两种方法评价股骨颈骨折空心钉固定的微动

文献来源：F.Nabhanietal.，Comparisonoftwotoolsforthemeasurementofinterfragmentarymovementinfemoralneckfracturesstabilisedbycannulatedscrews[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing26()–,,.DOI：10./j.rcim..06.

两种方法评价股骨颈骨折空心钉固定的微动

1背景

股骨颈骨折是一种常见的髋部损伤，对于未移位的股骨头和股骨颈囊内骨折，多主张使用空心螺钉来实现加压加强固定，有效的固定可以使手术后形成稳定的骨痂，这是股骨颈获得愈合的重要因素。内固定手术的目的是维持骨折端的稳定性，通过减少抑制骨痂形成的剪切运动，促进骨愈合。本文的目的是比较有限元方法及力学试验方法评估正常载荷下的股骨颈骨折端稳定性，探讨两种评估方法各自的优势和局限性。

2资料与方法

评价股骨颈骨折内固定稳定性最常见的加载方式是在股骨头施加轴向载荷，在本文中采用以下两种方法进行分析比较：1.有限元方法：从CT图像中提取右侧股骨的三维模型，导入到有限元软件中进行网格化划分，根据公式对于CT数据中不同灰度值定义杨氏模量(如图1示)，将完整的股骨模型旋转到内收11°的位置，并承受0.8kN的下向载荷(如图2a示)，自股骨头上方垂直加载。在模型中模拟了50°的骨折线(如图2b示)，将骨折端两侧设置摩擦接触(μ=0.5)来表示骨折端接触的界面条件。自患者人群中提取平均载荷数据施加于股骨头的模型中。共建立5组有限元模型，其中4组模型通过3枚螺钉根据不同空间位置组合成三角形结构，另外1组模型为2枚螺钉组成平行并排结构(如图2c示)。

Fig.1.股骨近端有限元模型

Fig.2.(a)用于验证的完整股骨模型；(b)模拟骨折的固定模型加载方式；(c)螺钉空间分布特征(股骨颈横断面观)

2.力学试验：采用万能试验机对SAWBONES进行力学测试，利用圆形压板施加载荷到股骨头上部区域（如图3示）。股骨颈骨折造模角度与水平方向成50°，截骨面垂直于股骨颈纵轴，通过3枚直径6.5mm的空心螺钉以正三角形结构放置(见上述modelA)，在四种条件下进行预拉伸测试：

①螺钉未拧紧，螺钉植入股骨头且与皮质骨的外表面接触；

②螺钉植入股骨头且与皮质骨外表面接触后，螺钉再旋转半圈；

③螺钉植入股骨头且与皮质骨外表面接触后，螺钉完整旋转1圈；

④螺钉植入股骨头且与皮质骨外表面接触后，螺钉完整旋转2圈；

沿截骨线每隔1cm放置一个标记，其中股骨颈前部标记位于骨折界面的股骨干侧，股骨颈后部相应的标记位于骨折界面的股骨头侧，总共放置了5对标记(如图4示)。使用数字摄像机将标记的位移进行捕获。

Fig.3.股骨模型力学测试设置

Fig.4.从(a)前部和(b)后部看股骨颈，用可见的白色标记置于截骨位置多个：A-前上；B-前中；C-前下；D-后上；E-后下；

3结果

1.模型验证：

在0.8kN的载荷下，有限元结果中股骨头的轴向位移为0.mm，力学试验结果中SOWBONES的轴向位移为0.66mm，与既往Cristofolini等人曾采用相关的测试装置所得出数据的对比如图5示：

Fig.5.0.8kN载荷下三种方法得到的骨折部位轴向位移数据

2.有限元结果：

①在5组模型中在骨折部位相对位移均≤1mm；②采用3枚螺钉呈正三角形放置（modelA），骨折部位的相对位移最低(0.mm)(如图6示)；③2枚螺钉平行并排放置的结构最不稳定，骨折部位相对位移≥0.06mm

3.力学试验结果：

①对于股骨颈前、后部其上侧骨折部位(标记点A、D)的相对位移都均大于下侧(标记点E、C);②最大的骨折部位的相对位移发生在股骨颈后上方的标记处(标记点D)(4.89mm)(如图6示)，最小的位移发生在前下方标记处(标记点C)(0.43mm)；③螺钉随着拧紧程度增加导致所有标记位置相对位移减少，相对运动平均减少56%，而旋转半圈则使相对运动减少16%;

Fig.6.modelA在两种方法中骨折部位相对位移的比较

4讨论

1.通过有限元及力学试验方法得到的位移值分别为0.mm和0.66mm，验证了两种评估方法的一致性和准确性；2.有限元模型中的骨骼受到模拟步态周期的两种力的同时作用，其一是通过股骨头传递的下向力，其二是外展肌力施加在大转子的内上方收缩力，这两种力相互对立，理论上会增加骨折间稳定性；反观力学测试模型，仅受到垂直压缩的下向力，导致骨折间出现滑移运动倾向，这就解释了骨折界面间位移赋值大于有限元计算值，而本组的实验值与既往的力学研究结果保持了很好的一致；3.力学试验同时也研究了螺钉植入后的拧紧程度对骨折稳定性的影响，通过正三角形放置的螺钉结构(modelA)，证实了螺钉的预拧紧作用对骨折端的稳定作用。力学试验考虑了螺纹与骨质的咬合作用，这在有限元模型中是难以实现的;综上，计算力学和试验力学都能够有效地评估股骨颈骨折内固定的机械强度和稳定性，本组测试结果与文献中报道相似，研究者应根据

转载请注明：http://www.aierlanlan.com/rzfs/216.html