儿童股骨近端解剖型钢板的三维有限元分析

背景和目的 股骨近端骨折成年人多见,老年人由于骨质疏松等原因轻微暴力即可导致骨折,青壮年常因车祸等高能量损伤所致,故对成人股骨近端的生物力学及内置物设计研究广泛,目前治疗成人股骨粗隆部骨折常用的内固定系统有股骨近端髓内钉(PFN)、动力髋螺钉(DHS)、动力髁螺钉(DCS)等。而儿童股骨近端骨折临床相对较少,需要进行股骨粗隆重建的原因有儿童股骨粗隆间骨折、粗隆下骨折、粗隆周围骨肿瘤(病理性骨折)、儿童髋内翻截骨矫形等,目前针对儿童股骨近端的生物力学研究及内固定研发国内外均较少涉及。 随着交通的飞速发展,高能量损伤日益增多,儿童股骨粗隆周围骨折也并非罕见,虽然该部位血运丰富,骨折愈合能力较强,非手术治疗能取得良好效果,但如果出现①多发性损伤、②同一肢体的多段骨折、③开放性损伤、④合并重要血管神经损伤、⑤病理性骨折、⑥保守治疗失败等情况,切开复位钢板内固定更宜选择,其具有治疗方便、固定牢靠、降低护理成本等优点,容易被患儿家属所接受。目前国外有专用于儿童股骨近端的髋螺钉、95°特制髁钢板、AO开发的截骨矫形角钢板,而国内相关产品缺乏。基于上述原因,我们设计了一套儿童股骨近端解剖型钢板,既能达到坚强内固定、又符合中国儿童股骨近端力学特点,并已进行了离体标本生物力学研究,其力学性能优于以往使用的重建钢板。 为了更好地评价儿童股骨近端解剖型钢板的力学性能,并与离体标本生物力学研究相对照,设计是否合理,下一步如何改进和优化,本研究建立儿童股骨粗隆下骨折三维有限元模型,以儿童股骨近端解剖型钢板固定,使用有限元方法对结果进行分析讨论,对钢板的设计进行评价。 方法 选取一名健康男性儿童,应用螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,使用Mimics10.01数字化三维医学影像交互式软件、ANSYS10.0有限元处理软件,建立正常儿童股骨近端三维有限元模型,在此基础上建立股骨粗隆下骨折模型;并根据钢板数据建立儿童股骨近端解剖型钢板三维有限元模型,导入骨折模型,设定边界及载荷条件,进行生物力学分析。 结果 初步建立了儿童股骨粗隆下骨折和儿童股骨近端解剖型钢板三维有限元模型,进行生物力学三维有限元分析,结果表明儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。 结论 在采用螺旋CT断层扫描影像技术获取的活体计算机数据基础上,建立儿童骨骼三维有限元模型是有效可行的;本研究建立的儿童股骨粗隆下骨折和儿童股骨近端解剖型钢板三维有限元模型逼真、客观,能真实反应其几何结构和力学属性;在国内首次以三维有限元的方法评价了儿童四肢骨折内固定系统的力学特点,结果显示本钉板系统的设计符合生物力学原理,其稳定性、强度和刚度可靠,能够应用于临床。