中空钉的布置.DOCVIP

中空钉内固定治疗股骨颈骨折方法的有限元分析 苏雁飞1，王奇志1，胡磊2 （1.北京航空航天大学固体力学研究所，北京 100083；2. 北京航空航天大学机器人研究所，北京 100083） 摘要：目的：分析中空钉治疗股骨颈骨折时中空钉和股骨上部的受力特点，从而为中空钉的空间布置和进一步优化提供理论基础。方法：根据成人股骨上部的螺旋CT片，采用3D-DOCTOR和 Geomagic 8.0共同来实现股骨的实体建模，采取手术操作常用的三钉倒三角与股骨干成1270的内固定方式，利用ANSYS9.0对不同角度的骨折模型进行了受力分析，并且针对两种不同规格的中空钉固定做了比较。结果表明：中空钉上的应力在骨折断面处最大，并且向两边逐渐递减，即离骨折面越远，则应力就越小；三个中空钉上也存在应力不均匀的现象；两种规格的中空钉都能满足强度的要求，但外径5mm的中空钉的承载能力发挥更为充分；对于股骨而言，在中空钉固定的端部存在应力集中现象。结论：手术操作常用的三钉倒三角与股骨干成1270的内固定方式在三钉的空间布置方面仅考虑股骨颈几何结构还不够，应结合股骨颈几何结构和受力特点确定布置方案。 关键词： 股骨颈 骨折 中空钉 强度分析 有限元 股骨颈骨折是一种临床常见的重度骨损伤，发生率约占全身骨折的3.6％，该骨折特点是局部创伤严重、患者骨密度较低、骨断端的再生修复条件差、血供较差，因此股骨颈骨折的愈合通常是比较困难的，骨折不愈合率约为10％ ～20％，因此精确的解剖复位和理想的内固定成为骨折愈合的首要条件。中空钉作为治疗股骨颈骨折的最重要的内固定装置，在骨折的愈合过程中起着举足轻重的作用。然而，大多数的研究都选择简化的股骨模型，主要集中在研究中空钉固定角度和固定方式的研究上[2-5]，对中空钉在逼真股骨环境中的实际受力分析和空间布置的研究相对较少，不利于螺钉的有效利用和进一步的优化设计。有限元分析是近些年生物力学研究的重要手段[1]。本文利用成人股骨颈CT图片建立逼真的股骨颈模型，采取手术操作常用的三钉倒三角与股骨干成1270的内固定方式，选择三钉在骨折面上较优的空间布置方案，对不同角度的骨折模型进行受力分析，从而研究中空钉在逼真股骨环境中的实际受力特点，为中空钉的有效利用和进一步的优化设计提供依据。 1. 材料和方法 1.1 股骨模型的建立 选用成人新鲜尸体股骨剥除所附着的软组织,将股骨沿长轴方向作横断面的CT 扫描。扫描的间距层为0.5mm，共895张CT片。把CT图片导入3D-DOCTOR中，对每一层图像进行操作，提取每一层的轮廓线，并且根据所提取的轮廓线生成曲面，把生成的曲面用Geomagic中进行光滑处理，最后在导入ANSYS9.0中即完成股骨模型的建立股骨模型。 由于研究的是股骨颈骨折，故只取股骨的上部进行分析，股骨颈模型如图1和图2所示。由图2可见，股骨颈并不与骨干轴线对称，而是偏于右侧。 图1 股骨上部模型正视图 图2 股骨上部模型侧视图 1.2 中空钉的模型与布局 1.2.1 中空钉尺寸 中空钉由钉头、钉径和钉帽组成，本文采取两种规格的中空钉。其中一种外径为5.0mm，内径为2.6mm，另外的一种为外径7.3mm,内径3.0mm，长度为65～115mm规格不等。手术时中空钉长度控制在距股骨头皮质骨下5mm左右，根据病人股骨的长度特点以及内固定要求来选择合适的中空钉规格。 1.2.2 中空钉的布置 根据股骨颈骨折内固定方式的相关研究，三钉倒△固定时的L和UZ扭值均最小，综合固定效果最好[3]，本文选择三钉倒△固定。三钉进钉角度与股骨干成127度角。为了受力均匀并尽量减少扭矩，三钉布置尽量与股骨颈骨折面的中心对称。以骨折角度为70度为例，中空钉的布置可见图2与图3，其中1号钉长度为115mm，2号钉为110mm，3号钉为105mm。 图3 中空钉布置正面图 图4中空钉在骨折面上的侧面图 1.3 计算 1.3.1 模型的参数设置及分网 本文中股骨上部为由松质骨组成的线弹性材料，弹性模量取为324.6MPa，泊松比为0.3。中空钉的为钛材料制成，弹性模量取为116GPa，泊松比为0.3，屈服强度为896MPa。股骨和中空钉都采用8节点六面体单元。分网后，股骨共285487个单元，53364个节点，中空钉共40604个单元，13182个节点。 1.3.2 加载 本文考虑单足站立或慢步行走时股骨头部和肌群的受力。在计算过程中需要考虑到髋关节和膝关节力对股骨的影响，同时要考虑到肌肉力对股骨的影响。由于有20多块肌肉参与运动，而要研究这么多的肌肉力是非常困难的，影响肌肉张力大小的因素也很多，如：肌肉长度的变化、肌肉的激活程度、肌纤维的类型等等，因此，本文采用目前常用的简化的模型，对于肌肉力，