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改良動力髖螺釘系統(tǒng)的三維有限元分析

2018-07-12 02:46:26張東升朱召銀鐘偉斌韋家冬俞兵兵張晉元呂浩然
關(guān)鍵詞:自鎖螺釘股骨

張東升,朱召銀,鐘偉斌,韋家冬,俞兵兵,張晉元,呂浩然

股骨轉(zhuǎn)子間骨折臨床常見,多發(fā)生于老年人。由于保守治療臥床時間長,容易引起各種并發(fā)癥,死亡率高,故多數(shù)學(xué)者主張早期進行手術(shù)干預(yù)[1]。動力髖螺釘(dynamic hip screw,DHS)是治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的常用內(nèi)固定系統(tǒng),固定可靠,允許早期負(fù)重,能夠滿足大部分患者的需求[2]。但對于骨折粉碎程度高、骨質(zhì)疏松嚴(yán)重等復(fù)雜病例,可能會因DHS把持力下降而導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。本研究針對傳統(tǒng)DHS固定系統(tǒng)的不足,改良設(shè)計了一種具有防旋轉(zhuǎn)及自鎖功能的鋼板系統(tǒng)(實用新型專利ZL201520885310.6)[3],并通過三維有限元分析方法比較其與傳統(tǒng)DHS在生物力學(xué)穩(wěn)定性方面的差異。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)組成及設(shè)計思路

該內(nèi)固定系統(tǒng)由DHS釘板內(nèi)固定系統(tǒng)改良而來,由鵝頭釘、高位防旋螺釘、翼狀鋼板、尾釘及遠端皮質(zhì)骨螺釘組成(圖1A~1C)。鵝頭釘及遠端的皮質(zhì)骨螺釘組成與原DHS系統(tǒng)相同(圖1D)。改良的結(jié)構(gòu)包括:①翼狀延長板:加裝于鋼板頂部,長2 cm,與主體鋼板成30°角,中間的自鎖釘孔用于置入防旋螺釘,近端的綁線孔用于縫合固定大轉(zhuǎn)子附著處的軟組織。②鎖定結(jié)構(gòu):鋼板尾釘孔內(nèi)、尾釘螺帽處有相互鉚合的螺紋,尾釘螺桿亦可與鵝頭釘緊密鉚合,這樣可將鵝頭釘、鋼板和尾釘牢固地鎖為一體。③承力點強化:為增加鋼板的力學(xué)穩(wěn)定性,鋼板張力側(cè)局部進行了加厚處理。

1.2 實驗方法

根據(jù)《江蘇國立醫(yī)療器械有限公司產(chǎn)品目錄》給出的幾何參數(shù),利用Solidworks軟件(Dassault Systemes公司,法國)分別畫出兩套鋼板模型。鑒于本研究主要針對兩套系統(tǒng)的鋼板抗折彎力和鵝頭釘抗拔出力進行比較研究,為減少運算數(shù)據(jù)、節(jié)省運算時間,我們對模型進行簡化處理,簡化后的模型僅包含主體鋼板和鵝頭釘。

圖1 防旋自鎖鋼板系統(tǒng)與傳統(tǒng)動力髖螺釘(DHS)系統(tǒng)對比 1A鋼板側(cè)位觀 1B鋼板斜位觀 1C鋼板設(shè)計圖 1D傳統(tǒng)DHS系統(tǒng)

利用SolidWorks和ANSYS軟件(ANSYS公司,美國)的無縫連接模塊,分別將兩組模型導(dǎo)入ANSYS有限元軟件進行網(wǎng)格劃分,并賦予各種物理材料屬性,模型的具體幾何參數(shù)及材料屬性見表1??紤]到DHS系統(tǒng)的設(shè)計理念是滑動加壓釘板組合式內(nèi)固定系統(tǒng),定義鵝頭釘與DHS鋼板主孔的接觸關(guān)系為滑動;而防旋自鎖鋼板系統(tǒng)的特點是鵝頭釘與鋼板鎖為一體,因此定義鵝頭釘與DHS鋼板主孔的接觸關(guān)系為綁定。

依次對2組模型模擬70 kg正常人緩慢行走單足著地時髖關(guān)節(jié)所承受的最大峰值(作用力大小為2 872 N)進行加載,從鵝頭釘上方加載一重力方向的壓力,最后通過求解器計算該加載方式下內(nèi)固定物各部分的應(yīng)力及位移分布,以了解其抗折彎力和抗拔出力。

表1 兩套內(nèi)固定系統(tǒng)模型的幾何參數(shù)及材料屬性

2 結(jié)果

如圖2所示,傳統(tǒng)DHS內(nèi)固定模型中內(nèi)固定應(yīng)力總體比較均勻,有2個部位可見應(yīng)力集中,分別為鵝頭釘與側(cè)方鋼板套筒交界處以及鵝頭釘釘孔周圍,最大應(yīng)力為358.742 MPa;防旋自鎖鋼板固定模型中內(nèi)固定應(yīng)力總體比較均勻,應(yīng)力峰值主要出現(xiàn)在鵝頭釘與套筒交界處,應(yīng)力集中區(qū)域與傳統(tǒng)DHS模型相比范圍更小,最大應(yīng)力值亦更低(321.856 MPa)。防旋自鎖鋼板系統(tǒng)的最大位移值為3.471 44 mm,低于傳統(tǒng)DHS系統(tǒng)(5.186 35 mm),見圖3。

圖2 相同荷載下兩種內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布圖 2A傳統(tǒng)DHS模型 2B防旋自鎖鋼板模型

圖3 相同荷載下兩種內(nèi)固定系統(tǒng)的位移分布圖 3A傳統(tǒng)DHS模型 3B防旋自鎖鋼板模型

3 討論

3.1 股骨轉(zhuǎn)子間骨折手術(shù)方式的選擇

轉(zhuǎn)子間骨折的手術(shù)方式主要包括髓外釘板內(nèi)固定、髓內(nèi)固定以及人工關(guān)節(jié)置換。股骨近端防旋 髓 內(nèi) 釘(proximal femoral nail antirotation,PFNA)是最具代表性的髓內(nèi)固定系統(tǒng),尤其適用于不穩(wěn)定型轉(zhuǎn)子間骨折,適應(yīng)證較廣,臨床使用率有超越DHS之勢[4]。但人們發(fā)現(xiàn)PFNA有一定的局限性,如手術(shù)操作要求較高、學(xué)習(xí)曲線長、螺旋刀片取出困難、牽引復(fù)位不理想、費用較高、圍手術(shù)期隱性失血量高等。

近年來亦有學(xué)者嘗試人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù),患者術(shù)后下地時間早、康復(fù)快,但手術(shù)風(fēng)險及組織創(chuàng)傷相對較大,存在遠期假體松動、下沉等并發(fā)癥風(fēng)險,一般不作為治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的首選術(shù)式[5-6]。

髓外釘板內(nèi)固定系統(tǒng)以DHS為主要代表,是最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的術(shù)式,一度被認(rèn)為是手術(shù)金標(biāo)準(zhǔn)[7]。但近年來有研究發(fā)現(xiàn)DHS的手術(shù)療效受骨折類型等因素影響較大,尤其對于部分骨質(zhì)疏松嚴(yán)重、骨折粉碎程度高的復(fù)雜病例,術(shù)后內(nèi)固定移位斷裂、骨折移位等情況并不少見[8-9]。主要原因是:①防旋力差:采用單枚螺釘固定,不能有效防止骨折端旋轉(zhuǎn)移位,特別是對于不穩(wěn)定骨折,易出現(xiàn)應(yīng)力集中,引起螺釘切割股骨頭股骨頸、螺釘松動、鋼板斷裂、髖內(nèi)翻等并發(fā)癥。②抗拔出力差:鋼板和滑動鵝頭螺釘相對獨立,螺釘?shù)腻^合力和抗拉力效果欠佳,尤其是當(dāng)患者骨骼質(zhì)量較差時,加壓易造成鵝頭釘再次移位,導(dǎo)致尾釘及鵝頭釘松動滑脫。③無法對大轉(zhuǎn)子粉碎骨折塊進行有效復(fù)位固定[10]。

3.2 防旋自鎖鋼板的改良設(shè)計理念

針對DHS的不足,我們設(shè)計具有防旋轉(zhuǎn)及自鎖功能的新型改良DHS釘板內(nèi)固定系統(tǒng)。在骨折端穩(wěn)定性方面,高位自鎖螺釘與鋼板自鎖為一體,大大增強了其抗旋轉(zhuǎn)能力;同時自鎖螺釘經(jīng)過轉(zhuǎn)子間骨折線的張力側(cè)骨小梁,其張力帶樣作用將骨折線外上端張力轉(zhuǎn)化成骨折線內(nèi)下端壓力,有利于骨折斷端愈合。在鵝頭釘抗拔出力方面,新系統(tǒng)將“鵝頭釘-鋼板-尾釘”牢固地鎖為一體,有效防止尾釘及鵝頭釘螺釘?shù)乃蓜?、脫落。針對大轉(zhuǎn)子粉碎骨折塊,新型鋼板設(shè)計有圓弧狀排列的眾多捆綁孔,使粉碎性骨折塊得到可靠固定,減少了骨折畸形愈合及術(shù)后髖部疼痛的發(fā)生。除此之外,鋼板厚度增加0.2 mm,提高了抗折彎力,更好地防止術(shù)后遠期鋼板斷裂。在另一項臨床研究中,我們將58例股骨轉(zhuǎn)子間骨折患者分成傳統(tǒng)DHS組和防旋自鎖鋼板組,結(jié)果顯示防旋自鎖鋼板組術(shù)后骨折平均愈合時間及髖關(guān)節(jié)評分均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DHS組[11]。本研究試圖通過三維有限元分析,從生物力學(xué)穩(wěn)定性角度進一步對防旋自鎖鋼板與傳統(tǒng)DHS進行對比研究。

3.3 兩種內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性比較

與正常股骨不同,股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定術(shù)后,作用于髖關(guān)節(jié)的力主要通過內(nèi)固定物向下傳導(dǎo)。在本實驗建立的模型中,壓應(yīng)力的主要承受者是鵝頭釘,從有限元分析結(jié)果中也可看出,兩種固定模型中鵝頭釘與套筒交界處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況。而張應(yīng)力的傳導(dǎo)則主要由側(cè)方鋼板分擔(dān),實驗中傳統(tǒng)DHS鵝頭釘與側(cè)方鋼板釘孔的接觸部位出現(xiàn)應(yīng)力集中,而防旋自鎖鋼板則未見相應(yīng)情況。這可能與后者鵝頭釘與鋼板鎖為一體的改良結(jié)構(gòu)更有利于應(yīng)力傳導(dǎo)、其應(yīng)力更均勻地分布在內(nèi)固定物上有關(guān);鵝頭釘?shù)目箟盒阅芤蚕鄬Φ氐玫皆鰪姡m然兩種固定模型中鵝頭釘上均出現(xiàn)應(yīng)力集中,但防旋自鎖鋼板模型的應(yīng)力峰值相對較低;另外,相同載荷下經(jīng)加厚處理的鋼板其應(yīng)力值更小,也進一步降低了防旋自鎖鋼板系統(tǒng)的最大應(yīng)力值。

就內(nèi)固定物穩(wěn)定性而言,除需觀察其應(yīng)力能否均勻分布在內(nèi)固定物上之外,也要求其應(yīng)力峰值不能高于內(nèi)固定材質(zhì)的屈服強度。通常鈦合金的屈服強度約為809 MPa[12],本研究中傳統(tǒng)DHS和防旋自鎖鋼板固定模型的最大應(yīng)力分別為358.742、321.856 MPa,屈服強度均符合要求,提示這兩種內(nèi)固定都能起到固定作用,但防旋自鎖鋼板應(yīng)力分布更為均勻,最大應(yīng)力值亦更低,在抗折彎、防止疲勞斷裂等方面更有優(yōu)勢。

鵝頭釘與鋼板鎖定的改良設(shè)計也有利于增強螺釘?shù)目拱纬隽?。本實驗結(jié)果顯示,在相同載荷作用下,防旋自鎖鋼板系統(tǒng)模型的最大位移值低于DHS模型,說明其鵝頭釘在股骨頭頸內(nèi)的把持力更高,出現(xiàn)螺釘拔出的可能性更小。在實際臨床應(yīng)用中,還可于套筒上方翼狀延長板上再擰入1枚自鎖螺釘,進一步提高固定的穩(wěn)定性,避免主釘切出等并發(fā)癥的發(fā)生。

本研究存在一些不足之處,首先,未建立轉(zhuǎn)子間骨折的骨骼模型,而是簡化處理,僅對內(nèi)固定系統(tǒng)作近似模擬;其次,本實驗僅對內(nèi)固定模型進行靜力分析,未考慮其他載荷加載時的變化,與真實生物力學(xué)實驗還有一定差距,但可滿足初步研究的需要。今后尚需在尸體標(biāo)本生物力學(xué)實驗中進行深入驗證,并開展相關(guān)的臨床應(yīng)用研究,以獲得更為可靠的結(jié)果。

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