股骨—螺釘—骨板系統(tǒng)應(yīng)力分流研究

鄭 智，段朋云，丁曉紅

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

股骨是具有獨(dú)特曲拱外形的人體最長的管狀骨，在人體承重中發(fā)揮著重要作用，暴力沖擊直接導(dǎo)致的股骨骨折發(fā)病率約占全身骨折的6%，已成為外科臨床中常見的一種疾病。股骨骨折多采用內(nèi)固定手術(shù)方法治療，即利用螺釘、骨板和髓內(nèi)針等植入物將斷裂的股骨復(fù)位并穩(wěn)定固定，植入物如骨板和螺釘?shù)淖饔檬桥R時(shí)代替骨骼傳導(dǎo)生理應(yīng)力。對于股骨干橫斷骨折，由于相關(guān)的生物力學(xué)研究較少，對于不同螺釘布局下的內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分布仍存有爭議。Xu 等認(rèn)為骨折處臨近1-2 孔應(yīng)空置螺釘，使得骨痂具有一定的微動，以分散骨板應(yīng)力，而Sommer 等則認(rèn)為螺釘應(yīng)盡量靠近骨折處以保證內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了有效指導(dǎo)骨折固定及術(shù)后恢復(fù)，國內(nèi)外學(xué)者對內(nèi)固定治療使用的骨板和螺釘進(jìn)行了大量研究。如方潤心等通過有限元方法研究了不同螺釘布局下的骨愈合過程，但并未探討內(nèi)固定系統(tǒng)骨板及對應(yīng)股骨應(yīng)力分布；在骨板設(shè)計(jì)方面，Kim 等采用有限元方法，對骨板的長度、厚度和寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，得到了在保證骨板強(qiáng)度的情況下需盡可能減小骨板應(yīng)力參數(shù)，但并未研究不同的螺釘布局；孫興文等利用有限元方法計(jì)算出骨折固定時(shí)鎂合金、鈦合金等材料骨板在骨折處的應(yīng)力，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但僅涉及了骨板材料的研究，并未考慮到骨折處的股骨應(yīng)力分布。臨床中內(nèi)固定系統(tǒng)骨板與股骨應(yīng)力占比的合理性對于手術(shù)成功具有重要意義。在骨折愈合初期，若骨板應(yīng)力占比過低會導(dǎo)致內(nèi)固定系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，骨板與螺釘發(fā)生彎折、斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致手術(shù)失敗，給病患帶來極大痛苦；在骨折愈合后期，若骨板應(yīng)力占比過高會出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，導(dǎo)致病人出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、骨萎縮及術(shù)后二次骨折等問題。然而，目前針對股骨—螺釘—骨板組成的內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分流相關(guān)研究較少，因此本文研究不同螺釘布局對內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分流占比的影響具有重要意義。

針對上述問題，本文在Mimics 軟件中進(jìn)行股骨幾何模型三維重建，使用三維建模軟件SolidWorks 建立股骨與骨板及3 種螺釘布局的裝配模型，使用有限元分析軟件HyperWorks 進(jìn)行股骨干橫斷骨折系統(tǒng)有限元建模，通過對比分析得到雙腿站立工況下股骨與骨板應(yīng)力分流占比的最優(yōu)方案，為股骨干橫斷骨折內(nèi)固定治療時(shí)確定合理的螺釘布局提供理論依據(jù)。

1 內(nèi)固定系統(tǒng)有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

使用高能譜計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）方式獲得人工股骨的原始圖像，并以DICOM 格式儲存。利用Mimics 軟件對掃描圖像進(jìn)行閾值分割、蒙板編輯與區(qū)域增長處理，得到股骨三維幾何模型。

接骨板及螺釘結(jié)構(gòu)參數(shù)均來自于某醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，依據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，在SolidWorks 中創(chuàng)建八孔鎖定加壓鈦合金骨板與接骨螺釘?shù)娜S模型。研究表明，使用鎖定加壓骨板進(jìn)行內(nèi)固定手術(shù)，骨折處兩側(cè)各應(yīng)用3 枚螺釘即可滿足強(qiáng)度要求，更多的螺釘數(shù)目也無法顯著增加內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文選取如圖1所示的3 種六螺釘布局方案固定八孔骨板（彩圖掃OSID 碼可見，下同），螺釘在骨折處兩側(cè)呈對稱分布。方案一的4、5 孔處空置接骨螺釘，方案二的3、6 孔處空置接骨螺釘，方案三的2、7 孔處空置接骨螺釘。根據(jù)張力帶原則（AO principle），骨板與螺釘置于股骨中部的受拉側(cè)。

Fig.1 Three typical fixation methods of femoral fracture internal fixation system圖1 股骨骨折內(nèi)固定系統(tǒng)3 種典型固定方式

在HyperWorks 中，對內(nèi)固定裝配模型的股骨干中部進(jìn)行兩次分割，得到2mm 厚度骨痂以模擬股骨干中部橫斷骨折的術(shù)后愈合情況。

1.2 網(wǎng)格劃分與材料屬性

內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型曲面較多，將有限元網(wǎng)格單元類型設(shè)定為八節(jié)點(diǎn)的四面體單元。對骨板螺釘孔處應(yīng)力集中進(jìn)行處理后，最終骨板模型被劃分為10 383個(gè)單元、3 366個(gè)節(jié)點(diǎn)，股骨模型被劃分為855 195個(gè)單元、177 673個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，螺釘與股骨通過共節(jié)點(diǎn)連接方式替代實(shí)際模型的螺紋連接，使載荷由股骨近端傳至接骨螺釘。

為保證研究的可行性，根據(jù)傳統(tǒng)的骨骼生物力學(xué)分析方法，假設(shè)股骨、骨板等部位均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。模擬內(nèi)固定手術(shù)骨痂愈合20%的情況，設(shè)定骨痂彈性模量為4GPa。股骨骨折系統(tǒng)模型各部分材料屬性如表1 所示。

Table 1 Material properties表1 材料屬性

1.3 邊界條件與載荷

對內(nèi)固定系統(tǒng)接骨螺釘與骨板之間的接觸面建立無摩擦滑動接觸，使載荷經(jīng)由骨板傳遞至股骨遠(yuǎn)端。依據(jù)DICOM 數(shù)據(jù)，在股骨頭表面中心點(diǎn)坐標(biāo)處建立RBE3 單元。相關(guān)研究表明，成年人雙腿呈站立姿態(tài)時(shí)，股骨主要的受力形式為軸向的壓縮力，一側(cè)股骨承受的載荷約為自身體重的20%～30%?？紤]到術(shù)后患者行動需借助拐杖等輔助器械，對股骨有限元模型RBE3 單元主節(jié)點(diǎn)施加大小為300N、垂直向下的載荷，約束股骨遠(yuǎn)端下緣節(jié)點(diǎn)6個(gè)方向的自由度作為有限元模型的邊界條件，得到如圖2 所示的有限元模型。

Fig.2 Finite element model of femoral fracture internal fixation system圖2 股骨骨折內(nèi)固定系統(tǒng)有限元模型

2 股骨—骨板應(yīng)力及其分流情況分析

2.1 股骨—骨板應(yīng)力分析

3 種螺釘布局方案下的股骨應(yīng)力分布云圖如圖3 所示，云圖顯示出由股骨近端傳遞至股骨遠(yuǎn)端的應(yīng)力傳遞路徑，云圖中應(yīng)力較大處為股骨主要承力區(qū)域。由于股骨與螺釘連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，螺釘孔應(yīng)力明顯大于對應(yīng)的股骨干應(yīng)力，股骨應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第八螺釘孔處。

Fig.3 Femur stress distribution cloud diagram of three schemes圖3 三種方案股骨應(yīng)力分布云圖

3 種螺釘布局方案下的骨板應(yīng)力分布云圖如圖4 所示，忽略局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，可看出應(yīng)力在骨折線兩邊大致呈對稱分布，應(yīng)力分布較為均勻。骨板中部應(yīng)力較大，應(yīng)力從骨折線到兩端呈減小趨勢，在接骨螺釘固定的螺釘孔附近應(yīng)力更加集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在骨板遠(yuǎn)離骨折處的螺釘處。

在內(nèi)固定系統(tǒng)中，離骨折處最近的兩個(gè)接骨螺釘距離為骨板工作長度。方案一空置了骨折處附近的兩個(gè)螺釘，增加了骨板工作長度，使應(yīng)力更有效地傳至骨板末端，由應(yīng)力云圖可看出股骨與骨板的最大等效應(yīng)力均為3 種方案中最低的。由于緩解了內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，方案一中骨板失效的幾率更低。臨床研究表明，骨板的工作長度過短時(shí)，骨板上應(yīng)力集中于骨折處附近，無法有效傳導(dǎo)至整個(gè)骨板，會增加骨板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。臨床上使用鎖定骨板固定治療時(shí)，在骨折處空置2～3個(gè)螺釘孔用于增加整個(gè)內(nèi)固定系統(tǒng)的彈性，并提高骨板的抗疲勞強(qiáng)度，與方案一的螺釘布局方案相吻合。

Fig.4 Stress distribution cloud diagram of bone plates of three schemes圖4 3 種方案骨板應(yīng)力分布云圖

2.2 股骨—骨板應(yīng)力分流情況分析

為探究骨板—股骨應(yīng)力分流情況，即骨板—股骨等效應(yīng)力占比，本文依據(jù)骨板幾何形狀，使用HyperWorks 對骨板及對應(yīng)股骨進(jìn)行分段處理，如圖5 所示。

Fig.5 Segmented schematic diagram of femoral internal fixation system圖5 股骨內(nèi)固定系統(tǒng)分段示意圖

分別提取股骨與骨板每一段所有單元的應(yīng)力值，取平均值作為該段的等效應(yīng)力，得到結(jié)果如表2 所示。

采用式（1）、式（2）分別計(jì)算股骨與骨板的等效應(yīng)力占比，得到內(nèi)固定系統(tǒng)股骨與骨板的應(yīng)力分流情況，如圖6所示。

Table 2 Equivalent stress of internal fixation system表2 內(nèi)固定系統(tǒng)等效應(yīng)力

Fig.6 Histogram of stress ratio of internal fixation圖6 內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力占比柱狀圖

在骨折初期，理想的內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的力學(xué)穩(wěn)定性，直至編織骨與板層骨恢復(fù)正常的生理應(yīng)力。由內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力占比柱狀圖可知，3 種方案的骨板在骨折處的應(yīng)力均占比最高，由骨折處到兩端骨板的應(yīng)力占比逐漸降低。手術(shù)后，在骨折處骨板替代股骨承受載荷的支撐作用更為明顯。方案一在骨折處骨板的應(yīng)力占比最高為87.459%，能更有效地提升股骨骨折處抵抗折彎、扭轉(zhuǎn)等有害應(yīng)力的能力，力學(xué)穩(wěn)定性更高。

3 結(jié)果與討論

通過對骨板—股骨內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，得到3 種螺釘布局方案下骨板—股骨二者的應(yīng)力分流占比。由上述分析結(jié)果可知，采用方案一螺釘布局的內(nèi)固定系統(tǒng)，骨板的工作長度最長，保證了骨折處的彈性，在充分誘導(dǎo)骨痂生成的同時(shí)，可防止骨板因應(yīng)力集中造成內(nèi)固定早期失效。方案一中骨板在骨折處應(yīng)力占比更高，能在手術(shù)恢復(fù)前中期更好地替代股骨承擔(dān)生理應(yīng)力，使內(nèi)固定系統(tǒng)具有充分的穩(wěn)定性，與臨床治療方案相吻合，為臨床選擇手術(shù)方案提供了理論依據(jù)。

由于對股骨與骨板上的應(yīng)力分流情況不了解，臨床中常出現(xiàn)骨板應(yīng)力過大導(dǎo)致骨板斷裂、失效的醫(yī)療事故。之前學(xué)者們在生物力學(xué)研究中采用實(shí)驗(yàn)方法，利用測點(diǎn)法測出股骨或骨板局部位置的應(yīng)變值。由于未進(jìn)行有限元分析，只有測點(diǎn)處可計(jì)算得到與有限元分析相近的應(yīng)力值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能反映出整個(gè)內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力情況，具有一定的局限性。而有限元方法可擺脫以上弊端，得到股骨骨折內(nèi)固定系統(tǒng)各個(gè)位置的應(yīng)力分布，可作為股骨內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分析的主要方法，為骨折內(nèi)固定手術(shù)方案制定提供參考。在應(yīng)力云圖中，應(yīng)力值較大處是主要的承力區(qū)域，在承力區(qū)域合理布置骨板位置與螺釘布局，可得到最優(yōu)的股骨與骨板應(yīng)力分流占比，在骨折愈合前期可提高內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在愈合后期可降低骨板對股骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，從而給予骨斷端適宜的成骨應(yīng)力刺激，有利于促進(jìn)術(shù)后斷骨恢復(fù)。而且分析內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布，對于骨板的設(shè)計(jì)研發(fā)也具有一定幫助。

本研究在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，對股骨骨折內(nèi)固定系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕c假設(shè)，以保證研究的簡便性。但實(shí)際上術(shù)后內(nèi)固定系統(tǒng)失效往往并非由單一的暴力創(chuàng)傷引起，受韌帶與肌肉組織影響，內(nèi)固定系統(tǒng)承受隨步態(tài)發(fā)生改變的循環(huán)載荷，導(dǎo)致骨板與螺釘發(fā)生疲勞斷裂。因此，后續(xù)考慮對骨板—股骨內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行不同步態(tài)工況下循環(huán)載荷的動態(tài)有限元分析，以對本文研究作進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語

本文通過有限元方法模擬與分析人體雙腿在站立工況下，股骨干中部橫斷骨折采用3 種六螺釘布局方案固定的股骨—螺釘—骨板系統(tǒng)應(yīng)力分流情況，分析結(jié)果直觀表現(xiàn)出不同螺釘布局對內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分流情況的影響。在第一種方案中，骨板工作長度更長，骨折處骨板應(yīng)力占比高，且骨板與股骨最大應(yīng)力最小，因此使用6 顆螺釘固定8 孔骨板時(shí)，第4、5 孔不放置螺釘是最優(yōu)的螺釘布局方案。雖然本文的有限元分析過程尚存在一定不足，但是整個(gè)有限元仿真分析結(jié)果與臨床治療方案相吻合。后續(xù)的課題研究將對本文研究進(jìn)行完善，從而為股骨干橫斷骨折臨床治療及相關(guān)的力學(xué)分析提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)與指導(dǎo)。