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手术内固定是目前治疗股骨转子间骨折的主要方法。临床上根据不同的骨折分型采用特定的内固定方式进行治疗。近30年内出现了众多的内固定器械,主要有钉板、髓内两种内固定模式。这些不同的分型、不同的内固定方式基本都围绕一个主要的问题——股骨转子间骨折复位固定后的稳定性。其争议焦点之一就是伴有股骨小转子骨折移位的转子间骨折是否适合应用钉板系统进行内固定。
根据Evans-Jensens分型,转子间骨折四部分中,内侧压力侧骨折块在股骨转子间骨折术后稳定具有尤为重要的作用。目前临床上普遍认为,股骨小转子在股骨转子间骨折的手术治疗中有重大影响,它的存在与否直接影响术后下肢力学传导,影响内固定的治疗效果。因此评估在不同内固定条件下,小转子骨折移位是否影响复位固定以及术后功能锻炼,对临床手术治疗有重要意义,是手术前必需要明确的问题。本文将围绕这个问题展开研究。
目的:从生物力学角度来深入研究DHS、PFNa在复位内固定Evans-JensensⅠ、Ⅱb型股骨转子间骨折后整体的力学影响。建立可靠的有限元模型,为所研究类型骨折模型及特殊内固定的临床生物力学表现作出评价,进一步为所有这类骨折特殊内固定后的力学表现建立一套可参考的模拟方法线路。为临床实验中难以逾越的破坏性、重复性等问题提供解决另一思考方法。
方法:
采集健康成年男性左侧股骨CT图像,通过有限元法建立左侧上端股骨及内固定器有限元模型,研究其生物力学行为。
1)有限元模型的建立:选择健康成年男性志愿者左侧股骨(股骨无损伤)进行CT扫描,获取数据图片资料。将扫描CT图输入有限元软件系统,进行网格划分,工况建立以及骨折类型构建。用CAD建模法建立DHS以及PFNa系统有限元模型。将两者合并于同一工况下,建立完整的4种工况的骨折内固定模型。
2)有限元分析:设定边界条件以及负荷加载方式。进行有限元运算,探讨人体自重下以及分级载荷下的各工况下股骨近端有限元应力、位移分布。结果:
建立了左侧上段股骨和两种内固定下四种工况的有限元模型,上段股骨模型长196.777mm,模型由216255个单元,40373个节点构成以及钛合金钢板内固定系统,共计DHS(7761节点,33699单元):PFNA(4312节点,18146单元)。四种模型分级载荷下的应力分布结果显示:除模型Ⅲ内固定器压应力增加幅度较大.超出钛合金钢板强度范围之外,其他三个模型内固定器应力较小,在钢板耐受范围内。四种模型在分级载荷下位移分析结果显示:模型Ⅲ的Z向位移增加幅度、曲率都明显高于其他三种模型。而其他三种模型位移大小都比较接近,增加比较缓和。
结论:
1)本文的研究工作建立了左侧近段股骨Evans-Jensens I、Ⅱb型股骨转子间骨折有限元内固定模型。并且通过分级载荷及自体负重下应力分析完成了对临床常用的PFNa、DHS内固定系统固定这两种骨折的生物力学分析。为临床合理选用这两种内固定器提供了生物力学依据。
2)通过有限元模型应力分析,我们发现PFNa在钉尾6°偏角区仍然存在较大的应力集中,虽然我们研究中它在钛合金强度范围内。 Evans-Jensens I型股骨转子间骨折中,两种内固定下内固定及股骨皮质骨应力分析值都在各自强度范围内,因此我们认为在Evans-JensensⅠ型股骨转子间骨折中这两种内固定都是安全的。
3)通过有限元应力、位移分析结果。我们发现在Evans-JensensⅡb型股骨转子间骨折有限元内固定模型中,DHS内固定后其位移、应力都明显高于PFNa内固定,且2000N负荷下DHS内固定的应力数值高于钛合金耐受,因此DHS进行Evans-JensensⅡb型股骨转子间骨折内固定治疗存在内固定不能耐受风险。
4)通过有限元应力、位移分析综合。我们认为钉板系统在存在内侧移位、缺失类型的股骨转子间骨折中存在疲劳、断裂风险,不适合用其进行坚强固定。而在内侧支持存在的骨折类型当中,DHS及PFNa作用效果相当,应以经济、手术创伤耐受、病人要求等情况综合考虑固定方式。PFNa在进行Evans-JensensⅡb型股骨转子间骨折内固定治疗中有限元力学、位移分析,其效果基本达到了DHS固定Evans-JensensⅠ型股骨转子间骨折的水平,同时考虑其微创特点,我们认为在这类骨折当中,应该首选PFNa进行内固定治疗。