阿孜古麗·克熱木，烏日開(kāi)西·艾依提，滕 勇

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆軍區(qū)總醫(yī)院全軍骨科中心脊柱外科，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

接骨板固定是常見(jiàn)的一種骨折內(nèi)固定方式[1]。醫(yī)生通常根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇接骨板的類型，尺寸，螺釘?shù)念愋?、?shù)量及螺釘分布。當(dāng)接骨板和螺釘?shù)倪x擇不合理時(shí)會(huì)導(dǎo)致接骨板和螺釘?shù)淖冃?、斷裂及松?dòng)等情況，如圖1所示。接骨板系統(tǒng)失效的問(wèn)題不僅是醫(yī)學(xué)方面的問(wèn)題，而且還涉及到力學(xué)，材料等多方面的問(wèn)題。目前針對(duì)接骨板失效的問(wèn)題研究的常用方法是實(shí)驗(yàn)研究方法與數(shù)值模擬方法來(lái)解決。文獻(xiàn)[2]對(duì)五種接骨板在斜度45°骨折的穩(wěn)定性和愈合情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明安全性良好。文獻(xiàn)[3]通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)研究異體皮質(zhì)骨板聯(lián)合可吸收螺釘加捆綁帶固定治療股骨干骨折的力學(xué)強(qiáng)度及機(jī)制。文獻(xiàn)[4]通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)比較橋接組合式內(nèi)固定與金屬鎖定接骨板釘系統(tǒng)修復(fù)股骨干骨折的生物力學(xué)特性。文獻(xiàn)[5]采用壓縮實(shí)驗(yàn)研究斜置鎖定鋼板對(duì)股骨干骨折內(nèi)固定的生物力學(xué)影響。文獻(xiàn)[6]利用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了三種股骨骨折固定治療方式對(duì)股骨遠(yuǎn)端C1型骨折的生物力學(xué)特性。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)硬度測(cè)試，SEM掃描和EDS微量分析等分析不銹鋼植入物內(nèi)失效的原因。文獻(xiàn)[8]利用數(shù)值模擬研究股骨干簡(jiǎn)單骨折鎖定板內(nèi)固定時(shí)的接骨板及螺釘最大應(yīng)力情況。文獻(xiàn)[9]對(duì)兩種螺釘孔形式的接骨板對(duì)肱骨近端骨折的生物力學(xué)影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]通過(guò)有限元分析設(shè)計(jì)一種個(gè)性化三維矯形支具的設(shè)計(jì)及其生物力學(xué)研究。文獻(xiàn)[11]通過(guò)數(shù)值模擬方式對(duì)橫向長(zhǎng)骨骨折鎖定鋼板治療的穩(wěn)定性進(jìn)行了生物力學(xué)研究。

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，逆向工程技術(shù)和有限元分析技術(shù)針對(duì)采用鎖定型接骨板固定股骨干骨折的生物力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了接骨板長(zhǎng)度，螺釘數(shù)量以及螺釘分布對(duì)接骨板的變形和應(yīng)力的影響規(guī)律。

圖1 接骨板固定的失效形式Fig.1 Failure Form of Plate Fixation

2 股骨干骨折模型的建立

2.1 股骨的逆向重建

利用逆向工程技術(shù)，將患者股骨的CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics中，通過(guò)三維重構(gòu)得到了股骨三維CAD模型，如圖2所示。并將其以STL格式輸出。在Geomagic中對(duì)STL股骨模型進(jìn)一步進(jìn)行編輯，再去除多余的三角面片后，將模型以STEP格式導(dǎo)出。隨后在UG8.5中導(dǎo)入STEP模型并在股骨干中部做出一個(gè)斷口間距離3mm的骨折模型。

圖2 股骨的三維重建過(guò)程Fig.2 Three-Dimensional Reconstruction of Femur

2.2 接骨板的逆向重建

根據(jù)合作醫(yī)院提供的骨科鎖定接骨板目錄，在UG8.5中建立了兩種長(zhǎng)度的鎖定型接骨板三維CAD模型。長(zhǎng)接骨板：長(zhǎng)度229mm，孔數(shù)12，厚度5.2mm，寬度17.5mm，短接骨板：長(zhǎng)度193mm，孔數(shù)8，厚度5.2mm，寬度17.5mm。長(zhǎng)接骨板的三維CAD模型，如圖3所示。

2.3 股骨和接骨板的裝配

在UG中導(dǎo)入STEP格式的股骨、鎖定型接骨板及螺釘?shù)娜SCAD模型，根據(jù)方案進(jìn)行裝配，如表1、表2所示。裝配時(shí)接骨板的中間部分對(duì)應(yīng)在骨折斷口處，上下對(duì)稱，斷口兩側(cè)螺釘數(shù)量相同。長(zhǎng)接骨板上裝有所有螺釘?shù)姆桨?。股骨與接骨板之間安裝距離設(shè)為1mm，如圖3所示。

3 分析方案

3.1 螺釘?shù)姆植挤桨?/h3>

研究中采用的方案，如表1、表2所示。表1中螺釘編號(hào)（1～12）是長(zhǎng)接骨板上由上到下的螺釘編號(hào)，表2中螺釘編號(hào)（1～8）是短接骨板上由上到下的螺釘編號(hào)。表中的實(shí)心圓點(diǎn)表示該位置有雙皮質(zhì)長(zhǎng)螺釘，空心圓點(diǎn)表示該位置有單皮質(zhì)短螺釘，空白表示該位置沒(méi)有螺釘。

表1 長(zhǎng)接骨板的螺釘分布方案Tab.1 Screw Distribution Scheme for Long Bone Plate

表2 短接骨板的螺釘分布方案Tab.2 Screw Distribution Scheme for Short Plate

3.2 定義材料特性

采用的鈦合金接骨板及螺釘?shù)膹椥阅Ａ繛?10GPa，泊松比為0.3，股骨（皮質(zhì)骨）的彈性模量為17GPa，泊松比為0.3。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用混合網(wǎng)格劃分方法根據(jù)股骨-接骨板系統(tǒng)各部位的特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化分，對(duì)接骨板和螺釘劃分5mm的六面體網(wǎng)格，股骨采用自由劃分。

3.4 邊界條件與加載方式

對(duì)裝配好的兩種接骨板的各八組模型進(jìn)行有限元分析，施加相同的約束及載荷。股骨遠(yuǎn)端為全約束，在股骨頭上垂直施加大小為300N的面載荷，如圖3所示。

圖3 接骨板系統(tǒng)軸向壓縮加載示意圖Fig.3 Axial Compression Loading Diagram of Plate System

4 分析結(jié)果與討論

4.1 變形與應(yīng)力的模擬結(jié)果

4.1.1 接骨板的變形

兩種接骨板的變形曲線，如圖4所示。

圖4 接骨板的縱向變形曲線和分布圖Fig.4 Longitudinal Deformation Curve and Distribution Map of the Plate

4.1.2 兩種接骨板的應(yīng)力

兩種接骨板的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 接骨板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力和應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress Distribution on the Plate

4.1.3 兩種接骨板螺釘?shù)膽?yīng)力

長(zhǎng)接骨板方案1-1（長(zhǎng)度為45mm雙皮質(zhì)長(zhǎng)螺釘）和方案1-8（長(zhǎng)度為20mm單皮質(zhì)短螺釘）螺釘?shù)膽?yīng)力，可以看出不同方案中螺釘?shù)膽?yīng)力也不相同，如圖6（a）所示。

圖6 長(zhǎng)接骨板螺釘?shù)膽?yīng)力值Fig.6 Stress of Screws of Long Plate

4.2 模擬結(jié)果分析與討論

4.2.1 接骨板長(zhǎng)度的影響

從圖4中可以看出，兩種長(zhǎng)度的接骨板的變形曲線和應(yīng)力分布規(guī)律相似，但長(zhǎng)接骨板的變形量總體上比短接骨板小，如方案1-3和方案2-3（骨折斷口兩端各去掉兩個(gè)螺釘）的分析結(jié)果顯示，短接骨板的變形是長(zhǎng)接骨板變形的1.56倍。長(zhǎng)接骨板的應(yīng)力分布比短接骨板的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，例如方案1-3和方案2-3（骨折段口兩端各去掉兩個(gè)螺釘）的分析結(jié)果顯示，短接骨板的最大應(yīng)力是長(zhǎng)接骨板的最大應(yīng)力的1.28倍。可以看出長(zhǎng)接骨板的安全性相對(duì)較高。

4.2.2 螺釘數(shù)量和分布的影響

從圖5中可以看出螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量對(duì)接骨板系統(tǒng)的影響顯著。從接骨板的變形曲線可以看出，當(dāng)所有螺釘都有（方案1-1和方案2-1）時(shí)的變形和應(yīng)力最小，骨折斷口兩端各取一個(gè)螺釘后（方案1-2和方案2-2）接骨板的變形和應(yīng)力明顯增大，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力峰值，分別為方案1-1和方案2-1的1.88倍和2.18倍，當(dāng)骨折斷口兩端各取兩個(gè)螺釘后（方案1-3和方案2-3）接骨板的變形和應(yīng)力進(jìn)一步增大，出現(xiàn)了更高的應(yīng)力峰值，分別為兩個(gè)接骨板方案1-1和方案2-1的3.77倍和4.81倍，說(shuō)明距骨折斷口最近的各兩個(gè)螺釘對(duì)接骨板系統(tǒng)的變形和應(yīng)力的影響很明顯高于其他方案。斷口上側(cè)的螺釘?shù)膽?yīng)力值比下側(cè)的應(yīng)力值大，疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。

從圖4和5的變形和應(yīng)力圖可以看出，方案1-1和方案2-1的接骨板變形和應(yīng)力的最大處于接骨板的中間部分。接骨板在骨折斷口上側(cè)部分的變形較大，而且最大值位于距斷口最近的螺釘孔處。此外，接骨板最遠(yuǎn)端的螺釘?shù)膽?yīng)力也明顯大于相鄰的螺釘，方案1-6、方案2-6，方案1-7、方案2-7中在接骨板上沒(méi)有安裝與骨折最遠(yuǎn)螺釘相鄰的那顆螺釘，最遠(yuǎn)端螺釘?shù)膽?yīng)力值明顯增高，分別為方案1-1和方案2-1的2.0倍和2.05倍。而其他方案的變形和應(yīng)力差別不明顯。

4.2.3 螺釘類型的影響

從圖4（b）和圖4（d）變形分布圖可以看出全部螺釘雙皮質(zhì)長(zhǎng)螺釘（方案1-1，2-1）和全部螺釘單皮質(zhì)短螺釘（方案1-8，2-8）方案的變形和應(yīng)力特點(diǎn)相似，都是接骨板中部的變形大。長(zhǎng)接骨板方案1-1全部長(zhǎng)螺釘和方案1-8全部短螺釘?shù)膽?yīng)力值，如圖6所示。可以看出，短螺釘?shù)膽?yīng)力值與長(zhǎng)螺釘?shù)膽?yīng)力值的差別為3.13%。說(shuō)明對(duì)于鎖定型接骨板固定股骨干骨折的治療方案來(lái)說(shuō)長(zhǎng)螺釘和短螺釘?shù)牟顒e不明顯。

5 結(jié)論

本研究利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，逆向工程技術(shù)和有限元分析技術(shù)針對(duì)采用鎖定型接骨板固定股骨干骨折的生物力學(xué)特性進(jìn)行了研究，對(duì)鎖定型接骨板固定股骨干骨折的螺釘數(shù)量與分布對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的變形及應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

（1）接骨板的長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能有顯著的影響。分析結(jié)果顯示長(zhǎng)接骨板的變形量小于短接骨板的變形量，且應(yīng)力分布比短接骨板更均勻，長(zhǎng)接骨板的最大應(yīng)力值小于短接骨板，表明長(zhǎng)接骨板的安全性優(yōu)于短接骨板。接骨板在骨折斷口上端的變形較大，而且最大值位于距斷口最近的螺釘孔處。

（2）螺釘?shù)臄?shù)量與分布對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的變形及應(yīng)力分布有顯著的影響。尤其是骨折斷口兩側(cè)距端口最近的兩個(gè)螺釘應(yīng)力值明顯大于其他螺釘，而且骨折斷口上側(cè)的螺釘?shù)膽?yīng)力值明顯高于下側(cè)的螺釘，疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）分析結(jié)果表明對(duì)于鎖定型接骨板固定股骨干骨折的治療方案來(lái)說(shuō)雙皮質(zhì)長(zhǎng)螺釘和單皮質(zhì)短螺釘?shù)牟顒e不明顯。