两种不同方式固定EvansⅢ型股骨粗隆间骨折稳定性的有限元分析

吴锋 叶劲 邹仲兵

两种不同方式固定EvansⅢ型股骨粗隆间骨折稳定性的有限元分析

吴锋 叶劲 邹仲兵

目的通过有限元方法对EvansⅢ型股骨粗隆间骨折的动力髋螺钉(DHS)和髓内钉固定技术进行对比评价,判断何种技术生物力学更稳定,为临床应用提供理论依据。方法以EvansⅢ型股骨粗隆间骨折为研究对象建立有限元模型模拟单脚站立时的受载情况,对两种不同固定技术分别进行有限元计算。结果DHS系统固定,其抗张力性能和抗阻力与髓内钉组相当,而抗压力性能明显差于髓内钉组,其结构稳定性差。结论DHS系统固定时,其结构稳定性比髓内钉系统差,建议临床考虑使用髓内钉系统。

股骨粗隆间骨折；动力髋螺钉；髓内钉；生物力学；有限元分析

随着老龄化社会的到来,股骨粗隆间骨折患者越来越多。股骨粗隆间骨折多发生于65岁以上的老年人,由于老年人多伴高血压、糖尿病、骨质疏松症等,给骨科的临床治疗带来困难。股骨粗隆间骨折若未得到有效的治疗,容易留下髋内翻、肢体缩短等后遗症,甚至因长期卧床而发生肺部感染、泌尿系感染等并发症。目前对股骨粗隆间骨折多主张早期手术治疗[1］。对于不稳定型股骨粗隆间骨折,到底是采用DHS技术还是髓内钉系统,哪种生物力学更为稳定,目前仍然在探讨中。本文采用有限元分析方法从生物力学角度评估DHS技术与髓内钉系统固定不稳定型股骨粗隆间骨折的效果,报告如下。

1 临床资料

选择临床患者1例,男,65岁,体重60 kg。经得患者同意参与本试验,行X线排除股骨病变、畸形等情况。对其股骨进行飞利浦双排螺旋CT扫描,每层厚度为1 mm,取得150层,将DICOMG格式的CT数据导入图像处理软件Mimics中,通过阈值分析、像素修补、光滑处理,得到骨皮质、骨松质的股骨三维实体模型。根据EvansⅢ型三部分骨折对股骨粗隆间进行分割,造成股骨粗隆间骨折EvansⅢ型,得到模型M,根据滑动加压角钢板(DHS系统)及髓内钉设计参数在股骨三维模型软件中进行建模。然后将DHS系统置入粗隆间骨折行布尔运算,得到模型B1,髓内钉系统置入股骨粗隆间骨折进行布尔运算得到模型B2。将模型B1、B2防备导入有限元分析软件ABAQUS中。进行四面体的网路划分,然后参照相关文献对材料赋值,皮质骨弹性模量16.1 GPa,泊松比为0.3；松质骨的弹性模量为450 MPa,泊松比为0.2。假设内固定与股骨的接触牢靠,不发生松动及移位,骨折端磨察参数为0.2。对于股骨下端零移位约束,假定患者60 kg,单足站立着地,给予股骨头2000 N的压力,分别在与股骨干成角25°、90°的压力下进行分析。判定两种内固定的稳定性。设定股骨头最大横向移位为U1,最大纵向移位为U2,最大下沉移位为U3,骨折端移位为L,其中U1、U2为反映固定系统抗张力及抗扭力,U3、L为反映固定系统抗压力。

2 结果

纳入本次研究符合要求的患者20例,取得大致相同的结果。与股骨干分别成角25°及90°,两者的U1及U2相比相差不大,而U3及L DHS系统明显高于髓内钉系统。而在压力作用下四组数据比较,DHS系统均高于髓内钉系统。见图1,图2,图3。

图1 25°作用下不同固定生物力学稳定性的比较

图2 90°作用下不同固定生物力学稳定性的比较

图3 压力作用下不同固定生物力学稳定性的比较

3 讨论

有限元法是对连续体力学及物理问题的一种新的数值求解方法[2］,随着目前计算机技术的发展,越来越多技术应用于骨科领域,同样有限元也被广泛应用于骨科领域,并取得一定的效果。在临床上,对于不稳定型股骨粗隆间骨折较常见,如EvansⅢ型骨折,治疗上常需使用伸缩套管样内固定器如髋加压螺钉或顺行髓内钉来达到解剖复位及固定。何种内固定装置较好仍有争议,多数学者认为髓内钉系统比钉板系统更稳定,尤其是对不稳定型转子间骨折更具优势[3］,与标准的髋加压螺钉系统相比,髓内钉有更好的生物力学优势,置入时暴露少,出血也较少,还可以对更加粉碎的骨折提供稳定的解剖固定,但Gamma髓内钉组在钉尾处股骨干继发骨折的发生率为3%～6%[4］。权日等[5］认为,DHS已成为治疗股骨转子间骨折的一个标准内固定物,对于稳定的股骨粗隆间骨折如EvansⅠ型,临床上采用DHS系统或髓内钉系统,髓内钉系统以Gamma钉及PFNA为代表,两种固定的疗效相差不大。而对于不稳定型股骨粗隆间骨折如EvansⅢ型,本次研究得出数据为无论在与股骨干成25°、90°甚至在压力下,股骨头的最大下沉及骨折端移位的数据,DHS系统均高于髓内钉系统。说明髓内钉系统的稳定性比DHS系统的较好。分析原因∶人体负重时,股骨近端内侧承受压力,外侧承受张力,重力为内侧皮质向下传导,DHS的重力从股骨近端内侧向远端外侧传导,而髓内钉的重力主要传导至远端锁定钉处。作用在DHS上的垂直力以及螺钉体部与套筒接触面积减少,均可提高摩擦阻力,从而引起螺钉在套筒内阻塞,DHS于螺钉在套筒内阻塞形成钉板系统固定,导致在股骨颈内发生移位,再加上DHS系统为一枚螺钉固定粗隆间骨折,在不同角度下股骨颈呈旋转不稳定,从而使螺钉受力位置发生改变,股骨头将发生横向、纵向下沉移位较多,而PFNA髓内钉为一枚绞刀,无需扩孔,不造成骨质的丢失,对于骨质疏松患者十分有利,而且钉与髓内针锁定,绞刀螺纹深粗大,把持力稳定及具有防剪切力强的特点,其抗压力比鹅头钉效果好。因此DHS系统固定下的股骨头位移明显大于髓内钉系统。其次,髓内钉系统具有一定的生物力学优势,因髋关节距离髓内钉系统较DHS近[6］,故其力臂短,弯矩小,可明显降低钉棒结合处的张应力及压应力,符合生物力学负重的力线,所以当身体负重后抗弯力压力能力比DHS系统要好,可提供更坚强的固定。

综上所述,对于EvansⅢ型股骨粗隆间骨折,DHS内固定系统的稳定性差于髓内钉系统,建议临床上对于EvansⅢ型股骨粗隆间骨折,优先考虑使用髓内钉系统固定。

[1]Huiskes R.On the modeling of long bones in structural analyses.J Biomech,1982,15(1):65-69.

[2]Goldhahn J,Suhm N,Goldhahn S,et al.Influence of osteoporosis on fracture fixation-a systematic literature review.Osteoporosis International,2008,19(6):761-772.

[3]Sadowski C,Lubbeke A,Saudan M,et al.Treatment of reverse oblique and transverse intertrochancteric fractures with use of an intramedullary nail or a 95°screw plate: a prospective,randomized study.J Bone Joint Surg(Am),2002,84(3):372-381.

[4]Canale ST,Beaty JH.坎贝尔骨科手术学.王岩,译.第11版.北京:人民军医出版社,2009:276-278.

[5]权日,徐国洲,尹庆水,等.股骨转子间骨折治疗分析.中华创伤杂志,2001,17(12):713-714.

[6]Jones HW,Johnston P,Parker M.Are short femoral nails superor to the slkling hip screw? A mera-analysis of 24 studies involving 3279 fractures.Int Orthop,2006,30(2):325-328.

Finite element analysis of stability by two different methods in Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture fixation

WU-feng,YE Jin,ZOU Zhong-bing.Department of Orthopedics,Guangdong Yunfu City People’s Hospital,Yunfu 527300,China

ObjectiveTo comparatively evaluate dynamic hip screw (DHS) and intramedullary nail by finite element analysis in Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture fixation,to judge superiority of biomechanical stability in the two methods,and to provide theoretical reference for clinical application.MethodsFinite element model was established by Evans Ⅲ femoral intertrochanteric fracture patients for simulation of loaded condition on one leg.Finite element calculation was made on the two difference fixation methods.ResultsDHS fixation had the similar tension resistance and anti-resistance with intramedullary nail,while it had obviously worse compressive resistance than intramedullary nail.DHS fixation had poor structure stability.ConclusionDHS fixation has worse structure stability than intramedullary nail.Thus it is recommended to apply intramedullary nail for fixation.

Femoral intertrochanteric fracture; Dynamic hip screw; Intramedullary nail; Biomechanics; Finite element analysis

2015-05-27］

∶二种方式固定股骨粗隆间骨折稳定性的有限元分析(项目编号∶2012B19)

∶527300 广东省云浮市人民医院骨科

DOI∶10.14164/j.cnki.cn11-5581/r.2015.17.004