研究背景:股骨颈由于其特殊的解剖和在人体运动及承重方面所起的重要作用,一直以来都是骨科学和运动医学领域的研究热点。股骨颈容易发生骨折,特别是在老年骨质疏松的情况下,轻微外伤即可导致其骨折,而在中青年患病人群中大多为高能量损伤。因此,股骨颈骨折发生率较高,且病情相对复杂,虽然针对股骨颈骨折治疗的方式很多,但治疗的并发症亦较多,目前为止仍未得到很好的解决,因而股骨颈骨折已然成为临床治疗的难题,一直被认为是“尚未被解决好的骨折”。目前针对股骨颈骨折治疗方式的选择基本达成共识,但并未得到推广,尤其是在骨折内固定的选择上存在一定的争议,因其受到包括年龄、骨折类型、精神因素、医生的救治水平等多种因素的影响。股骨颈骨折治疗方式有内固定、人工关节置换术和保守治疗三种。目前针对股骨颈骨折的治疗主流观点是:对无移位的股骨颈骨折首选闭合内固定治疗;对年龄小于65岁有移位的股骨颈骨折患者,首选内固定治疗;对年龄在65岁以上的移位型骨折患者,最好行髋关节置换术;对超高龄患者估计其在5年生存率之内的可以选择半髋关节置换术。但亦有些学者认为只要年龄大于65岁甚至60岁的患者不论其骨折类型都可以采用关节置换术,因为随着人工关节置换技术及人工关节假体的进步,长期随访生存期可达到30年甚至更高。目前可选用的内固定方式较多,最常用的有空心加压螺钉,动力髋螺钉(dynamic hip screw,DHS),股骨近端钢板等。股骨颈骨折分型方法较多,临床常用的有Pauwels分型和Garden分型。Pauwels分型根据骨折线与水平线的夹角将骨折分为3型,PauwelsⅠ型其夹角小于30°,PauwelsⅡ型其夹角为30°~50°,PauwelsⅢ型其夹角大于50°。夹角大小与骨折的稳定程度密切相关,夹角越大,骨折处所受到的剪切力就越大,骨折就越不稳定。Garden分型是1961年由英国普雷斯顿皇家医院的Garden教授提出,是股骨颈骨折诸多分型中最常用分型之一。GardenⅠ型是指骨折为不完全骨折,Garden II型为骨折完全骨折,骨折断端无明显移位,GardenⅢ型骨折为完全骨折,骨折断端部分移位,GardenⅣ型骨折为完全骨折,骨折断端完全移位。对于Ⅲ型和Ⅳ型骨折选择内固定治疗时必须予以骨折断端解剖复位后采用空心加压螺钉或其他内固定治疗,以减少骨折不愈合和(或)股骨头坏死几率。医学生物力学研究主要有尸体标本体外实验研究和计算机有限元生物力学研究两种。有限元分析是一种生物力学研究的理论方法,它能够模拟各种物体几何模型、赋以其生物材料属性和反映材料生物力学特性,故可以作为尸体标本实验生物力学分析方法的补充。随着计算机硬件和软件技术的进步,有限元分析方法在生物力学研究中的应用也越来越多。研究表明螺钉的数量及空间构型将影响其在股骨颈骨折中的生物力学稳定性而影响骨折的预后,但对于采用普通单头或双头空心加压螺钉固定及是否可以采用两枚螺钉固定的生物力学研究鲜有报道。目前尚无采用三维扫描技术对内固定物进行建模的方法应用于有限元分析中。目的:本研究借助计算机软件技术,建立股骨颈骨折的有限元模型,采用有限元分析计算其股骨头的位移、股骨头颈及外侧壁和螺钉的应力分布,为临床治疗股骨颈骨折在选择螺钉类型及螺钉植入的空间布局上提供理论依据。实验结果并与尸体标本实验结果进行比较,从而来证实有限元模型的有效性,并为后期其他仿真建模提供依据。然后根据临床随访结果,分析两种螺钉治疗股骨颈骨折的疗效。方法:1.股骨近端三维模型的建立对一名健康成人志愿者股骨近端采用64层螺旋CT(Computed Tomography)进行薄层扫描,自股骨上段开始扫描,层厚1mm,共获取二维CT图像218层。从而获得股骨近端原始DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)数据,将DICOM数据导入Mimics15.0软件并有序排放。在界面中得到骨、肌肉等组织和背景在内的灰度图像,并对图像预处理使其分辨率和平滑度得到提高。利用Mimics自带的工具对髓腔规则化处理。根据不同密度的组织在图像上的灰度值的不同提取股骨骨组织等数据。利用软件的自提取与擦除充填功能,逐渐改善组织影像质量,分别得到骨组织的粗糙模型,保存为STL(Stereolithography)文件。将STL文件导入Unigraphics 8.0(UG)软件中,对其进行曲面拟合和光顺化处理后得到股骨的三维实体模型,为后续的模型处理与有限元模型的分析提供基础。2.两种螺钉三维模型的获取本实验选择的螺钉为临床常用的AO普通空心加压螺钉和通用医疗器械公司的双头空心加压螺钉,采用三维激光扫描技术对其进行逆向建模,为后期的骨折内固定模型装配做准备。3.模型装配在UG 8.0软件中建立股骨颈骨折(Pauwels 60°,TypeⅢ)模型,然后按照两种螺钉2枚呈水平位分布、垂直位分布和3枚呈倒三角空间分布植入上述模型而完成模型装配。在不同螺钉的同种结构模型中,螺钉均有共同轴心以保证螺钉具有完全相同位置及长度。此种建模方式大大提高了实验的准确性,数据更加真实可靠,减少了人工绘制内固定三维模型的误差。4.股骨近端有限元模型的建立及分析将装配好的模型导入Ansys 17.0(Inc.,Canonsburg,PA,USA)软件中进行有限元计算。所有模型均采用solid 185单元,对股骨近端骨折模型进行网格划分,尤其注意对螺钉与骨面接触等特殊部位的网格进行细化。模型的加载方式为股骨底端固定,股骨头顶端耦合节点加载载荷。加载时在股骨头顶端缓慢加载至600N,然后提交到Ls-Dyna中进行准静态计算。主要对以下三种指标进行分析:(1)股骨头的位移;(2)股骨头、颈断面处及股骨近端外侧壁的应力分布及应力峰值;(3)螺钉内固定物的应力分布位置及应力峰值。5.临床研究回顾性分析重庆医科大学附属第一医院骨科2015年10月至2017年06月的股骨颈骨折患者25例,按照Garden分型,Garden I、II型骨折共15例,Garden III型骨折共7例,Garden IV骨折有3例。对符合条件的患者进行分类统计分为观察组(A组)和对照组(B组),其中A组12例采用了双头空心加压螺钉固定,B组13例采用了AO普通空心加压螺钉。观察统计指标有:(1)术中出血量,(2)手术时间,(3)术后骨折平均愈合时间,(4)术后随访功能评分。结果:1.有限元分析结果本研究利用人体股骨近端CT数据,借助Mimics、UG、Ansys等软件,建立了股骨颈骨折(Pauwels 60°,TypeⅢ)螺钉内固定的有限元模型,与正常人体具有高度的几何相似性。本研究创新性地采用三维激光扫描逆向建模方式对螺钉进行建模,然后利用UG软件进行装配,解决了既往采用手绘建模导致的人工误差。采用有限元计算的结果如下:6组模型的股骨头位移大小分别为:双头空心加压螺钉水平位固定组、垂直位固定组和3枚螺钉固定组的位移分别为0.0890mm、0.1479mm和0.0646mm;普通空心加压螺钉水平位固定组、垂直位固定组和3枚螺钉固定组的位移分别为0.1259mm、0.2131mm和0.0767mm。6组模型的应力分布规律如下:双头空心加压螺钉固定组在骨折断面处骨面上的应力较普通空心加压螺钉组要小,双头空心加压螺钉水平位固定组、垂直位固定组和3枚螺钉固定组的最大应力峰值分别为109.2Mpa、126.5Mpa和96.2Mpa;普通空心加压螺钉水平位固定组、垂直位固定组和3枚螺钉固定组最大应力峰值分别为121.5Mpa、137.3Mpa和113.3Mpa。从应力云图分布可以看出,双头空心加压螺钉固定组在股骨头、颈断面处的应力分布更加分散,而普通空心加压螺钉组的相应的应力分布相对比较集中。双头空心加压螺钉固定组的应力分布在股骨外侧壁比较明显,而普通加压空心螺钉组应力分布不明显。螺钉上的应力分布主要集中在骨折断端处的螺杆上,普通空心加压螺钉组螺钉上的应力较双头空心加压螺钉组要大,垂直固定组的应力较水平固定组大。两枚螺钉水平位固定时,前方一枚螺钉的应力大于后方一枚螺钉上的应力,而垂直位固定时上方一枚螺钉的应力较下方一枚螺钉的应力大。双头空心加压螺钉水平固定组、垂直固定组及三枚螺钉固定组的螺钉上最大应力峰值分别为88.3Mpa、167Mpa和80.2Mpa,普通空心加压螺钉水平固定组、垂直固定组及三枚螺钉组的螺钉上最大应力峰值分别为122.3Mpa、183.5Mpa和103.7Mpa。有限元分析研究结果与尸体标本实验结果进行对比,证明了其建模的可行性和有效性,并较完整而准确地模拟股骨颈骨折的力学特性,从而更好地进行生物力学分析。2.临床应用结果(1)术中出血量:除一例难复性股骨颈骨折采用切开复位固定外,其余24例患者均采用闭合复位固定。因此,术中出血量均较少均在10ml以内。(2)手术时间:观察组和对照组中两枚螺钉固定组的时间分别为30分钟和33分钟(各有一例)。观察组和对照组三枚螺钉固定组平均手术时间分别为42分钟和45分钟;两枚螺钉固定组和三枚螺钉固定组在手术时间上存在显著性差异(P<0.05)。(3)术后骨折愈合时间:观察组和对照组骨折的平均愈合时间分别为4.3月和5.2月,两者之间有显著性差异(P<0.05)。(4)髋关节功能评估:按照Harris评分法,观察组和对照组优良率分别达到了91.6%和76.9%。两组之间有显著性差异(P<0.05)。结论:(1)双头空心加压螺钉组固定的稳定性较普通空心加压螺钉组好。(2)2枚螺钉水平位固定的生物力学稳定性较垂直位固定要好。(3)2枚双头空心加压螺钉水平组固定的生物力学稳定性与3枚普通空心加压螺钉固定相差不明显。2枚双头空心加压螺钉水平位固定能足够提供与三枚普通空心加压螺钉固定一样的力学强度。(4)3枚两种不同螺钉呈倒三角位的空间构型固定股骨颈骨折均显示出较好的力学稳定性,这与主流学者的生物力学研究结果一致。(5)2枚普通空心加压螺钉垂直组的生物力学强度在本实验中最差。(6)本临床研究显示,双头空心加压螺钉组在骨折愈合时间及髋关节功能评分方面均优于普通空心加压螺钉。在手术时间上,两枚螺钉组要明显少于三枚螺钉组。因此,双头空心加压螺钉具有比普通空心加压螺钉更好的生物力学稳定性,临床上可选用双头空心加压螺钉治疗股骨颈骨折,尤其适用于骨折非粉碎性及稳定的股骨颈骨折,以期获得骨折一期愈合。若股骨颈细小,非移位或移位轻微的骨折可以选择2枚螺钉水平位固定。