附加钢板治疗股骨骨折髓内钉内固定后骨不连的有限元分析

附加钢板治疗股骨骨折髓内钉内固定后骨不连的有限元分析

刘胜杰1陆叶2

（1上海海事大学上海201306）

（2上海第六人民医院上海201306）

【摘要】通过有限元法对附加钢板髓内钉加固骨折股骨与仅用髓内钉加固骨折股骨的生物力学稳定性比较，为临床应用提供理论参考。分别建立附加钢板髓内钉固定骨折股骨的有限元模型与仅用髓内钉固定骨折股骨的有限元模型。对两种有限元模型施加相同载荷，分析模型中股骨与固定器的应力分布及压力情况。附加钢板髓内钉模型上的最大应力出现在钢板上，仅用髓内钉固定的模型上的最大应力出现在股骨上；步行工况下，附加钢板上的最大应力出现在第一个螺钉上为134.7Mpa,比爬楼工况下大。爬楼工况下,股骨上的最大应力出现在中间的螺纹孔上为55.9Mpa，比步行工况下大。与仅用髓内钉固定相比，附加钢板髓内钉固定更加稳定，股骨上的应力均匀且小。

【关键词】股骨骨折；髓内钉；附加钢板；骨不连；有限元

【中图分类号】R683【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2016）26-0248-02

股骨髓内钉固定技术具有手术创伤小、稳定性好、恢复快等优势，是治疗股骨骨折的首选方案，但是手术后仍然出现骨不连现象，根据李衡等[1]报道术后骨不连发生率为1%～2%。近年来随着髓内钉的广泛应用及高能量损伤的增加，骨不连的发病率有增加的趋势，在一些学者的报道中骨不连的发病率可达6.3%～12.5%[2]。目前对于股骨干骨折髓内钉固定后骨不连的治疗并没有统一标准，常用的方法为保留原髓内钉附加钢板加固。本实验通过计算附加钢板髓内钉固定骨折股骨和仅用髓内钉固定骨折股骨的有限元模型，进行生物力学分析，对临床应用及内固定器设计提供参考依据。

1.材料与方法

1.1几何模型的构建

本研究的CT数据来自上海市第六人民医院骨科，志愿者为男性，36周岁。CT数据输出到DICOM中，导入MIMICS17.0中。采用阈值分割等方法提取股骨的几何特征，并输出为STL格式。由MIMICS导出的数据存在破面和噪点，为得到精确有效的股骨模型，将STL文件导入到Geomagicstudio12.0中进行修复破面，删除噪点等光滑处理，最终输出IGES格式。根据固定器的几何尺寸在UG中分别创建髓内钉与钢板螺钉的三维模型，并模拟骨折股骨与内固定器的装配。

1.2股骨有限元模型的建立

将IGES格式的完整股骨模型、股骨与髓内钉装配的模型、股骨与附加钢板髓内钉装配模型分别导入到HyperMesh13.0中进行有限元模型的建立。导入模型后首先进行几何清理，避免由于数据交换引起的数据错误。几何清理完成后，在3D模板下划分体网格，对股骨与钢板的接触的地方划分六面体单元。单元质量的好与坏影响后续仿真的精确度，所以要检测并控制单元的质量。检查标准为：雅可比(Jacobian)≥0.5,翘曲度（Warpage）≤30,长宽比(Aspect)≤8,扭曲度（Skew）≤60°，最小内角（MinAngle）≥30°，最大内角（MaxAngle）≤150°[3]。

1.3材料属性

股骨材料属性为非均匀分布，为多种材料构成的复合体，本文根据国外文献[4]计算时可以把股骨简化为分布均匀且各向同性体材料进行分析，结果不会产生大的偏差。模型中骨骼的弹性模量和泊松比分别为15.5Gpa和0.29[5]，髓内钉及附加钢板和螺钉均采用钛合金材料，其弹性模量和泊松比分别为111Gpa和0.3[5]。

1.4载荷及约束条件

股骨受髋关节、膝关节、肌肉、韧带、筋腱等作用，受力情况十分复杂，本文根据文献[6]选择在步态和爬楼两个过程中股骨承受的最大负荷时的相位进行加载，进行分析时，将股骨下端髌骨关节面上的所有自由度固定。

2.结果

2.1步态下两种固定方式的应力分布

步态下附加钢板髓内钉固定系统与仅用髓内钉固定系统的应力分布如图1和图2所示。

在步行时，附加钢板髓内钉固定系统的最大应力出现在附加钢板的第一颗螺钉上，最大值为134.7Mpa,股骨上的最大应力出现在靠近骨折处的螺纹孔上最大值为34.3Mpa。仅用髓内钉固定系统的最大应力出现在股骨上端与髓内钉固定的第二颗螺钉上最大值为118.9Mpa,股骨上的最大值出现在骨折端的接触部位，最大值为49.4Mpa。

2.2爬楼时两种固定方式的应力分布

爬楼状态下附加钢板髓内钉固定系统与仅用髓内钉固定系统的应力分布如图3和图4所示。

在爬楼时，附加钢板髓内钉固定系统的最大应力出现在附加钢板的第五颗螺钉上，最大值为88.9Mpa,股骨上的最大应力出现在靠近骨折处的螺纹孔上最大值为55.9Mpa。仅用髓内钉固定系统的最大应力出现在股骨下端与髓内钉固定的第二颗螺钉上最大值为126.4Mpa,股骨上的最大值出现在骨折端的接触部位，最大值为63.1Mpa。

3.讨论

3.1结果分析

上述两种内固定系统中，爬楼时股骨及髓内钉上的应力明显大于步态，因此骨折内固定后爬楼梯引起的失效大于步态时。附加钢板髓内钉固定时，步态下钢板上的最大应力比爬楼时大，主要是由于肌肉里之间的相互作用引起的。内固定后，同样工况下，附加钢板髓内钉固定股骨上的应力比仅用髓内钉固定时小。各种工况下固定器上的最大应力值均小于钛金属的屈服强度值，附加钢板髓内钉固定后比仅用髓内钉固定更加稳定。

3.2附加钢板髓内钉内固定系统的优缺点

股骨上骨折区域的应力小于金属内固定系统的应力值，根据Wolf定律,这将有利于骨折区域骨组织的愈合，提高骨组织自身的稳定性。附加钢板是在原髓内钉基础上固定的，原髓内钉确保轴向稳定的稳定性和抗弯性，附加钢板增强骨折处的旋转稳定性，可以促进局部纤维软骨钙化，促进术后骨不连的愈合。然而附加钢板昂贵，是限制这种固定方式普遍使用的主要原因。在今后的研究中尝试以其他附加固定方式代替钢板固定。

【参考文献】

[1]李衡，张奉琪，任栋等.股骨干骨折带髓内钉固定后不愈合的治疗[J].中华骨科杂志，2005,24（8）：476-480.

[2]王飞达，高耀祖，苑伟等.附加锁定加压钢板联合植骨治疗股骨干骨折髓内钉固定术后无菌性骨不连[J].中国骨伤，2014,27（10）：815-818.

[3]王翰林，李海岩，贺丽娟等.6岁儿童股骨有限元模型的建立及股骨颈损伤的仿真分析[J].天津科技大学学报，2012,27（3）：60-63.

[4]El’SheikhHF，MacDonaldBJ,HashmiMSJ.Finiteelementsimulationofthehipjointduringstumbling:Acomparisonbetweenstaticanddynamicloading[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,143(1):149-255.

[5]SakaiR,KanaiN,ltomanM,etal.Assessmentofthefixationstiffnessofsomefemoralstemsofdifferentdesigns[J].ClinBiomech（Bristol,Avon）.2006,21(4):370-380.

[6]熊鹰，李群辉，柳百炼等.桥接组合式固定系统与锁定接骨板钉系统在股骨骨折应用中的有限元分析[J].中国组织工程研究，2012,16（30）：5516-5519.