股骨干骨折钢板内固定术后骨折部位生物力学改变的有限元分析

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股骨干骨折钢板内固定手术在临床广泛开展[1,2,3,4,5,6]，关于骨折治疗不同阶段骨折部位受到的应力变化以及应力如何传递的研究具有重要意义。笔者建立股骨干骨折钢板内固定术后各个阶段的三维有限元模型，分析股骨应力传递与应力分布情况，为此类骨折患者的临床治疗提供一定参考，报道如下。

1 资料与方法

1.1 建立股骨干骨折内固定三维模型

通过Mimics19.0(Materialise公司，比利时）软件对正常成人股骨CT扫描数据进行三维重建，重建后的股骨模型导入3-matic 11.0软件（Materialise公司，比利时），对股骨模型中段进行斜形分割处理，模拟闭合性斜形股骨干骨折。内固定系统包括1个4孔钢板和螺钉，个性化钢板和螺钉是根据骨的解剖结构在骨表面进行一条光滑曲线设计，进而使得钢板能够适配骨折处轮廓。钢板与股骨模型装配后建立5种骨折愈合阶段的三维模型，即骨折模型、内固定模型、骨折愈合模型、取出内固定模型、完全康复模型（图1）。

1.2 建立股骨干骨折内固定有限元模型

将三维模型导入Hypermesh 14.0软件中（Altair，美国）划分六面体网格，为避免网格尺寸造成的结果差异过大，所有模型的网格尺寸尽量保持一致。网格生成后，内固定模型的单元数量为11 633个，完全康复模型的单元数量为54 116个，取出内固定模型的单元数量为52 268个。然后对钢板、股骨模型的材料和属性进行赋值。钢板采用316不锈钢，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。股骨模型的材料属性参考刁小明等[7]的研究结果，弹性模量为16.9 GPa，泊松比为0.264。将处理好的有限元模型导入Abaqus 6.14软件（Simulia公司，法国），固定有限元模型下端并约束其6个方向的自由度[8]。钢板与股骨之间为绑定约束，取股骨头的质心与股骨头施加耦合约束，并将该点作为承载点施加竖直向下600 N的力，进行静态力学分析[9,10,11]。

2 结果

在骨折模型中，骨折部位上端应力无法正常传递至股骨远端，并且在股骨断裂处以上的区域出现应力集中现象，所受应力明显增大。在骨折内固定初期，因钢板的固定作用，股骨近端的应力可以顺利传递至股骨远端部位，应力传导有2种路径，一部分载荷可以直接通过骨折处进行骨-骨传导，另一部分载荷则通过钢板传导至股骨远端区域。在内固定模型中，钢板固定处（股骨外侧）出现了应力集中现象，股骨受到的最大应力值达到144 MPa。在骨折愈合模型中，股骨干骨折区域则应力较小（应力值为22 MPa），出现了应力屏蔽。取出内固定模型中的股骨应力分布较骨折愈合模型更加均匀，骨折区域没有出现应力屏蔽现象，但是在螺孔处（外侧）出现了应力集中现象。在完全康复模型中，愈合后的股骨与正常股骨在应力传递上并无差异，应力可以从股骨上部正常传递到股骨远端，应力值大小为16.69 MPa，并且此时并未出现应力集中和应力屏蔽现象（图2）。

3 讨论

股骨干骨折钢板内固定术后早期的应力传导主要有2种路径，一部分载荷直接通过骨折处进行骨-骨传导，另一部分载荷则通过钢板传导到股骨远端区域。在这个阶段，有限元分析结果显示股骨外侧出现了应力集中现象，因股骨应力传导不均匀，此时患者不宜大幅度功能锻炼和剧烈运动。股骨干骨折愈合后，股骨内侧应力分布比骨折内固定早期更加均匀，虽然骨折已经愈合，但是钢板与骨骼的刚度不一致，造成该处的应力只能通过刚度大的钢板传导，而对应的股骨干骨折区域则应力较小，出现了应力屏蔽现象，进而会影响下肢应力传递，严重者导致骨折部位发生骨质流失和骨溶解，不利于骨折部位的后期恢复，骨质吸收和骨质增生现象会引发严重的应力不均匀，容易导致再骨折[12,13,14]。取出钢板后，股骨的应力传递效果明显好于未拆除钢板之前，但是还可以看到在股骨螺钉孔周围存在应力集中现象。根据Wolff定律，骨具有能够通过骨改型作用适应周围应力变化的能力[15]。患者完全康复后，股骨的各个部分功能均得到恢复，股骨在承载外部载荷时通过骨改型作用分配调节各部分的承载能力，股骨整体的受力更加均匀，既无应力集中，也无应力屏蔽现象。因此，取出钢板后患者可以进行适当的针对性运动，例如进行外侧拉伸来平衡内外侧应力，避免出现应力集中。总而言之，股骨干骨折钢板内固定对下肢力线传递很重要，初期内固定能有效传递股骨近端应力至股骨远端，还可以限制骨折端旋转；内固定后期则容易出现应力屏蔽现象，影响肢体的应力传导，导致愈合中的骨质流失和骨溶解，不利于骨折部位完全恢复，需适时取出内固定物。