股骨近端新型解剖锁定钢板的应用解剖学及生物力学三维有限元研究

摘要

研究背景：
　　 股骨粗隆间骨折多见于老年骨质疏松患者，随着社会人口老龄化，人均寿命延长，股骨粗隆间骨折的发生率呈明显的上升趋势。1990年全世界约有1660000例髋部骨折，据估计，2050年这一数字将达到6300000，其中近一半是股骨粗隆间骨折。股骨粗隆部血供丰富，很少发生不愈合或股骨头坏死，既往多采用保守治疗，但保守治疗长期卧床并发症多，致残率和病死率较高。据统计，20％的患者在12个月内死亡，40％的患者丧失独立生活能力，其中的一半甚至无法行走。而手术治疗由于患者可早期下床活动，避免了长期卧床带来的一系列问题，死亡率明显下降，治疗后功能恢复好于保守治疗。早期手术已成为股骨粗隆间骨折治疗的主要方法。
　　 临床上应用于治疗股骨粗隆间骨折的内固定器械非常多，大致可以分为三类:髓外固定装置、髓内固定装置以及人工关节置换。髓外固定装置包括动力髋螺钉(DHS)、股骨近端锁定加压钢板(PF-LCP)、经皮加压钢板(PCCP)及外固定架。髓内固定装置包括股骨近端髓内钉(PFN)、股骨近端防旋髓内钉(PFNA)、InterTAN髓内钉、亚洲型股骨近端防旋髓内钉(PFNA-Ⅱ)、Russell-Tayler重建钉等。近年来，随着各种内固定手术的广泛开展及围手术期并存疾病诊治水平的提高，死亡率已大大下降，但髋内翻、钉板断裂、股骨头颈切割及下肢短缩等并发症却依然存在。为预防或减少上述并发症发生，股骨小转子复位固定的重要性逐渐引起大家的重视。股骨小转子是构成股骨上端完整结构的重要组成部分，它与股骨距一起支撑如同悬臂梁的股骨头部，是髋关节传递应力的主要途径。生物力学上，该处是抗屈曲、抗内翻应力的最主要部位。目前临床对股骨小转子骨折固定常用的方法有:钢丝捆扎、拉力螺钉固定。国内外大量文献报导证实，股骨小转子骨折固定后能明显减少术后并发症的发生，而目前对小转子骨折固定的方式存在很多不足。如用血管弯钳穿引钢丝对小转子进行环扎固定时，需对小转子周围的软组织进行较多的分离，还需要切断部分髂腰肌，创伤大，手术出血量也较大，破坏了小转子血运，影响术后恢复，而且骨折愈合后，内固定不易拆除。此外，股骨粗隆间骨折以老年骨质疏松患者多发，对于老年性骨质疏松患者，经钢板固定小转子具有更大的安全性，螺钉不易陷入骨质内。但目前股骨粗隆间骨折常用的内固定当中，尚未有专门设计对股骨小转子骨折进行固定的钉孔。
　　 拉力螺钉在股骨头、颈内的分布，直接决定了内固定的稳定性。李康华等认为:不同平面的钢板螺钉呈立体交叉固定，能克服单一平面固定的不足，有效提高防旋、抗折弯的力学固定效果。目前用于股骨粗隆间骨折的钉板内固定系统中，其头颈钉的设计主要有两种:多钉平行构型设计或单枚主钉设计。我们在临床使用过程中发现平行进钉在术后较易出现螺钉松动、退出，可能导致内固定失败;而对于DHS和DCS虽然其具有较强的轴向抗压能力，但目前常用的多以单钉固定股骨颈，主钉直径大，对骨质损伤较大，且防旋能力差，需加用防旋螺钉。
　　 综上所述，目前股骨粗隆间骨折常用内固定的设计还存在以下不足:1、尚未有专门设计对股骨小转子骨折进行固定的钉孔;2、头颈部螺钉平行进钉易导致螺钉切割、松动或退出;3、单一主钉造成股骨头颈部骨质损伤较大且防旋能力差。鉴于以上设计方面的不足，我们课题拟通过对股骨进行数字化三维重建，并对相关解剖参数进行数字化精确测量，通过获得设计股骨近端新型钉板系统的重要参数，对目前常用的股骨近端外侧钢板进行改进设计。为了让新设计的内固定系统具备更稳定的生物力学性能，对该新型内固定系统采用如下创新性设计:1、专门设计了对股骨小转子骨折进行固定的万向锁定孔，通过钢板固定小转子并与钢板锁定，可使股骨距、股骨颈及股骨干获得更大的整体结构稳定性;2、股骨头颈部螺钉采用立体交叉构型设计，从而增强拉力螺钉在股骨头颈内的把持力及防旋能力。这些创新设计对促进骨折愈合、防止髋内翻及内固定失效具有重要意义。
　　 目的:
　　 1、通过对股骨进行数字化三维重建并测量股骨近端相关解剖学参数，为股骨粗隆间骨折内固定器械的研制、改良提供解剖依据。
　　 2、对股骨近端新型解剖锁定钢板(NPFALP)进行三维有限元生物力学比较研究，以评价NPFALP的力学性能。
　　 方法:
　　 1、对80例（左、右各40例）完整成人股骨标本行CT扫描，应用Mimics10.01软件，利用数字化三维重建技术重建股骨，标定相关解剖标志，测量股骨近端相关解剖参数。
　　 2、基于成人股骨CT扫描数据，通过Mimics、Geomagic Studio、ABAQUS软件建立完整股骨三维实体模型及三维有限元模型，模拟70Kg正常人缓慢行走单腿站立时髋关节所承受的最大峰值数值进行加载，分析加载后完整股骨近端的应力分布特征及位移变化;
　　 3、利用上述建立好的完整股骨三维实体模型，通过ABAQUS软件的布尔运算功能建立AO/OTA分型:31-A2型不稳定股骨粗隆间骨折三维实体模型;利用Pro/Engineer软件，根据DHS、LPFP、NPFALP、PFNA-Ⅱ的几何参数，分别建立各自CAD模型;然后在Geomagic Studio软件中，按照骨科手术操作要求予以装配固定，分别建立31-A2型不稳定股骨粗隆间骨折与DHS、LPFP、NPFALP、PFNA-Ⅱ装配后的三维实体模型(S1、S2、S3、S4)，并将其导入三维有限元软件ABAQUS中，分别生成四种不同三维有限元分析模型(F1、F2、F3、F4)。
　　 4、利用上述四种已经建立好的三维有限元分析模型，在设定边界条件、材料属性后，模拟70Kg正常人缓慢行走单腿站立时髋关节所承受的最大峰值数值进行加载;分析股骨和内固定的应力分布特征及位移变化，骨折面的应力分布特征，骨折断面夹角变化等。
　　 结果:
　　 1、小转子纵径为(27.01±1.72)mm，横径为(17.82±1.22)mm，小转子高为(8.59±1.44)mm，小转子体积为(755.91±150.14)mm3，应用后倾角为（22.42±9.08）°，应用上倾角为（17.02±2.02）°，拟固定小转子最短螺钉长度为(49.25±3.20) mm;股骨颈前倾角（13.83±8.87）°，股骨颈干角（127.78±4.22）°，角α（11.16±2.50）°，角β(19.73±5.65)°，角γ(16.13±4.93)°，角δ（38.63±6.16）°。所有测量参数，左、右侧均无统计学差异，P＞0.05。
　　 2、在活体股骨CT数据及内固定的几何参数基础上，使用Mimics、GeomagicStudio、Pro/Engineer及ABAQUS软件能够成功建立完整股骨，31-A2型不稳定股骨粗隆间骨折，DHS，LPFP，NPFALP，PFNA-Ⅱ的三维实体模型及三维有限元模型;DHS、LPFP、NPFALP、PFNA-Ⅱ与股骨粗隆间骨折固定后的三维实体模型(S1、S2、S3、S4)及三维有限元模型(F1、F2、F3、F4)。
　　 3、本研究通过模拟步态周期中单腿站立时髋关节的受力情况，对完整股骨进行了生物力学有限元分析。股骨的应力主要分布在股骨内侧皮质及股骨外侧皮质，其中股骨内侧皮质表现为压应力，股骨外侧皮质表现为张应力，本研究得出的应力分布情况与实际情况相符。
　　 4、DHS、LPFP、NPFALP、PFNA-Ⅱ用于31-A2型不稳定股骨粗隆间骨折固定后的有限元分析结果显示:DHS、LPFP、NPFALP三种内固定均不同程度导致了钢板下方股骨应力遮挡，LPFP应力遮挡效应最显著，NPFALP应力遮挡效应相对较小，PFNA-Ⅱ在该部位的应力遮挡效应不明显，但在股骨远端前内侧出现了应力集中，其应力值为91.0MPa;四种内植物均存在应力集中现象，其中DHS、LPFP的应力集中现象较显著，其最大应力值分别为:591.0MPa和667.5MPa，NPFALP、PFNA-Ⅱ的应力值相对较小，其最大应力值分别为:351.7MPa和494.7MPa;四个模型中股骨近端兴趣点的位移值进行比较:模型F1(6.02mm)＞模型F4(5.78mm)，模型F2(3.99mm)＞模型F3(3.16mm);四种内植物上的最大位移值进行比较:DHS(7.86mm)＞PFNA-Ⅱ(7.58mm)，LPFP(4.87mm)＞NPFALP(4.12mm);四种模型骨折断面的应力分布差异较大，相对于DHS、LPFP和PFNA-Ⅱ，采用NPFALP固定时骨折断面应力分布较为均匀;四种模型的骨折断面均不同程度发生了分离移位，相对于DHS、LPFP和PFNA-Ⅱ，NPFALP固定后的骨折断面夹角最小。
　　 结论:
　　 1、本研究基于CT数据的股骨数字化三维重建图像具有良好的形态和清晰的边界，可精确识别股骨相应的解剖标志并进行三维测量。
　　 2、本研究对股骨近端解剖测量获得的数据能较好地为设计NPFALP提供解剖学依据。
　　 3、本研究通过模拟单腿站立时髋关节受力情况进行加载，完整股骨的应力分布情况与传统实验力学得到的结果一致，证明本实验建立的有限元模型是准确可靠的。
　　 4、NPFALP用于31-A2型不稳定股骨粗隆间骨折固定时，股骨、内固定及骨折面的应力分布合理，股骨、内固定的位移及骨折断面夹角较小。因此，可认为NPFALP对31-A2型股骨粗隆间骨折较适用且具有较好生物力学性能。

目录

摘要

前言

参考文献

第1章 股骨近端数字化三维重建及相关解剖参数测量

1．1 前言

1．2 材料与方法

1．2．1 标本收集

1．2．2 CT扫描机与个人计算机配置

1．2．3 软件

1．2．4 完整股骨三维数字模型的建立

1．2．5 影像分析与标记

1．2．6 股骨近端相关解剖参数测量

1．2．7 统计学分析

1．3 结果

1．3．1 股骨数字化三维重建影像效果

1．3．2 股骨相关解剖参数测量结果

1．4 讨论分析

1．4．1 股骨转子间骨折固定目前存在的问题

1．4．2 数字化重建三维测量与传统测量方法的比较

1．4．3 小转子骨折固定的进钉点和角度

1．5 小结

参考文献

第2章 完整股骨三维有限元模型建立及三维有限元生物力学分析

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 影像学资料

2．2．2 CT扫描机与计算机配置

2．2．3 软件

2．2．4 完整股骨三维实体模型的建立

2．2．5 完整股骨的三维有限元模型的建立

2．2．6 材料属性

2．2．7 边界及载荷的确定

2．3 结果

2．3．1 完整股骨三维模型建立的效果

2．3．2 完整股骨模拟单腿站立加载结果

2．4 讨论分析

2．4．1 边界及载荷条件分析

2．4．2 完整股骨和位移分布特征

2．5 小结

参考文献

第3章 四种内固定与股骨粗隆间骨折模型装配后的生物力学三维有限元分析

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 内固定材料

3．2．2 计算机硬件配置

3．2．3 软件

3．2．4 各种三维模型的建立

3．2．5 材料属性

3．2．6 接触条件

3．2．7 载荷及边界条件

3．3 结果

3．3．1 三维模型建立的效果

3．3．2 模型F1、F2、F3、F4模拟单腿站立加载结果

3．4 讨论与分析

3．4．1 拉力螺钉位置的选择

3．4．2 模型F1、F2、F3、F4模拟单腿站立时的生物力学分析

3．4．3 本模型及其分析设定的局限性

3．5 小结

参考文献

全文小结

附录 中英文缩略词对照表

综述

攻读学位期间参与课题及发表的论文

致谢

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