股骨近端骨缺损在内固定术后的生物力学特征分析

邱俊骏 顾延庆 王强

0 引言

股骨近端有着非常复杂的三维立体构造和解剖结构，这是因为该部位的受力环境特殊，所以股骨近端的受力情况成为了近年来工科与医学结合研究的热点以及难点[1]。在过往研究中，内固定会影响到股骨近端的生物力学，使其发生改变，从而导致不良预后[2-3]，因此本文通过分析探讨股骨头近端骨缺损在内固定术后的生物力学情况，以期为临床医生行内固定术提供参考。

1 方法

1.1 研究对象

选择1例年轻健康的男性志愿者，年龄为47岁，体质量为75 kg；1例股骨近端骨折进行了内固定手术的男性志愿者，年龄为45周岁，体质量为48 kg。两者均签署知情同意书。通过双侧股骨数字X线摄影排除异常的股骨形态与结构。

1.2 设备与软件

1台德国西门子644排螺旋CT，1台联想电脑。Mimics10.1软件用于三维建模；非线性有限元分析软件ABAQUS6.7用于有限元模型构建；Geomagic Studio 10.0(逆向工程软件)以及交互式CAD软件用户数据导入、输出和交互。

1.3 三维模型的建立

于120 kVA、100 mA、0.625 mm层厚度的扫描参数下，沿横断面对双侧股骨作连续的CT扫描，获得相应的薄层CT图像，并保存为DICOM格式。在Mimics10.1软件中导入所获取的文件，对断面图进行不同视角的显示。通过对相应值的调整，来获取目标部位[4]。在Mimics中依靠Edit mask等系列操作去掉CT成像伪像与股骨外部位，再经一层层打磨后进行3D计算，即可建立股骨的整体模型。

1.4 有限元模型的建立

1.4.1 赋值

选择弹性模量和泊松比作为赋材质的参数。将在ABAQUS6.7里转化成功的股骨体网格有限元模型导回到MIMICS10.1[5]，在灰度值与材质之间建立对应关系。根据MIMICS推荐的股骨表达式，将正常股骨材质分成10区段，最终完成股骨赋材质的过程。

1.4.2 进行加载计算

加载也是影响计算结果的重要环节，但髓关节周围肌肉众多，受力较为复杂。本实验使用目前常用的简化模型，以平地步行状态设置边界条件和加载条件,执行计算。选择单腿峰值受力状态，合力大小为2100 N，合力在股骨头的表面呈余弦的方向分布[6]。将模型导入大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS6.7，进行加载约束，然后进行计算。

1.4.3 观察指标

通过对股骨进行有限元分析计算，测量股骨颈横断面的应力分布和最大应力，并对股骨头骨折内固定术后患者进行伴不同体积外上方骨缺损有限元模型不同区域应力峰值的计算和分析。

2 结果与分析

2.1 股骨颈的应力分布和最大应力

健康研究对象和骨折内固定术后患者股骨近端局部四面体网格如图1所示。

图1 健康研究对象(a)和骨折内固定术后患者(b)股骨近端局部四面体网格

健康研究对象股骨颈外上方最大应力是18.9 MPa，应力集中分布在股骨颈中段。股骨颈下方的最大应力是24.2 MPa，应力也集中分布在股骨颈中段，如图2所示。

图2 健康研究对象股骨颈应力分布情况

2.2 骨折人群股骨颈体积与周围空心钉应力改变的相关性

骨折人群随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大，股骨颈上方两枚空心螺钉所承受的最大拉伸应力值变大，该最大拉伸应为出现于骨折断端位置。空心钉头部有螺纹部分与股骨头松质骨的最大拉伸应力值增大，空心钉尾帽与股骨皮质骨的最大拉伸应力值亦增大。随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大，下方空心钉应力未发生变化，但空心钉尾部退钉的趋势在增大。骨折人群股骨颈上方应力分布图如图3所示。

图3 股骨颈上方应力分布

正常情况下股骨颈应力主要集中在股骨头的外上象限，此处是股骨头与髓间接触最频繁的位置，也是髓臼应力直接传导的位置。但随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大，股骨头最大应力范围在向外移动，即向原来的非主要负重区移动，非主要负重区出现高压强区。骨折人群股骨颈表方应力所形成的高压强区如图4所示。

图4 股骨颈下方应力形成的高压强区

根据计算所得，不同体积外上方骨缺损有限元模型不同区域应力峰值如图5和图6所示，无论是何种情况，股骨头的应力峰值最大，股骨颈下方次之，而下方空心钉所受到的应力峰值最低。

图5 伴不同体积外上方骨缺损有限元模型不同区域应力峰值(1/4 MPa)

图6 伴不同体积外下方骨缺损有限元模型不同区域应力峰值(1/2 MPa)

3 讨论

力学因素是骨科手术治疗中必须要考虑的重要因素，由于人体骨骼结构的非线性、材质的不均一性、受力的复杂性，再加上尸体标本的稀少，因此体外骨骼力学实验很难在临床上大面积开展，骨科医生迫切需要力学分析工具，以模拟分析骨科手术部位的受力状况。随着计算机技术的进步，以及有限元分析软件的开发，有限元法逐渐从理论衍变为可在个人电脑上进行复杂力学分析计算的工具。从最开始的航空航天、工程设计到被越来越多的行业引入进行力学分析，其结果的真实性和可靠性得到越来越多实体力学实验的证实。

由于股骨近端外形不规则及受力的复杂性，这更适合使用非线性有限元法进行分析计算，为临床医生选择手术方式、骨科材料提供参考[7-8]。而善于非线性有限元分析的软件系统ABAQUS可以保证模型的准确性。通过对健康人股骨近端有限元模型的构建，发现股骨颈应力集中在股骨颈的上方和下方，股骨颈下方应力的性质是压缩应力，不管是股骨颈上方承担拉伸应力的能力减弱，还是股骨颈下方承担压缩应力的能力减弱，最终都会影响股骨颈的载重能力。且骨头的应力集中分布于股骨头的外上象限，股骨头的外上象限是股骨头与髓臼接触最多的区域，也是髓臼应力向股骨传导最常见的部位。因此研究认为股骨头的外上象限是股骨头的主负重区，股骨头的其他位置为非主要负重区。而将股骨头冠状面剖开显示，压力骨小梁终止于股骨头外上方的软骨下方，这些特点再次说明股骨近端结构和功能的统一性。而某些因素的变化，可能会导致股骨头的最大应力和应分布范围发生变化，这些变化导致股骨近端结构和功能之间的不匹配，导致系列连锁变化。因此对这种影响力在股骨颈骨折内固定术后患者的股骨颈上进行验证，从中了解到外上方骨缺损的影响并不会作用于股骨颈的内固定稳定性与应力改变。实验结果表明，“上梁”骨皮质拉伸应力的中断，是能够完全替代的，即两枚位于上方的空心拉力螺钉，之所以能够达到这样的替代效果，是由于股骨颈松质骨材料和金属空心钉具有的机械属性。

4 结论

股骨颈下方置钉的应力最小，在股骨颈近端骨缺损固定术中，运用股骨颈下方置钉的固定方式螺钉变形断裂概率最小，能形成较好的手术效果；而股骨颈下后方骨缺损体积越大，则应力上方两枚空心螺钉所承受的最大拉伸应力值变大，并出现于骨折断端位置，因此倒三角置钉固定方式可为骨折处提供良好的力学环境。