王沫楠+高鍵+徐雯雯+張凱

摘要：為了避免在股骨頸骨折手術中人為選擇內(nèi)固定方式產(chǎn)生的不良后果，滿足用PC機優(yōu)選內(nèi)固定方式的需要，從生物力學的角度出發(fā)，基于有限元法開發(fā)了集合前處理、求解、后處理于一體的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選程序，目的是將最優(yōu)固定效果下的緊固螺釘數(shù)量、內(nèi)固定角度及組合方式提供給醫(yī)生施術，該系統(tǒng)在分析了股骨與載荷之間的力學關系的基礎上，運用參數(shù)化的思想，建立個體化的股骨有限元模型和骨折內(nèi)固定模型，井應用有限元法進行模型解算，得到相應內(nèi)固定方式下的股骨頭下沉位移、股骨頭橫向位移、股骨頭扭轉(zhuǎn)位移、股骨頭總位移及骨折面之間最大斷裂位移的解算結(jié)果，并根據(jù)評價算法優(yōu)選出最合理的內(nèi)固定方案.為臨床選擇內(nèi)固定方式提供有效的定量參考。

關鍵詞：股骨頸骨折；有限元法；面向?qū)ο螅粎?shù)化

DOI：10.15938/j.hust.2016.01.001

中圖分類號：TP301 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2016）01-0001-05

0引言

股骨頸骨折的治療分為保守治療和手術治療兩種，鑒于保守治療的骨不合率約為48%，發(fā)生股骨頭壞死的概率約為34%，因此現(xiàn)代骨科多提倡積極的手術治療.手術治療通常分為骨折復位、內(nèi)固定方式選擇、穿釘施術這三個階段.整個手術過程中除了操作手法由醫(yī)生把握外，內(nèi)固定方式的選擇也是完全憑借醫(yī)生的經(jīng)驗，常常忽略力學結(jié)構(gòu)的合理性且不可重復.股骨頸骨折手術治療過程中，內(nèi)固定方式的選擇是其中唯一的可控變量，也是在醫(yī)生施術手法嫻熟的前提下，唯一制約術后效果的關鍵因素.所以，選擇最合理的內(nèi)固定方式是穿釘施術成功的根本保障，本文以股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選為目標，將醫(yī)生的操作與理論分析相結(jié)合，從工程學的角度提出一個可供醫(yī)生操作的優(yōu)選系統(tǒng).該系統(tǒng)基于有限元法解算出個體化骨折情況下，內(nèi)固定方式的術后骨折部位的應力、應變數(shù)據(jù)結(jié)果，輔助醫(yī)生優(yōu)選出最合理的內(nèi)固定手術方案.

1股骨頸骨折固定方式優(yōu)選系統(tǒng)方案設計

1.1設置骨折類型與內(nèi)固定方式

緊固螺釘數(shù)量、穿釘角度、螺釘?shù)慕M合方式這三者排列組合后形成了多種內(nèi)固定方式.本系統(tǒng)以股骨頸骨折情況中最常見的經(jīng)頸型骨折為研究對象，按照臨床治療方法，將骨折角度（0）設置從30°～70°公差為10°的5種情況；將穿釘角度（B）設置從30°～70°公差為10°的5種情況；緊固螺釘數(shù)量的選擇為1～3；將組合方式設置為單釘、2釘斜放、2釘豎放、2釘平放、3釘正放、3釘?shù)狗诺?組合方式.

1.2參數(shù)化的有限元三維建模方式

將骨視為彈性體，并遵守線彈性理論.將CT數(shù)據(jù)讀入醫(yī)學軟件，建立精確的股骨三維模型，應用圣維南定理對研究對象進行有效的簡化，確保應用彈性力學的方法來解決實際問題時的有效性.對于股骨來說，由于實際受力環(huán)境復雜，根據(jù)Scige等提出的較精確的股骨力學模型，可知在典型的單腿站立位時，股骨受到的力合成后劃分為3種：關節(jié)反力R、臀肌肌群力M、骼脛束肌力T.

為了實現(xiàn)參數(shù)化的建模方式，在有限元語言中將頸干角b、股骨頭的直徑d、股骨頸的長度1，股骨干的直徑d₁等患者的解剖學參數(shù)應用*SET函數(shù)設置為可變參數(shù)，具體的值根據(jù)患者的CT圖像測量得到，由界面輸入，傳遞至有限元代碼中，形成參數(shù)化的有限元代碼文件.

1.3有限元解算

應用有限元解算時本文提出下列假設：

1）解算起始點設定為骨折部位剛剛完成復位和內(nèi)固定，骨的愈合過程還未開始；

2）應用圓柱形螺釘固定骨折部位，并假設螺釘與骨質(zhì)之間是緊密結(jié)合的；

3）假設圓柱螺釘不會發(fā)生斷裂，其強度足夠；

4）根據(jù)骨本身的粗糙情況，設定螺釘與骨之間的摩擦系數(shù)為0.8.

1.4設置判定準則

因為患者施術后只能進行輕微的活動如緩慢行走等，這是一個近似靜力分析的過程，本文考慮其中的單腿站立位.根據(jù)生物力學原理和AO準則，從下列參數(shù)人手：

1）股骨頭的位移變化：在單腿站立的情況下，股骨頭上將受到載荷的作用，產(chǎn)生位移，有X方向上反映骨折面抗張力性能和骨折面結(jié)合牢固性的橫向位移UX、Y方向上的反映結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的下沉位移UY、Z方向上的反映抗扭性的扭轉(zhuǎn)位移UZ.這三個方向的位移值越小表明固定方式越好，結(jié)構(gòu)的抗變形能力越強，固定的越牢固。為了綜合評價這3個方向上的位移情況，設置一個判斷標準US表示3個方向上的合成位移，U3越小穩(wěn)定性越好.

2）骨折面的最大斷裂位移：股骨近端是一種類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)，在外載荷的作用下上側(cè)受拉應力，下側(cè)受壓應力.假設骨折面完全斷裂，因此在載荷的作用下會產(chǎn)生一定量的斷裂位移，這個位移DS通過測量骨折處的兩個節(jié)點之間的距離得到.DS是反映固定結(jié)構(gòu)的抗彎性，其值越小抗彎性越好。

首先按照U3排序選擇出最優(yōu)U5結(jié)果對應的內(nèi)固定方式，其余內(nèi)固定方式的US值與其的比例關系是1.047以內(nèi)，先選出來，比較每種情況下的DS值與最優(yōu)DS值之間的比例是否在1.17以內(nèi)，若在，那么以U3最優(yōu)結(jié)果內(nèi)固定方式為最優(yōu)選項，若不在則排除該情況，然后將該種比較方法形成C++算法，供系統(tǒng)優(yōu)選，最終形成的評價準則見表1.

2股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選系統(tǒng)建立

2.1股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選系統(tǒng)程序設計

步驟1 編寫Visual C++與有限元參數(shù)化語言之間的通信代碼，將用戶界面上搜集的信息傳遞至有限元代碼中實現(xiàn)建模、解算、結(jié)果實時顯示、后處理結(jié)果顯示的功能.

步驟2 根據(jù)獲取的患者信息，如前傾角、頸干角、股骨頭直徑等，將這些信息通過步驟1的代碼傳遞至有限元代碼中對應的可變參數(shù)，建立參數(shù)化的股骨三維模型.

步驟3 依據(jù)患者的病史信息，考慮到患者可能對內(nèi)固定方式產(chǎn)生影響的疾病，如骨質(zhì)疏松癥.若患者有這種骨質(zhì)疏松的情況，根據(jù)文獻提醒用戶在誤差10′的范圍內(nèi)優(yōu)先選擇單釘?shù)墓潭ǚ绞?