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骨折的生物力学范文1
【摘要】 目的 通过应用解剖型股骨粗隆锁定钩板内固定系统（ALHP）固定股骨粗隆间不稳定性骨折的生物力学研究，探讨老年性股骨粗隆间骨折ALHP的生物力学性能和临床应用。方法 8具国人新鲜股骨标本进行ALHP和动力髋螺钉（DHS）固定后的生物力学对比测试。结果 两者载荷应变、载荷位移、强度和刚度、扭转力学性能、极限载能等统计学显示有显著性差异（P＜0.05）。结论 生物力学实验结果证明ALHP在抗张、抗压、抗弯、抗剪切方面明显优于DHS。ALHP设计合理，立体固定，整体稳定性高，有利于老年患者早期功能锻炼，防止各种并发症的发生。
【关键词】 股骨骨折；股骨粗隆；内固定；生物力学；钢板
Abstract： Objective To study the biomechanics of anatomical locked hookplate(ALHP) for treating instable intertrochanteric fracture for providing the basis of clinical application.Methods Eight pairs of fresh mature femor specimen were respectively fixed with anatomical locked hookplate system and DHS (dynamic hip screw)，and then biomechanical results of both were compared.Results The biomechanical comparison showed that there was significant statistical difference between the anatomical locked hookplate and DHS in loadstrain，loaddisplacement，strength and rigidity，the ability of antitorsion and ultimate bearing capacity（P＜0.05）.Conclusion ALHP has remarkable advantages over DHS in the ability of antitension，anticompression，antibending and anticut.ALHP has better design and stronger stability.It can make aged patients exercise early and reduce the incidence of complication.
Key words:femoral fracture；femoral trochanter;internal fixation;biomechanics;plate
股骨粗隆间骨折多发于骨质疏松的老年人，近年来其发病率呈显著上升趋势。其保守治疗需长期卧床，容易导致坠积性肺炎、泌尿系统感染及褥疮等严重并发症。国外文献报道老年股骨粗隆间骨折患者保守治疗的死亡率高达50%［1］，也有报告老年股骨粗隆间骨折非手术治疗组的死亡率要比手术治疗组高4.5倍［2］，而采用手术切开复位器械固定，则效果更佳［3］。作者于2006年开始研制解剖型股骨粗隆锁定钩钢板内固定系统（anatomical locked hook-plate internal fixation system，ALHP），经临床应用疗效满意，极大地降低了髋内翻畸形、肢体短缩和髋部疼痛等并发症的发病率。为了进一步论证本器械在治疗股骨粗隆不稳定骨折的优点，本文通过生物力学实验论证动力髋螺钉（DHS）和ALHP的生物力学性能，为临床提供科学的基础理论依据。
材料与方法
1 一般资料
采集老年骨质疏松标本8具，男性5例，女性3例；平均年龄70岁，体重68kg。标本先行剥离软组织，经X射线证实无病理缺陷、畸形、骨折或肿瘤病患者。标本封装储存于-40℃冰柜内保存。实验时逐级解冻。
2 标本的实验力学模型制作
所有标本用NORLAND公司生产的XR36型双能X线吸收骨质密度仪测定股骨粗隆间的骨质密度值。本文取骨质密度值0.76g/cm2以下者为骨质疏松标本，仿Evans股骨粗隆间骨折类型人工形成Ⅳ型骨折。将标本随机分为实验组（ALHP）和对照组（DHS）。模拟单足站立负重，考虑外展肌参与作用，在股骨头部及股骨干部布置应变片6枚（见图1）。
图1 股骨粗隆间骨折Evans分型及内固定
生物力学实验模型图标本在WE5生物力学实验机上加载，载荷级别分别为0、600、1200、1800N，加载速度为1.4mm/min。测量股骨粗隆部位及股骨干上应力分布及头部移位情况，以比较不同器械固定的生物力学性能。所有的标本模型、结构、材料力学性能、加载及手术创伤和固定方法尽量保持一致，以提高测量精度，并事先对股骨头的机械力学性能进行测量。
3 ALHP结构
在深入研究股骨近端解剖、复杂受力特征和治疗股骨粗隆间骨折各种内固定物优缺点的基础上，笔者设计了ALHP（见图2）。其结构包括：钩板、拉力螺钉、压定螺钉、锁定螺钉、加压螺钉。钩板主体为钩板体和粗隆钩，粗隆钩设有2个，以解剖形态钩抱粉碎的骨折块，压定螺钉可防止拉力螺钉松动退出。拉力螺钉为3枚空心螺钉，远端设置外螺纹，具有自攻功能。组合螺钉孔设有3～5个。本内固定系统特点为3根拉力螺钉固定于股骨头颈，把持力强，具有明显的分散应力的作用，防止螺钉应力集中对股骨头颈的切割。两个股骨粗隆钩固定股骨大粗隆粉碎性骨块，复位理想，固定坚强。股骨外侧钢板具有张力带作用，有效对抗剪切和旋转应力。各部分锁定装置维系整个系统的稳定性，防止骨折移位导致髋内翻畸形，有利于早期功能锻炼，防止各种并发症。
4 数据处理
应用统计软件SPSS 10.0进行统计学最小二乘法处理、t检验和方差分析，设显著性水平为P＜0.05。
结 果
1 载荷应变变化
股骨上的正常组（N）、ALHP固定组和DHS固定组载荷应变变化经生物力学测量（见表1）结果表明：（1）股骨张力侧（OS）ALHP系统固定比DHS系统平均应变小12%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在股骨压力侧（IS）平均应变两者比较同样小11%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（3）股骨上压力侧的应变明显比张力侧大26%。
2 载荷位移变化
股骨粗隆间骨折在髋载荷作用下引起的位移为股骨头的下沉位移u和水平位移μ，测量结果见表2。
结果表明：（1）ALHP的下沉位移比DHS的位移小17%，水平位移小21%，并接近于正常组N，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）粗隆间骨折断面张开角α，即使在1800N力作用下，ALHP系统只有2.31°，而DHS要产生3.36°，两者相差31%（P＜0.05）。
3 股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度
股骨粗隆间骨折固定后的强度和刚度变化结果见表3。强度指股骨抵抗破坏能力的大小，刚度指股骨抵抗变形能力的大小。结果表明：（1）股骨粗隆间骨折固定后在髋载荷P=1200N力的作用下在股骨的外侧应力强度，ALHP系统比DHS高14%，内侧强度高13%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）从股骨粗隆间骨折固定后的轴向刚度（EF）和弯曲刚度（EJ）来比较，ALHP内固定系统比DHS分别高17%和23%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。
4 剪断（cutout）试验结果
股骨粗隆间骨折固定最大的危险是在髋关节剪切应力作用下往往会产生剪断的危险，即在剪切力作用下产生剪切破坏、骨折部塌陷现象。根据所有样本在髋关节力500N时的剪断试验结果（见表4）表明：（1）ALHP剪切应力、粗隆间界面剪切力高于DHS的15%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在相同载荷作用下，从股骨粗隆界面剪切位移来看，ALHP的移位与DHS的移位相差29%，即前者剪切刚度高于后者约40%。
5 抗扭强度试验结果
股骨由于前倾角的存在，会产生髋内翻、旋转松动和移位，根据所有标本的试验结果得到粗隆间骨折内固定的扭矩-扭角关系（见表5）。结果表明：（1）采用ALHP内固定系统其最大破坏扭矩为4.11N.M，相应扭角为3.45°，而采用DHS内固定系统其最大破坏扭矩为3.48N.M，相应扭角为4.10°，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。表1 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷应变变化关系表2 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷位移、转角变化关系表3 股骨粗隆间骨折两种不同内固定的强度 和刚度(P=1200N) 表4 股骨粗隆间骨折固定剪断(cutout)试验结果（髋关节力P=500N时，±s）
6 极限力学性能试验
股骨粗隆间骨折采用两种不同内固定后，按Evans分型进行极限力学性能试验。
结果表明：（1）股骨粗隆间不稳定性骨折，若以最严重的一种Evans IV型股骨粗隆间粉碎性骨折比较，采用ALHP内固定的极限能力为2160N，极限位移10.48mm，相对应DHS内固定的极限承载能力1768N，相应位移为11.32mm。两者比较相差18%，具有显著性差异（P＜0.05）。（2）按股骨粗隆间Evans分型不稳定性骨折分别试验结果为：Ⅱ型AALHP为3628N，DHS为2924N；Ⅲ型分别为2916N和2300N；Ⅳ型分别为2160N和1768N，均显示具有显著性差异（P＜0.05）。表5 股骨粗隆间骨折两种不同内固定扭矩扭角关系
讨 论
股骨粗隆间骨折尤其是老年人不稳定骨折手术后常常会出现髋内翻、下肢短缩及外旋畸形的并发症，究其原因大多为内固定器械不理想。如以前常用的鹅头三翼钉术后并发症高达30%～40%，角钢板钉也有不少并发症，髋内翻、松动移位时有发生［4］。国内常常将DHS动力髋螺钉视作为金标准，DHS通过股骨颈的拉力螺钉固定骨折近端，另一端为板状结构固定骨折远端，具有静力加压与动力加压的双重功效，能保持良好的股骨颈干角，结构牢固，抗弯能力强，治疗稳定性粗隆间骨折成功率达95%，因此临床上较为常用。但是对于粉碎性不稳定股骨粗隆间骨折，由于股骨颈后内侧皮质缺损，应力难以通过股骨距传导，内置物上应力增大，螺钉切割股骨头易导致钢板疲劳断裂、骨折不愈合或畸形愈合等并发症的发生，尤其是DHS有难以抗旋转的结构弱点，对骨折累及大粗隆、严重粉碎性粗隆下骨折，骨折线位于DHS进钉处时则更不适用。Simpson等［5］通过回顾性研究证实DHS的并发症为15%，尤其对于骨质疏松Evans IV型骨折的老年患者失败率更高。对此也有人采用改良型的双钉DHS，但有手术复杂，难度大，在同一股骨头颈内难以固定的缺点。
为此，我们设计了ALHP，有效地克服了上述DHS的不足，发挥整体结构的力学优势，形成几何不变的内固定系统，以拉力螺钉-锁定螺钉-钩板形成立体框架结构，加上锁定系统，坚强有力地构成了三维立体内固定系统。三根前倾10°、仰角135°松质骨拉力螺钉固定在股骨近端张力侧，恢复了张力骨小梁的连续性，静力加压使骨折断端嵌紧锚固，发挥了抗张力作用，相当于DHS动力髋优点，斜孔旋入尾端锁定的拉力螺钉使其紧贴股骨距，发挥了它的抗压作用，同时两钩合抱股骨大粗隆能提高抗弯能力达7～8倍之多，所以在这个意义上ALHP形成了立体锚固结构，发挥了股骨张力骨小梁、压力骨小梁、弯曲骨小梁的各自抗张、抗压、抗弯的作用。钩、板、钉共同承重使整个内固定系统达到了最优的重建力学体系。载荷应变和载荷位移变化实验证明ALHP内固定应力、应变分布均匀合理，而且固定牢固，对抗张应力、抗剪切、防止旋转的能力较强，并接近正常组，具有明显的优势，有效防止了股骨头旋转位移和髋内翻。加上我们设计了压定螺钉，有效地防止了退钉、松动、滑移的弊端。而在钉板的近端增加了两个锚钩，将不稳定骨折碎片牢牢合抱，发挥了整体力学优势，完整地重建了承重力学体系。股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度以及抗扭强度试验证明ALHP维持股骨粗隆间骨折内固定的稳定性是有保证的，抗扭强度接近于正常组，明显高于DHS内固定系统。由于整体结构坚强、牢固，尤其防止股骨粗隆间骨折剪力cut－out的破坏，发挥了积极的对抗作用，剪断（cutout）试验结果说明ALHP抗剪能力强于对照组，有明显优势。极限力学性能试验证明使用ALHP内固定系统整体力学性能有较大的提高，充分证明使用本内固定系统具有整体力学性能优势，对股骨粗隆间骨折稳定性具有很好的支撑作用。ALHP立体固定结构有效地防止了髋内翻和旋转畸形并发症的发生。
ALHP上述一系列的整体结构经生物力学实验证实优于DHS，符合“AO”坚强固定原则，保障了老年性股骨粗隆间骨折术后的稳定性，使得老年性骨质疏松患者能早期功能锻炼，恢复肢体功能，有效地防止各种并发症的发生，具有广阔的临床应用前景。
参考文献
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骨折的生物力学范文2
[摘要] 目的:通过生物力学分析方法测试3种内固定器械治疗同侧股骨颈并粗隆间骨折的效果。方法:取12根成人新鲜股骨标本,依据Evans-Jensen分型Ⅲ型制作骨折模型,其中小粗隆部分的骨折向上波及到股骨颈中部。将骨折复位随机分成3组,每组4例,依据标准技术分别予以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定。将各组固定模型置试验机上测试骨断端的张开角、应力分布。结果:股骨近端锁定板骨断端的张开角明显小于动力髋组及PFN组。骨折端应力分布,股骨近端锁定板组包括张力侧各点均为压应力,动力髋及PFN固定组在外侧测试点为拉应力。结论:股骨近端锁定板的各项生物力学性能均优于动力髋、PFN固定。
[关键词] 同侧股骨颈并粗隆间骨折;生物力学;内固定
[中图分类号] R683.42 [文献标识码]A [文章编号]1674-4721(2010)03(c)-032-03
Biomechanical study of three different fixtors in fixture of ipsilateral femoral intertrochanteric and femoral neck fractures
DOU Qingyin,WANG Pengfei,HAN Yun,CAI Weidong
(Department of orthopaedics,Songgang People′s Hospital,Shenzhen 518105, China)
[Abstract] Objective: To study the biomechanical properties of three different internal fixtors. Methods: 12 fresh adult cadaver femoral bone specimens were used to made ipsilateral femoral intertrochanteric femoral neck fracture model, which were divided into three groups by random,and fixed by PFN,DHS and femoral proximal locking plates 3 differently.All the fixtors model were evaluated by biomechanical test.Experimental tests included the opened angle,the stress distribution in the edge of fracture. Results: The PFN,DHS groups′ open angle were significantly larger than femoral proximal locking plates group under every load.The stress distribution in the outer fracture sites of PFN,DHS groups were pulled stress,while the femoral proximal locking plates group were pressure stress. Conclusion: The biological mechanics property of femoral proximal locking plates are superior to the other fixed devices.
[Key words] Ipsilateral femoral intertrochanteric femoral neck fracture; Biomechanic study; Inter fixtor
股骨颈并粗隆间骨折是临床上较少发生的骨折,其广泛的骨折范围给治疗带来困难,笔者曾利用股骨近端锁定板治疗此型骨折2例,获得较好效果。为验证股骨近端锁定板的固定效果,笔者采用尸体骨制作股骨颈并同侧股骨粗隆间骨折模型,分别以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定,行生物力学测试。
1 材料与方法
1.1 骨折内固定模型的制作
取12根新鲜成人尸体股骨标本,依据Evans-Jensen分型Ⅲ型制作成股骨颈并同侧股骨粗隆间骨折模型,在此基础上,小粗隆部分的骨折向上波及股骨颈中部。
骨折内固定模型的制作:将骨折复位随机分成3组,每组4例,依据标准技术分别予以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定。
1.2 生物力学测试
将股骨远端包埋于牙托粉,使股骨长轴与垂线成20°角。包埋后股骨长度平均为43 cm。实验过程中标本保存在-400℃超低温冰箱保存。实验标本骨折线两侧沿复骨折线对应贴10片应变片,应变片与骨折端垂直距离3 mm,应变片之间距为15 mm,其中1、2号应变片位于股骨距处骨折端。实验均在万能试验机上进行,使用YJ-31型静态电阻应变仪记录数据。制作模拟髋臼形状的半球型加载卡具,使加载时受力分布均匀。为了使载荷接近正常人的体重范围,张开角度的测试、骨断端的应力分布、骨断端的接触面积的测试中载荷选择了以800 N为中心,左右共载6个载荷值。
张开角度的测量:在股骨大粗隆上端骨折线两边钻入2枚直径为1.0 mm克氏针,长约15 cm。将标本安装于SCC-44100电子万能试验机上垂直加载200、600、800、1 000、1 200 N,加载后用千分尺测量不同载荷下2枚克氏针的点位移,可求出不同载荷下骨折外侧的张开角度[1-2]。骨断端的应力分布情况:应变片连于YJ-31型静态电阻应变仪,将试验骨安装于万能试验机上进行加载试验,加载速度为1.3 mm/min。载荷由200 N逐渐增至1 200 N,读取应变值,每1个试件加载3次,读取数据,去掉无理数值取平均值,再将5个试件的试验结果取平均值,即可求出实验组与对照组各个载荷状态下的应变值。从骨折端的应变值计算出骨折端的应力分布。
1.3 统计学处理
张开角比较采用SPSS12.0进行组间比较。
2 结果
2.1 张开角度的测试
骨折的生物力学范文3
【摘要】 ［目的］研究CT扫描三维重建技术对于骶髂关节骨折进行闭合手术治疗的术前指导作用。［方法］选择30个骶髂关节，均行X线片和螺旋CT三维重建后，随机分为3组，每组10个关节。A组：根据CT数据资料于Minics软件指导下行骨折克氏针固定；B组：于电视X线机下行骨折克氏针固定，根据X线片和螺旋CT资料行骨折克氏针固定。固定后通过生物力学和大体剖面观察，评价不同组间生物力学和解剖学效果。［结果］A、B 2组在力学强度和解剖位置方面均优于C组，差异均有统计学意义(P0.05)。［结论］Minics软件及三维重建技术可以很好的指导骶髂骨折的手术操作。
【关键词】 骨盆骨折； 骶髂关节； 生物力学
现代社会高能、高速损伤日益增多，骨盆骨折发病率逐年增多，目前已占骨折总例数的1%～3%，尽管医疗技术已有很大提高，严重骨盆骨折病死率仍在20%左右，致残率约50%～60%［1］。尤以骶髂关节骨折，由于受伤部位较深，涉及组织及器官较多，手术治疗时由于操作不当极易造成不必要的手术并发症，甚至导致手术失败。本实验通过使用Minics软件对试验标本个体化CT数据资料进行处理和研究，探讨该方法在闭合条件下对经皮治疗骶髂关节骨折固定手术的术前设计及指导作用。
1 材料和方法
1.1 材料
15具尸体骨盆，男12具，女3具，年龄23～45岁，平均34岁，不含软组织(南方医科大学人体解剖学教研室提供)；X线机(TU3000/DR1000X，Hitachi日本)，64排螺旋CT(Philips/Brilliance 64，飞利浦公司，荷兰)，生物力学机(MTS生物力学试验机)，电视X线机(Tridoros Optimatic 1000 mA，西门子，日本)，Minics 10.01软件，冲击电钻(中国上海)，8 mm克氏针。
1.2 方法
各骨盆均行正侧位、双斜位X线片和螺旋CT三维重建。30个关节随机分为3组，每组10个关节。A组：将CT数据输入电脑后，利用Minics软件进行三维重建处理，分析骨折裂缝的大小、位置和周围骨性结构的比邻。并利用软件中画笔工具模拟出2根8 mm“克氏针”，垂直骨折线行跨关节骨折固定(图1)，调节“克氏针”位置，消除针道对周围血管、神经和脏器穿过损伤后，显示穿针部位在体表的投影和进针(三维)角度，然后于尸体骨盆按照软件模拟的部位和路径进行克氏针固定。B组：在电视X线机指导下，行骨折部位克氏针固定。C组：根据X线片和CT片行克氏针。
1.3 试验步骤
1.3.1 生物力学分析 有学者认为显著增加螺钉轴向拔出力的因素与增大螺钉外径和加大进钉深度有关；骨密度也是影响螺钉固定强度的重要因素，骨密度越大，螺钉的拔出力也就越大［2］。按文献3方法进行操作，具体方法：标本置于MTS858生物力学测试机平台，呈人体垂直直立位牢固固定，钉尾施加摆动拔出力，预载100 N，后以10 nm/min分级加载，两侧放置高精度摄像仪，每加载50 N记录1次，在摆动度数1°～5°时分别记录相应的拔出力，所有标本均重复上述操作。
图1 利用Minics软件进行三维重建模拟图（略）
1.3.2 大体观察 生物力学测试后各组随机选取4个标本，沿穿针方向剖开，观察针道与骶髂关节界面以及周围组织关系。统计标准为“2针均于中部穿越骨折线计为0，有1根于中部穿越骨折线计为3，2只均未穿过骨折线计为5；针道不穿越任何脏器的计为“O”，针道穿入骶管的计为A，穿破骶骨向后侧穿出计为B，穿破骶骨穿入盆腔的计为C。
统计学分析，所有数量表示为资料±s，SPSS 12.0统计软件进行统计学处理，组间比较采用方差分析，检验水准为α=0.05。
2 结果
2.1 生物力学实验
A、B组方法指导下固定的克氏针在抗拔出力方面明显优于C组，拔针过程中产生的位移明显少于C组，2组差异具有统计学意义(Pa0.05)(表1)。
表1 不同手术方法克氏针拔出力和相对位移（略）
2.2 大体观察
A、B 2组大部分标本显示，克氏针能够顺利穿过骶髂关节界面，且不穿入椎管或由关节前后穿出，很好的起到局部固定或避免组织损伤的效果，C组标本均出现固定不确切，和针道偏斜的表现(表2)。
表2 大体观察结果（略）
3 讨论
骶髂关节骨折属垂直不稳定性骨盆骨折［4］，随着医生及患者康复意识和诊断技术的不断提高，闭合手术治疗的效果越来越受到医生和患者的重视。骶髂关节，也称为骶髂复合体(sacroiliac complex)，影响头侧的腰骶关节及尾侧的髋关节，占整个骨盆功能的60%［5］左右，治疗效果对骨盆功能的恢复具有重要意义。骶髂关节骨折，手术显露困难，术野暴露面积大，加之骶骨内和骶髂关节前方有硬脊膜囊、骶神经根、骶丛及重要大血管通过，操作难度大，处理不好会引起很多并发症，极易误伤脏器、神经、血管，造成创伤性关节炎。
目前处理此类骨折的较常规的方法是：（1）保守治疗牵引：过程长，患者长期卧床，护理麻烦，且易引起诸多并发症［6］；（2）闭合复位，凭经验行克氏针或螺钉内固定：手术风险大，易造成重要组织和器官的损伤［7］；（3）切开复位内固定：损伤复杂，一般医生掌握困难［8］；（4）电视X线机指导下闭合穿针：操作安全简单，对术者解剖和立体定向水平要求较高［9］。
Minics软件是SWUGN公司于2002年开发的一种3D软件，可以录入CT等影像学数据，并进行重建，并可以随意旋转，成像，还可以利用工具软件，在图像中绘制立体的螺钉、钢板或克氏针进行固定，并通过三维数据进行位置调节。
本研究采用螺旋CT对骨盆标本的扫描数据录入Minics软件，通过软件自带的三维成像功能，进行图形重建，绘制出模拟真实的骨盆模型。利用软件中的旋转工具可以从任意角度观察骨盆构象，了解复合关节的解剖关系。更重要的是，利用软件中的绘图工具还可以在图像资料中添加模拟的螺钉或克氏针，并可以随意调节进针部位和角度，还可通过延展工具在组织表面进行投影，进行术前手术实施模拟，进而指导真实手术操作。本组数据显示：采用三维重建指导的克氏针固定在力学强度和进针部位和准确度等方面与电视X线机指导下的克氏针固定效果相当，甚至略好，明显优于单凭X线片和CT资料的经验性“盲穿”。
该方法操作简单，易于掌握，尤其适于刚刚从业的初学者，且避免了电视X线机下对患者和术者的射线照射。该方法的三维重建功能还具有很好的诊断价值(将另文论述)，具有良好的应用前景。
参考文献
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骨折的生物力学范文4
【摘要】 ［目的］利用工程力学分析软件CatiaV5，模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境，为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据。［方法］采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像，层厚1 mm，按照点、线、面的建模方式，先建立人体肩关节的三维几何模型，再予网格化，建立人体肩关节的三维有限元模型，利用该模型，模拟在12个不同的肩关节功能位置上（外展30°、 45°、 60°、 90°、同时合并内旋、中立、外旋）、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况。［结果］根据肱骨在不同的功能位置上载荷－应变关系曲线，载荷从0～250 N时，呈线性变化，后为非线性期，卸载后，残余骨变形；随着载荷的增加，肱骨干的应变随之增加。当肩关节的外展位置由90°逐渐变为30°时，肱骨干上内外侧应变逐渐增加，内外旋45°时应变比中立位时增加显著；同时，肱骨干内外侧的应力不同，内侧应力大，外侧应力小，内外旋时，肱骨干的应力增加更快、更大。［结论］在肩关节不同的功能位置上，三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向；肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法。
【关键词】 间接暴力； 肱骨骨折； 三维有限元； 模拟
Abstract：［Objective］To simulate the biomechanics mechanism and environment of humeral fracture caused by indirect impact force for the purpose of biomechanics understanding and treatment of such fracture.［Method］Based on the data source， which was highresolution anatomic slice images from approximal clavicle to distal humerus， 1 mm thickness and totally 380 layers， the geometric model of total shoulder joint was established according to the order:point， line，area， and further meshed to set up the three dimension finite element model of shoulder， fracture sites and instantaneous stress and strain of humerus were simulated and analyzed under the condition which longitudinal impact force was loaded on the humerus based on the 12 functional positions of shoulder(abduction 30°、 45°、 60°、 90°， and simultaneous neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°).［Result］According to the humeral shaft loadstrain curve in different functional positions of shoulder， linear relation was found when load changed from 0 N to 250 N， after which nonlinear come out， and even load was removed ， bone was deformed eternally. With the rise in load amount， the increase in stress was detected. When abduction degree changed from 90° to 30°， the strain of humerus， both the lateral and the medial increased gradually，and increase in internal rotation 45°and external rotation 45° was more significant than that in neutrality. Meanwhile， stress difference could be seen between the lateral and the medial ， and medial was larger than the lateral. Increase in stress in rotation positions was quicker and more than that in other functional positions.［Conclusion］Based on 4 abduction degrees (30°， 45°， 60°， 90°) and 3 rotation degrees(neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°) ，the three dimensional finite element shoulder could simulate precisely stress， strain， general trend of fracture line， three dimension images of bone failure. Three dimension finite element simulation and analysis of shoulder is a valuable mechanical method for research on biomechanics theory related to humerus fracture.
Key words：indirect impact force; humerus fracture; three dimensional finite element; simulation
临床上，肱骨骨折的发生率并不少见。目前，对于肱骨骨折确切的损伤机制尚缺乏较深刻的了解，较透彻的阐明肱骨骨折的机制方面的知识对于肱骨骨折的预防和治疗将会产生重要的指导意义。本研究就是利用人体肩关节的三维有限元模型，模拟不同的轴向冲击载荷下，肱骨的形变情况，并显示其动态过程，探讨肱骨骨折的受伤应力机制。
1 材料与方法
1.1 肩关节结构的几何实体重建
采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，按照点－线－面－体的方式建立肩关节的几何实体形状，可以分别显示皮质骨、松质骨、软骨及髓腔结构，在Catia V5运行平台上可以任意角度转动，观察模型的解剖结构和方向（图1）。
1． 2 肩关节三维有限元模型的构建
肩关节的三维实体建模完成后，根据材料特性的不同，定义软骨、皮质骨、松质骨材料力学参数（表1）。选用10节点的四面体单元，该四面体具有6个方向的自由度，在Catia V5运行平台上，定义肩关节的各项参数和指标，选择中上等精度的自动网格划分模式，对肩关节进行自动网格化，生成3 977个节点（nodes）、20 919个四面体单元（elements）（图2）。表1 肩关节的材料力学参数（Joseph. A等 2002年）
1.3 肩关节不同功能位置上肱骨骨折的三维有限元模拟
启动Catia V5的结构模块。根据盂肱关节面的接触关系，及肱骨头的旋转中心的确立，固定肩胛骨相对不动，将肱骨分别从0°位外展到30°、45°、60°、90°每个位置上；分别设定3种旋转状态：中立位、外旋45°、内旋45°，从而将肩关节的动态功能过程分割成12个不同的功能位置。在每一个位置下，根据盂肱关节面接触区域的位置和范围，设定肱骨的边界约束，限制其所有方向的自由度。
自肱骨远端分别加载以0.1 s梯度增加的300 N轴向冲击载荷，载荷持续时程为1 s，同时自肱骨大结节加载50 N水平恒定载荷，启动Catia V5的求解模块，计算机进入冲击受力分析模块程序。运算结束后，得到动态显示的加载－形变过程，分析其应力分布和骨折移位状况。根据图像的模拟结果，我们可以判断不同的功能位置上的骨断裂的位置和移位方向，根据节点的断裂度判断骨折线的大致走向。
2 结 果
计算机运算结束后，得到12个功能位置上、暴力载荷下的肱骨应力、形变趋势，并且动态展示出来。本文以45°外展位为例(图3～5)；此外， 通过鼠标取值，可以记录肱骨上的平均应变值（图6），从而进一步绘制载荷－应变曲线（图7），了解肱骨随载荷变化的生物力学规律。
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3 讨 论
3.1 本研究中骨折模拟的力学合理性
造成骨折的原因有内因和外因两个方面，前者是指骨结构本身的特性，例如材料性质和结构性质，后者是指骨骼受外力的方向、大小、变化速度以及肢体的空间位置等［1］。对于肱骨骨折而言，常见于摔倒时，上肢撑地，冲击载荷在较短的时间内通过间接传递作用于骨骼，造成骨折［2］；同时，由于人体上臂具有灵活的运动范围，故摔倒时，肱骨可以有多个不同的功能位置，而这种位置直接影响骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩关节三维有限元模型和肩关节试验力学分析结果的基础上，模拟不同功能位置上的肱骨骨折状态，是符合肩关节生物力学原理的［3］。
3.2 三维有限元分析法模拟肱骨骨折的优势所在
肱骨发生骨折时，由于其瞬时性的特点，往往很难重复其具体过程，无法对其进行实时分析。试验研究的条件下进行骨折力学分析时，当载荷超过骨的极限强度时，骨小梁断裂，骨结构的完整性破坏。目前的力学记录仪器尚不能记录峰值强度以后的骨应力和骨应变，特别是骨的内部力学状况，所以，用试验的方法研究骨折的力学机制存在着明显的不足，它不能提供骨折完整过程的信息，故本研究尝试用先进的计算机技术，凭借工程力学的软件，按照生物力学的原理，去研究肱骨骨折的损伤机制，是对试验力学有力的补充和完善。运用三维的视觉环境，高度形象地模拟骨折的形变和应力分布。作为一项被运用到医学领域的计算机技术，三维有限元分析法可以高度模拟物体结构与材料的特性；既可以精确地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以进行精确的计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究，分析研究的重复性好，应用面广，适应性强，可以反复使用，无损耗，能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况（或生理状况），得到客观实体实验法所难以得到的研究结果［4］。
3.3 有限元模拟肱骨骨折受伤机制的临床意义
从肱骨骨折的三维有限元动态模拟图像资料上看，当关节盂实施边界约束、肱骨大结节加载基础载荷、于肱骨远端加载以0.1 s梯度增加的300 N冲击载荷时，应力逐渐由肱骨远端移向骨干部，随着力的传递，压力集中在肱骨颈干交界部位和干部上段部分，应力在其前侧和/或内侧达到最大聚积；而与此同时，与关节盂相接触的肱骨关节面的部分，应力也逐渐增加，这两个应力集中区域在冲击载荷作用下，应力增加不显著。骨应变图提示这个区域此时承载的载荷逐渐转成张力区，2种载荷交界区域即是骨小梁承受弯曲最大的部位，当能量完全释放，骨小梁断裂，骨折线产生，远段肱骨部分移向后侧或/和外侧。应变是应力作用于骨组织的的结果，伴随着应力的变化，肱骨上应变发生变化，骨形变不可避免。另外，作者看到，在12个不同的功能位置上，相同的加载时，肱骨的应力集中区发生了转移和变化。当从30°90°外展时，高应力区由内侧逐渐转向外侧，而以 60°外展外旋位置上应力最高，达3.13 MPa。也就是说在这个位置上摔倒时，骨骼承受最大的应力，骨应变在此区域最大，故骨折发生率较高，特别对于本身骨强度减弱的情况下（例如、
图1 肩关节的三维几何实体重建图像 图2 肩关节的三维网格化 图3 45°外展中立位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图4
45°外展内旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）
图5 45°外展外旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图6 箭头所指为鼠标取值 图7 外展45°位置上中立位、外旋45°、内旋45°时肱骨干上载荷－应变关系曲线质疏松时），在30°外展位置上易发生由肱骨外科颈和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加载时，骨折线接近横行走向，因此可以推测在健康人群中，肩关节30°～90°范围摔倒时，骨折线由斜形逐渐变成横行，且肱骨外科颈和肱骨上段时更易于骨折和移位置［6，7］。
此外，不同的肩关节旋转位置对肱骨骨折也产生一定的影响。从图像中可以发现当内旋和外旋时，肱骨上的应力分布发生转移。内旋时，高应力区移向肱骨的前外侧，外旋时，高应力区移向肱骨的内侧，并伴随骨折线出现部位的转移。根据动态模拟图像中，可以清晰显示骨折的动态现况，且可以反复回放，任意提取任何一个需要的信息。
3.4 肩关节有限元模拟分析的应用前景
本研究中所建立的肩关节三维有限元是一个良好的生物力学研究工具，利用它，不仅可以对关节的骨性结构进行力学分析，同时通过建立三维连接单元，还可以重建肩关节的任一个软组织结构；通过这些软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数，同样可以将软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析。本论文仅仅对肱骨骨折实施了有限元的模拟，使用同样的方法，可以对其他肩关节的其他结构的损伤机理进行模拟，如锁骨骨折、脱位、肩胛骨骨折、盂肱关节的脱位、慢性肩关节不稳、肩峰撞击症等。
总之，随着计算机技术的不断发展，以及力学分析软件的不断完善，三维有限元分析法一定会在骨关节生物力学研究领域发挥越来越大的作用。
【参考文献】
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骨折的生物力学范文5
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组23例，男16例，女7例。年龄3-10岁，均为玩耍或行走跌倒受伤。伸直型16例，屈曲型7例，均为闭合骨折。伤后至手术时间：24h内者13例，3-7 d者10例。
1.2 手术方法
采用氯胺酮麻醉，上止血。取肘外侧入路[1]，骨膜下剥离，显露骨折断端，清除骨折端凝血块并牵开嵌压于骨折端的软组织；术者与助手先持续轻柔的牵引纠正骨折前后重叠移位，再纠正侧方和旋转移位；骨折端复位时遵循桡侧嵌插、尺侧稍分离、尺偏型矫枉过正或轻度桡偏、桡偏型不矫枉过正的原则[2]。复位时配合左手食指和拇指夹持、推顶作用，并触摸尺骨鹰嘴窝和冠状窝判定复位准确的情况后，伸屈活动肘关节观察恢复提携角后，利用左手拇指及其他各指推顶稳定维持骨折，持电钻克氏针从外上髁斜行45°向内上方钻入直径1.5-1.8 mm的克氏针，使针尖穿出对侧近端骨皮质约3 mm左右，内上髁穿针时注意触摸，避开尺神经沟，依照前法交叉钻入克氏针至对侧皮质，伸屈肘关节，检查肘关节功能恢复情况及骨折部位稳定性，必要时可于外髁处再加一枚克氏针。直径2.0mm钻头于骨折近端外侧距骨折线2cm处前后方向钻孔，穿入一根一号强生爱惜康产品PDS-Ⅱ可吸收线，8字绕过外侧克氏针针尾加压固定，再次伸屈肘关节无异常后，剪断克氏针多余部分，针尾折弯留置皮下，注意内上髁折弯的针尾对尺神经的嵌压，放松止血带，确定无搏动性出血，桡动脉搏动良好，冲洗伤口，逐层关闭切口。石膏托固定于屈肘100位。
1.3 术后处理
术后使用抗生素3-5d预防感染，适当脱水消肿处理，石膏托固定于屈肘100位。早期开始右手右肩主动功能锻炼，两周后拆除石膏，行肘关节主被动屈伸锻炼。术后8-10周摄片检查骨折愈合后拔除克氏针。
2 结果
所有病例均达解剖复位或近解剖复位，切口均一期愈合。5例于三周后出现钉尾外露，给与拔除外露钢针。所有患者均获随访，随访时间6-18个月，平均10个月。
所有病例骨折均一期愈合，根据李稔生等[3]肘关节术后功能评判标准评定疗效。优:肘屈伸受限＜10°，肘内翻＜5°。良：肘屈伸受限10°～20°，肘内翻6°～10°。可：肘屈伸受限21°～30°，肘内翻11°～15°。差：肘屈伸受限＞30°，肘内翻＞15°。 转贴于
本组结果：优18例，良4例，可1例，优良率95.6%。无一例出现骨折再移位和尺神经损伤。
3 讨论
儿童肱骨髁上骨折对无移位或移位轻、患肢肿 胀轻者可行手法复位，小夹板或石膏外固定，但对于严重移位、肿胀明显或伴有神经损伤的肱骨髁上骨折采用切开复位内固定是必要的，不主张多次手法复位，不仅患儿痛苦大，更加重局部软组织的损伤，增加肘关节功能障碍的风险。手术时机应避开肿胀高峰期，肿胀重者须抬高患肢悬吊牵引，加强脱水治疗，待肿胀减轻后再手术[4]。
目前，儿童肱骨髁上骨折内固定以交叉克氏针较为常用。杨勇等[5]报道，通过生物力学实验证实了改良张力带固定效果明显优于交叉克氏针，其稳定性能满足术后早期主动活动肘关节的生物力学需要。连洪凯[6]等证实克氏针张力带固定牢靠，并观察到应用张力带后由于外侧加压，使内侧稍有分离，纠正压缩缺损，防止肘内翻，可有效避免肢体重力及前臂旋转所导致的肘内翻的发生。作者认为：克氏针张力带内固定符合肘关节生物力学要求，能早期进行关节功能锻炼，是较理想的方法。但二次手术取出钢丝时的创伤较大。采用可吸收线代替钢丝，免除二次取出，留于皮下的克氏针可局麻下轻易取出，减少了二次手术的创伤。可吸收线为爱惜康产品PDS-Ⅱ，其强度是同直径普通缝线的2.5倍，双股PDS-Ⅱ线其强度为普通缝线的5倍。术后4度为始强度的75%，6周为50%［7］，可达到骨折固定的要求。显然，生物可吸收张力带可为病人早期功能锻炼提供足够的强度。随着骨折的逐渐愈合，骨的自身强度不断增加，而可吸收线逐渐被降解吸收，从时间上可完全满足骨折愈合过程。
因此，交叉克氏针加可吸收线张力带内固定既实现了内固定的稳定性，有利于骨折端的加压，促进骨折愈合，防止肘内翻的发生，又减少了二次手术的创伤，是一种治疗儿童肱骨髁上骨折较为理想的方法。
参 考 文 献
[1]胥少汀.实用骨科学[M]．3版.北京：人民军医出版社，2006：424.
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骨折的生物力学范文6
资料与方法
本组患者85例，男27例，女58例；年龄58～93岁，平均75.3岁；左侧40例，右侧45例。致伤原因：摔伤78例，车撞伤7例，均为闭合性损伤。按AO标准分类：A1型36例，经转子的简单骨折（两部分），内侧骨皮质仍有良好的支撑，外侧骨皮质保持完好；A2型32例，经转子的粉碎骨折，内侧和后方骨皮质在数个平面上破裂，但外侧骨皮质保持完好；A3型17例，反转子间骨折，外侧骨皮质也有破裂。术前合并症有：心脑血管疾病64例，糖尿病33例，呼吸系统感染性疾病17例，贫血23例，均请内科会诊，积极对症治疗且综合评估病情稳定后，尽早行内固定手术治疗。
手术方法：采用连续硬膜外麻醉。患者取仰卧位，在骨科牵引床上先行骨折闭合复位。C型臂X线机透视确定骨折复位满意后，选择髋外侧大转子处纵行切口，长约4～5cm，暴露大转子外侧，然后选择合适长度股骨近端锁定钢板，确保骨折远端有3枚螺钉固定，将钢板从近端切口自骨膜外肌下隧道插入，跨过骨折端至远侧骨干，使钢板远近两端与股骨相符贴，C臂透视钢板位置合适后，C臂透视下经近端锁定孔向股骨颈打入3枚克氏针导针，先固定股骨颈内3枚锁定钉，然后经皮打入远端锁定钉。部分闭合复位不满意者，可适当扩大切口，复位满意后，放置锁定钢板固定。正侧位透视位置良好后，置负压引流管。冲洗、关闭切口。
疗效判断标准2：①优：骨折愈合，髋部无疼痛，骨关节活动恢复到伤前状况；②良：骨折愈合，髋部偶有疼痛，骨关节活动大部分恢复到伤前状况；③可：骨折愈合，有轻度髋内翻，骨关节活动受限，有时疼痛；④差：骨折畸形愈合或未愈合，髋部疼痛，不能行走。
结 果
本组85例患者，手术时间50～80分钟，平均63.6分钟；术中出血80～200ml，平均150ml。所有患者伤口均Ⅰ期愈合，无感染。全部患者获得门诊或电话随访，随访时间6～24个月，平均11.7个月。术后10～13周达到临床骨愈合，参照董纪元等评分法，优69例，良16例，差3例。2例髋内翻畸形愈合，可无疼跛形行走。1例骨不愈合，钢板断裂，再次手术PFN固定后愈合。
讨 论
股骨转子间骨折是老年人常见的骨折，与老年人骨质疏松密切相关。保守治疗虽然骨折也能愈合，但是卧床时间长，加上老年人多合并较多内科疾病，容易发生坠积性肺炎、褥疮、泌尿系感染、下肢深静脉血栓形成等并发症，同时易导致髋内翻、下肢缩短、外旋等畸形愈合、延迟愈合等，骨折后生存率和生存质量明显降低，死亡率较高。近年来随着外科手术技术的提高和内固定材料的进步，早期复位内固定技术已成为治疗老年人股骨转子间骨折的首选方法3。
DHS曾被认为是股骨转子间骨折内固定治疗的“金标准”，但DHS的缺陷近年来在临床实践中逐渐地被发现。由于DHS力学设计特点，DHS适用于A1型和部分A2型骨折，不适用于A3型骨折；且由于主钉的拉力及应力切割作用，常会导致骨质疏松性或粉碎性骨折发生股骨颈短缩、髋内翻等并发症4。对于粉碎严重骨折，DHS操作困难，往往会造成骨折的再移位，Gamma钉和PFN同样因为骨折疏松性或大转子部的粉碎骨折而导致股骨颈内的主钉切割失效，造成髋内翻畸形；且DHS、Gamma钉、PFN技术难度大，操作复杂，手术创伤大，手术时间长，不利于推广。与以上技术相比，锁定钢板的优势体现在：⑴手术创伤小：术前基本实现骨折闭合复位，采用小切口，缩短了手术时间，减少了术中出血；钢板和骨皮质无需紧密接触，不需广泛剥离骨膜，降低了骨膜损伤，最大程度地减少对骨质血运的影响，有利于骨折的愈合；其内置外固定的设计理念，长跨度钢板加稀疏螺钉的桥式固定方式，具有弹性固定结构，能使骨痂快速生长，不但起到了生物学钢板的作用，又保证了骨折愈合所必须的生物环境。⑵良好的生物力学特性：①股骨近端解剖钢板是依照股骨近端外侧形状、遵循BO原则设计的解剖型钢板，使用前不需预弯，与骨贴附良好；在保证内固定强度的同时，其厚度不一致，分散了钢板的应力，更符合人体生物力学要求，且具有分散和传导应力的力学优势。②钢板近端入钉点成“品”字设置.形成多点三维固定，抗拉、抗压及抗旋转力强大，钢板远端各钉孔既可植入锁钉，又保留了普通加压孔，保留了普通钢板的加压作用；③钉板之间通过螺纹锁定，骨折端的稳定依靠钉板间的成角稳定，其整体稳定结构相当于内固定支架，几何整体稳定性强，可提供高强度稳定的内固定。⑶适用范围广：锁定的多角度螺钉形成强大的抗拔出合力，可用于各种类型的股骨转子间骨折，如骨质疏松性骨折、复杂的关节周围骨折，特别是干骺端的粉碎性骨折，钢板蛇形膨大的头部能适当包容粉碎骨折的股骨粗隆，辅助拉力螺钉能使骨折得到良好复位固定。对于DHS不适用的主钉进钉部位有纵向劈裂骨折线的骨折均可使用。
总之，股骨近端锁定钢板具有独特的生物力学特性和钉板成角稳定结构，操作简单，创伤较小，稳定牢固，适用范围广，是治疗老年股骨转子间骨折的有效内固定方法。
参考文献
