股骨颈骨折内固定方式优选方法研究

王沫楠+高键+徐雯雯+张凯

摘要：为了避免在股骨颈骨折手术中人为选择內固定方式产生的不良后果，满足用PC机优选內固定方式的需要，从生物力学的角度出发，基于有限元法开发了集合前处理、求解、后处理于一体的股骨颈骨折内固定方式优选程序，目的是将最优固定效果下的紧固螺钉数量、內固定角度及组合方式提供给医生施术，该系统在分析了股骨与载荷之间的力学关系的基础上，运用参数化的思想，建立个体化的股骨有限元模型和骨折內固定模型，井应用有限元法进行模型解算，得到相应内固定方式下的股骨头下沉位移、股骨头横向位移、股骨头扭转位移、股骨头总位移及骨折面之间最大断裂位移的解算结果，并根据评价算法优选出最合理的內固定方案.为临床选择内固定方式提供有效的定量参考。

关键词：股骨颈骨折；有限元法；面向对象；参数化

DOI：10.15938/j.hust.2016.01.001

中图分类号：TP301 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2016）01-0001-05

0引言

股骨颈骨折的治疗分为保守治疗和手术治疗两种，鉴于保守治疗的骨不合率约为48%，发生股骨头坏死的概率约为34%，因此现代骨科多提倡积极的手术治疗.手术治疗通常分为骨折复位、内固定方式选择、穿钉施术这三个阶段.整个手术过程中除了操作手法由医生把握外，内固定方式的选择也是完全凭借医生的经验，常常忽略力学结构的合理性且不可重复.股骨颈骨折手术治疗过程中，内固定方式的选择是其中唯一的可控变量，也是在医生施术手法娴熟的前提下，唯一制约术后效果的关键因素.所以，选择最合理的内固定方式是穿钉施术成功的根本保障，本文以股骨颈骨折内固定方式优选为目标，将医生的操作与理论分析相结合，从工程学的角度提出一个可供医生操作的优选系统.该系统基于有限元法解算出个体化骨折情况下，内固定方式的术后骨折部位的应力、应变数据结果，辅助医生优选出最合理的内固定手术方案.

1股骨颈骨折固定方式优选系统方案设计

1.1设置骨折类型与内固定方式

紧固螺钉数量、穿钉角度、螺钉的组合方式这三者排列组合后形成了多种内固定方式.本系统以股骨颈骨折情况中最常见的经颈型骨折为研究对象，按照临床治疗方法，将骨折角度（0）设置从30°～70°公差为10°的5种情况；将穿钉角度（B）设置从30°～70°公差为10°的5种情况；紧固螺钉数量的选择为1～3；将组合方式设置为单钉、2钉斜放、2钉竖放、2钉平放、3钉正放、3钉倒放的5组合方式.

1.2参数化的有限元三维建模方式

将骨视为弹性体，并遵守线弹性理论.将CT数据读入医学软件，建立精确的股骨三维模型，应用圣维南定理对研究对象进行有效的简化，确保应用弹性力学的方法来解决实际问题时的有效性.对于股骨来说，由于实际受力环境复杂，根据Scige等提出的较精确的股骨力学模型，可知在典型的单腿站立位时，股骨受到的力合成后划分为3种：关节反力R、臀肌肌群力M、骼胫束肌力T.

为了实现参数化的建模方式，在有限元语言中将颈干角b、股骨头的直径d、股骨颈的长度1，股骨干的直径d₁等患者的解剖学参数应用*SET函数设置为可变参数，具体的值根据患者的CT图像测量得到，由界面输入，传递至有限元代码中，形成参数化的有限元代码文件.

1.3有限元解算

应用有限元解算时本文提出下列假设：

1）解算起始点设定为骨折部位刚刚完成复位和内固定，骨的愈合过程还未开始；

2）应用圆柱形螺钉固定骨折部位，并假设螺钉与骨质之间是紧密结合的；

3）假设圆柱螺钉不会发生断裂，其强度足够；

4）根据骨本身的粗糙情况，设定螺钉与骨之间的摩擦系数为0.8.

1.4设置判定准则

因为患者施术后只能进行轻微的活动如缓慢行走等，这是一个近似静力分析的过程，本文考虑其中的单腿站立位.根据生物力学原理和AO准则，从下列参数人手：

1）股骨头的位移变化：在单腿站立的情况下，股骨头上将受到载荷的作用，产生位移，有X方向上反映骨折面抗张力性能和骨折面结合牢固性的横向位移UX、Y方向上的反映结构稳定性的下沉位移UY、Z方向上的反映抗扭性的扭转位移UZ.这三个方向的位移值越小表明固定方式越好，结构的抗变形能力越强，固定的越牢固。为了综合评价这3个方向上的位移情况，设置一个判断标准US表示3个方向上的合成位移，U3越小稳定性越好.

2）骨折面的最大断裂位移：股骨近端是一种类似悬臂梁的结构，在外载荷的作用下上侧受拉应力，下侧受压应力.假设骨折面完全断裂，因此在载荷的作用下会产生一定量的断裂位移，这个位移DS通过测量骨折处的两个节点之间的距离得到.DS是反映固定结构的抗弯性，其值越小抗弯性越好。

首先按照U3排序选择出最优U5结果对应的内固定方式，其余内固定方式的US值与其的比例关系是1.047以内，先选出来，比较每种情况下的DS值与最优DS值之间的比例是否在1.17以内，若在，那么以U3最优结果内固定方式为最优选项，若不在则排除该情况，然后将该种比较方法形成C++算法，供系统优选，最终形成的评价准则见表1.

2股骨颈骨折内固定方式优选系统建立

2.1股骨颈骨折内固定方式优选系统程序设计

步骤1 编写Visual C++与有限元参数化语言之间的通信代码，将用户界面上搜集的信息传递至有限元代码中实现建模、解算、结果实时显示、后处理结果显示的功能.

步骤2 根据获取的患者信息，如前倾角、颈干角、股骨头直径等，将这些信息通过步骤1的代码传递至有限元代码中对应的可变参数，建立参数化的股骨三维模型.

步骤3 依据患者的病史信息，考虑到患者可能对内固定方式产生影响的疾病，如骨质疏松症.若患者有这种骨质疏松的情况，根据文献提醒用户在误差10′的范围内优先选择单钉的固定方式.