内收型股骨颈骨折多根空心螺钉固定的三维有限元分析

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1、内收型股骨颈骨折多根空心螺钉固定的三维有限元分析：杨成伟，李全，孙伟，张治宇，蔡郑东【摘要】[目的]通过三维有限元法对内收型股骨颈骨折的不同多根空心螺钉内固定方式进行对比评价，比较3根螺钉固定和2根螺钉固定的优缺点，为临床应用提供理论依据。[方法]以内收型股骨颈骨折为研究对象建立模型，根据人正常行走时的3种步态情况，给予股骨头不同的关节压力和肌肉拉力，分别进行有限元计算。[结果]脚跟着地和中立位时，2根螺钉和3根螺钉固定后各项指标无明显差别;而脚尖离地时，2根螺钉固定较3根螺钉固定模型的抗张力和抗扭转指标差。按倒三角方式三钉固定模型的各指标在3种受力情况下均比较好。[结论]2根螺钉固定的效

2、果与受力方向有关，3根螺钉固定的方式更可靠更安全，临床上建议尽量采取三钉固定的方式。【关键词】股骨颈骨折;内固定;生物力学;有限元分析　　Abstract：[Objective]Toexplorethebiomechanicalstabilityoffixationentoftheadductivefemoralneckfracturesbythethreedimensionalfiniteelementanalysis(FEA).[Method]Todelsoftoralneckfacturefixationsulatedloadingofthreedifferentcondition

3、s.[Result]Attheconditionoftheheeltouchingthegroundandthemiddleposition,thereechanicalstabilitiesofthetodels.Hothegroud,themodelofthreescreechanicalstabilityoffixationinedbythedirectionofloading.Threecannulatedpressionscreechanicalstability.　　Keyoralneckfracture;internalfixation;biomechanicalstabil

4、ity;threedimensionalfiniteelementanalysis　　股骨颈骨折是一种在老年患者中常见的骨折，该骨折由AstleyCooper[1]于1823年首次与其他髋部骨折区分开来。随着现代社会人类平均寿命的延长，股骨颈骨折的发生率也会进一步增高[2～4]。Paum)，最终得到132幅DI格式的CT图像。利用Mimics软件读取DI格式图像，根据骨组织灰度值的差异，通过阈值化及相应的擦除操作，分别提取股骨皮质骨和松质骨相关信息，构建得到股骨上段三维模型，将模型输出为点云文件，再经过逆向工程软件Geomagic进行光滑处理后生成几何实体，输出为Iges文件。然后将各部

5、分的几何模型导入有限元分析软件ABAQUS中。　　根据临床上AO/ASIF空心加压螺钉的尺寸确定螺纹部分直径为7.3mm，无螺纹部分直径为4.8mm，长度根据临床需要的不同而调整。由于本研究的重点与螺纹关系不大，因此为简化模型，忽略螺纹的细节，以直径7.3mm的圆柱体代替螺纹部分。　　1.1.2建立有限元模型根据临床股骨颈骨折的常见情况，确定骨折线位于股骨颈中部，假设对最不稳定的骨折进行固定，设定Pau处进钉，紧贴股骨距，部分嵌入其中，其余2枚分别在大转子嵴下2.5cm处进钉，两钉间距1.5cm均紧贴前侧和后侧骨皮质。3枚螺钉置钉角度均与股骨干纵轴成135°(图1)。　　模型B：平行股骨颈

6、轴线方向进钉，第1枚螺钉在大转子嵴下方4cm处进钉，紧贴股骨距，部分嵌入其中，另外1枚分别在大转子嵴下2.5cm处进钉，紧贴股骨颈后侧皮质。2枚螺钉置钉角度均与股骨干纵轴成135°(图2)。　　图13根螺钉固定内收型股骨颈骨折模型即模型A图22根螺钉固定内收型股骨颈骨折模型即模型B　　1.1.3单元划分本文将各种材料近似看作均质、各向同性材料，材料属性的设置[2]见表1。采用C3D10M单元(10节点四面体单元)划分网格(对股骨头进行局部网格细化)后得到股骨颈骨折螺钉内固定的模型。股骨近端模型的节点数为61012，单元数为40807;每根螺钉的节点数为8944，单元数为5423。　　表1股

7、骨颈骨折螺钉内固定模型中材料属性的设定皮质骨松质骨加压螺钉弹性模量(MPa)12000100110000泊松比0.30.20.3　　1.1.4边界条件及载荷根据人正常行走步态下的三种情况进行分析。分别模拟脚跟着地、行走单脚中立位时、脚尖离地时三种情况，假设总体重为75kg，根据Cheal等[13]对行走时股骨头受到的关节作用力进行分析;对股骨近端下端的面进行约束，限制矢状面、轴向、冠状面三个方向的位移。三种情况下股骨头受