【醫(yī)學(xué)應(yīng)用】股骨近端改進(jìn)型解剖鋼板的有限元分析和生物力學(xué)測試

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要

目的:從生物力學(xué)的角度驗(yàn)證改進(jìn)型解剖鋼板(MAP)的性能是否與股骨近端髓內(nèi)釘(PFN)、解剖鋼板(AP)和動(dòng)力髖螺釘(DHS)類似。

材料與方法:使用有限元分析和生物力學(xué)測試評價(jià)PFN、DHS和AP、MAP的性能,完成股骨建模,使用參數(shù)分析的方法評估結(jié)果。

結(jié)果:有限元分析和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)均表明:軸向載荷小于等于400N時(shí),骨折線處的應(yīng)力大小順序是PFN>AP>MAP>DHS(p < 0.05),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。軸向載荷大于等于400N時(shí),AP和DHS在骨折線處產(chǎn)生的應(yīng)力幾乎只有MAP和PFN的一半(p > 0.5),差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。軸向載荷1000N時(shí),DHS在骨折線處的應(yīng)力最大(p < 0.05),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)論:MAP的生物力學(xué)特性與PFN相似,在骨折處和股骨近端產(chǎn)生最適宜的載荷。有限元方法和生物力學(xué)測試揭示了MAP的特性與髓內(nèi)固定和髓外固定的特點(diǎn)均有關(guān),雖然載荷是以髓外刺激的方式施加的。

前言

股骨近端骨折是一種嚴(yán)重的創(chuàng)傷,有可能永久致殘,臥床會(huì)并發(fā)肺炎、肺栓塞、褥瘡甚至導(dǎo)致死亡。髖部骨折在行手術(shù)治療之前幾乎無法行走。治療這些骨折可以采用各種髓內(nèi)/髓外的固定方式,如DHS、解剖鋼板和PFN等。然而,在治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí),選用何種植入物還未達(dá)成共識(shí)。

雖然DHS廣泛用于股骨近端骨折的固定,但是也有如下缺點(diǎn):(a)大轉(zhuǎn)子外移; (b)股骨的過度短縮;(c) 股骨內(nèi)移等。解剖鋼板設(shè)計(jì)的初衷是為了克服DHS的局限性,更加均勻的分配股骨近端和軸向承受的載荷。然而,AP的使用經(jīng)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)并沒有達(dá)到均勻分配股骨近端載荷的效果。由于AP的厚度小,在固定不穩(wěn)定骨折時(shí)經(jīng)常難以承受形變應(yīng)力。此外,如果骨折線處有異物嵌塞,AP近端的三枚螺釘非常容易發(fā)生失效。

為了克服DHS和AP設(shè)計(jì)的生物力學(xué)缺陷,作者采用如下方案改進(jìn)了AP的設(shè)計(jì):(a) 增加了骨板的厚度以增強(qiáng)其承受載荷的能力;(b) 在近端三枚螺釘孔的下部開槽;(c) 在松質(zhì)骨螺釘?shù)念^部增加螺紋。上部的兩個(gè)孔允許用松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行任意角度的固定,螺釘頭部和近端三個(gè)帶螺紋孔形成了128°固定角度的骨板-螺釘鎖定系統(tǒng)。這些改進(jìn)措施避免了骨折端加壓后植入物的松動(dòng),同時(shí)有利于恢復(fù)生物力學(xué)的傳導(dǎo)。

有限元模型對于理解髖部骨折的根本原因和機(jī)制有很大的幫助,然而,在考慮其臨床適用性之前必需經(jīng)過徹底的有效性驗(yàn)證。研究目標(biāo)是:(i) 對于股骨轉(zhuǎn)子間骨折,MAP是否能夠通過骨折線傳導(dǎo)軸向載荷;(ii) 如何利用有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法比較AP、DHS和PFN的生物力學(xué)性能。

材料和方法

本研究選取三例成年男性患者,均為右側(cè)股骨31-A1型股骨轉(zhuǎn)子間骨折,傷前均無肌肉骨骼疾病史,股骨的解剖學(xué)和X線檢查結(jié)果正常,無骨關(guān)節(jié)炎及畸形。股骨CT掃描圖像在X/Y軸方向的層距為0.74mm,Z軸方向0.7mm,采用3D-doctor進(jìn)行截面重建,ANSYS workbench 10.0建立三維實(shí)體模型。

Bergmann等在不同的載荷條件下分別建立了正常的股骨和四種植入物(AP、MAP、DHS和PFN)的有限元模型。AP、MAP和DHS的材質(zhì)為316L不銹鋼,PFN的材質(zhì)為鈦合金。由于作用在股骨頭上的載荷差異很大,本研究中采用了Bergmann定義的股骨坐標(biāo)系統(tǒng)。股骨頸的軸線通過股骨頭的中心,同時(shí)也是關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。在模擬作用到髖關(guān)節(jié)的載荷時(shí)使用了行走時(shí)的站立態(tài),在這類模型中,外展肌在轉(zhuǎn)子上施加1700N的拉力,髂腰肌施加771N的拉力,合力為2460N。施加載荷后運(yùn)行有限元分析軟件,求解器會(huì)在劃分網(wǎng)格后在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處計(jì)算Von Mises應(yīng)力值,單位為MPa。在分析過程中,股骨采用均勻的、各項(xiàng)同性的彈性體材料建模,模型中包括骨折線以便計(jì)算該處的應(yīng)力。

在生物力學(xué)測試中,將力學(xué)性能接近人骨的cestamide材料制成直徑125px、長度1000px的圓柱體以模擬近端股骨。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn),在股骨轉(zhuǎn)子間的位置制作10mm寬的骨折線,置入壓力傳感器模擬骨折線上的載荷。

模型固定在材料試驗(yàn)裝置后,施加角度為6度的軸向載荷模擬力學(xué)軸線,軸向載荷以100N的步長從0N逐步增加到1000N。對于每種類型的植入物,制備7個(gè)Cestamide材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

實(shí)驗(yàn)中的自變量為植入物的種類(n=4)和軸向載荷(0N-1000N,步長100N),因變量為股骨轉(zhuǎn)子間骨折線處的載荷。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 11.5軟件進(jìn)行處理。

結(jié)果

在正常股骨模型的有限元分析中,前、后、內(nèi)、外、后內(nèi)側(cè)的平均應(yīng)力分布分別為21.4、23.2、21.7、24.2和22.8MPa,沿骨折線的平均應(yīng)力為27.4MPa。DHS骨折線處應(yīng)力增加的最快,PFN增加的最慢。

在生物力學(xué)試驗(yàn)中,骨折線處的載荷測量表明AP和DHS系統(tǒng)的載荷值最高,PFN的載荷值最低。當(dāng)載荷超過500N時(shí),DHS和AP產(chǎn)生近乎平行的曲線和非常相近的結(jié)果。MAP在骨折線處的載荷低于DHS和AP,但要略高于PFN。軸向載荷小于等于400N時(shí),有限元分析和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)在骨折線處都得到了更高的載荷值,壓力由大到小分別是PFN,MAP,DHS和AP。軸向載荷大于等于500N時(shí),AP和DHS產(chǎn)生的壓力與MAP和PFN相比幾乎降低了50%。軸向載荷1000N時(shí),DHS在骨折線處產(chǎn)生的載荷值最大。

討論:

MAP適用于轉(zhuǎn)子間和轉(zhuǎn)子下骨折,有如下優(yōu)點(diǎn):1. 鋼板近端三枚不同方向的螺釘,滿足骨折形態(tài);2. 根據(jù)骨折線的形態(tài)選擇不同螺紋長度的松質(zhì)骨釘,16mm, 32mm或全螺紋螺釘;3. 三枚松質(zhì)骨螺釘形成三維固定;4. 小骨折塊簡單復(fù)位;5. 近端小骨塊的穩(wěn)定固定;6. 無需額外的器械;7. 鋼板分左右,有不同的長度規(guī)格。

MAP的屈服強(qiáng)度位于PFN與DHS之間。骨折線上的應(yīng)力在虛擬的和真實(shí)的環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

目前的研究還存在一定的局限性。首先,不同骨組織的材料過度簡化,皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨模型均被設(shè)置為均勻的和同源性材料,而實(shí)際上這些組織是非同源的和不均勻的;其次,研究中沒有考慮到髖關(guān)節(jié)周圍的軟組織的特性。這些差異可能會(huì)影響到骨折的定位以及骨折處的最大壓力值。

當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子間骨折時(shí),使用植入物進(jìn)行內(nèi)固定時(shí),MAP在骨折線處產(chǎn)生的應(yīng)力與正常股骨非常接近,這說明使用MAP能夠在骨折線處傳導(dǎo)應(yīng)力,并且不會(huì)影響正常的生理載荷。AP、DHS和PFN會(huì)導(dǎo)致骨折線處的應(yīng)力增加,其中DHS增加的最大。

在生物力學(xué)試驗(yàn)中,AP和DHS系統(tǒng)在骨折線處產(chǎn)生的載荷最大,兩者具有幾乎相同的載荷值,而PFN系統(tǒng)的載荷最小,MAP的結(jié)果與PFN相近。這樣看來,PFN應(yīng)該是最適合的植入物。然而,考慮到MAP采用的是髓外固定的方式而PFN是髓內(nèi)固定,PFN具有更小的短柄內(nèi)翻力矩,MAP應(yīng)該是最適合的植入物,因?yàn)槠涓苯拥某休d載荷。

研究表明,相比其他植入物,MAP的生物力學(xué)特性與PFN最為接近,MAP可以作為股骨近端骨折治療的標(biāo)準(zhǔn)手段,而不僅僅是一種備選方案。MAP是治療股骨近端骨折的可靠方法,而且其操作簡單,價(jià)格低廉。

原始標(biāo)題:Performance of modi?ed anatomic plates iscomparable to proximal femoral nail, Dynamic hip screw and anatomic plates:Finite element and biomechanical testing

作者:O.FuadOken, ZaferSoydan, A.OzgurYildirim,MuratGulcek, KorhanOzlu, AhmetUcaner

出處:Injury. 42: pages 1077-83, 2011.

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