全髋关节置换术(total hip arthroplasty, THA)可以治疗由髋关节软骨退变、股骨头坏死、股骨颈骨折等引发的疼痛及功能障碍的问题[1]。而随着人口老龄化社会的到来,因骨病或骨折等疾患而接受髋关节置换病人越来越多,随之而来的全髋关节置换术后出现的假体松动及股骨侧假体周围骨折(Periprosthetic femoral fractures, PFF)也越来越多[2]。温哥华分类(Vancouver classification) [3]最初由Duncan和Masri提出,涵盖了骨折的形态、假体稳定情况及骨量是否充足。目前温哥华分型已经被广泛地应用于假体骨折的分型,已成为分类评价股骨侧假体周围骨折的“金标准”。而最近学界提出的统一分型系统Unified Classification System (UCS)目前已应用于髋关节置换术后股骨骨折的组间和组内研究,其可靠性已经得到了北美和欧洲相关研究的证实[4-5]。传统的温哥华B1型假体周围骨折特点在于假体稳定无松动,骨折发生与假体行走的股骨干内。在UCS系统中Bl型假体周围骨折的特点与温哥华B1型假体周围骨折相同,均为骨量良好,无假体松动。对于不同类型假体周围骨折究竟采取何种手术方法,是骨科医生面临的一大难题,而温哥华B1型骨折的主要治疗方法是切开复位内固定手术[6]。而其主要采用固定方法主要有：单一钢丝环扎或单一螺钉固定、双圈钢缆或钛缆环扎固定,单排螺钉锁定钛板固定、线缆钢板固定、异体皮质骨板移植等[7]。较多学者对不同内固定方法治疗B1型骨折进行了很多前瞻性临床随机对照研究,但尚未有明确结论。目前国内外对于B1型假体周围骨折类型的特点及不同内固定作用下的应力分布及力学稳定性等方面还罕有涉及。有限元分析方法(FEA)作为研究不规则物体的一种准确、有效的理论生物力学方法,通过建模和有限元分析,提供骨科或其他专家在临床治疗上的有效建议,可以为新的内固定或假体设计提供参考。基于建模的基础上的有限元分析法,评估应力下产生的应变和应力分布的模式特点。这样的理论生物力学研究可为PFF的临床治疗提供更可靠的生物力学治疗方案[8]。在这项研究中,PFF建模后的有限元模型被用来研究温哥华Bl型假体周围骨折的三种不同内固定方法,研究还涵盖了正常骨质和骨质疏松的不同模型。虽然对于温哥华B1型假体周围骨折的治疗目前还没有形成共识,但目前温哥华B1型骨折采用单圈钢丝环扎或单一螺钉固定的方法已被证实失败率很高[7],所以不纳入研究；目前线缆钢板固定技术已发展到Dall-Miles线缆-钢板系统,线缆钢板组则由于理论生物力学条件的限制未能纳入研究。而且去年国外最新的实验生物力学研究结果[9]证实双皮质螺钉切线方向固定的稳定性较线缆系统、传统锁定钛板及钛缆等有了较大的提高。而双圈钛缆及传统锁定加压板因为临床上较常应用而纳入对照组[10]。因此,有限元分析研究纳入双圈钛缆固定,传统锁定钛板和由作者及其导师设计的双皮质切向固定假体周围板模型。因为剩余骨的质量与假体周围骨折的治疗效果密切相关,而骨质疏松是一个能提示预后的关键因素[11]。因此,很有必要进行正常骨质与骨质疏松骨质不同骨质模型的对照研究。研究采用有限元法对正常和骨质疏松模型进行了同一垂直和旋转载荷作用下的应力分布、刚度、最大应力和相对位移进行了比较。本研究旨在对温哥华B1型骨折不同内固定方式的生物力学特性进行有限元分析,并期望以此为基础,为临床治疗假体周围B1型骨折提供新的思路和解决方案。在PFF模型有限元分析的理论生物力学结果支持下,在天津正天医疗器械公司工程师及北京纳通医学科技研究院的协助下,我和孙水教授设计研制并制作了新型双皮质固定假体周围钛板模型,并进行了逐步地改良,以期望能取得更好的解剖和生物力学稳定性。最终研发并在工厂制作出了新型假体周围板,构建内固定的实体模型,进行了实体生物力学试验研究。目的1、利用数字医学技术建立温哥华B1型股骨侧假体周围骨折的三维数字虚拟仿真有限元模型。2.依据绘图三维软件绘制3种不同类型的内固定模型,分别为双圈钛缆环扎固定、传统锁定钛板、实验设计双皮质固定假体周围板三种系统模型,并建立3种内固定方式固定假体周围B1型骨折的有限元模型。实验还进行了正常骨质和骨质疏松骨质模型的对比研究。3.新型PFF钛板的设计及力学实验：以Abaqus软件分析比较3不同的内固定方式作用于正常骨质及骨质疏松两种不同骨质的B1型PFF的应力分布、最大应力、刚度、相对位移,通过给予相同的垂直载荷和旋转载荷,通过理论生物力学试验分析不同内固定作用于B1型PFF的生物力学稳定性,为临床应用和假体周围板的设计与改良提供理论依据。我和孙水教授在天津正天医疗器械公司及北京纳通医学科技研究院的协助下,设计研制并制作了新型双皮质固定锁定钛板实体模型,为减少应力遮挡,在保留解剖设计和双皮质固定的基础上进行了逐步地改良,以期望能得到更好的解剖和生物力学稳定性,最终研发并在工厂制作出了假体周围板,构建实体模型完成了生物力学试验对照研究。方法1.B1型PFF模型建模：志愿者经X线检查确定无髋部损伤或病变,采用我院256排iCT进行精细扫描,层厚0.625mm。获取股骨全长的DICOM格式的CT图像。将数据导入PC端的Mimics医学软件,经一系列操作后构建出股骨的三维虚拟数字模型。然后在此基础上进行股骨颈截骨、植入装配LCU假体(Waldemar Link, Hamburg, Germany), cut工具模拟假体周围B1型骨折。最终导出的STL格式数据经曲面拟合后,输出Iges格式保存。2、Turner AW等[12]指出通过对人体不同组织材料属性的赋值不同,可准确构建不同生物力学特性的组织模型从而实现正常和骨质疏松模型的重建。研究过程中忽略了关节内部的摩擦力,并简化处理软骨、肌腱等的应力。研究假设PFF的骨折接触面完全断开但需要处于接触状态。将PFF模型的股骨远端自由度设置为0。理论生物力学分析设置两种工况进行有限元分析：分别给予500N轴向垂直载荷和旋转7Nm载荷,分析两种不同骨质在垂直及旋转载荷作用下股骨假体及内固定的应力分布。3.内固定三维模型的绘制：本研究共涉及3种内固定结构,分别为双圈钛缆环扎固定、传统锁定加压钛板、实验设计双皮质固定假体周围板三种系统模型,并建立3种内固定方式作用于假体周围B1型骨折的有限元模型。三维绘图软件对其进行三维虚拟重建。PFF模型与三种内固定模型构建完成后,在FEA前处理软件Hypermesh中装配完成后,最终导入Abaqus进行有限元理论生物力学分析。并考察4种指标(①内固定应力分布及峰值；②股骨假体应力分布及应力峰值；③相对位移分布和峰值；④刚度测试。)对3种内固定模型的生物力学性能进行综合分析。4.在天津正天医疗器械公司及北京纳通医学科技研究院的协助下,我和孙水教授设计研制并制作了新型双皮质固定锁定钛板实体模型,为减少应力遮挡,在保留解剖设计和双皮质固定架构的基础上进行了逐步地改良,以期望能得到更好的解剖贴附和生物力学稳定性,最终研发制作出了假体周围板,并分别用美国进口的Sawbones (Sawbones, USA)进行实体建模。实体试验采用天津正天医疗器械公司同样材质的股骨长直型锁定加压钛板及股骨解剖型长锁定加压钛板作为对照组,每组3例模型,进行了弯曲、轴向压缩及扭转三种工况的实体生物力学试验研究。结果：1.有限元分析法是理论生物力学研究的重要组成部分,并可通过对人体不同组织材料属性赋值的不同,准确构建反映不同生物力学特性的组织模型。因此可作为以实体材料为研究对象的实验生物力学研究的重要补充、验证以及假体或内固定设计的分析前研究。本研究将志愿者的CT扫描数据导入PC,利用专业建模软件(Mimics、Hypermesh等)完成B1型PFF的3D数字虚拟仿真模型的构建,这种方法建模简单、有效、快速,对人体无损害。完成B1型PFF的3D数字模型后,可准确模拟B1型PFF的生物力学特性,进一步在Abaqus环境下完成有限元理论生物力学分析。2.三维绘图软件绘制3组内固定模型,进一步构建出3种不同内固定作用于假体周围B1骨折的三维模型。用abaqus软件进行有限元分析：在股骨远端给予约束,沿力线方向给予轴向500N垂直载荷和旋转7Nm载荷,研究发现：3种模型的应力峰值均集中于骨折线处的内固定附近,其中实验设计双皮质固定假体周围板模型应力分布较为均匀,双圈钛缆环扎固定、传统锁定钛板模型应力分布较为集中。实验设计组内固定刚度较高,骨折端相对位移较小,假体及内固定承担的最大应力较小。3.我们分组对于正常骨质及骨质疏松模型进行有限元分析研究,发现在给予相同的垂直及旋转载荷的作用下,与双圈钛缆及传统单排锁定加压钛板相比较,我们实验设计的双皮质固定锁定钛板作用于假体周围B1型骨折病人,实验设计组钛板刚度较高、稳定性好；其应力分布最均匀,假体及内固定的承受最大应力较小,内固定及假体最稳定、不易发生断裂和骨折；骨折端相对位移较小,骨折端最为稳定。4.我们对最终工厂生产出的实验设计假体周围板进行对照实体生物力学实验研究。结果证实：与同工厂生产的同材质股骨长直锁定加压钛板和股骨解剖长锁定加压板相比,实验设计双皮质固定假体周围板抗弯曲、轴向压缩及扭转载荷能力最强,内固定最为稳定；在弯曲、轴向压缩及扭转各种工况下,设计板应变最小、骨折端相对位移、挠度角和扭转角最小,骨折端最稳定。结论：股骨假体周围温哥华B1型骨折因假体稳定,通常采用保留假体、骨折端切开复位内固定的方法固定,采取何种方式手术固定是骨科医生面临的难题。经系统建模及有限元分析研究证实：B1型PFF的3D虚拟仿真模型建模方法方便、快速、有效,建模质量高。且对于正常骨质与骨质疏松两种不同骨质进行假体周围B1型骨折有限元研究进一步证实,与双圈钛缆及传统单排锁定钛板相比,我们实验设计的双皮质固定锁定钛板在给予相同的垂直及旋转载荷作用下,实验设计组钛板刚度较高、稳定性好；其应力分布较均匀,假体及内固定的承受最大应力较小,内固定及假体最稳定、不易发生断裂和骨折；其骨折端相对位移较小,骨折端最为稳定。完成实验设计钛板制作后,进行生物力学实验证实：实验设计双皮质固定假体周围板抗弯曲、轴向压缩及扭转载荷能力最强,内固定最为稳定；在弯曲、轴向压缩及扭转各种工况下,设计板应变最小、骨折端相对位移、挠度角和扭转角最小,骨折端最稳定。