葛輝，蘇麗霞，陳鵬，湯永南，羅東斌，焦鋒，何偉

（1.廣州市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 骨科，廣東 廣州 510800；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 骨科，廣東 廣州 510405；3.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院 骨科，廣東 廣州 510378）

股骨頸骨折是臨床上常見的骨折之一，約占全身骨折的3.6%，占股骨近段骨折的51.97%［1］。三枚空心螺釘內(nèi)固定術(shù)是目前臨床最常用的股骨頸骨折內(nèi)固定方式［2-3］。盡管三枚空心螺釘內(nèi)固定構(gòu)型具有較強(qiáng)的抗剪力作用，使骨折斷端能獲得較好的力學(xué)穩(wěn)定性，但股骨頭壞死仍是其主要的并發(fā)癥之一，根據(jù)研究顯示：股骨頸骨折術(shù)后股骨頭壞死發(fā)生率高達(dá)14.3%［4］。一旦發(fā)生股骨頭壞死，股骨頭將面臨塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，一旦塌陷將快速誘發(fā)髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，最終不得不進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換，這對(duì)于中青年股骨頸骨折患者將是災(zāi)難性的［5-11］。股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后如何預(yù)防股骨頭壞死塌陷成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。理想的股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)式，是在股骨頸骨折復(fù)位后能提供有效的力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)在股骨頭壞死發(fā)生后仍能形成穩(wěn)定的力學(xué)支撐，預(yù)防股骨頭塌陷，并促進(jìn)股骨頭壞死的修復(fù)。

相關(guān)研究證實(shí)腓骨在股骨頭壞死后提供的有效力學(xué)支撐可以預(yù)防股骨頭塌陷，同時(shí)腓骨的生物相容性還能促進(jìn)壞死股骨頭的修復(fù)［12］，因此腓骨移植支撐術(shù)常用于治療非創(chuàng)傷性股骨頭壞死。然而，股骨頸骨折術(shù)后繼發(fā)股骨頭壞死患者，如采用腓骨移植支撐術(shù)治療股骨頭壞死患者需面臨二次手術(shù)，同時(shí)很多繼發(fā)股骨頭壞死患者診斷明確時(shí)股骨頭已經(jīng)塌陷，錯(cuò)過了最佳手術(shù)時(shí)機(jī)。如果在應(yīng)用空心螺釘固定股骨頸骨折的同時(shí)聯(lián)合腓骨植入，這樣既解決了骨折固定的問題，還解決了術(shù)后股骨頭壞死的防治問題，也避免了二次手術(shù)。腓骨沒有螺紋，其力學(xué)強(qiáng)度也不及空心螺釘，空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨內(nèi)固定構(gòu)型能否為股骨頸骨折的固定提供良好的力學(xué)穩(wěn)定性，目前尚缺乏有效的力學(xué)依據(jù)。

為此本研究擬應(yīng)用受試對(duì)象的CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用三維重建、逆向工程、有限元生物力學(xué)分析等技術(shù)，建立空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨治療股骨頸骨折的三維有限元力學(xué)模型，進(jìn)行力學(xué)分析，評(píng)估其力學(xué)穩(wěn)定性，為解決股骨頸骨折術(shù)后繼發(fā)股骨頭的治療難題做出新的探索。

1 材料與方法

1.1 幾何模型數(shù)據(jù)來源

1名45歲骨盆及股骨符合正常生理解剖的男性志愿者，體重70 kg，身高175 cm。應(yīng)用Somatom Balance 64 排螺旋CT（德國(guó)西門子公司）獲取研究對(duì)象的骨盆及股骨CT數(shù)據(jù)。

1.2 軟件設(shè)備

Mimics 14.1軟件（比利時(shí)Materialise公司），Geomagic Studio 2013（美國(guó)Geomagic公司），Geomagic Design X軟件（美國(guó)Geomagic公司），Solidworks 2014（美國(guó)Dassault Systemes S.A），Abaqus 6.10（美國(guó)Dassault Systemes S.A），Rexcan CS+3D激光掃描儀（韓國(guó)首爾Solutionix公司），6.5 mm空心螺釘（Synthes公司）。

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1 股骨頸骨折三維模型的建立 將研究者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，通過Thresholding，Region Growing，Edit Masks和Calculating 3D等功能，重建出包括髂骨松質(zhì)骨，髂骨皮質(zhì)骨，股骨松質(zhì)骨和股骨皮質(zhì)骨的三維模型，然后利用Smoothing和Wrap等功能對(duì)三維模型進(jìn)行初步優(yōu)化處理，并導(dǎo)出STL格式文件。導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進(jìn)一步行光滑、網(wǎng)格劃分、輪廓探測(cè)及擬合曲面等處理，導(dǎo)出IGS格式文件。將文件導(dǎo)入Soildworks軟件，應(yīng)用拉伸切除功能，進(jìn)行股骨頸骨折的模擬，建立股骨頸骨折的三維模型，本研究對(duì)骨折線垂直股骨頸的骨折類型進(jìn)行建模，見圖1。

圖1 股骨頸骨折模擬示意圖

1.3.2 空心螺釘固定股骨頸骨折的三維模型建立應(yīng)用3D激光掃描儀掃描空心螺釘實(shí)體，建立空心螺釘?shù)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)，保存為STL格式。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design X軟件，進(jìn)入“點(diǎn)云模塊”，應(yīng)用 “過濾雜點(diǎn)”、“平滑”等功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，然后應(yīng)用“構(gòu)造曲面”功能將空心螺釘?shù)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)制作成曲面模型。再應(yīng)用Geomagic Design X軟件的曲面片模塊的“平滑”、“穴填補(bǔ)”、“面片優(yōu)化”、“包裹”等功能對(duì)空心螺釘?shù)那鏀?shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化，制作成精細(xì)的曲面數(shù)據(jù)模型。然后應(yīng)用“變換實(shí)體”把曲面數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型，見圖2，保存為IGS格式。將建立的股骨頸骨折與空心螺釘三維模型導(dǎo)入到Solidworks軟件中，進(jìn)入裝配模塊，根據(jù)手術(shù)中空心螺釘?shù)呐帕形恢?，進(jìn)行空心螺釘固定股骨頸骨折的手術(shù)模擬，建立空心螺釘固定股骨頸骨折的三維實(shí)體模型，螺釘?shù)呐帕蟹绞綖榈埂捌贰弊中停妶D3，螺釘?shù)闹踩肷疃葹楣晒穷^皮質(zhì)骨下5 mm。

圖2 空心螺釘三維實(shí)體模型

圖3 三枚空心螺釘?shù)埂捌贰弊种踩胧疽鈭D

1.3.3 空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的三維模型建立 進(jìn)入Soildworks軟件零件模塊，應(yīng)用草圖、凸臺(tái)拉伸、拉伸切除等功能，建立腓骨的三維模型。根據(jù)腓骨的生理解剖，設(shè)置同種異腓骨的參數(shù)為長(zhǎng)95 mm、外直徑12 mm、內(nèi)直徑8 mm，見圖4。將建立的股骨頸骨折、空心螺釘、腓骨三維模型導(dǎo)入到Solidworks軟件中，進(jìn)入裝配模塊，根據(jù)手術(shù)中空心螺釘和腓骨的排列位置，進(jìn)行空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的手術(shù)模擬，建立空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨固定股骨頸骨折的三維模型。螺釘和腓骨的排列方式為倒“品”字型，螺釘和腓骨的植入深度為股骨頭皮質(zhì)骨下5 mm，股骨頭壞死常發(fā)生于股骨頭的前上方，腓骨的植入位置位為倒“品”字型的左上方，見圖5。

圖4 同種異體腓骨三維實(shí)體模型

圖5 空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨倒“品”字植入示意圖，腓骨位于前上方

1.3.4 關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、肌肉三維模型的建立根據(jù)髖臼、股骨頭軟骨的厚度和關(guān)節(jié)間隙，應(yīng)用Geomagic Design X軟件建立髖臼、股骨頭軟骨三維模型。根據(jù)髖關(guān)節(jié)韌帶的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性，應(yīng)ABAQUS軟件桁架（TRUSS）模型模擬關(guān)節(jié)韌帶?；隗y關(guān)節(jié)肌肉的解剖結(jié)構(gòu)與生物力學(xué)特點(diǎn)，應(yīng)ABAQUS軟件的創(chuàng)建連接模塊的軸（Axial）模擬髖關(guān)節(jié)7條主要肌肉（大收肌、梨狀肌、臀小肌、臀中肌、長(zhǎng)收肌、闊筋膜張肌、臀大?。８鶕?jù)SVERDLOVA等［13］報(bào)道的肌力和肌肉橫斷面面積關(guān)系，估算站立位關(guān)節(jié)周圍7條肌肉的肌力大小見表1，在ABAQUS軟件進(jìn)行肌力賦值。

表1 髖關(guān)節(jié)7條主要肌肉的肌力 （N）

1.3.5 三維有限元模型的網(wǎng)格劃分與材料屬性賦值 進(jìn)入ABAQUS有限元分析軟件的“Mesh”模塊，應(yīng) 用“Seed Part Instance”、“Mesh Part Instance”等功能對(duì)上述建立的骨盆、股骨、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨、腓骨、螺釘?shù)冉M件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式模型的單元總數(shù)為627 089，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為161 869。多枚空心螺釘術(shù)式模型的單元總數(shù)為592 863，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為160 798。

進(jìn)入ABAQUS軟件的“Property”模塊，應(yīng)用“Create Material”等功能，給上述的骨盆、股骨、韌帶、軟骨的三維模型，賦予各向同性勻質(zhì)材料屬性。具體賦值如表2所示［14-18］。

表2 有限元模型的材料屬性

1.3.6 三維有限元模型的邊界條件設(shè)置與力學(xué)加載 進(jìn)入到ABAQUS軟件的“Interaction”模塊，“Create Interaction”、“Create Interaction Property”、“Create Constraint”等功能，將髂骨的骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合定義為完全約束；關(guān)節(jié)定義為無摩擦接觸（Smooth）。韌帶、肌肉與骨表面定義為捆綁（Tie）約束，植入物與宿主骨之間的接觸定義為摩擦系數(shù)為0.6的摩擦接觸，骨折斷端的接觸關(guān)系定義為摩擦系數(shù)0.46的摩擦接觸，各接觸關(guān)系見表3［19-22］。進(jìn)入到“Load”模塊，應(yīng)用“Create Load”等功能，等效于體重的地面反作用力（700 N）施加于與股骨遠(yuǎn)端捆綁（Tie）在一起的剛體平面上，模擬人體單腿站立。已賦予邊界條件的股骨頸骨折三維有限元模型，見圖6。

表3 髖關(guān)節(jié)模型各個(gè)接觸關(guān)系

圖6 股骨頸骨折三維有限元模型

2 結(jié)果

2.1 股骨頭頸部皮質(zhì)骨的應(yīng)力和位移情況

空心釘聯(lián)合腓骨術(shù)式和多枚空心釘術(shù)式固定股骨頸骨折皮質(zhì)骨最大應(yīng)力均出現(xiàn)在股骨頭皮質(zhì)的頭頂部，空心釘聯(lián)合腓骨術(shù)式最大應(yīng)力為81.38 MPa，多枚空心釘術(shù)式的最大應(yīng)力為98.00 MPa，兩者的差值為16.62 MPa，應(yīng)力云圖見圖7。空心釘聯(lián)合腓骨術(shù)式和多枚空心釘固定術(shù)式的股骨頭頸位移均從股骨頭頸上緣向下緣逐漸減小，最大位移均發(fā)生在股骨頭頸張力最大的外上緣，空心釘聯(lián)合腓骨術(shù)式最大位移為2.759 mm，多枚空心釘術(shù)式的最大位移為3.066 mm，兩者的差值為0.307 mm，位移云圖見圖8?？招穆葆斅?lián)合同種異體腓骨術(shù)式的股骨頭頸部皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力和最大位移分布位置與多枚空心螺釘術(shù)式差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但股骨頭頸部皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力和最大位移值均比多枚空心螺釘術(shù)式小。

圖7 股骨頭頸部皮質(zhì)骨應(yīng)力云圖

圖8 股骨頭頸部位移云圖

2.2 骨組織內(nèi)部和內(nèi)固定的應(yīng)力情況

應(yīng)用剖面視圖，觀察股骨頭內(nèi)部骨組織的力學(xué)變化。空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式和多枚空心螺釘術(shù)式固定股骨頸骨折的骨組織最大應(yīng)力均出現(xiàn)在骨組織的皮質(zhì)骨部位，空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式最大應(yīng)力52.76 MPa，多枚空心螺釘術(shù)式的最大應(yīng)力65.09 MPa，兩者的差值為12.33 MPa，應(yīng)力云圖見圖9?？招穆葆斅?lián)合同種異體腓骨術(shù)式內(nèi)固定的最大應(yīng)力為538.9 MPa，多枚空心螺釘術(shù)式內(nèi)固定的最大應(yīng)力為650.0 MPa，兩者的差值為111.1 MPa，兩者的應(yīng)力較大區(qū)域均出現(xiàn)在骨折斷端及內(nèi)固定的尾部，應(yīng)力云圖見圖10?？招穆葆斅?lián)合同種異體腓骨術(shù)式的骨組織內(nèi)部和內(nèi)固定的最大應(yīng)力分布位置與多枚空心螺釘術(shù)式無明顯差異，但骨組織內(nèi)部和內(nèi)固定的最大應(yīng)力值均比多枚空心螺釘術(shù)式小。

圖9 骨組織內(nèi)部應(yīng)力云圖

圖10 內(nèi)固定應(yīng)力云圖

3 討論

穩(wěn)定的股骨頸骨折內(nèi)固定構(gòu)型能有效的重建股骨頸內(nèi)部的應(yīng)力傳導(dǎo)，避免應(yīng)力集中，降低骨組織及內(nèi)固定需要承受的最大應(yīng)力。一旦發(fā)生應(yīng)力集中，骨組織和螺釘承受的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，將發(fā)生骨組織被切割和斷釘?shù)痊F(xiàn)象。

雖然空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式與多枚空心螺釘術(shù)式的股骨頭頸部皮質(zhì)的最大應(yīng)力和位移及骨組織內(nèi)部和內(nèi)固定的最大應(yīng)力分布位置無明顯差異，但空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式的股骨頭頸部皮質(zhì)的最大應(yīng)力和位移及骨組織內(nèi)部和內(nèi)固定的最大應(yīng)力均比多枚空心螺釘術(shù)式小，說明空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨內(nèi)固定構(gòu)型能更好地重建股骨近端的應(yīng)力傳導(dǎo)，使骨組織和內(nèi)固定整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相對(duì)分散，骨組織和內(nèi)固定需要承受的最大應(yīng)力更小，失效可能性低，具有更好的力學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)合以上研究結(jié)果，本研究認(rèn)為空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式固定股骨頸骨折的力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于多枚空心螺釘術(shù)式，能夠?yàn)楣晒穷i骨折愈合提供良好的力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)同種異體腓骨具有力學(xué)支撐作用及生物相容性，股骨頭壞死發(fā)生后能提供有效的力學(xué)支撐，預(yù)防股骨頭的塌陷，腓骨的生物相容性能促進(jìn)壞死的修復(fù)，因此空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式為較理想的股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)式。

本研究的優(yōu)勢(shì)：既往的髖部生物力學(xué)研究，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)三維有限元模型建立時(shí)，常常忽略關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、肌肉對(duì)關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響；也未對(duì)骨盆進(jìn)行建模，直接將力加載在股骨頭上，無法真實(shí)的反應(yīng)髖部的應(yīng)力及股骨頭的受力點(diǎn)［23］。本研究對(duì)上述問題進(jìn)行了改良，使力學(xué)結(jié)果更加接近實(shí)際，對(duì)臨床應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義。其次，以往對(duì)股骨頸骨折的力學(xué)研究著重于尋求更加穩(wěn)定的內(nèi)固定構(gòu)型，避免內(nèi)固定失效，忽略股骨頸骨折術(shù)后繼發(fā)股骨頭壞死的防治［24］。本研究應(yīng)用腓骨替代一枚空心螺釘，建立空心螺釘聯(lián)合腓骨的全新內(nèi)固定構(gòu)型，既保證了股骨頸骨折固定的力學(xué)穩(wěn)定性，股骨頭壞死發(fā)生后又能提供有效的力學(xué)支撐預(yù)防壞死股骨頭塌陷，同時(shí)解決了股骨頸骨折固定和股骨頭壞死的防治問題，本術(shù)式具有較好的臨床推廣意義。

本研究的局限性：本研究只對(duì)股骨頸骨折的一種常見類型進(jìn)行了分析，未對(duì)股骨頸骨折的各種分型進(jìn)行系統(tǒng)性的分析；同時(shí)，本研究在進(jìn)行空心螺釘聯(lián)合同種異體腓骨術(shù)式及多枚空心螺釘術(shù)式固定股骨頸骨折手術(shù)模擬時(shí)，假設(shè)股骨頸骨折已獲得理想的解剖復(fù)位，尚缺乏對(duì)未獲得解剖復(fù)位情況下生物力學(xué)穩(wěn)定性的研究，對(duì)臨床的參考尚存在一定的局限性，在進(jìn)一步的研究中，筆者將對(duì)上述內(nèi)容深入探討。