【醫學應用】股骨近端改進型解剖鋼板的有限元分析和生物力學測試

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要

目的:從生物力學的角度驗證改進型解剖鋼板(MAP)的性能是否與股骨近端髓內釘(PFN)、解剖鋼板(AP)和動力髖螺釘(DHS)類似。

材料與方法:使用有限元分析和生物力學測試評價PFN、DHS和AP、MAP的性能,完成股骨建模,使用參數分析的方法評估結果。

結果:有限元分析和生物力學實驗均表明:軸向載荷小于等于400N時,骨折線處的應力大小順序是PFN>AP>MAP>DHS(p < 0.05),差異有統計學意義。軸向載荷大于等于400N時,AP和DHS在骨折線處產生的應力幾乎只有MAP和PFN的一半(p > 0.5),差異無統計學意義。軸向載荷1000N時,DHS在骨折線處的應力最大(p < 0.05),差異有統計學意義。

結論:MAP的生物力學特性與PFN相似,在骨折處和股骨近端產生最適宜的載荷。有限元方法和生物力學測試揭示了MAP的特性與髓內固定和髓外固定的特點均有關,雖然載荷是以髓外刺激的方式施加的。

前言

股骨近端骨折是一種嚴重的創傷,有可能永久致殘,臥床會并發肺炎、肺栓塞、褥瘡甚至導致死亡。髖部骨折在行手術治療之前幾乎無法行走。治療這些骨折可以采用各種髓內/髓外的固定方式,如DHS、解剖鋼板和PFN等。然而,在治療股骨轉子間骨折時,選用何種植入物還未達成共識。

雖然DHS廣泛用于股骨近端骨折的固定,但是也有如下缺點:(a)大轉子外移; (b)股骨的過度短縮;(c) 股骨內移等。解剖鋼板設計的初衷是為了克服DHS的局限性,更加均勻的分配股骨近端和軸向承受的載荷。然而,AP的使用經驗表明該設計并沒有達到均勻分配股骨近端載荷的效果。由于AP的厚度小,在固定不穩定骨折時經常難以承受形變應力。此外,如果骨折線處有異物嵌塞,AP近端的三枚螺釘非常容易發生失效。

為了克服DHS和AP設計的生物力學缺陷,作者采用如下方案改進了AP的設計:(a) 增加了骨板的厚度以增強其承受載荷的能力;(b) 在近端三枚螺釘孔的下部開槽;(c) 在松質骨螺釘的頭部增加螺紋。上部的兩個孔允許用松質骨螺釘進行任意角度的固定,螺釘頭部和近端三個帶螺紋孔形成了128°固定角度的骨板-螺釘鎖定系統。這些改進措施避免了骨折端加壓后植入物的松動,同時有利于恢復生物力學的傳導。

有限元模型對于理解髖部骨折的根本原因和機制有很大的幫助,然而,在考慮其臨床適用性之前必需經過徹底的有效性驗證。研究目標是:(i) 對于股骨轉子間骨折,MAP是否能夠通過骨折線傳導軸向載荷;(ii) 如何利用有限元分析和實驗驗證的方法比較AP、DHS和PFN的生物力學性能。

材料和方法

本研究選取三例成年男性患者,均為右側股骨31-A1型股骨轉子間骨折,傷前均無肌肉骨骼疾病史,股骨的解剖學和X線檢查結果正常,無骨關節炎及畸形。股骨CT掃描圖像在X/Y軸方向的層距為0.74mm,Z軸方向0.7mm,采用3D-doctor進行截面重建,ANSYS workbench 10.0建立三維實體模型。

Bergmann等在不同的載荷條件下分別建立了正常的股骨和四種植入物(AP、MAP、DHS和PFN)的有限元模型。AP、MAP和DHS的材質為316L不銹鋼,PFN的材質為鈦合金。由于作用在股骨頭上的載荷差異很大,本研究中采用了Bergmann定義的股骨坐標系統。股骨頸的軸線通過股骨頭的中心,同時也是關節的旋轉中心。在模擬作用到髖關節的載荷時使用了行走時的站立態,在這類模型中,外展肌在轉子上施加1700N的拉力,髂腰肌施加771N的拉力,合力為2460N。施加載荷后運行有限元分析軟件,求解器會在劃分網格后在每一個節點處計算Von Mises應力值,單位為MPa。在分析過程中,股骨采用均勻的、各項同性的彈性體材料建模,模型中包括骨折線以便計算該處的應力。

在生物力學測試中,將力學性能接近人骨的cestamide材料制成直徑125px、長度1000px的圓柱體以模擬近端股骨。按照ASTM標準,在股骨轉子間的位置制作10mm寬的骨折線,置入壓力傳感器模擬骨折線上的載荷。

模型固定在材料試驗裝置后,施加角度為6度的軸向載荷模擬力學軸線,軸向載荷以100N的步長從0N逐步增加到1000N。對于每種類型的植入物,制備7個Cestamide材料的結構進行模擬。

實驗中的自變量為植入物的種類(n=4)和軸向載荷(0N-1000N,步長100N),因變量為股骨轉子間骨折線處的載荷。實驗數據用SPSS 11.5軟件進行處理。

結果

在正常股骨模型的有限元分析中,前、后、內、外、后內側的平均應力分布分別為21.4、23.2、21.7、24.2和22.8MPa,沿骨折線的平均應力為27.4MPa。DHS骨折線處應力增加的最快,PFN增加的最慢。

在生物力學試驗中,骨折線處的載荷測量表明AP和DHS系統的載荷值最高,PFN的載荷值最低。當載荷超過500N時,DHS和AP產生近乎平行的曲線和非常相近的結果。MAP在骨折線處的載荷低于DHS和AP,但要略高于PFN。軸向載荷小于等于400N時,有限元分析和生物力學實驗在骨折線處都得到了更高的載荷值,壓力由大到小分別是PFN,MAP,DHS和AP。軸向載荷大于等于500N時,AP和DHS產生的壓力與MAP和PFN相比幾乎降低了50%。軸向載荷1000N時,DHS在骨折線處產生的載荷值最大。

討論:

MAP適用于轉子間和轉子下骨折,有如下優點:1. 鋼板近端三枚不同方向的螺釘,滿足骨折形態;2. 根據骨折線的形態選擇不同螺紋長度的松質骨釘,16mm, 32mm或全螺紋螺釘;3. 三枚松質骨螺釘形成三維固定;4. 小骨折塊簡單復位;5. 近端小骨塊的穩定固定;6. 無需額外的器械;7. 鋼板分左右,有不同的長度規格。

MAP的屈服強度位于PFN與DHS之間。骨折線上的應力在虛擬的和真實的環境中的實驗結果是一致的。

目前的研究還存在一定的局限性。首先,不同骨組織的材料過度簡化,皮質骨和松質骨模型均被設置為均勻的和同源性材料,而實際上這些組織是非同源的和不均勻的;其次,研究中沒有考慮到髖關節周圍的軟組織的特性。這些差異可能會影響到骨折的定位以及骨折處的最大壓力值。

當發生轉子間骨折時,使用植入物進行內固定時,MAP在骨折線處產生的應力與正常股骨非常接近,這說明使用MAP能夠在骨折線處傳導應力,并且不會影響正常的生理載荷。AP、DHS和PFN會導致骨折線處的應力增加,其中DHS增加的最大。

在生物力學試驗中,AP和DHS系統在骨折線處產生的載荷最大,兩者具有幾乎相同的載荷值,而PFN系統的載荷最小,MAP的結果與PFN相近。這樣看來,PFN應該是最適合的植入物。然而,考慮到MAP采用的是髓外固定的方式而PFN是髓內固定,PFN具有更小的短柄內翻力矩,MAP應該是最適合的植入物,因為其更直接的承載載荷。

研究表明,相比其他植入物,MAP的生物力學特性與PFN最為接近,MAP可以作為股骨近端骨折治療的標準手段,而不僅僅是一種備選方案。MAP是治療股骨近端骨折的可靠方法,而且其操作簡單,價格低廉。

原始標題:Performance of modi?ed 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

出處:Injury. 42: pages 1077-83, 2011.

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