2017, Vol. 38
2. 中国石油天然气集团公司中心医院介入科, 廊坊 065000
, LIU Chuang-jian1, ZHANG Tian-yi1, KONG Fan-lin1, JIA Jun-ling1, LI Zhen1, XU Xiu-xia2, FAN Guo-feng1
2. Department of Interventional Medicine, China National Petroleum Corporation Central Hospital, Langfang 065000, Hebei, China
股骨假体周围骨折是人工髋关节置换术后的严重并发症之一，其发生率约0.1%~6%[1~4]。其中以Vancouver B1型骨折最为常见，约占股骨假体周围骨折总数的75%，其保守治疗的骨折不愈合发生率约为42%[1, 5~6]。Vancouver B1型骨折的常见手术方式主要有锁定钛板螺钉内固定、钛缆(钢丝)内固定或将两者结合的内固定方式[1, 5, 7]。本研究基于有限元方法，对3种不同内固定方式的骨折稳定性及内固定系统应力峰值进行研究。
1 资料和方法 1.1 研究对象选择健康志愿者作为研究对象，入选标准：(1)年龄50岁以上；(2)无下肢骨折外伤史；(3)无下肢神经肌肉性疾病史；(4)可正常行走；(5)无继发性骨质疏松等代谢性骨病病史。最终入选志愿者30名，其中女性17名，男性13名，年龄52~74岁，平均年龄(65.3±6.7)岁。
1.2 原始数据获取采用西门子Biography true point 64层螺旋CT对志愿者左侧股骨全长进行扫描，将所得图像数据以DICOM格式导入MIMICS 10.01软件(比利时Materialise公司)，重建股骨三维模型。
1.3 有限元模型设定用三坐标测量仪扫描股骨干十孔锁定钛板(常州奥斯迈公司)及非骨水泥型股骨假体(美国Zimmer公司)，以点云格式导入Geomagic Studio 12软件 (美国Geomagic公司)生成实体模型。忽略锁定螺钉细小螺纹结构，以圆柱体模拟，避免增加求解运算量[8]。以截面直径1.8 mm的环形结构模拟钛缆捆扎[9]。在Abaqus 6.10软件(法国DASSAULT SIMULIA公司)中通过绑定约束模拟“假体-股骨”“螺钉-锁定板”“钛缆-锁定板”“螺钉-股骨”及“钛缆-股骨”之间关系。
1.4 模拟假体周围骨折(1) 参照Zimmer全髋关节置换技术指导手册，模拟人工髋关节置换术，置入股骨假体。(2)由于近端股骨髓腔内有假体支撑，导致靠近假体远端部位应力集中，易发生骨折[10]。因此，在股骨柄下缘处以5 mm宽间隙模拟Vancouver B1型骨折[11]。
1.5 模拟不同内固定手术钛板置于股骨外侧，中间两孔(骨折端间隙处)均留空，骨折远端均以4枚锁定螺钉双层皮质固定，近端采用3种不同固定方式：(1)4根钛缆捆扎固定(Cable；简称C组)；(2)4枚锁定螺钉单皮质固定(Screw；简称S组)；(3)4根钛缆及4枚螺钉共同固定(简称C+S组)。见图 1。
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图 1 各组螺钉及钛缆位置组合示意图 C组: 4根钛缆捆扎固定组; S组: 4枚锁定螺钉单皮质固定组; C+S组: 4根钛缆及4枚螺钉共同固定组 |
1.6 网格划分
在Abaqus软件中划分网格，人工髋关节假体、钛板、钛缆及股骨采用10节点四面体单元(C3D10M)，螺钉采用8节点六面体单元(C3D8)，见图 2。
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图 2 各组有限元模型图 C组: 4根钛缆捆扎固定组; S组: 4枚锁定螺钉单皮质固定组; C+S组: 4根钛缆及4枚螺钉共同固定组 |
1.7 赋材料属性
股骨模型由其CT图像HU值计算骨密度(density)=-13.4+1 017×HU，再由骨密度计算其弹性模量(E-modulus)=-388.8+5 925×density[12]，泊松比0.3。图 3A为材料物理属性赋值完毕后股骨模型示意图，不同颜色区域代表不同材料物理属性。股骨假体、钛板、螺钉及钛缆均依照钛合金参数赋值，弹性模量为110 GPa，泊松比0.3。
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图 3 材料属性示意图(A)及锁定板应力云图(B) |
1.8 约束及载荷
约束股骨远端节点所有自由度，模拟固支边界条件；模拟股骨周围主要肌肉附着点及设置肌肉作用力[12~13] ；股骨假体顶端施加垂直向下的压力，以500 N模拟部分负重状态[14]，以2 300 N模拟完全负重状态[15]。依据第四强度理论(形状改变比能理论)，将Von Mises应力作为观察指标，同时观测股骨在应力作用下的最大位移。选择相对位移和应力最大区域的5个单元取其位移和应力的平均值。图 3B为载荷作用下锁定板应力云图。
1.9 统计学处理采用SPSS 16(美国IBM公司)软件进行统计学分析。采用配伍组设计的方差分析方法，同时，采用最小显著性差异法(LSD)进行各组间数据的两两比较.检验水准(α)为0.05。
2 结 果 2.1 骨折端位移在500 N及2 300 N压力载荷作用下，C组、S组及C+S组骨折端位移差异均有统计学意义(P<0.05)。将各组数据进行两两比较后发现，C组与S组差异无统计学意义(P＞0.05)；C+S组与另外两组比较，位移减小，其差异有统计学意义(P<0.05或P<0.01)。见表 1。
2.2 钛板Von Mises应力峰值在500 N及2 300 N压力载荷作用下，C组、S组及C+S组钛板Von Mises应力峰值差异有统计学意义(P<0.05)。将各组数据进行两两比较后发现，C组和S组差异无统计学意义(P＞0.05)；C+S组与另外两组比较，应力峰值减小，其差异有统计学意义(P<0.05或P<0.01)。见表 1。
2.3 假体VonMises应力峰值 在500 N及2 300 N压力载荷作用下，C组、S组及C+S组假体上分布的Von Mises应力峰值依次逐渐增大，但各组间差异均无统计学意义(P＞0.05)，见表 1。
2.4 股骨VonMises应力峰值 在500 N及2 300 N压力载荷作用下，各组Von Mises应力峰值均出现在骨折远端最靠近骨折线的钉孔处；且C组、S组及C+S 组股骨上分布的Von Mises应力峰值依次逐渐增大，但各组间差异均无统计学意义(P＞0.05)，见表 1。
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表 1 不同固定方式及载荷下骨折端位移以及假体、钛板、股骨Von Mises应力峰值 |
3 讨 论
股骨假体周围骨折是人工髋关节置换术后的严重并发症，往往伴随着较高的致残率和致死率[16]，Brady等[17]依据骨折部位与股骨假体是否松动，将股骨假体周围骨折分为A、B、C 3种类型，即Vancouver分型：其中A型骨折定义为发生在股骨近端的骨折，根据累及部位的不同又可细分为累及大转子的骨折AG和累及小转子的骨折AL。B型骨折定义为发生在股骨假体周围或靠近远端的骨折，其中B1型骨折无假体松动，B2型骨折假体松动但无明显骨量丢失，B3型骨折在假体松动的同时伴有明显骨量丢失，C型骨折定义为发生在距离股骨假体远端较远部位的骨折。对于假体周围骨折的治疗，目前普遍认为Vancouver A型骨折可采用保守治疗方法，对于较大块的骨折，也可行切开复位内固定手术[18]；Vancouver B1型骨折首选切开复位内固定手术[19]，Vancouver B2型骨折则需更换长柄假体[20]；Vancouver B3型骨折则应在更换假体的同时行同种异体骨移植以补充骨量[21]，或更换肿瘤型假体；Vancouver C型骨折可参照股骨干中下段骨折行切开复位内固定术。
有限元方法是一种基于计算机技术的模拟求解方法，用于研究将个体分解为有限个数量的单元，并通过单元及节点之间力和力矩的平衡关系建立矩阵，进而求解。有限元方法已越来越多地应用于临床医学领域。许多学者针对人工髋关节置换术后假体周围骨折的治疗方式进行了有限元分析[22~23]。但这些研究多是基于单个个体的模拟并求解。本研究选择30名志愿者采集股骨数据并分别建模，在每个模型上均进行模拟手术及求解，有效避免了单次模拟中可能出现的各种误差，使结果更加可靠。
传统的有限元分析方法在模拟骨骼结构时，往往通过分割皮质骨与松质骨并分别赋予材料属性的方式，模拟不同部位骨骼的物理学特性。这种方法无疑是一种简单、快捷的方式，但其缺点也不容忽视：首先，该方法不能体现生物组织的渐变特性，对皮质骨与松质骨之间的渐变区域无法进行合理模拟；其次，所使用的物理属性并不具有个体特异性，即对每个不同的个体均采用统一标准，与实际情况不符；再次，不同材料属性区域交界面两侧，由于材料物理性质突然改变可能会导致应力集中等现象，影响结果准确性。在此基础上，一种基于CT图像HU值的赋值方法被发展出来[14]，这种方法基于骨组织CT图像的HU值计算每个单元的骨密度，再依据骨密度计算对应的弹性模量并将其赋予该单元。从而实现了每个单元的独立赋值，提高了生物模拟的精度。此外，因股骨假体周围骨折多发生于中老年患者，故本研究在选择志愿者时对年龄做出限制(＞50岁)，以保证入选者充分代表骨折高发人群。结合前述基于CT图像HU值的赋值方法，使得模拟更加符合临床实际情况。
在部分负重及完全负重的载荷作用下，C组及S组最大位移及锁定板应力峰值差异均无统计学意义，但C+S组最大位移较另外两组减小，锁定板应力峰值较另外两组降低。即骨折近端采用钛缆或锁定螺钉单层皮质固定，其稳定性及锁定板所承受的应力峰值并无显著差异。但将钛缆及螺钉组合使用可以获得更好的稳定性，且可以使得锁定板上应力分散，降低应力峰值。这与一般临床经验相符，且此种趋势也在体外生物力学实验中得到证实[9, 11]。对于内固定物而言，较大的峰值应力可能导致内固定物预期寿命缩短，从而出现疲劳折断等严重后果。因而，较低的峰值应力可使得内固定物安全性提高。
同时，在不同载荷作用下，C组、S组及C+S组假体及股骨上分布的应力峰值逐渐增大。这种现象的产生可能是由于随着固定稳定性逐渐增加，骨折端在载荷作用下发生相对移动的趋势被进一步限制，从而使假体与骨组织之间以及锁定板与骨组织之间的作用力增加，导致应力峰值变大。但值得注意的是各组间的差异并无统计学意义。
综上所述，C组和S组在不同压力载荷作用下的骨折位移，锁定板、假体以及股骨上的应力峰值差异均无统计学意义，也即钛缆捆扎和锁定螺钉单层皮质固定后力学表现无明显区别。与锁定螺钉内固定相比，钛缆捆扎往往需要剥离较多软组织，且捆扎后骨折端血液循环将受到影响，不利于骨折愈合。另外，本研究在模拟捆扎关系时，将股骨与钛缆对应结点进行绑定约束。这种稳定的结合关系在术后一段时间钛缆周围骨组织增生后才会出现[11]。在术后早期，钛缆与股骨之间依然存在潜在的移位可能，从而使内固定效果受到影响。与C组和S组相比，C+S组无论在稳定性和锁定板应力峰值上均有比较明显的优势。
本研究对Vancouver B1型骨折不同内固定方式后的力学性质进行有限元分析，以为临床医生提供参考。本研究存在一定的不足之处：(1)如前所述，本研究将钛缆与锁定板、股骨之间的关系以绑定约束进行模拟，但实际上在术后早期仍有潜在的移位可能；(2)本研究采用横行间隙模拟骨折，但实际上，Vancouver B1型骨折的骨折线可能有多种走行，对于斜行或螺旋形骨折，钛缆捆扎往往能得到比较理想的结果，因而在本研究中钛缆捆扎的优势可能被低估；(3)内固定物疲劳是一个复杂的问题，不仅与应力峰值有关，还受到载荷变化周期、金属表面处理情况以及预应力等因素影响，因Abaqus软件无法对内固定物植入后的高周疲劳进行模拟，故本研究未对此问题进行深入讨论；(4)在生理状态下，大腿肌肉收缩力量载荷对股骨应力分布有较大影响，在一个步态周期的支撑阶段和摆动阶段肌肉的力量会出现较大的变化，但本研究未详细模拟不同肌肉收缩状态下肌力载荷对股骨所受应力的影响。
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