盛 偉，紀愛敏，陳長勝,

1 河海大學(xué)機電工程學(xué)院，常州市，213022

2 常州奧斯邁醫(yī)療器械有限公司，常州市，213022

股骨干骨折鎖定鋼板螺釘布局的有限元分析

【作 者】盛 偉1，紀愛敏1，陳長勝1,2

1 河海大學(xué)機電工程學(xué)院，常州市，213022

2 常州奧斯邁醫(yī)療器械有限公司，常州市，213022

為評估不同螺釘布局鎖定鋼板固定股骨干骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性，針對兩種不同骨折設(shè)置方式，分別建立不同長度、螺釘數(shù)目及螺釘布局的六組鎖定鋼板骨折內(nèi)固定模型，并進行生物力學(xué)有限元分析，得到各組內(nèi)固定模型在軸向載荷作用下的軸向位移與等效應(yīng)力分布。研究表明，在骨折處填充相對股骨較軟材料更能保證內(nèi)固定系統(tǒng)穩(wěn)定性，長接骨板少螺釘固定效果要明顯優(yōu)于短接骨板全螺釘固定；相同長度接骨板有選擇性的螺釘布局比全螺釘布局更有效；在骨折遠端進行螺釘固定可使螺釘系統(tǒng)應(yīng)力分散，而避免在骨折近端進行螺釘固定也能緩解螺釘?shù)膽?yīng)力集中。

股骨干骨折；鎖定鋼板；軸向載荷；螺釘布局；有限元分析

0 引言

股骨是人體內(nèi)負重最重的下肢骨，主要由股骨近端、股骨遠端及股骨干組成。股骨干骨折是臨床上最常見骨折之一，約占全身骨折的6%，多數(shù)股骨干骨折由強大的直接暴力所致，如撞擊、擠壓等，多引起橫斷或粉碎性骨折[1]。在臨床醫(yī)學(xué)上，固定此類股骨干骨折普遍采用鎖定鋼板。鎖定鋼板內(nèi)固定在滿足固定要求的前提下，能有效減小對骨折局部血運的破壞，但據(jù)報道鎖定鋼板治療股骨干骨折，鋼板或螺釘斷裂約為11%[2]。經(jīng)分析，鎖定鋼板內(nèi)固定失效的主要原因可能有內(nèi)固定方式選擇不當(dāng)，違反內(nèi)固定原則以及術(shù)后未能進行正確功能鍛煉和過早完全負重等[3-4]。針對臨床上出現(xiàn)的螺釘、接骨板頻繁斷裂等醫(yī)療現(xiàn)狀，國內(nèi)外研究人員進行了大量的相關(guān)研究。Cui S等[5]認為鋼板固定股骨骨折時，骨折近端螺釘并不影響裝置的軸向強度，而在一定工作長度下，骨折近端螺釘決定了內(nèi)固定系統(tǒng)的強度。張魁忠等[6]認為固定螺釘數(shù)量對于內(nèi)固定系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，固定較少螺釘能增加骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的彈性形變能力。近年來，有限元方法在相關(guān)骨折植入物研究中得到廣泛的運用。韓詩杭等[7]運用有限元方法比較傳統(tǒng)鈦合金接骨板和新型鎂合金接骨板進行骨折內(nèi)固定穩(wěn)定性，僅涉及接骨板材料的研究。Nobuaki O等[8]運用有限元方法探究皮質(zhì)層厚度以及接骨板結(jié)構(gòu)參數(shù)對接骨板生物力學(xué)影響。Zhang Y K等[9]運用有限元方法對鎖定鋼板上不同類型螺紋孔的分布進行探究，但并未研究螺釘?shù)牟煌季?。林振恩等[10]運用有限元方法探究鎖定鋼板固定股骨遠端骨折的合理螺釘布局，但其設(shè)置的螺釘布局方案主要針對單雙皮質(zhì)螺釘?shù)姆植记椅纯紤]鋼板長度及螺釘數(shù)目的選擇。針對上述出現(xiàn)的問題，本文提出利用三維建模技術(shù)及有限元分析方法對不同長度、螺釘數(shù)目及螺釘布局鎖定鋼板固定股骨干骨折進行針對性的生物力學(xué)研究，通過對股骨干骨折處斷片的不同設(shè)置將骨折內(nèi)固定模型分成實驗組與對照組，探究相應(yīng)的鎖定鋼板螺釘布局原則，為股骨干骨折內(nèi)固定臨床治療提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型簡化

本文主要探究鎖定鋼板固定股骨干中段骨折的螺釘布局原則，考慮到股骨近端和股骨遠端結(jié)構(gòu)對骨折附近的受力影響不大，且由于股骨干形狀與圓柱體形狀類似，故建立股骨模型時，去除復(fù)雜的股骨近端和股骨遠端，用圓柱來代替股骨干。又由于骨干髓腔為中空，故圓柱股骨干模型也要設(shè)置為中空且假定骨干部分不存在松質(zhì)骨，設(shè)置皮質(zhì)骨為整個股骨干模型的材料屬性[11-12]。簡化接骨螺釘為圓柱體，再對股骨干骨折固定的六組不同長度的接骨板進行簡化，簡化為板狀模型，具體接骨板結(jié)構(gòu)參數(shù)及固定螺釘數(shù)目如表1所示。

表1 接骨板結(jié)構(gòu)參數(shù)及固定螺釘數(shù)目Tab.1 Structure parameters and fi xed screw number of plates

1.2 接骨板螺釘布局方式

為探究股骨干骨折接骨板螺釘布局原則，六組接骨板螺釘布局均是經(jīng)過設(shè)計，不同組別接骨板具體螺釘布局見表2。在三維造型軟件Pro/E中完成簡化后股骨干內(nèi)固定模型的裝配，簡化后的接骨板螺釘三維裝配模型如圖1所示。

表2 不同組別接骨板螺釘布局Tab.2 The layout of the different groups of plates and screws

圖1 接骨板螺釘三維裝配模型Fig.1 The 3D assembly models of plates and screws

1.3 股骨骨折的模擬

將簡化后股骨干內(nèi)固定裝配模型導(dǎo)入大型有限元分析軟件ANSYS中，依靠輔助坐標系對股骨干中段進行兩次切分，得到股骨干中段骨折模擬模型。兩次切分后形成2 mm厚度的骨折斷片，通過對骨折斷片的不同處理，將分析過程分成實驗組與對照組。實驗組將該斷片視為在骨折間隙中填充的相對股骨較軟的材料，其彈性模量約為10 MPa[13]，斷片上下端均自動默認與股骨成粘結(jié)狀態(tài)。而對照組將2 mm斷片直接刪除來模擬橫斷骨折，避免骨折面接觸對分析結(jié)果造成影響，實驗組和對照組骨折內(nèi)固定裝配模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 實驗組內(nèi)固定裝配模型Fig.2 Internal fi xation assembly model in the experimental group

圖3 對照組內(nèi)固定裝配模型Fig.3 Internal fi xation assembly model in the control group

1.4 有限元模型生成

因為模型形狀較為復(fù)雜，故采用十節(jié)點的四面體單元solid 187為模型單元類型。假設(shè)研究中股骨干、鎖定鋼板、鎖定螺釘及斷片（實驗組）的材料屬性為連續(xù)、均質(zhì)、各項同性的線彈性材料，各結(jié)構(gòu)的材料屬性設(shè)置如表3所示?？紤]到鎖定螺釘與股骨干、鎖定螺釘與鎖定鋼板之間處于相對靜止，設(shè)置鎖定螺釘與股骨干、鎖定螺釘與鎖定鋼板的接觸關(guān)系為粘結(jié)[14]，完成對整個模型的網(wǎng)格劃分。

表3 材料屬性設(shè)置Tab.3 Material properties settings

2 約束與加載

本研究主要分析在軸向載荷作用下，內(nèi)固定系統(tǒng)的軸向位移及等效應(yīng)力分布情況。對股骨干遠端底面進行位移全約束，作為股骨干模型的邊界約束條件。本文主要考慮是起主導(dǎo)作用的軸向載荷對內(nèi)固定模型的作用，考慮到正常成人單腿站立下股骨受力情況，研究中設(shè)置軸向載荷的大小為500 N，均布于股骨干近端的橫截面，雖然與體內(nèi)股骨復(fù)雜的受力情況不同，但能與臨床觀測的植入物斷裂時載荷相近，具體約束與加載設(shè)置如圖4所示。

圖4 實驗組約束與加載設(shè)置示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental group constraints and loading setting

圖5 實驗組第4組螺釘?shù)牡刃?yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress contour map of the screws in the experimental fourth group

3 結(jié)果

各組股骨干骨折內(nèi)固定模型的最大軸向位移如表4所示，實驗組內(nèi)固定模型在500 N軸向載荷作用下，最大軸向位移均非常小且相差不大，而對照組的最大軸向位移也較小但各組相差較大。各組接骨板、螺釘及股骨干的最大等效應(yīng)力分別如表5所示，在實驗組方面，第2、3、5組內(nèi)固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在接骨板上，而其余各組均出現(xiàn)在螺釘上，實驗組的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在第4組螺釘上，達到了171.449 MPa，其等效應(yīng)力云圖如圖5所示。在對照組中，每組內(nèi)固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與實驗組一致，而對照組最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在第5組的接骨板上，超過了390 MPa，其等效應(yīng)力云圖如圖6所示。另外，股骨干的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在對照組第2組中，達到了44.890 MPa，其等效應(yīng)力云圖如圖7所示。

表4 骨折內(nèi)固定模型最大軸向位移(mm)Tab.4 Maximum axial displacement of the fracture internal fi xation models (mm)

表5 股骨干、螺釘及接骨板最大等效應(yīng)力(MPa)Tab.5 Maximum equivalent stress of femurs, screws and plates (MPa)

圖6 對照組第5組接骨板的等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress contour map of the locking plate in the control fi fth group

圖7 對照組第2組股骨干的等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress contour map of the femoral shaft in the control second group

4 分析與討論

4.1 實驗組結(jié)果分析

實驗組骨折處填充了相對股骨較軟的材料，在軸向載荷的作用下，實驗組各組軸向位移均非常小且相差不大，第2、5組內(nèi)固定系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力要遠小于其他各組。通過比較第1、2組可知，第2組屬于長接骨板少螺釘固定，而第1組屬于短接骨板全螺釘固定，第1組螺釘上應(yīng)力集中較為嚴重，內(nèi)固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在螺釘上，而第2組出現(xiàn)在接骨板上。第1組內(nèi)固定系統(tǒng)及股骨干最大等效應(yīng)力均要遠大于第2組，故長接骨板少螺釘固定優(yōu)于短接骨板全螺釘固定。

通過比較第2組和第6組可知，第6組內(nèi)固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在螺釘上，全螺釘布局在螺釘上更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，第6組螺釘及接骨板最大等效應(yīng)力均大于第2組，可知相同長度的接骨板有選擇性的螺釘固定比全螺釘固定更有效。

通過比較第2、3、4組可知，三組擁有相同長度接骨板且固定相同數(shù)目螺釘，第2、3組內(nèi)固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在接骨板上，而第4組出現(xiàn)在螺釘上。由于第4組在骨折近端進行螺釘固定，導(dǎo)致該處螺釘產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中，對應(yīng)股骨干的等效應(yīng)力也較大，而第2組和第3組在骨折近端分別空出四個和兩個螺紋孔未進行螺釘固定，有效緩解了螺釘?shù)膽?yīng)力集中，對接骨板骨折遠端的四個螺紋孔進行螺釘固定使螺釘系統(tǒng)應(yīng)力分散。數(shù)據(jù)顯示第3組接骨板、螺釘最大等效應(yīng)力均大于第2組，故第2組接骨板固定系統(tǒng)最大等效應(yīng)力最小，第3組次之，第4組更大，此分析結(jié)果與相關(guān)臨床案例相匹配。

通過比較第2組和第5組可知，兩組內(nèi)固定系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在接骨板上，且兩組接骨板、螺釘及股骨最大等效應(yīng)力均相近。但第5組固定的螺釘數(shù)相對第2組要多，螺釘數(shù)目增多意味著需要在股骨干上鉆更多的孔來進行螺釘固定，這在極大程度上增加了對骨骼血運的破壞以及延緩了骨骼的恢復(fù)，故在同等的內(nèi)固定效果下，更趨向于使用更少的螺釘固定。

4.2 對照組結(jié)果分析

對照組骨折處切除了斷片，六組股骨干骨折內(nèi)固定系統(tǒng)在500 N軸向載荷作用下，軸向位移均較小但其值相差較大，第3組的最大軸向位移遠小于第2、5兩組最大軸向位移，卻遠大于其他三組，故骨折近端接骨板未固定螺釘?shù)穆菁y孔越多，則最大軸向位移則越大。

通過比較各組可知，第1、4、6組接骨板長度不同但均在骨折近端進行螺釘布局，分析結(jié)果顯示第1、4、6組接骨板上的最大等效應(yīng)力均遠小于其他三組，故任意長度接骨板在骨折近端進行螺釘固定均可顯著減小接骨板的應(yīng)力集中。只有第4、6兩組是長接骨板且在骨折近端固定螺釘，而這兩組股骨干上最大等效應(yīng)力均略小于其他各組，說明長接骨板在骨折近端固定螺釘可一定程度上減小股骨干上的應(yīng)力集中。

4.3 實驗組與對照組結(jié)果對比分析

由上述實驗組與對照組結(jié)果分析可知，實驗組骨折處填充相對股骨較軟的材料與對照組骨折處切除斷片模擬橫斷骨折在固定效果上有很大的差異。從求解結(jié)果上看，骨折處填充較軟材料的實驗組相比于對照組，不管是接骨板、螺釘及股骨干的最大軸向位移還是最大等效應(yīng)力都要小得多。此外，從醫(yī)療器械公司統(tǒng)計的臨床數(shù)據(jù)上看，在股骨近端固定螺釘在一定程度上會延長骨折的恢復(fù)周期，增加股骨干二次傷害的可能性，應(yīng)盡量避免在骨折近端進行螺釘固定。

綜上所述，在骨折處填充相對股骨較軟材料的實驗組方案更符合骨折內(nèi)固定原則，更能保證內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于上述實驗組結(jié)果分析得出的相應(yīng)鎖定鋼板螺釘布局原則能極好的運用于在骨折處填充相對股骨較軟材料的實驗組方案，這為后期股骨干骨折內(nèi)固定臨床治療提供指導(dǎo)。

4.4 討論

研究中使用的鎖定鋼板不需與股骨表面緊密接觸，避免了對股骨干周圍軟組織的破壞，保證了骨折區(qū)血運，增加了骨折愈合的能力[15]。鎖定鋼板中單雙皮質(zhì)螺釘類型的選擇須遵循內(nèi)固定原則，本研究全部采用雙皮質(zhì)螺釘固定，以提高內(nèi)固定模型的穩(wěn)定性，緩解內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力集中。

由上述結(jié)果分析可知，鎖定鋼板固定股骨干骨折時，在骨折處填充相對股骨較軟材料更能保證內(nèi)固定穩(wěn)定性。而接骨板的長度及接骨板的螺釘布局對于內(nèi)固定穩(wěn)定性有重要的意義，對于在骨折處填充相對股骨較軟材料的實驗組方案，長接骨板少螺釘固定要明顯優(yōu)于短接骨板全螺釘固定；相同長度的接骨板有選擇性的螺釘布局比全螺釘布局更有效；在骨折遠端進行螺釘固定可使螺釘系統(tǒng)應(yīng)力分散，保證內(nèi)固定的穩(wěn)定性；而避免在骨折近端進行螺釘固定能有效地緩解螺釘?shù)膽?yīng)力集中，防止了對股骨干的二次傷害。

在本研究中，在保證研究結(jié)果準確性的前提下對分析模型進行了較多簡化，并作出了大量的假設(shè)，有效保證了研究的簡便性。但在進行外力加載時，僅考慮了單腿站立狀態(tài)下主要軸向受力的影響，而實際往往受到肌肉及韌帶等軟組織的影響，后續(xù)將考慮在正常步態(tài)下綜合受力的研究。雖然整個有限元分析過程存在著些許有待改進之處，但分析結(jié)果與臨床反饋相匹配。在該課題的后續(xù)研究中，將逐漸完善分析中的不足，努力為臨床醫(yī)療提供更加簡便有效的途徑。

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Finite Element Analysis of Screw Layout of Locking Plate for Treating Femoral Shaft Fracture

【Key words 】SHENG Wei1, JI Aimin1, CHEN Changsheng1,2
1 School of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou, 213022
2 Changzhou Orthmed Medical Instrument Co. Ltd., Changzhou, 213022

femoral shaft fracture, locking plate, axial load, screw layout, fi nite element analysis

R687.3

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.011

1671-7104(2017)03-0196-04

2016-09-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金（2016B49614）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目（KYLX16_0708）；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目（BA2012061）

盛偉，E-mail: wei_321_yue@163.com

紀愛敏，E-mail: jam@ustc.edu

【 Abstract 】To evaluate the biomechanical stability of femoral shaft fracture fi xation using different locking plates combined with different screw layout, for two different fracture settings, we build six groups different length locking plate combined with different screw number and different screw layout, fix with the fracture models respectively, and use the biomechanical fi nite element method to analysis the models. Then we attain the axial displacement and equivalent stress distribution of the internal fixation system under the action of axial load. The research shows that filling relatively softer material in femoral fracture can guarantee the stability of the internal fi xation system, the long plate combined with less screw layout is obviously better than the short plate combined with the all screw layout, the same length plate combined with the selective screw layout is more effective than combined with the all screw layout. And plate combined with screws fi xed in four threaded hole of distal fracture make the screw system stress disperse, and avoiding screw fi xed in proximal fracture can alleviate the stress concentration of screws.