張 俊，厲國(guó)定，王 健

老年股骨遠(yuǎn)段骨折多為低能量損傷導(dǎo)致的簡(jiǎn)單骨折(螺旋形、螺旋楔形、長(zhǎng)斜形)[1]，目前常用內(nèi)固定方式是微創(chuàng)鋼板固定(MIPO)[2]，但MIPO治療的最佳指針是粉碎性骨折及骨質(zhì)疏松性骨折[3]。文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道，MIPO治療有時(shí)很難糾正簡(jiǎn)單骨折(AO分型A1、A2、C1型)的骨折端間隙，術(shù)后部分骨折間隙依然殘存。由于鎖定鋼板強(qiáng)度較大，如果簡(jiǎn)單骨折的骨折端間隙過(guò)大，則很難有足夠的應(yīng)變力誘導(dǎo)骨痂生成，易引起骨折延遲愈合、畸形愈合，甚至不愈合等并發(fā)癥發(fā)生[6-7]。為此，筆者利用軟件對(duì)股骨及內(nèi)固定進(jìn)行建模，通過(guò)有限元方法對(duì)單純釘板系統(tǒng)(單純法)與骨折端加壓螺釘結(jié)合鎖定鋼板(聯(lián)合法)固定的生物力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行比較，旨在尋找較優(yōu)化的內(nèi)固定方式治療老年股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折。

1 材料與方法

1.1 股骨遠(yuǎn)段有限元模型建立

1.1.1建模前資料收集 健康男性志愿者1名，60歲，身高172 cm，體重70 kg。X線片顯示無(wú)股骨骨折、畸形或病理性骨病。使用雙能X線骨密度儀對(duì)左側(cè)髖關(guān)節(jié)行骨密度掃描，T值為-1.4 SD。采用Brilliance 64排螺旋CT(Philips公司)對(duì)雙側(cè)髂前上棘至脛骨結(jié)節(jié)行連續(xù)掃描，電壓140 kV，電流350 mA，掃描層厚1 mm，層間距0.5 mm，共獲得1 196張CT圖像，以DICOM格式存儲(chǔ)。

1.1.2股骨遠(yuǎn)段骨折模型的建立 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics 14.0軟件(Materialize公司)，采用閾值法把骨骼部分提取出來(lái)，通過(guò)三維重建功能初步建立較為粗糙的股骨三維幾何模型。右側(cè)股骨模型以 .stl格式文件導(dǎo)出，輸入到逆向工程軟件Geomagic Studio 2015(Raindrop Geomagic公司)進(jìn)行打磨、降噪等圖像處理，得到均勻、光滑的NURBS曲面。將優(yōu)化后的面網(wǎng)格模型以.iges格式導(dǎo)入到機(jī)械建模軟件Solid Works 2016(Dassault Systemes公司)進(jìn)行實(shí)體建模重構(gòu)，參照老年股骨遠(yuǎn)段骨折常出現(xiàn)的螺旋形斷裂方式，模型斷裂起始位置從距離股骨遠(yuǎn)端最低點(diǎn)60 mm處開始延展，斷裂高度50 mm，進(jìn)行骨折線切割，建立AO/OTA-33A1型股骨遠(yuǎn)段骨折模型。見圖1。

圖1 AO/OTA-33A1型股骨遠(yuǎn)段骨折模型 A.正面觀; B.后面觀

1.1.3微創(chuàng)固定系統(tǒng)(LISS)鋼板及螺釘模型的創(chuàng)建 將鋼板及螺釘數(shù)據(jù)(Synthes醫(yī)療器械公司)導(dǎo)入到Solid Works 2016中，構(gòu)建LISS鋼板及螺釘模型。LISS為11孔鎖定加壓鋼板，長(zhǎng)度276 mm，忽略螺紋細(xì)節(jié)，對(duì)鋼板及螺釘進(jìn)行塑形處理，建立4組股骨遠(yuǎn)端鋼板與螺釘三維模型：① A組：102 mm工作長(zhǎng)度單純法模型，距離股骨外側(cè)髁最低點(diǎn)平面15 mm以上裝配，骨折遠(yuǎn)端用7枚? 5.0 mm鎖定螺釘(單皮質(zhì))固定，骨折近端用4枚? 5.0 mm鎖定螺釘(近端5、7、9、11號(hào)孔，雙皮質(zhì))固定。② B組：102 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型，骨折端用1枚? 4.5 mm拉力螺釘垂直經(jīng)過(guò)骨折線固定在股骨前外側(cè)，鋼板裝配同A組。③ C組：82 mm工作長(zhǎng)度單純法模型，骨折遠(yuǎn)端裝配同A組，骨折近端用4枚? 5.0 mm鎖定螺釘(近端4、7、9、11號(hào)孔)固定。④ D組：82 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型，骨折端用1枚? 4.5 mm拉力螺釘固定，鋼板裝配同C組。見圖2。

圖2 股骨遠(yuǎn)段骨折內(nèi)固定裝配模型 A.102 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；B.102 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型；C.82 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；D.82 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型

1.1.4建立三維有限元網(wǎng)格模型 將已構(gòu)建完成的LISS鋼板及螺釘與股骨遠(yuǎn)段模型相互定位，完成內(nèi)固定物置入，導(dǎo)入Geomagic Studio 2015軟件進(jìn)行精細(xì)化修飾。將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys Workbench 13(ANSYS 公司)進(jìn)行相應(yīng)的前處理及后處理，構(gòu)建股骨皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨、鋼板及螺釘?shù)娜S有限元網(wǎng)格模型。

1.2 三維有限元網(wǎng)格模型與材料屬性賦值選擇四面體結(jié)構(gòu)單元類型Solid92構(gòu)建網(wǎng)格，股骨皮質(zhì)骨共獲得320 542個(gè)單元、481 670個(gè)節(jié)點(diǎn)；股骨松質(zhì)骨共獲得345 511個(gè)單元、503 061個(gè)節(jié)點(diǎn)；鎖定鋼板共獲得399 500個(gè)單元、585 466個(gè)節(jié)點(diǎn)；鎖定螺釘共獲得545 129個(gè)單元、791 537個(gè)節(jié)點(diǎn)；拉力螺釘共獲得64 374個(gè)單元、40 433個(gè)節(jié)點(diǎn)。將網(wǎng)格模型再次導(dǎo)入Mimics 14.0軟件中，賦予不同的彈性模量及泊松比，具體參數(shù)[8-9]如下：股骨皮質(zhì)骨彈性模量16.8 GPa，泊松比0.30；股骨松質(zhì)骨彈性模量620 MPa，泊松比0.29；鈦合金(Ti-6Al-7Nb)彈性模量110 GPa，泊松比0.33。假定均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線性材料。

1.3 邊界條件設(shè)置與載荷加載設(shè)定股骨遠(yuǎn)端進(jìn)行三向約束，即遠(yuǎn)端在X、Y、Z軸上的位移均為0。骨折斷端、拉力螺釘與股骨的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3[10]。模型按正常站立位放置，使骨干長(zhǎng)軸與正常中軸線形成15°[11]。對(duì)模型股骨頭施加700 N軸向載荷，對(duì)模型股骨中部施加4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷，忽略髖關(guān)節(jié)周圍韌帶等組織的影響。

1.4 觀察指標(biāo)① 鎖定鋼板的應(yīng)力分布及峰值；② 鎖定鋼板的位移分布及峰值；③ 骨折端剪切位移及軸向位移，具體計(jì)算方法：股骨骨折近端及遠(yuǎn)端共取16個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[12](包括骨折線中點(diǎn)及轉(zhuǎn)折點(diǎn))，根據(jù)載荷加載后各點(diǎn)位移的平均變化計(jì)算骨折端剪切位移及軸向位移。

2 結(jié)果

2.1 鎖定鋼板的應(yīng)力分布及峰值在700 N軸向和4 N·m 扭轉(zhuǎn)載荷下，A組應(yīng)力峰值集中在骨折線區(qū)域的鎖定鋼板上，分別為244.39、45.40 MPa；B組應(yīng)力峰值集中在骨折線區(qū)域的拉力螺釘上，鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值分別為124.26、13.97 MPa；C組應(yīng)力峰值集中在骨折線區(qū)域的鎖定鋼板上，分別為243.30、44.08 MPa；D組應(yīng)力峰值集中在骨折線區(qū)域的拉力螺釘上，鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值分別100.43、17.24 MPa。通過(guò)分析應(yīng)力分布可知，使用骨折端加壓螺釘后，應(yīng)力峰值分布發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值從骨折線區(qū)域的股骨干側(cè)方鋼板轉(zhuǎn)移到骨折線區(qū)域的拉力螺釘，而鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值明顯降低，說(shuō)明骨折端加壓螺釘結(jié)合鎖定鋼板固定可以減輕鎖定鋼板應(yīng)力集中的局限性。在700 N軸向和4 N·m 扭轉(zhuǎn)載荷下，在102 mm工作長(zhǎng)度的對(duì)比模型(A、B組)中，骨折端螺釘固定后鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值下降幅度分別為49%、69%；在82 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(C、D 組)中，骨折端螺釘固定后鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值下降幅度分別為59%、61%。見圖3。

圖3 在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下4組模型鎖定鋼板的應(yīng)力分布云圖 A.102 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；B.102 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型；C.82 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；D.82 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型

2.2 鎖定鋼板的位移分布及峰值在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，4組模型的位移峰值均集中在鎖定鋼板近端。位移峰值：A組分別為4.89、0.18 mm，B組分別為3.40、0.13 mm，C組分別為4.63、0.16 mm，D組分別為2.60、0.14 mm。通過(guò)分析位移分布可知，使用骨折端加壓螺釘后，鎖定鋼板的位移峰值分布沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)移，位移峰值仍然集中在鎖定鋼板近端，但明顯降低，聯(lián)合法模型組的位移峰值均小于單純法模型組。在700 N軸向和4 N·m 扭轉(zhuǎn)載荷下，在102 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(A、B組)中，骨折端螺釘固定后鎖定鋼板上的位移峰值下降幅度分別為30%、28%；在82 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(C、D組)中，骨折端螺釘固定后鎖定鋼板上的位移峰值下降幅度分別為44%、13%。見圖4。

圖4 在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下4組模型鎖定鋼板的位移分布云圖 A.102 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；B.102 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型；C.82 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；D.82 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型

2.3 骨折端剪切位移在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，骨折端剪切位移：A組分別為0.43、0.11 mm，B組分別為0.23、0.03 mm，C組分別為0.43、0.09 mm，D組分別為0.18、0.04 mm。通過(guò)分析剪切位移可知，聯(lián)合法模型組均小于單純法模型組。在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，在102 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(A、B組)中，骨折端螺釘固定后剪切位移下降幅度分別為47%、73%；在82 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(C、D組)中，骨折端螺釘固定后剪切位移下降幅度分別為58%、56%。見圖5。

圖5 在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下4組模型骨折端剪切位移 A.102 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；B.102 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型；C.82 mm工作長(zhǎng)度單純法模型；D.82 mm工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型

2.4 骨折端軸向位移在700 N軸向載荷下，骨折端軸向位移：A～D組依次為0.87、0.33、0.83、0.24 mm。在4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，骨折端軸向位移均很小，可忽略不計(jì)。通過(guò)分析軸向位移可知，在軸向載荷下聯(lián)合法模型組均小于單純法模型組。在700 N軸向載荷下，在102 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(A、B組)中，骨折端螺釘固定后軸向位移下降幅度為62%；在82 mm工作長(zhǎng)度對(duì)比模型(C、D組)中，骨折端螺釘固定后軸向位移下降幅度為71%。

3 討論

3.1 單純法固定股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折存在的問(wèn)題MIPO具有微創(chuàng)置入、成角穩(wěn)定、可避免軟組織過(guò)度剝離等特點(diǎn)，因此是治療老年股骨遠(yuǎn)段骨折的首選方法[13-14]。MIPO是一種相對(duì)穩(wěn)定固定的方法，源于骨折端微動(dòng)可以促進(jìn)骨痂形成，最終利于骨折愈合，這一理念幾乎被認(rèn)為適合所有骨折類型[15]。但研究[4-5]發(fā)現(xiàn)，部分股骨中遠(yuǎn)段骨折(A1、A2、C1型骨折)采用MIPO治療很難獲得滿意復(fù)位，尤其是螺旋形骨折，易導(dǎo)致骨折延遲愈合等并發(fā)癥。一般認(rèn)為，如果骨折端使用螺釘固定，為了獲得一期愈合，應(yīng)行解剖復(fù)位和絕對(duì)穩(wěn)定固定。生物力學(xué)研究[16-17]證明，在股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折中，聯(lián)合法固定不會(huì)將骨折端微動(dòng)減少到絕對(duì)穩(wěn)定固定的程度，相反，骨折端用螺釘固定后，剪切微動(dòng)明顯降低，更利于骨折愈合。研究[18]發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合法固定后骨折端有骨痂形成，證實(shí)聯(lián)合法固定后存在二期愈合現(xiàn)象,雖然與單純法相比，聯(lián)合法固定產(chǎn)生骨痂的數(shù)量會(huì)相對(duì)較少，但骨痂重建會(huì)更快。因此，在股骨簡(jiǎn)單骨折治療中，一些學(xué)者主張無(wú)需嚴(yán)格區(qū)分相對(duì)穩(wěn)定和絕對(duì)穩(wěn)定固定[1,16,19-20]。

3.2 聯(lián)合法固定股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折可減少鋼板上的應(yīng)力研究[16,19]顯示，在老年股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折中，聯(lián)合法固定具有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。M?rdian et al[19]用新鮮尸體標(biāo)本(平均年齡71歲)模擬A1.1型股骨遠(yuǎn)段骨折，在不同軸向(500/1 000 N)和扭轉(zhuǎn)(2/4 N·m)載荷下，102 mm和62 mm兩種不同工作長(zhǎng)度聯(lián)合法模型生物力學(xué)強(qiáng)度均大于單純法模型，雖然文獻(xiàn)并未提及具體骨密度，但因標(biāo)本年齡，考慮均應(yīng)至少處于骨量減少水平。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相似，在700 N軸向和4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，骨折端螺釘固定后鎖定鋼板上的應(yīng)力峰值明顯降低，102 mm工作長(zhǎng)度模型下降幅度分別為49%、69%，82 mm工作長(zhǎng)度模型下降幅度分別為59%、61%。本研究表明，使用骨折端加壓螺釘后，有一部分應(yīng)力被拉力螺釘很好地分散掉，因此鎖定鋼板上的應(yīng)力顯著降低，說(shuō)明聯(lián)合法固定可以減輕鎖定鋼板應(yīng)力集中的局限性。最近臨床研究[1,20]顯示，在骨量正常和骨量減少的股骨簡(jiǎn)單骨折中，聯(lián)合法固定均可實(shí)現(xiàn)骨折端有效加壓，促進(jìn)骨折愈合，減少并發(fā)癥。需要注意的是，在一些老年骨質(zhì)疏松骨折中，骨折端螺釘無(wú)法在骨折塊之間實(shí)現(xiàn)有效加壓，因此，在這種情況下不建議使用骨折端螺釘固定。但在大多數(shù)情況下，生物力學(xué)和臨床研究[1,16,18-20]均支持聯(lián)合法固定對(duì)簡(jiǎn)單骨折是有利的，并有可能促進(jìn)骨折早期愈合。

3.3 聯(lián)合法固定股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折可減少鋼板及骨折端位移為了降低內(nèi)置物失效的風(fēng)險(xiǎn)，鋼板的位移峰值及骨折端剪切位移應(yīng)該越低越好。M?rdian et al[16]用新鮮尸體標(biāo)本模擬A1.1型股骨遠(yuǎn)端骨折，在軸向(500/1 000 N)和扭轉(zhuǎn)(2/4 N·m)載荷下，102 mm和62 mm工作長(zhǎng)度骨折端剪切位移聯(lián)合法模型均明顯小于同長(zhǎng)度單純法模型。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相似，鎖定鋼板的位移峰值和骨折端剪切位移：在700 N軸向載荷下，102 mm工作長(zhǎng)度模型(A、B組)分別下降30%、47%，82 mm工作長(zhǎng)度模型(C、D組)分別下降44%、58%；在4 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下，102 mm工作長(zhǎng)度模型(A、B組)分別下降28%、73%；82 mm工作長(zhǎng)度模型(C、D組)分別下降13%、56%。本研究表明，使用骨折端加壓螺釘后，在扭轉(zhuǎn)載荷下，與82 mm工作長(zhǎng)度模型相比，102 mm模型鎖定鋼板的位移峰值及骨折端剪切位移的下降幅度均更大；在軸向載荷下，與102 mm工作長(zhǎng)度模型相比，82 mm工作長(zhǎng)度模型鎖定鋼板的位移峰值及骨折端剪切位移的下降幅度均更大。

綜上所述，對(duì)于老年股骨遠(yuǎn)段簡(jiǎn)單骨折，聯(lián)合法固定能分擔(dān)鎖定鋼板上的應(yīng)力并使骨折斷端更穩(wěn)定，102 mm工作長(zhǎng)度可提供更好的抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，82 mm工作長(zhǎng)度可提供更好的軸向穩(wěn)定性。