±0.82)MPa(见图5)。前倾角不同角度时，空心钉的应力值和正常解剖角度比较差异均有统计学意义(F=927.48，P<0.05)；但前倾角不同角度之间两两比较，除-5°和-10°比较差异无统计学意义，其余差异均有统计学意义(LSD法，P=0.08)。

图4 倒三角分布时空心钉的应力峰值

图5 颈干角减小10°时空心钉固定的应力峰值

3 讨 论

青壮年股骨颈骨折由于其特殊的发病年龄、机制和不同的治疗方法，导致了其预后的千差万别。骨折顺利愈合、减少股骨头坏死发生率一直是骨科医生追求的目标。有限元仿真分析骨折内固定手术类似机械元件的力学仿真，有其独特的优势，但是比起机械仿真，骨折类型千变万化，仿真只能就某些因素变化进行仿真计算，因此对骨折的预后要综合分析。

为了改善青壮年股骨颈骨折治疗的预后，现有的治疗方法有：积极手术、早期手术、股骨头内减压、尽量保护股骨头血运、增加改善股骨头血运的手术等。股方肌骨瓣联合空心钉治疗青壮年股骨颈骨折，就是在经典内固定手术上增加改善股骨头血运的手术。本实验力图用有限元的方法分析此手术的各项参数，但在实验中我们发现，股方肌骨瓣对股骨近端应力的变化影响很小，因此我们重点分析内固定物及股骨近端前倾角、颈干角的变化。关于内固定的选择，王颖等[5]应用有限元方法研究了动力髋螺钉、锁定加压钢板、空心钉和髓内钉的应力分布和位移分布，认为锁定加压钢板稳定性最高，但承受的剪切力更大，空心钉固定时股骨受力最小，但股骨位移最大。夏志锋等[6]应用有限元方法研究了拉力螺钉、全螺纹空心螺钉和股骨近端锁定钢板，认为对于PauwelsⅠ型骨折而言，空心螺钉固定效果优于其他两种方式。张晟等[7]应用有限元方法研究了拉力螺钉、空心螺钉、股骨颈锁定钢板、InterTan钉板模型，认为对于PauwelsⅢ型股骨颈骨折，钉板系统力学稳定性优于螺钉系统，且能预防股骨颈短缩。潘林华[8]应用有限元分析了骨折伴后内壁骨缺损的特殊类型，行空心螺钉和DHS加防旋螺钉固定，认为后者具有生物力学优势。由此我们可以看出，钉板系统的抗剪切力好于螺钉系统，Pauwels角越大内固定物的剪切力越大。我们对于青壮年股骨颈骨折考虑的因素更多，更多的兼顾预后及如何减少并发症，空心钉创伤小，对股骨头的血运影响小，同时利于股方肌骨瓣的手术操作。

对于空心钉的数量和分布情况，也有学者做了相关的有限元研究。王颖等[5]认为3枚空心钉固定时较4枚的股骨应力最小。殷浩等[9]认为3枚空心钉联合支持钢板相较4枚空心钉联合支持钢板固定更符合股骨的生物力学，应力分布更均匀，是治疗Pauwels角大的较好选择。任栋等[10]认为4枚菱形排列的空心拉力螺钉，具有更好的生物力学特性。张浩等[11]认为4枚螺钉治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折具有更强的抗剪切力，生物力学稳定性更好。我们认为3枚空心钉固定时股骨的应力大小及分布更好，对股骨头血运的影响小。空心钉的分布情况也有研究，许景红等[12]认为“F”形空心钉固定相比正三角固定可减小轴向压应力、扭转应力和剪切应力。虎群盛等[13]研究了取出空心钉后的钉道类型对股骨近端力学分布的影响，认为内固定取出后，正三角形空心钉分布的钉道，股骨近端应力明显升高，可能会有再骨折的风险。吴伟等[14]认为空心钉分布方式、钉尖位于股骨头下深度和数量是影响骨折愈合和股骨头坏死的生物力学因素，推荐国际内固定研究学会的置钉方式，即倒等边三角形、空心钉尖端位于股骨头下5～10 mm。唐洪涛等[15]认为骨折愈合取出螺钉后，钉道内植骨会提高股骨头颈部的生物力学性能，可预防股骨头塌陷。Sensoz等[16]认为倒三角可以减少医源性转子下骨折的风险。我们的研究提示倒三角固定和正三角固定相比，在股骨近端整体应力及股骨自身应力上，倒三角固定生物力学性能较好。倒三角上方的钉尖距离股骨头顶端较远，术后股骨头坏死的可能较小。4枚菱形排列的空心钉，虽然生物力学性能好，但上方螺钉对股骨头血运有影响，我们也不建议采用。

前倾角、颈干角的变化对内固定后股骨近端生物力学影响的研究较少。杜长岭等[17]对股骨内固定术后不同前倾角模型分析显示，随着前倾角的变化，股骨和空心钉应力均有所改变。前倾角增大或减小，应力、位移、最大冠状面位移、等效应变值均有所升高，提示术中恢复前倾角的必要性。我们对前倾角研究的结果也提示，前倾角增大或减小时，应力值均有所升高，同时还发现前倾角增大时的应力峰值明显高于减小的峰值。另外减小5°～10°时无明显统计学差异，换句话说，正常的前倾角趋于0°时，空心钉的应力变小，同时明显小于前倾角增大时的应力，但是越过中立位成后倾时应力的变化未做实验。以上研究提示复位时尽量恢复正常的前倾角，复位有困难时宁可前倾小一些，这样会有更好的生物力学性能。我们的研究中颈干角应力的变化类似前倾角，颈干角增大或减小，空心钉的应力值均有所升高，提示术中恢复正常颈干角的必要性。

股方肌骨瓣移植联合内固定治疗青壮年股骨颈骨折，我们在治疗骨折的同时要更多的兼顾股骨头血运的保护，努力减少骨折不愈合及股骨头坏死，对Garden Ⅲ、Ⅳ型股骨颈骨折一期行股方肌骨瓣移植的目的也是为增加血供、较少股骨头坏死等并发症[1]。有限元可以在一定程度上模拟内固定的生物力学特性，为内固定的选择和置入的方向、角度、数量、深浅等提供了模型分析，指导临床医师工作。本研究结果发现，股方肌骨瓣对股骨近端的力学变化影响很小，3枚空心钉固定时股骨的应力大小及分布更好，倒三角分布在力学特性和减少股骨头塌陷上好于其他形式，手术复位置钉时尽量恢复股骨颈正常的前倾角和颈干角会有更好的生物力学性能[18]。