彈性髓內(nèi)釘治療兒童股骨干長(zhǎng)螺旋形骨折的生物力學(xué)分析

張娜 路露 萬(wàn)永建

0 引言

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)交通的高速發(fā)展，兒童出行大幅增長(zhǎng)，兒童股骨干骨折在臨床上愈加普遍。按照骨折形狀股骨干骨折可分為多種類型，包括橫形、螺旋形、方形、青枝骨折和粉碎性骨折。其中，長(zhǎng)螺旋形骨折是不穩(wěn)定型骨折中的一種，其骨折斜面長(zhǎng)度超過(guò)了骨折部位股骨直徑的2倍，而易于旋轉(zhuǎn)是其表現(xiàn)出的顯著特點(diǎn)。該類型骨折在臨床治療上要求能夠固定且有彈性，即彈性固定。20世紀(jì)80年代，國(guó)外學(xué)者對(duì)彈性固定技術(shù)中的彈性髓內(nèi)釘治療率先進(jìn)行報(bào)道，至今，彈性髓內(nèi)釘 (elastic stable intramedullary nail,ESIN)技術(shù)在全球范圍內(nèi)臨床實(shí)踐已超過(guò)40年，這一方法已經(jīng)被醫(yī)學(xué)界視為兒童股骨干骨折手術(shù)治療方式的最優(yōu)選[1-2]。作為彈性固定技術(shù)的典型代表，彈性髓內(nèi)釘技術(shù)憑借微創(chuàng)切口，可提供滿足實(shí)際需要的固定強(qiáng)度，且骨折部位存在微動(dòng)情況被允許，從而為骨折加速愈合提供了便利[3-6]。雖然相較于成人骨折主流手術(shù)方式或傳統(tǒng)非手術(shù)方式，彈性髓內(nèi)釘技術(shù)具有顯著的優(yōu)越性，但針對(duì)兒童股干骨長(zhǎng)螺旋形骨折臨床治療中彈性髓內(nèi)釘技術(shù)的應(yīng)用穩(wěn)定性方面，國(guó)內(nèi)外并未形成較為豐富的針對(duì)性研究。本研究擬采用有限元方法對(duì)兒童股骨干長(zhǎng)螺旋形骨折中使用彈性髓內(nèi)釘技術(shù)的置釘方式和穩(wěn)定性進(jìn)行生物力學(xué)分析，以為臨床治療提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及設(shè)備

選擇華北醫(yī)療健康集團(tuán)峰峰總醫(yī)院骨科收治的股骨干長(zhǎng)螺旋形骨折患兒40例，根據(jù)不同的ESIN 彎釘置釘方式劃分組別：A組，骨折頂點(diǎn)置釘，共23例，其中18例男生，5例女生，年齡(8.34±3.23)歲；B組，對(duì)稱置釘，共17例，其中14例男生，3例女生，年齡(8.41±3.45)歲。

手術(shù)后，在確定合理層間隔、骨組織窗掃描層厚度的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)的CT掃描，最終獲得450張CT圖片，從中提取出長(zhǎng)螺旋骨折股骨的橫斷面、冠狀面及矢狀面的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)刻錄存盤。

硬件設(shè)備包括WINDOWS7視窗 64 位操作系統(tǒng)，8G內(nèi)存，Intel Xeon E3-1200四核處理器。選擇Mimics 11.0作為醫(yī)學(xué)影像處理軟件。選擇CATIA V5作為CAD/CAE/CAM 一體化軟件。選擇Hypermesh 10.0作為有限元網(wǎng)格劃分軟件。選擇Abaqus 6.14.4作為有限元分析軟件。

1.2 彈性髓內(nèi)釘固定的有限元分析

1.2.1 股骨長(zhǎng)螺旋形骨折三維幾何模型

首先利用逆向工程法來(lái)進(jìn)行幾何建模，將模型的CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到mimics 11.0軟件中，進(jìn)行上下左右四個(gè)方位的設(shè)定。然后在Mimics 11.0軟件中設(shè)置三個(gè)窗口，顯示矢狀面、橫斷面和冠狀面圖像，借助灰度閾值工具在Segmentation 模塊中構(gòu)建骨骼蒙版，然后用區(qū)域增長(zhǎng)工具去掉無(wú)關(guān)骨骼的背景和組織，進(jìn)而生成相應(yīng)的STL格式數(shù)據(jù)。

1.2.2 彈性髓內(nèi)釘三維幾何模型

彈性髓內(nèi)釘三維數(shù)字模型的繪制借助CAD 一體化軟件來(lái)完成，構(gòu)建長(zhǎng)度為35 cm、直徑為3.5 mm、整體呈長(zhǎng)圓柱形的髓內(nèi)釘。

1.2.3 彈性髓內(nèi)釘固定的有限元分析

(1) 彈性髓內(nèi)釘預(yù)彎：將彈性髓內(nèi)釘于Abaqus中進(jìn)行預(yù)彎，其在操作上與人工類似，其原理是依靠加載的預(yù)彎力來(lái)達(dá)到彎曲內(nèi)釘?shù)男Ч?/p>

為了探討兩組預(yù)彎力施加對(duì)有限元分析的影響，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同的組別將加載的預(yù)彎力確定為兩種，轉(zhuǎn)換到計(jì)算中，即分布力不均勻的加載方式，其中A組的預(yù)彎頂點(diǎn)是骨折內(nèi)外側(cè)的骨折線，B組預(yù)彎頂點(diǎn)在內(nèi)外骨折線中點(diǎn)。兩者的預(yù)彎弧度有著相同的高度，都是34 mm。

(2) 股骨和彈性髓內(nèi)釘裝配及網(wǎng)格劃分：在有限元分析前處理軟件中導(dǎo)入繪制的股骨模型和彈性髓內(nèi)釘模型，然后執(zhí)行裝配模擬，依照臨床規(guī)范來(lái)確定進(jìn)針點(diǎn)和針頭位置。

將彈性髓內(nèi)釘、股骨兩者間設(shè)定成自由界面，不存在共用節(jié)點(diǎn)。設(shè)置股骨、髓內(nèi)釘遠(yuǎn)近兩端二者間的連接為剛性，經(jīng)網(wǎng)格劃分，兩組股骨的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)都為57 396和16 474個(gè)，見(jiàn)圖1。彈性髓內(nèi)釘?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)量和劃分網(wǎng)絡(luò)數(shù)量A組為1 967、856個(gè)，B組為1 982、843個(gè)。優(yōu)先將網(wǎng)格化完整的股骨模型導(dǎo)出，并通過(guò)重復(fù)檢驗(yàn)，確保無(wú)顛倒、翹曲和交叉的單元。

(3) 邊界條件及材料屬性：股骨為全皮質(zhì)骨模型，彈性模量、泊松比分別設(shè)為14 600 MPa和0.3。設(shè)定彈性髓內(nèi)釘為各項(xiàng)同性，泊松比和彈性模量分別設(shè)為0.3和110 GPa。

1.3 力學(xué)分析

1.3.1 模擬負(fù)重

為了模擬患兒在術(shù)后偶然發(fā)生的股骨負(fù)重，例如輕微滑倒等，需要進(jìn)行模擬負(fù)重實(shí)驗(yàn)。使用Abaqus有限元軟件進(jìn)行單足站立的載荷模擬，隨著時(shí)間推移將股骨負(fù)荷加載至股骨頭頂部10個(gè)單元上，直至加載到全部負(fù)荷。假設(shè)骨折面完全斷裂且為接觸狀態(tài)，此時(shí)摩擦系數(shù)為0.2。將股骨模型以正常人力力線放置，放置結(jié)束后形成10°的前傾角，且重心垂直線與股骨干軸線呈9°夾角。分析股骨在此載荷下應(yīng)力分布及彈性髓內(nèi)釘應(yīng)力集中部位。

1.3.2 模擬扭轉(zhuǎn)

設(shè)定模型股骨干長(zhǎng)軸與水平面垂直，股骨髁部自由度為0，并在中心節(jié)點(diǎn)位置以20° /min的速度旋轉(zhuǎn)股骨近端，旋轉(zhuǎn)角度最大是10°，就不同置釘方式下股骨旋轉(zhuǎn)的扭矩進(jìn)行觀察。

1.3.3 模擬四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

設(shè)定模型股骨干長(zhǎng)軸與水平面垂直，股骨遠(yuǎn)近兩端自由度為0。以ASTM 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為參照，確定下跨距、加載跨距、加載最大值、加載速度分別為220 mm、80 mm、5.5 N·m和0.06 mm/s；將骨折斷端的擾度設(shè)定為2 mm，記錄載荷位移。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)不同組別在靜態(tài)條件下的彈性髓內(nèi)釘應(yīng)力分布情況進(jìn)行觀察，并分析和比較以下幾個(gè)指標(biāo)：模擬負(fù)重情況下，彈性髓內(nèi)釘應(yīng)力的具體分布位置和峰值；模擬負(fù)重情況下，股骨應(yīng)力分布位置和應(yīng)力峰值；四點(diǎn)彎曲、扭轉(zhuǎn)、模擬負(fù)重位時(shí)整體力學(xué)強(qiáng)度。

2 結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證結(jié)果

如表1所示，體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)、有限元模擬加載兩者取得了相近的結(jié)果，證明有限元模型建模有效。

表1 有限元模型驗(yàn)證結(jié)果

2.2 負(fù)重時(shí)彈性髓內(nèi)釘及股骨應(yīng)力分布情況

模擬負(fù)重位狀態(tài)下兩組釘?shù)膽?yīng)力分布見(jiàn)圖2，可見(jiàn)其間在應(yīng)力分布上存在著明顯的差異。其中，A組釘?shù)膽?yīng)力分布主要集中在內(nèi)皮質(zhì)接觸點(diǎn)和釘遠(yuǎn)近止點(diǎn)之間，并于外側(cè)釘尾處出現(xiàn)應(yīng)力的極值，而B組釘?shù)膽?yīng)力分布主要存在于骨折線附近，且于內(nèi)側(cè)釘折彎頂點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力的極值。模擬負(fù)重位狀態(tài)下股骨的應(yīng)力分布見(jiàn)圖3，兩組應(yīng)力的峰值有著一致的部位，均是髓內(nèi)釘和骨的接觸處，且在應(yīng)力分布的均勻程度上，A組骨折接觸面相較于B組要更加均勻。

圖2 模擬負(fù)重時(shí)彈性髓內(nèi)釘應(yīng)力分布

圖3 模擬負(fù)重時(shí)股骨應(yīng)力分布

2.3 組裝后數(shù)字模型模擬加載后各向剛度結(jié)果

兩組置釘方式下在模擬加載之后的股骨剛度見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，A組用了“骨折頂點(diǎn)置釘+尾帽”方式，提升了在抗內(nèi)翻、壓縮和抗反屈的能力。在抗股骨旋轉(zhuǎn)能力上，內(nèi)旋剛度由0.07提高到0.19 N·m/(°)，外旋剛度由0.13提高到0.24 N·m/(°)，分別有了171%和85%的提升。

表2 模擬加載后兩組模型各向剛度(單位：N·m/mm)

彈性髓內(nèi)釘通過(guò)釘與髓腔內(nèi)壁皮質(zhì)的摩擦力來(lái)防止旋轉(zhuǎn)，骨折頂點(diǎn)置釘?shù)姆绞教岣吡藦椥运鑳?nèi)釘與髓腔內(nèi)皮質(zhì)的應(yīng)力，其是提高抗旋轉(zhuǎn)能力的主要原因。

3 討論及結(jié)論

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，其已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在骨與關(guān)節(jié)的力學(xué)性質(zhì)分析上[7]，而對(duì)骨折創(chuàng)傷方面的研究也集中在成人的手術(shù)方式上[8-9]，鮮有針對(duì)兒童股骨骨折臨床治療中彈性髓內(nèi)釘應(yīng)用的研究。本文正是著眼于兒童最優(yōu)的置釘方式來(lái)開(kāi)展的，通過(guò)模擬負(fù)重實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，在選擇骨折頂點(diǎn)作為置釘位置的情況下，釘尾和股骨遠(yuǎn)端皮質(zhì)接觸部位之間會(huì)形成更為顯著的應(yīng)力作用，A組釘?shù)膽?yīng)力分布主要集中在內(nèi)皮質(zhì)接觸點(diǎn)和釘遠(yuǎn)近止點(diǎn)之間，而且應(yīng)力極值出現(xiàn)在了外側(cè)釘尾，這是可以通過(guò)添加尾帽得以改善的，而B組則無(wú)法改善應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置。在股骨應(yīng)力方面，經(jīng)彈性髓內(nèi)釘治療之后呈現(xiàn)出了較為均勻的應(yīng)力分布，這在很大程度上確保了骨折復(fù)位之后能夠獲得較好的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，當(dāng)置釘位置選擇在骨折頂點(diǎn)進(jìn)行時(shí)，骨折線周圍應(yīng)力的分布較為均勻，這對(duì)于局部骨痂和良好塑性的形成都有著積極影響，且不會(huì)因較高的局部應(yīng)力而造成再骨折或骨質(zhì)壓縮情況的出現(xiàn)。扭轉(zhuǎn)和彎曲實(shí)驗(yàn)是對(duì)足部軸向部分受力情況下髓內(nèi)釘、股骨的受力情況進(jìn)行分析。模型在前后、后前、外內(nèi)、內(nèi)外、外旋和內(nèi)旋剛度上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Kaiser 等[10]的研究結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，有限元分析結(jié)果可為臨床治療兒童骨折提供參考。兒童股骨干長(zhǎng)螺旋形骨折應(yīng)用彈性髓內(nèi)釘在進(jìn)行固定時(shí)，骨折頂點(diǎn)置釘+尾帽相較于對(duì)稱置釘?shù)姆绞接兄玫男阅埽饕憩F(xiàn)在抗旋轉(zhuǎn)、抗反屈、抗壓縮和抗內(nèi)翻上，且形成了股骨斷端間更加均勻的受力。