三種股骨近端髓內(nèi)固定系統(tǒng)(PFNA、PFNA-Ⅱ、InterTan)與中國(guó)人股骨近端形態(tài)學(xué)匹配性研究及其固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析.pdf

1、研究背景:
　　 隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，交通業(yè)和建筑業(yè)空前發(fā)展，使骨科臨床面臨新的挑戰(zhàn)，加之社會(huì)老齡化的進(jìn)一步加重，股骨粗隆間骨折的發(fā)生率有逐年上升趨勢(shì)。股骨粗隆間骨折是指股骨頸基底部至小粗隆水平以上部位的骨折，由于該部位解剖結(jié)構(gòu)特殊，諸多不確定因素致使骨折復(fù)位困難、固定不可靠，導(dǎo)致骨折不愈合、畸形愈合頻有發(fā)生，致殘率較高，嚴(yán)重影響了該類患者的生存質(zhì)量，迫切需求對(duì)其進(jìn)行深入研究。以往學(xué)者將較多的目光聚焦在通過(guò)普通影像學(xué)檢查對(duì)患者

2、進(jìn)行診斷，隨后更多的注意力放在手術(shù)技巧是否熟練精準(zhǔn)、內(nèi)植物選擇是否得當(dāng)及療效分析上，而很少對(duì)手術(shù)失敗、療效下降做進(jìn)一步深層次研究。許多研究者指出解剖特征的個(gè)體化差異、生物力學(xué)因素在探求股骨粗隆部位疾病的發(fā)病機(jī)制、治療和預(yù)防等方面起到至關(guān)重要的作用，而解決股骨粗隆部位解剖形態(tài)的個(gè)體化差異、內(nèi)固定之后該部位生物力學(xué)的改變以及常用髓內(nèi)釘是否與國(guó)人匹配等問(wèn)題，就必須采用科學(xué)、準(zhǔn)確且可重復(fù)的方法。
　　 測(cè)量特定部位解剖參數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法

3、常依賴標(biāo)本、X線、CT或MRI進(jìn)行，但標(biāo)本測(cè)量受標(biāo)本數(shù)量限制，成本較高，且不能準(zhǔn)確測(cè)量髓內(nèi)直徑等解剖參數(shù);陳舊尸體標(biāo)本由于風(fēng)干等原因，不能還原真實(shí)的解剖形態(tài)，亦會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。X線測(cè)量雖然簡(jiǎn)便易行，但由于X線片拍攝過(guò)程中，影響因素較多，如投照時(shí)中心、角度、距離的不確定性，難以獲得可以用來(lái)相互比較分析研究的標(biāo)準(zhǔn)正側(cè)位片。另外，由于皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨在X線片中界限的不確定，也會(huì)影髓腔測(cè)量的準(zhǔn)確性。而單純的CT、MRI為逐層排列的二維影像，解剖標(biāo)

4、志不明確，常會(huì)丟失一些重要信息。隨著醫(yī)學(xué)成像、三維重建軟件的研發(fā)和應(yīng)用，數(shù)字化三維重建技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用數(shù)字化三維重建技術(shù)可直接將連續(xù)的斷層按原來(lái)的空間位置重建起來(lái)，呈現(xiàn)物體的三維影像。這種方法丟失信息少，能較真實(shí)的反映物體的形態(tài)，而且可以從任意角度和方向上進(jìn)行觀察。因此，運(yùn)用數(shù)字化三維重建技術(shù)對(duì)股骨近端解剖形態(tài)學(xué)進(jìn)行研究是較先進(jìn)的、可行的思路和技術(shù)方法。
　　 在股骨粗隆部位內(nèi)固定術(shù)后生物力學(xué)發(fā)生變化的研究方面，以往多采用傳統(tǒng)

5、實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試手段，但是用這種方法的缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，進(jìn)行多種載荷情況下的實(shí)驗(yàn)往往耗資大、周期長(zhǎng)、效率低、主觀性較大，而且由于無(wú)法在人體上直接實(shí)驗(yàn)，因此很難準(zhǔn)確、客觀、真實(shí)地反映出各種不同受力情況下的應(yīng)力分布規(guī)律。同時(shí)，由于股骨粗隆部位的解剖學(xué)特征具有其特異性，簡(jiǎn)單、機(jī)械地憑借人體標(biāo)準(zhǔn)解剖學(xué)數(shù)據(jù)很難體現(xiàn)患者的真實(shí)情況。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)的提高，越來(lái)越多的研究者采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析，即以傳統(tǒng)的力學(xué)分析理論

6、為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值分析手段例如有限元方法(finiteelementmethod，F(xiàn)EM)等，進(jìn)行線性和非線性的應(yīng)力和變形分析。利用FEM可以仿真模擬各種類型股骨粗隆間骨折，從而使得對(duì)粗隆部位復(fù)雜的骨胳幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和材料的不均勻性等問(wèn)題的生物力學(xué)研究有了可能的解決途徑。另外，在運(yùn)用有限元法進(jìn)行分析時(shí)，結(jié)果給人以直觀的印象;利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以通過(guò)任意變換角度，對(duì)任何點(diǎn)進(jìn)行觀察;并可以利用有限元方法的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，以便

7、對(duì)各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。
　　 對(duì)于股骨粗隆間骨折的治療，特別是針對(duì)中老年患者，股骨近端防旋型髓內(nèi)釘(proximalfemoralnailantirotation，PFNA)，能有效提高穩(wěn)定性，很好地防止旋轉(zhuǎn)和塌陷，且抗切出區(qū)域明顯增加，對(duì)骨質(zhì)疏松患者有更大的優(yōu)勢(shì)。但其在引入亞洲市場(chǎng)后，部分學(xué)者報(bào)告使用PFNA會(huì)導(dǎo)致術(shù)中患者股骨近端外側(cè)皮質(zhì)的劈裂，從而造成手術(shù)失敗;還有部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)，以PFNA固定的股骨粗隆間骨折患者術(shù)后發(fā)生

8、髖部疼痛的比例較高，從而導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)活動(dòng)受限。早年，已有亞洲學(xué)者對(duì)PFNA近端的設(shè)計(jì)規(guī)格提出質(zhì)疑，認(rèn)為以歐美人群解剖學(xué)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的PFNA不一定適用于亞洲人群。于是亞洲型PFNA(PFNA-Ⅱ)應(yīng)運(yùn)而生，然而自其投入使用以來(lái)，對(duì)其報(bào)道較少，是否與亞洲人群股骨解剖形態(tài)相匹配及術(shù)后可能出現(xiàn)的并發(fā)癥極少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。此外，髓內(nèi)固定系統(tǒng)也在不斷改良，InterTan作為一種新的股骨近端髓內(nèi)釘，主釘?shù)慕瞬捎锰菪螜M截面設(shè)計(jì)，且聯(lián)合交鎖組合釘針對(duì)雙釘固

9、定的“Z”字效應(yīng)而設(shè)計(jì)，而其是否適合國(guó)人解剖學(xué)特點(diǎn)尚有待于臨床報(bào)道及實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本研究是在總結(jié)以前研究的基礎(chǔ)上，利用CT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行股骨近端數(shù)字化三維重建及建立有限元模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件工具對(duì)股骨近端解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行三維解剖學(xué)測(cè)量。同時(shí)構(gòu)建出臨床常用三種髓內(nèi)釘(PFNA、PFNA-Ⅱ及InterTan)的3D模型并導(dǎo)入上述股骨近端3D及有限元模型中，分別做三種內(nèi)固定材料與股骨近端形態(tài)學(xué)匹配性分析及在不同類型粗隆間骨折中三種內(nèi)

10、固定的力學(xué)性能分析;結(jié)合上述測(cè)量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，計(jì)算得出適合國(guó)人股骨近端解剖形態(tài)的理想化髓內(nèi)固定系統(tǒng)(PFNA-Ⅲ)相關(guān)數(shù)據(jù)，為分析、提高國(guó)人股骨粗隆間骨折手術(shù)治療效果提供理論支持，同時(shí)可望為選擇、研發(fā)適合治療國(guó)人股骨粗隆間骨折的內(nèi)固定材料提供具有普遍意義的思路。
　　 研究目的:
　　 1.基于正常成人股骨近端CT影像數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化三維重建技術(shù)，在MimiCS10.0軟件中三維重建股骨近端，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件工具對(duì)股骨近

11、端解剖學(xué)參數(shù)(包髓腔直徑等7組數(shù)據(jù))進(jìn)行三維解剖學(xué)測(cè)量。進(jìn)而描述國(guó)人股骨近端解剖形態(tài)學(xué)特征。
　　 2.探討國(guó)人股骨近端與辛迪斯公司所生產(chǎn)的PFNA、PFNA-Ⅱ及施樂(lè)輝公司所生產(chǎn)的InterTan的匹配性問(wèn)題。
　　 3.根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)及匹配性研究結(jié)果，提出適合國(guó)人的改良PFNA設(shè)計(jì)方案。
　　 4.利用CT影像數(shù)據(jù)建立國(guó)人股骨近端有限元模型，探討辛迪斯公司所生產(chǎn)的PFNA、PFNA-Ⅱ及施樂(lè)輝公司所生產(chǎn)的I

12、nterTan在不同類型粗隆間骨折內(nèi)固定中的力學(xué)性能分析。
　　 研究方法:
　　 1.對(duì)120例國(guó)人股骨進(jìn)行CT掃描后以Mimics10.01圖像處理軟件重建3D模型，并測(cè)量其股骨近端髓內(nèi)釘設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù).使用proE4.0軟件構(gòu)建出PFNA、PFNA-Ⅱ及InterTan的3D模型，并導(dǎo)入Mimics10.01圖像處理軟件與國(guó)人股骨近端模型進(jìn)行匹配，通過(guò)觀察其與股骨外側(cè)壁和股骨大轉(zhuǎn)子頂端的相對(duì)關(guān)系，比較3種內(nèi)固定物與國(guó)

13、人股骨近端的匹配性。
　　 2.在股骨近端三維重建的基礎(chǔ)上，標(biāo)記大轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)為A，股骨干中軸線(L1)，小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)髓腔內(nèi)徑d，其上方20mm髓腔內(nèi)徑(d+20)，小轉(zhuǎn)子下方40mm與d平行線L2，L1與L2交點(diǎn)(O)，過(guò)A作與L2平行線與L1交于B，O至A的連線與股骨干中軸線間的夾角為股骨近端外偏角(mediolateralangle)(∠AOB)。所測(cè)量數(shù)據(jù)包含髓腔內(nèi)徑測(cè)量包括d+20、小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)(d)及其下方20mm(d-20

14、)、峽部直徑、∠AOB、BO、AO(可由公式得出)(如圖1):
　　 L-AO×sin(90°-∠AOB)=L-BO，即L-AO=L-BO/COS(∠AOB)以這些測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)出適合國(guó)人的改良PFNA(PFNA-Ⅲ)，并將PFNA、PFNA-Ⅱ、PFNA-Ⅲ與國(guó)人股骨近端做匹配性研究加以驗(yàn)證。
　　 3.選取健康志愿者1名，男性，28歲，體重75kg，經(jīng)過(guò)X線檢查排除髖關(guān)節(jié)損傷或疾病。雙側(cè)髖關(guān)節(jié)作螺旋CT平掃(1

15、6排螺旋CT，GE公司，美國(guó))，球管電壓120kv，電流65～150mA，暴露時(shí)間0.5～1秒，選擇骨組織窗掃描，掃描層厚0.625mm，掃描長(zhǎng)度為大轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)至膝關(guān)節(jié)平面，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，共421張圖片。采用右側(cè)近端股骨數(shù)據(jù)作為樣本。將二維DICOM格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics13.0軟件，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，?duì)圖像進(jìn)行分割，輸出為STL格式文件，導(dǎo)入Geomagic10.0軟件進(jìn)行光滑處理，并模擬Tronzo-Evan

16、sⅠ、Ⅳ、Ⅴ型骨折進(jìn)行截骨，建立Tronzo-EvansⅠ型、Ⅳ型和Ⅴ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定三維有限元模型，研究不同內(nèi)固定的vonMises應(yīng)力分布、股骨的vonMises應(yīng)力分布，分析骨折固定后生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　 結(jié)果
　　 1.通過(guò)對(duì)120例樣本的測(cè)量得出各組參數(shù)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表2。
　　 2.3種股骨近端髓內(nèi)固定系統(tǒng)與股骨近端的形態(tài)學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，PFNA、PFNA-Ⅱ及InterTan突破股骨外側(cè)壁的厚度平均

17、分別為(1.51±0.58)、(0.12±0.21)、(0.33±0.26)mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=61.20，P＜0.05)，PFNA分別與PFNA-Ⅱ及InterTan比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05);主釘頂端突破大轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度平均分別為(3.47±0.85)、(4.11±0.92)、(0.25±0.34)mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=31.167，P＜0.05)，InterTan分別與PFNA及PFNA-Ⅱ比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

18、(P＜0.05)。
　　 3.通過(guò)三維解剖測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行改良PFNA(PFNA-Ⅲ)近端參數(shù)為，主釘直徑改為16mm，近端長(zhǎng)度為62mm，折彎點(diǎn)長(zhǎng)度95mm，外偏角為∠AOB為6°;三種PFNA形態(tài)學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)股骨外側(cè)皮質(zhì)干擾方面，PFNA-Ⅱ和PFNA-Ⅲ優(yōu)于PFNA(p＜0.05);近端突破長(zhǎng)度方面，PFNA-Ⅲ優(yōu)于前兩者(p＜0.05)。
　　 4.PFNA、PFNA-Ⅱ和InterTan三種股骨近端髓內(nèi)釘固定

19、股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析結(jié)果顯示:Tronzo-EvansⅠ型骨折三種內(nèi)固定的固定效果差異較小;Tronzo-EvansⅣ和Ⅴ型骨折使用InterTan固定vonMises應(yīng)力分布均勻，生物力學(xué)穩(wěn)定型較其他兩者更具優(yōu)勢(shì);內(nèi)固定應(yīng)力集中區(qū)域位于主釘與頭釘接觸點(diǎn)下方，InterTan最大應(yīng)力值最高，其次為PFNA-Ⅱ、PFNA;PFNA近端廣泛呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域現(xiàn)象。
　　 結(jié)論:
　　 1.PFNA-Ⅱ?qū)FNA的改進(jìn)明顯

20、降低了術(shù)中對(duì)股骨外側(cè)壁損傷的幾率，然而對(duì)于近端較長(zhǎng)的問(wèn)題尚未解決。InterTan不但能夠有效減少了對(duì)股骨近端外側(cè)壁的損傷，而且近端長(zhǎng)度適中，與國(guó)人股骨近端解剖學(xué)匹配性較好。
　　 2.改良PFNA(PFNA-Ⅲ)因近端直徑改變能夠有效降低傳統(tǒng)PFNA對(duì)股骨外側(cè)壁破壞的發(fā)生率，其近端長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)能有效防止頂端外露于大粗隆尖部而引起髖關(guān)節(jié)活動(dòng)痛，其主釘外偏角與折彎點(diǎn)距離的改進(jìn)使主釘插入髓腔更加順暢。
　　 3.InterTa