基于电测法和三维有限元分析的股骨转子下骨折内固定选择策略的研究

Because of the stress concentration on the subtrochanteric region, the treatment of subtrochanteric fracture remains the key point and difficulty for orthopaedist. The incidence rate of subtrochanteric fracture is increasing by year. There isn’t any one implant could be suitable for all types of subtrochanteric fractrue. Fixation with the proper implant could shorten the time of lying in bed, reduce medical costs and reduce morbidity and mortality. This research is based on the previous task that was comparison of the biomechanical properties of four kinds of implants in fixing different types of subtrochanteric fracture. We will make subtrochanteric fracture model of different stability degree, and fix them by PFNA, inverted LISS plate and PFLCP, respectively. The stiffness, failure load and stress conduction properties on the surface of femur under axial compression load, horizontal torsional load and cyclic compression load will be compared using the electrometric method and load-displacement curve. We will also build the subtrochanteric fracture model of different stability degree fixed by these implants through finite element analysis method, and analyze the stress distribution and displacement variation of the femur under axial compression load, horizontal torsional load and cyclic compression load, as the supplement of the biomechanical study. Finally, we will compare the biomechanical properties of the three kinds of implants in fixing different types of subtrochanteric fracture, summarize the fixator selection strategy, and to provide biomechanical evidence on choosing the best fixator for the different types of femoral subtrochanteric fracture.

由于股骨转子下部位应力高度集中，使得此部位骨折的治疗仍是骨科医师面临的重点与难点。目前转子下骨折逐年增多，没有一种内固定器能够适合全部类型的转子下骨折。选择合适的内固定器能够缩短患者卧床时间、减少医疗费用、降低致残率和死亡率。本课题在前期对比四种内固定器固定不同类型转子下骨折的生物力学特性的基础上，拟制作不同稳定程度的转子下骨折模型，分别用PFNA、倒置LISS钢板和PFLCP固定，应用电测法和载荷-位移曲线考察股骨标本在轴向压缩、水平扭转和循环压缩载荷下股骨的刚度、破坏载荷和表面的应力传导特性。同时采用有限元分析技术，建立三种内固定器固定的不同稳定程度的转子下骨折模型，考量其在轴向压缩、水平扭转和循环压缩载荷下的应力分布和位移变化，与生物力学试验相补充，对比三种内固定器固定不同类型转子下骨折的生物力学特性，总结内固定器的选择策略，为不同类型股骨转子下骨折选择最佳固定方式提供生物力学依据。

由于股骨转子下部位应力高度集中，使得此部位骨折的治疗仍是骨科医师面临的重点与难点。选择合适的内固定器能够缩短患者卧床时间、减少医疗费用、降低致残率和死亡率。本课题旨在通过电测法和三维有限元分析方法对比PFNA、倒置LISS钢板和PFLP分别固定四种股骨转子下骨折的生物力学性能。分别使用PFNA、PFLP和LISS固定人工股骨模型，依次制作转子下骨折模型。模型一：转子下横形骨折（Seinsheimer I型），模型二：转子下内侧楔形骨块并复位（Seinsheimer IIIA型），模型三：去掉内侧楔形骨块，模型四：转子下粉碎骨折（Seinsheimer IV型）。每一骨折模型的钉骨结合体进行轴向压缩试验。转子下粉碎骨折模型进行水平扭转试验。后平分为两组，一组进行轴向压缩破坏试验，另一组进行轴向压缩疲劳试验。利用Mimics、Solidworks及Ansys workbench等软件建立骨折模型及内固定器的三位有限元模型，划分网格，材料赋值，设定限制条件，模拟力学试验载荷加载模式。实验室力学测试表明，模型一至三中，三种内固定轴向抗压刚度无统计学差异。模型四中，PFNA的轴向抗压刚度为352.71±19.05N/mm，PFLP为134.39±12.51N/mm，LISS为89.13±16.24N/mm，三者之间存在统计学差异（P<0.0001）。PFLP固定的股骨内侧应变明显高于其他两者（P<0.038）。PFNA的屈服载荷最高，PFLP次之，LISS最低。PFNA在疲劳试验后未出现破坏，而PFLP的寿命为11091±1533，LISS为13809±993。三维有限元分析中，对于模型一，PFLP和LISS的应力集中在锁定螺钉与钢板连接处，最大应力出现在钢板最末端锁定螺钉与钢板连接处。PFNA的应力集中及最大应力位于主钉粗细交界处。对于模型四，PFLP和LISS的最大应力转移至骨折水平的钢板螺钉孔，PFNA的最大应力转移至近端头钉孔的近端。三维有限元分析结果与实验室力学测试结果基本一致，验证了试验结果。对于简单的横形骨折，三者均可使用，但要注意PFLP固定后转子下内侧区域的压应变较高，而选择PFNA固定时，需要选择适合的直径，以增加固定的稳定性。对于内侧支撑丧失的患者，建议复位内侧骨块并固定，同时可选择PFNA或LISS固定。对于粉碎骨折，建议采用PFNA固定。