股骨干骨折的接骨板内固定生物力学实验设计

阿孜古丽·克热木, 阿依古丽·喀斯木, 滕 勇, 帕提古丽·艾合麦提, 乌日开西·艾依提

(1. 新疆大学 机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047；2. 解放军新疆军区总医院 全军骨科中心脊柱外科, 新疆 乌鲁木齐 830000)

生物力学研究力作用下的生物效应,包括生物体整体到各个器官生长、消亡和运动中的力学问题,特别是与人体有关的力学问题[1-6]。在研究生阶段,学习生物力学课程的学生来自不同的专业。工科学生虽然有材料力学的基础,但材料力学试验用标准试样进行分析,对骨骼固定系统等实际的生物力学问题没有涉及。医科的学生知道类似于骨折内固定接骨板及螺钉会断裂案例,但不清楚其中的力学原理。

对于骨折内固定系统的力学分析,多采用万能力学试验机施加压力,用静态应变仪采集贴在骨或内固定系统上的应变片的应变,通过计算得到测点应力[7-11]。这种方式由于测点分散,导致测得的数据有限,不能反应被测对象的整体状态。本实验以股骨干骨折的接骨板内固定方式为研究对象,设计了一个综合性的生物力学实验,在传统静态应变仪采集应变片数据的基础上,结合三维数字散斑动态应变测量系统来分析接骨板的变形、接骨板及骨上的应力分布特点。

1 股骨干骨折模型的建立

不同的骨折、不同的固定方式,其受力特点不相同。为了使学生深入了解这种多样性,本实验的骨折模型采用真实的骨折病例,通过股骨骨折患者的CT数据,重构了的骨折的股骨三维CAD模型(见图1(a)),再利用3D打印技术制作出1∶1的骨折股骨的实物模型。采用FDM(fused deposition modeling-熔融沉积成型)方式打印股骨模型,材料为PLA(聚乳酸),填充率设为100%,打印出的骨折模型如图1(b)所示。利用病人的CT数据重建骨折三维模型,通过3D打印方式能够制作多个相同的骨折模型,可以测试多种不同的固定方案。

图1 股骨干骨折模型

2 实验方案

内固定系统的失效主要是接骨板与螺钉的变形与断裂,原因主要是疲劳破坏与塑性变形。实验针对垂直压力作用下的接骨板的变形、应力,以及股骨干的应力进行了测试分析。实验流程见图2。

图2 实验流程

2.1 接骨板变形测量

采用XJTUDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统直接测量接骨板的外侧表面,通过相机拍摄的被测物变形过程中的序列散斑图像,快速检测被测物的全场三维坐标、位移、应变数据,测量结果由三维彩色显示。实验时加载过程平稳、缓慢,采集模式设为低速采集。触发模式为软触发,触发间隔100 ms。

2.2 接骨板与骨的应变测量

选用的接骨板为8孔不锈钢接骨板,在接骨板的内侧分别在2个螺钉孔中间粘贴应变片,共7个应变片,如图3(a)所示。在骨折模型与接骨板内侧相对应的表面,在所有孔的两侧均贴有应变片,共计8片,如图3(b)所示。

图3 接骨板和股骨干的螺钉孔和应变片的位置

应变片均贴在三维数字散斑动态应变测量分析系统无法测到的被接骨板遮挡的区域。骨折模型上的孔与接骨板上的孔对应,是固定接骨板的螺钉穿过骨干形成的。通过应变片测得的应变值即可计算出对应的应力值。应变的测量采用DH3820高速静态应力应变测试分析系统,采集频率为 100 Hz,采集模式为连续采集,应变片为1/4桥方式连接,应变片为BX120-0.5AA,栅长×栅宽为0.5 mm×0.5 mm。

2.3 螺钉的分布方案

实际手术时并不需要在接骨板上所有的孔上都装上螺钉,过于坚强的固定方式会导致应力遮挡效应,因此骨科医生根据经验确定所需螺钉的数量及安装位置。揭示螺钉数量和位置的对接骨板、螺钉的变形、应力等的影响规律是此实验的主要目的。

实验中接骨板的中间部分对应在骨折断口处,上下各分布4个螺钉孔,第4个为加压型螺钉孔(长孔)不上螺钉,第5个螺钉孔(H4)因太接近断口也不上螺钉。实验中采用的方案如表1所示,螺钉编号1—3(对应H1、H2、H3孔)在骨折断口上侧部分,螺钉编号4—6(对应H5、H6、H7孔)在骨折断口下侧部分,黑色圆点表示该位置有螺钉,空白表示该位置没有螺钉。

表1 螺钉分布方案

图4为本实验系统的组成示意图,装有接骨板的骨折模型下端的膝关节部分利用丙烯酸树脂固定在底座中,骨折模型上端的股骨头部分定位在自主研发的压力实验装置压板下表面的锥形孔中,股骨骨干轴线根据人体解剖学的股骨角设为80°。

图4 实验系统的组成

3 实验结果与分析

通过旋转加压螺杆向骨折模型顶部垂直施加150 N的压力,压力大小通过压力传感器显示。施压前5 s启动三维数字散斑动态应变测量分析系统与静态应变测量系统采集数据,施压至150 N后保持5 s后停止采集。

3.1 实验结果

3.1.1 接骨板的变形

图5为通过三维数字散斑动态应变测量分析系统得到的接骨板的变形图像。沿接骨板的纵向设置一条路径,并输出不同方案的路径曲线,即可得到接骨板在压缩载荷下的变形曲线,如图6所示。

图5 接骨板的变形图像

3.1.2 接骨板与骨的应力

图7为接骨板内侧7个应变片(F1—F7)处对应的应力测试结果,图8为股骨骨折模型上的8个应变片(B1—B8)处对应的应力测试结果。

3.2 分析与讨论

3.2.1 接骨板的变形

从图6可以看出：方案2的接骨板变形最大,为0.33 mm；方案3的接骨板变形最小,为0.14 mm；方案1、方案4—方案7的变形相差不大,说明接骨板中部的2个螺钉对接骨板的变形影响显著；方案3的接骨板变形与其他方案中接骨板向外侧弯曲成拱形不同,呈现出S形,方案3中没有第2和第5个螺钉,较长的跨度导致了其在压力作用下使上半部内凹下半部外凸呈现出S形：在方案7中也没有第2个螺钉,图6(b)中也反映出接骨板上半部与第二个螺钉孔对应的部分也有轻微的内凹现象。

图6 接骨板的纵向变形曲线

图7 接骨板内侧的应力

3.2.2 接骨板的应力

从图7与图8可以看出：螺钉的位置与数量对接骨板的应力分布有明显的影响。接骨板在骨折断口上侧的部分应力明显较高,且均为压应力,下侧部分应力较小。方案3与其S形的变形相对应,在下侧部分有较大的拉应力。采用每侧2个螺钉的方案2、3、4,其应力值总体上高于其他方案,其中方案2的应力值最大,这是因为螺钉数量较少的情况下不利于应力的分散。方案6的应力分布均匀且应力值很小。上述结果与股骨骨折模型的固定方式有关,骨折断口下侧的部分是固定约束,而骨折断口上侧股骨头处为球形,自由度大,在压力载荷作用下接骨板的上侧部分更容易产生大的变形从而造成大的压应力。

3.2.3 股骨干的应力

股骨干上的应变片被贴于两螺钉孔的中间,该位置上的应力实际上是孔两侧的螺钉施加力的结果,因此可以通过骨干上的应力根据作用力与反作用力的关系反推出相邻螺钉的受力特点。从图8可以看出,在骨折断口下侧所测得的压应力值很大,明显高于接骨板上测得的应力。可以推断出骨折断口下侧的螺钉的应力很大,总体上越靠下的螺钉的应力越大,而且骨折断口两侧各有两螺钉的方案的最底部的螺钉的应力最大。采用上三下二(方案5)和上二下三(方案6)的两种方案在骨干上的应力明显小于其他方案,及螺钉的应力也相应教学。

图8 股骨干的应力

综上所述,螺钉的数量与分布对骨、接骨板、螺钉构成的内固定系统的力学性能有显著的影响。当螺钉数量较少时,在压力载荷作用下会造成接骨板的弯曲变形增大,若压力载荷超过屈服极限,则会导致接骨板的塑性弯曲变形；若压力载荷较小未达到屈服极限时,在接骨板变形最大的区域有可能经过长时间的弯曲与恢复产生疲劳断裂。骨折断口下侧的螺钉的应力明显高于上侧的螺钉,因过载导致塑性变形或疲劳断裂的可能性大。因此在股骨内固定手术后进行康复锻炼时,患者需要随着骨折的愈合过程逐渐增加锻炼力度,以避免接骨板和螺钉的变形、断裂。

4 结论

(1) 接骨板上采用的螺钉的数量与分布对内固定系统的力学性能有显著的影响。当螺钉数量较少时,在压力载荷作用下会造成接骨板的弯曲变形增大,增加了接骨板塑性变形及疲劳断裂的可能性。骨折断口下侧的螺钉的应力明显高于上侧的螺钉,因过载导致塑性变形及疲劳断裂的可能性大。根据综合分析七种方案的变形与应力特点,方案6的综合性能优于其他方案。

(2) 通过此综合性的生物力学实验,学生能够掌握三维数字动态散斑应变测量和静态应变测量方法。了解接骨板的固定方式,螺钉的数量与分布对骨、接骨板、螺钉构成的内固定系统的力学性的影响规律。提高了学生利用Origin、Excel、AutoCAD等软件来处理、分析问题、绘制图表等能力,大大激发了学生的科研积极性。