研究背景股骨转子间骨折是临床上最常见的髋部骨折之一,多发生于合并骨质疏松症的老年人。老年患者多合并内科疾病,保守治疗会导致较多的并发症、较高死亡率和生活质量下降。随着内固定技术的发展,切开复位内固定术成为转子间骨折患者的首选治疗方式。目前,保守治疗已较少使用,早期手术治疗已成为治疗转子间骨折的基本原则。常见的内固定装置有髓外固定和髓内固定两种,前者以动力髋螺钉(DHS)为主,后者则不同类型的髓内钉为主。两种内固定方式各有生物力学上的优势,但是临床实践发现DHS仍是一种较为有效和稳妥的内固定装置。动力髋螺钉自1955年发明以来得到了广泛的应用,一度被认为是治疗稳定型转子间骨折的“金标准”。20世纪90年代,Gotfried研制出一种治疗股骨转子间骨折的新型微创内固定钉板系统——经皮加压钢板(PCCP)。之后,多个临床研究均认为PCCP较之DHS,具有微创、出血少、手术时间短、术后感染率低、痛苦小等优势。但对于两者生物力学稳定型的研究较少。传统的生物力学实验是以动物或尸体模型为基础,存在很多局限性。动物模型与人类模型存在较大差别,因此其生物力学结果不可能解决人类特性的问题；在体实验结果虽然比较可靠,但由于实验方法的缺陷,想在不改变其生理状态的情况下得到生物体尤其是内部组织的实验数据是非常困难的。尸体模型在几何相似性方面有很大的优势,但又改变了生物体作为活组织的特性,难以获得不同的力学性能,同时一个标本不能重复使用,使研究的对照可比性下降,且标本费用较高,来源受限,想得到实验对象内部的生物力学响应也十分困难。随着医学影像、三维重建及有限元技术在医学中应用和发展,使得建立三维有限元模型更为方便和精确。利用CT图像重建三维模型是目前常用的有限元建模方法,其具有较好的再现组织的结构、达到良好的几何相似性和力学相似性等特点。数据图像还可提供骨的轮廓和骨组织的密度等数据,为骨的材料赋值提供了可能性。Mimics软件能够将各种扫描的图像进行转换并分割,建立三维模型并编辑,且能够对三维图形作模拟操作,可用于建立多种不同需求的三维模型,其材料赋值功能使之能够更好的体现三维模型的本质属性。有限元法主要用于不规则几何体和具有复杂边界条件的生物结构的力学分析,已成为研究骨的生物力学特点的重要工具。有限元模型最大的优势在于其可以反映结构内部的应力变化,这是经典的尸体生物力学研究难以做到的。有限元分析方法也在不断的进步,分析的材料逐渐从线性材料进入非线性材料,从静态过程进入动态过程。通过与三维重建、三维设计等软件的有效结合,使有限元模型能够更加真实的模拟骨骼、韧带和肌肉等组织,并赋予其生物力学材料特性,使分析结果更加接近于尸体研究。目的通过获取正常成人的近端股骨CT影像数据,在Mimics软件中重建完整近端股骨三维模型并提高模型的精确性。在完整股骨模型的基础上,建立Evans-Jensen Ⅱ型骨折内固定三维有限元模型,利用Ansys软件对模型作有限元分析,研究DHS及PCCP固定骨折后内固定的von Mises应力分布、股骨近端的von Mises应力分布及骨折面接触压力,分析骨折固定后生物力学稳定性。方法1.受试对象及图像数据采集选取1名成年男性志愿者,经X线检查排除髋关节损伤或者疾病。对志愿者的双侧髋关节做螺旋CT扫描,扫描层厚0.625mm,获得近端股骨的断层图像并保存近CT数据,随机采用一侧近端股骨作为样本。2.三维有限元模型的建立将CT扫描数据导入Mimics13.0软件进行图像分割,设定阈值,然后根据不同组织灰度值的差异,通过阈值化及相应的擦除操作,构建得到股骨近端三维模型,将模型输出为STL文件,再导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0进行光滑处理,模拟Evans-Jensen Ⅱ型骨折进行截骨,拟合曲面,输出为Iges文件。内固定模型由UG软件建立,根据DHS及PCCP的数据建立三维数字模型。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,以圆柱体代替螺纹部分,输出为Iges文件。再将股骨及内固定的几何模型导入有限元分析前处理软件Hyper Works10.0中进行装配,根据转子间骨折不同固定方式,生成动力髋螺钉固定模型及经皮加压钢板固定模型两种不同固定的有限元模型。对实体模型设置材料属性、边界条件及载荷等前处理,最后导入有限元分析软件ANSYS11.0后处理分析。3.有限元分析的边界条件及数据提取将模型假设为骨折面完全断裂并处于接触状态,接触单元采用targe170单元、conta174单元,摩擦系数为0.03；内固定和骨之间无相互错动；内固定强度足够大,不会发生断裂。对于股骨近端有限元模型的远端完全固定,即远端各节点在X、Y、Z轴上的位移为O。模拟体重700N成人步态周期中关节承载处于峰值时刻进行加载。结果1.利用Mimics和Ansys软件建立了Evans-Jensen Ⅱ型骨折的三维有限元模型。网格化后得到DHS内固定模型节点数为26883,单元数为111314; PCCP内固定模型节点数为29734,单元数为121786。2.DHS固定模型中内固定的von Mises的总体应力较均匀,拉力螺钉与套筒交界处可见应力集中,最大应力为393MPa。PCCP固定模型中内固定的vonMises的总体应力较均匀,近端两枚螺钉均匀承担应力分布,近端下方的螺钉可见应力集中,最大应力为295MPa。3.DHS固定模型中股骨近端的von Mises的总体应力分布不均匀,近端股骨的总体压力较低,远端股骨的总体压力较高,股骨距上方近骨折线处出现应力集中,最大应力为134MPa。PCCP固定模型中股骨近端的von Mises的总体应力较均匀,股骨头的压力较为均匀的传导至股骨远端,未见明显应力集中现象,最大应力出现在股骨距上方近骨折线处,为93MPa。4.DHS固定模型中骨折面的接触压力的总体应力较低,应力自股骨外侧向股骨内侧逐渐增大,最大应力出现在内侧股骨,即股骨距上方,为45MPa。PCCP固定模型中骨折面的接触压力的总体应力较高,分布均匀,未见应力递增现象,最大应力出现在股骨距上方,为57MPa。结论1.本课题通过应用目前较为成熟的三维成像技术,利用正常受试者的CT扫描图像重建近端股骨三维有限元模型,几何相似性好,力学仿真度高,可重复性使用,模型准确有效。通过对划分的网格进行质量及数量的控制,利用材料赋值的方法,对模型分配的材料与近端股骨的属性近似,从而提高了模型的精确性。本研究同时利用了逆向工程软件Geomagic Studio10.0模拟Evans-JensenⅡ型骨折进行截骨,同时使用UG软件建立内固定模型,建立的新模型与实际相近,能够满足实验要求。有限元分析后输出的应力图直观明了,便于观察应力变化。2.两种模型的内固定应力分布均存在应力集中现象,DHS固定模型的应力集中位于拉力螺钉与套筒交界处,PCCP固定模型的应力集中位于近端下方的螺钉中段。但两种模型应力集中的数值DHS固定模型(393MPa)明显高于PCCP模型(295MPa),说明PCCP固定模型内固定的应力集中效应较小,其生物力学特性优于DHS模型。但通常内固定发生疲劳断裂的应力水平约为500-600MPa,本研究中两种模型内固定最大应力值均未超过内固定疲劳断裂的应力水平。所以,我们认为对于稳定型转子间骨折,DHS与PCCP固定均可取得良好的生物力学稳定型,而单就生物力学稳定型而言,PCCP更具优势。3.DHS固定模型中骨折面的接触压力的总体应力较PCCP固定模型低,且DHS固定模型中骨折面的接触压力自股骨外侧向股骨内侧逐渐增大,最大应力出现在内侧股骨近股骨距处,分析原因主要考虑两方面因素：1.股骨距是股骨近端载荷的主要承受者,在简单型转子间骨折,股骨距仍是压力的主要承受者；2.DHS作为张力带固定系统,不能均匀地传导压应力,使得股骨近端内侧出现明显的应力集中现象,导致骨折面的应力分布不均匀,最终骨折断面股骨内侧处出现明显的应力集中,而PCCP系统则可较好的传导应力。所以,从骨及骨折端的应力情况考虑,PCCP较DHS可更好的传导压力并促进骨折端得愈合。4.本研究还存在很多不足之处,有限元分析施加的应力忽略了部分髋周肌肉的拉力,较为简化；同时假设股骨的力学特性是均质、连续、各向同性材料,与实际情况还有一定差距。有限元法与其他的实体标本的生物力学实验各有优缺点,应相互结合,互补不足,才能得出更为科学合理的结论。