【医学应用】股骨近端改进型解剖钢板的有限元分析和生物力学测试

2016-11-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要

目的:从生物力学的角度验证改进型解剖钢板(MAP)的性能是否与股骨近端髓内钉(PFN)、解剖钢板(AP)和动力髋螺钉(DHS)类似。

材料与方法:使用有限元分析和生物力学测试评价PFN、DHS和AP、MAP的性能,完成股骨建模,使用参数分析的方法评估结果。

结果:有限元分析和生物力学实验均表明:轴向载荷小于等于400N时,骨折线处的应力大小顺序是PFN>AP>MAP>DHS(p < 0.05),差异有统计学意义。轴向载荷大于等于400N时,AP和DHS在骨折线处产生的应力几乎只有MAP和PFN的一半(p > 0.5),差异无统计学意义。轴向载荷1000N时,DHS在骨折线处的应力最大(p < 0.05),差异有统计学意义。

结论:MAP的生物力学特性与PFN相似,在骨折处和股骨近端产生最适宜的载荷。有限元方法和生物力学测试揭示了MAP的特性与髓内固定和髓外固定的特点均有关,虽然载荷是以髓外刺激的方式施加的。

前言

股骨近端骨折是一种严重的创伤,有可能永久致残,卧床会并发肺炎、肺栓塞、褥疮甚至导致死亡。髋部骨折在行手术治疗之前几乎无法行走。治疗这些骨折可以采用各种髓内/髓外的固定方式,如DHS、解剖钢板和PFN等。然而,在治疗股骨转子间骨折时,选用何种植入物还未达成共识。

虽然DHS广泛用于股骨近端骨折的固定,但是也有如下缺点:(a)大转子外移; (b)股骨的过度短缩;(c) 股骨内移等。解剖钢板设计的初衷是为了克服DHS的局限性,更加均匀的分配股骨近端和轴向承受的载荷。然而,AP的使用经验表明该设计并没有达到均匀分配股骨近端载荷的效果。由于AP的厚度小,在固定不稳定骨折时经常难以承受形变应力。此外,如果骨折线处有异物嵌塞,AP近端的三枚螺钉非常容易发生失效。

为了克服DHS和AP设计的生物力学缺陷,作者采用如下方案改进了AP的设计:(a) 增加了骨板的厚度以增强其承受载荷的能力;(b) 在近端三枚螺钉孔的下部开槽;(c) 在松质骨螺钉的头部增加螺纹。上部的两个孔允许用松质骨螺钉进行任意角度的固定,螺钉头部和近端三个带螺纹孔形成了128°固定角度的骨板-螺钉锁定系统。这些改进措施避免了骨折端加压后植入物的松动,同时有利于恢复生物力学的传导。

有限元模型对于理解髋部骨折的根本原因和机制有很大的帮助,然而,在考虑其临床适用性之前必需经过彻底的有效性验证。研究目标是:(i) 对于股骨转子间骨折,MAP是否能够通过骨折线传导轴向载荷;(ii) 如何利用有限元分析和实验验证的方法比较AP、DHS和PFN的生物力学性能。

材料和方法

本研究选取三例成年男性患者,均为右侧股骨31-A1型股骨转子间骨折,伤前均无肌肉骨骼疾病史,股骨的解剖学和X线检查结果正常,无骨关节炎及畸形。股骨CT扫描图像在X/Y轴方向的层距为0.74mm,Z轴方向0.7mm,采用3D-doctor进行截面重建,ANSYS workbench 10.0建立三维实体模型。

Bergmann等在不同的载荷条件下分别建立了正常的股骨和四种植入物(AP、MAP、DHS和PFN)的有限元模型。AP、MAP和DHS的材质为316L不锈钢,PFN的材质为钛合金。由于作用在股骨头上的载荷差异很大,本研究中采用了Bergmann定义的股骨坐标系统。股骨颈的轴线通过股骨头的中心,同时也是关节的旋转中心。在模拟作用到髋关节的载荷时使用了行走时的站立态,在这类模型中,外展肌在转子上施加1700N的拉力,髂腰肌施加771N的拉力,合力为2460N。施加载荷后运行有限元分析软件,求解器会在划分网格后在每一个节点处计算Von Mises应力值,单位为MPa。在分析过程中,股骨采用均匀的、各项同性的弹性体材料建模,模型中包括骨折线以便计算该处的应力。

在生物力学测试中,将力学性能接近人骨的cestamide材料制成直径125px、长度1000px的圆柱体以模拟近端股骨。按照ASTM标准,在股骨转子间的位置制作10mm宽的骨折线,置入压力传感器模拟骨折线上的载荷。

模型固定在材料试验装置后,施加角度为6度的轴向载荷模拟力学轴线,轴向载荷以100N的步长从0N逐步增加到1000N。对于每种类型的植入物,制备7个Cestamide材料的结构进行模拟。

实验中的自变量为植入物的种类(n=4)和轴向载荷(0N-1000N,步长100N),因变量为股骨转子间骨折线处的载荷。实验数据用SPSS 11.5软件进行处理。

结果

在正常股骨模型的有限元分析中,前、后、内、外、后内侧的平均应力分布分别为21.4、23.2、21.7、24.2和22.8MPa,沿骨折线的平均应力为27.4MPa。DHS骨折线处应力增加的最快,PFN增加的最慢。

在生物力学试验中,骨折线处的载荷测量表明AP和DHS系统的载荷值最高,PFN的载荷值最低。当载荷超过500N时,DHS和AP产生近乎平行的曲线和非常相近的结果。MAP在骨折线处的载荷低于DHS和AP,但要略高于PFN。轴向载荷小于等于400N时,有限元分析和生物力学实验在骨折线处都得到了更高的载荷值,压力由大到小分别是PFN,MAP,DHS和AP。轴向载荷大于等于500N时,AP和DHS产生的压力与MAP和PFN相比几乎降低了50%。轴向载荷1000N时,DHS在骨折线处产生的载荷值最大。

讨论:

MAP适用于转子间和转子下骨折,有如下优点:1. 钢板近端三枚不同方向的螺钉,满足骨折形态;2. 根据骨折线的形态选择不同螺纹长度的松质骨钉,16mm, 32mm或全螺纹螺钉;3. 三枚松质骨螺钉形成三维固定;4. 小骨折块简单复位;5. 近端小骨块的稳定固定;6. 无需额外的器械;7. 钢板分左右,有不同的长度规格。

MAP的屈服强度位于PFN与DHS之间。骨折线上的应力在虚拟的和真实的环境中的实验结果是一致的。

目前的研究还存在一定的局限性。首先,不同骨组织的材料过度简化,皮质骨和松质骨模型均被设置为均匀的和同源性材料,而实际上这些组织是非同源的和不均匀的;其次,研究中没有考虑到髋关节周围的软组织的特性。这些差异可能会影响到骨折的定位以及骨折处的最大压力值。

当发生转子间骨折时,使用植入物进行内固定时,MAP在骨折线处产生的应力与正常股骨非常接近,这说明使用MAP能够在骨折线处传导应力,并且不会影响正常的生理载荷。AP、DHS和PFN会导致骨折线处的应力增加,其中DHS增加的最大。

在生物力学试验中,AP和DHS系统在骨折线处产生的载荷最大,两者具有几乎相同的载荷值,而PFN系统的载荷最小,MAP的结果与PFN相近。这样看来,PFN应该是最适合的植入物。然而,考虑到MAP采用的是髓外固定的方式而PFN是髓内固定,PFN具有更小的短柄内翻力矩,MAP应该是最适合的植入物,因为其更直接的承载载荷。

研究表明,相比其他植入物,MAP的生物力学特性与PFN最为接近,MAP可以作为股骨近端骨折治疗的标准手段,而不仅仅是一种备选方案。MAP是治疗股骨近端骨折的可靠方法,而且其操作简单,价格低廉。

原始标题:Performance of modiﬁed anatomic plates iscomparable to proximal femoral nail, Dynamic hip screw and anatomic plates:Finite element and biomechanical testing

作者:O.FuadOken, ZaferSoydan, A.OzgurYildirim,MuratGulcek, KorhanOzlu, AhmetUcaner

出处:Injury. 42: pages 1077-83, 2011.

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