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五种内固定方式用于不同Pauwels分型股骨颈骨折的有限元分

析

研究背景：股骨由于其在运动及承重中的重要作用,为历年来运动医学和骨

科学的研究热点。股骨颈骨折具有多发性和多样性,其治疗的并发症较多,因此针

对股骨颈骨折治疗的方式层出不穷,然并未得到较好的解决,其因而成为临床上

治疗的难题。股骨颈骨折占髋部骨折的50%～60%,高发于老年患者,多合并不同

程度的骨质疏松,女性多于男性。

其治疗方式的选择受到多种因素的影响,包括年龄、骨折类型、精神因素等,

股骨颈骨折主要包括内固定、半髋或全髋关节置换术。关节置换术为股骨颈骨折

的终末治疗方法,一般患者首选内固定治疗,给股骨头一个恢复的机会。目前主流

观点认为,对于小于60岁的患者,如无明确股骨头缺血征象,首选内固定治疗；对

于80岁以上的移位型骨折患者,最好行髋关节置换术；60～80岁之间的患者则

根据患者的伤情、骨折类型、精神因素及是否合并其他系统性疾病来综合选择治

疗方式。

目前可选用的内固定方式比较多,最常用的有空心钉,DHS,股骨近端钢板等。

Pauwels分型根据骨折线的夹角将骨折分为3型,PauwelsⅠ型骨折线小于

300,PauwelsⅡ型骨折骨折线为30°～50°,PauwelsⅢ型骨折骨折线为大于

50°。骨折线的夹角度数越大,即骨折线越垂直,骨折端所受到的剪式应力越大,

骨折越不稳定,不愈合率随之增加。

此种分型以往并未得到重视,然而由于近年来骨折不愈合及股骨头缺血性坏

死的研究不断深入,较多学者对此分型的不同疗效进行了相关研究。FEM具有强

大的建模功能,在动静状态下能够对具有复杂的几何形状、材料参数和不同受力

条件下的物体进行模拟仿真研究,其已经越来越多的被应用到人体生物力学中。

目的：1.利用数字化技术,建立股骨颈骨折的三维数字虚拟仿真模型及有限元模

型,并同时通过尸体标本验证有限元模型的有效性；2.依据三维绘图软件绘制5

种不同类型的股骨颈内固定模型,分别为上下平行的两枚空心拉力螺钉、“倒品字”

形排列的三枚空心拉力螺钉模型、“倒品字”形排列的三枚全螺纹拉力螺钉模型、

股骨颈锁定钢板模型、InterTan钉板系统模型,并建立5种内固定方式固定三种

不同Pauwels股骨颈骨折的有限元模型；3.以Ansys软件分析比较5种内固定方

式对三种不同Pauwels分型的股骨颈骨折的应力分布、位移部分、生命周期,综

合评价每种内固定的固定特点,通过比较不同内固定方式生物力学稳定性,为临

床应用提供理论依据；方法：1.数字化股骨三维有限元模型的构建：经X线检查

证实髋部无骨折、畸形、肿瘤等骨质破坏,采用Philips/Brilliance64排螺旋

CT行股骨扫描,扫描参数：管电压120kV,管电流100mA,自股骨大转子上方,层厚

0.625mm,共获取二维CT图像489层。

数据以DICOM格式保存,输入个人计算机的Mimics10.01软件,经自动或手动

阈值分割后三维重建出完整股骨的三维结构,再以点云输出并导出的STL格式数

据导入GeomagicStudio10.0软件,根据在多边形阶段提取设定的特征和编辑的

曲面片自动拟合成NURBS曲面,以Iges格式输出保存。同时,建立股骨颈

Pauwels-Ⅱ型骨折模型,骨折线为50°,并以“倒品字”拉力螺钉固定。根据骨

骼、内固定两种不同的材料属性,不计关节之间的摩擦,而将软骨忽略,肌肉及肌

腱应力则简化处理。

假设为骨折面完全断裂并处于接触状态,摩擦系数为0.2。将股骨三维有限

元模型内外髁下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件,即远端各节点在x、

y、z轴上的位移为0。采用目前常用的简化模型,即仅考虑骨盆髋臼窝作用于股

骨头上的力,对于肌肉力,仅取大转子附近的外展肌力(臀中肌与梨状肌)和股外

侧肌力外展肌作为有限元分析的外载荷,予以轴向600N应力,平均作用于股骨头

与髋臼接触面,沿轴向向下,然后设置好网格划分密度生成网格并设置算例属性

进行运算。

2.有限元模型有效性验证：取1具成人尸体的股骨颈标本,去除标本周围的

软组织,保存完整的骨性结构,X线片检查排除肿瘤、骨