弹性髓内钉治疗儿童股骨干长螺旋形骨折的生物力学分析

张娜 路露 万永建

0 引言

随着我国城乡交通的高速发展，儿童出行大幅增长，儿童股骨干骨折在临床上愈加普遍。按照骨折形状股骨干骨折可分为多种类型，包括横形、螺旋形、方形、青枝骨折和粉碎性骨折。其中，长螺旋形骨折是不稳定型骨折中的一种，其骨折斜面长度超过了骨折部位股骨直径的2倍，而易于旋转是其表现出的显著特点。该类型骨折在临床治疗上要求能够固定且有弹性，即弹性固定。20世纪80年代，国外学者对弹性固定技术中的弹性髓内钉治疗率先进行报道，至今，弹性髓内钉 (elastic stable intramedullary nail,ESIN)技术在全球范围内临床实践已超过40年，这一方法已经被医学界视为儿童股骨干骨折手术治疗方式的最优选[1-2]。作为弹性固定技术的典型代表，弹性髓内钉技术凭借微创切口，可提供满足实际需要的固定强度，且骨折部位存在微动情况被允许，从而为骨折加速愈合提供了便利[3-6]。虽然相较于成人骨折主流手术方式或传统非手术方式，弹性髓内钉技术具有显著的优越性，但针对儿童股干骨长螺旋形骨折临床治疗中弹性髓内钉技术的应用稳定性方面，国内外并未形成较为丰富的针对性研究。本研究拟采用有限元方法对儿童股骨干长螺旋形骨折中使用弹性髓内钉技术的置钉方式和稳定性进行生物力学分析，以为临床治疗提供依据。

1 研究方法

1.1 数据来源及设备

选择华北医疗健康集团峰峰总医院骨科收治的股骨干长螺旋形骨折患儿40例，根据不同的ESIN 弯钉置钉方式划分组别：A组，骨折顶点置钉，共23例，其中18例男生，5例女生，年龄(8.34±3.23)岁；B组，对称置钉，共17例，其中14例男生，3例女生，年龄(8.41±3.45)岁。

手术后，在确定合理层间隔、骨组织窗扫描层厚度的基础上进行连续的CT扫描，最终获得450张CT图片，从中提取出长螺旋骨折股骨的横断面、冠状面及矢状面的相关数据，并将数据刻录存盘。

硬件设备包括WINDOWS7视窗 64 位操作系统，8G内存，Intel Xeon E3-1200四核处理器。选择Mimics 11.0作为医学影像处理软件。选择CATIA V5作为CAD/CAE/CAM 一体化软件。选择Hypermesh 10.0作为有限元网格划分软件。选择Abaqus 6.14.4作为有限元分析软件。

1.2 弹性髓内钉固定的有限元分析

1.2.1 股骨长螺旋形骨折三维几何模型

首先利用逆向工程法来进行几何建模，将模型的CT扫描数据导入到mimics 11.0软件中，进行上下左右四个方位的设定。然后在Mimics 11.0软件中设置三个窗口，显示矢状面、横断面和冠状面图像，借助灰度阈值工具在Segmentation 模块中构建骨骼蒙版，然后用区域增长工具去掉无关骨骼的背景和组织，进而生成相应的STL格式数据。

1.2.2 弹性髓内钉三维几何模型

弹性髓内钉三维数字模型的绘制借助CAD 一体化软件来完成，构建长度为35 cm、直径为3.5 mm、整体呈长圆柱形的髓内钉。

1.2.3 弹性髓内钉固定的有限元分析

(1) 弹性髓内钉预弯：将弹性髓内钉于Abaqus中进行预弯，其在操作上与人工类似，其原理是依靠加载的预弯力来达到弯曲内钉的效果。

为了探讨两组预弯力施加对有限元分析的影响，本实验根据不同的组别将加载的预弯力确定为两种，转换到计算中，即分布力不均匀的加载方式，其中A组的预弯顶点是骨折内外侧的骨折线，B组预弯顶点在内外骨折线中点。两者的预弯弧度有着相同的高度，都是34 mm。

(2) 股骨和弹性髓内钉装配及网格划分：在有限元分析前处理软件中导入绘制的股骨模型和弹性髓内钉模型，然后执行装配模拟，依照临床规范来确定进针点和针头位置。

将弹性髓内钉、股骨两者间设定成自由界面，不存在共用节点。设置股骨、髓内钉远近两端二者间的连接为刚性，经网格划分，两组股骨的网格和节点都为57 396和16 474个，见图1。弹性髓内钉的节点数量和划分网络数量A组为1 967、856个，B组为1 982、843个。优先将网格化完整的股骨模型导出，并通过重复检验，确保无颠倒、翘曲和交叉的单元。

(3) 边界条件及材料属性：股骨为全皮质骨模型，弹性模量、泊松比分别设为14 600 MPa和0.3。设定弹性髓内钉为各项同性，泊松比和弹性模量分别设为0.3和110 GPa。

1.3 力学分析

1.3.1 模拟负重

为了模拟患儿在术后偶然发生的股骨负重，例如轻微滑倒等，需要进行模拟负重实验。使用Abaqus有限元软件进行单足站立的载荷模拟，随着时间推移将股骨负荷加载至股骨头顶部10个单元上，直至加载到全部负荷。假设骨折面完全断裂且为接触状态，此时摩擦系数为0.2。将股骨模型以正常人力力线放置，放置结束后形成10°的前倾角，且重心垂直线与股骨干轴线呈9°夹角。分析股骨在此载荷下应力分布及弹性髓内钉应力集中部位。

1.3.2 模拟扭转

设定模型股骨干长轴与水平面垂直，股骨髁部自由度为0，并在中心节点位置以20° /min的速度旋转股骨近端，旋转角度最大是10°，就不同置钉方式下股骨旋转的扭矩进行观察。

1.3.3 模拟四点弯曲实验

设定模型股骨干长轴与水平面垂直，股骨远近两端自由度为0。以ASTM 标准协议为参照，确定下跨距、加载跨距、加载最大值、加载速度分别为220 mm、80 mm、5.5 N·m和0.06 mm/s；将骨折断端的扰度设定为2 mm，记录载荷位移。

1.4 评价指标

对不同组别在静态条件下的弹性髓内钉应力分布情况进行观察，并分析和比较以下几个指标：模拟负重情况下，弹性髓内钉应力的具体分布位置和峰值；模拟负重情况下，股骨应力分布位置和应力峰值；四点弯曲、扭转、模拟负重位时整体力学强度。

2 结果

2.1 模型验证结果

如表1所示，体外生物力学实验、有限元模拟加载两者取得了相近的结果，证明有限元模型建模有效。

表1 有限元模型验证结果

2.2 负重时弹性髓内钉及股骨应力分布情况

模拟负重位状态下两组钉的应力分布见图2，可见其间在应力分布上存在着明显的差异。其中，A组钉的应力分布主要集中在内皮质接触点和钉远近止点之间，并于外侧钉尾处出现应力的极值，而B组钉的应力分布主要存在于骨折线附近，且于内侧钉折弯顶点处出现应力的极值。模拟负重位状态下股骨的应力分布见图3，两组应力的峰值有着一致的部位，均是髓内钉和骨的接触处，且在应力分布的均匀程度上，A组骨折接触面相较于B组要更加均匀。

图2 模拟负重时弹性髓内钉应力分布

图3 模拟负重时股骨应力分布

2.3 组装后数字模型模拟加载后各向刚度结果

两组置钉方式下在模拟加载之后的股骨刚度见表2。由表可见，A组用了“骨折顶点置钉+尾帽”方式，提升了在抗内翻、压缩和抗反屈的能力。在抗股骨旋转能力上，内旋刚度由0.07提高到0.19 N·m/(°)，外旋刚度由0.13提高到0.24 N·m/(°)，分别有了171%和85%的提升。

表2 模拟加载后两组模型各向刚度(单位：N·m/mm)

弹性髓内钉通过钉与髓腔内壁皮质的摩擦力来防止旋转，骨折顶点置钉的方式提高了弹性髓内钉与髓腔内皮质的应力，其是提高抗旋转能力的主要原因。

3 讨论及结论

随着有限元技术的发展，其已经广泛地应用在骨与关节的力学性质分析上[7]，而对骨折创伤方面的研究也集中在成人的手术方式上[8-9]，鲜有针对儿童股骨骨折临床治疗中弹性髓内钉应用的研究。本文正是着眼于儿童最优的置钉方式来开展的，通过模拟负重实验可见，在选择骨折顶点作为置钉位置的情况下，钉尾和股骨远端皮质接触部位之间会形成更为显著的应力作用，A组钉的应力分布主要集中在内皮质接触点和钉远近止点之间，而且应力极值出现在了外侧钉尾，这是可以通过添加尾帽得以改善的，而B组则无法改善应力峰值出现的位置。在股骨应力方面，经弹性髓内钉治疗之后呈现出了较为均匀的应力分布，这在很大程度上确保了骨折复位之后能够获得较好的稳定性。与此同时，当置钉位置选择在骨折顶点进行时，骨折线周围应力的分布较为均匀，这对于局部骨痂和良好塑性的形成都有着积极影响，且不会因较高的局部应力而造成再骨折或骨质压缩情况的出现。扭转和弯曲实验是对足部轴向部分受力情况下髓内钉、股骨的受力情况进行分析。模型在前后、后前、外内、内外、外旋和内旋刚度上实验结果与Kaiser 等[10]的研究结果一致。由此可见，有限元分析结果可为临床治疗儿童骨折提供参考。儿童股骨干长螺旋形骨折应用弹性髓内钉在进行固定时，骨折顶点置钉+尾帽相较于对称置钉的方式有着更好的性能，主要表现在抗旋转、抗反屈、抗压缩和抗内翻上，且形成了股骨断端间更加均匀的受力。