骨质疏松性粗隆间骨折的生物力学研究及其内固定手术方案的评估

This project aims to establish a reliable biomechanical computational approach based on CT images for assessment of the biomechanical properties of internal fixation strategies for intertrochanteric fractures, and will provide a scientific basis for selection of proper fixation devices. With population aging in China more intertrochanteric fractures incidents occur each year, most of which happen in elder population. The failure rates for surgical treatment of intertrochanteric fractures with internal fixation devices is about 18-20% [4]. This project will combine the advantages of the CT-based finite element methods and the in-vitro experimental tests, establish precise computational models and validate them by in-vitro experimental tests of artificial femurs. This project will further establish the precise relation between the Hounsfield unit of CT images and the material properties of osteoporotic hip bones, accurately calculate the strength of osteoporotic hip bones and the stability of their internal fixation strategies, thus determine the minimum strength and stability required to avoid fixation failure, such as screw cut-out of femoral heads, pull-out of screws from femoral cortex, and varus collapse of femoral heads. This project will also integrate the tissue differentiation laws in bone fracture healing into the biomechanical assessment of internal fixation strategies for intertrochanteric fractures；the assessment are based on whether the fixation system is encouraging the growth of new bone. The assessment method will be applied into surgical practice, the assessment results for fracture patients will be validated with surgical treatment outcomes.

本项目旨在建立一个可靠的基于CT图像的生物力学计算方法，用于研究骨质疏松性粗隆间骨折内固定手术方案的生物力学特性，为选择最佳内固定手术方案提供理论依据。伴随着社会人口老龄化，股骨粗隆间骨折事件发生率日益增高，其中老年患者居多。而内固定手术失效率可高达20％[4]。本项目将结合基于CT的有限元方法和实验测试两者的优势，建立准确的分析模型并由人造股骨实验验证计算模型的准确性。 进一步使用标本股骨, 研究髋骨材料性能与CT图像的 Hounsfield 单位的关系；准确地计算出骨质疏松性髋骨的强度和内固定系统的稳定性。 确定典型粗隆间骨折内固定手术成功所必需的生物力学条件,避免髋内翻、髋螺钉切出和钢板螺钉拔出股骨。本项目还将引进骨折愈合中组织分化的力学调节规律，使用所建立的有限元模型预测4种典型内固定手术方案的骨折愈合过程，评估其是否有利于新骨生成。该评估方法将由临床病例的治疗效果验证其准确性。

目前用于研究的股骨有限元模型大多采用简单的均匀的各向同性材料，且临床上对粗隆间骨折的手术方案并没有统一的选择标准，基于这两类问题的考虑，本课题旨在建立正确的有限元计算模型，并预测内固定手术方案对骨质疏松粗隆间骨折的愈合过程的影响，为医生选取恰当的内固定手术方案提供科学依据。.课题立项后，本项目主要从以下五个方面开展工作，分别取得了一些成果：1. 材料属性赋值方法的研究。本课题开发了一种用于有限元分析中基于节点自动赋予材料属性的方法。本方法考虑了骨骼的材料性能与CT灰度值的关系，经过有限元分析与振动试验验证，最终建立了准确的非均质性股骨有限元模型。2.粗隆间骨折有限元模型建立。本课题首先以人造股骨为原型，利用前述方法建立了股骨的有限元模型，并制造了两种典型的粗隆间骨折形式，分别采用两种常用的固定装置，通过静力试验验证了该有限元模型的可靠性，该模型相对现有计算模型，准确性有很大提高。3.不同固定装置对骨质疏松性粗隆间骨折固定效果的研究。本课题采用了三种密度的人造骨模拟骨质疏松，采用两种固定装置，模拟了体内力学环境，通过疲劳试验来评估固定装置的固定效果。最终结果显示PFNA 系统相对于DHS 系统要稳定很多，对于中青年人群的粗隆间骨折，两种固定系统均适用，而对于骨质疏松的老年股骨，PFNA 的固定效果明显好于DHS。这一结论对于临床医生选择手术方案具有重要的指导意义。4.对骨折愈合程度的研究。本课题模拟了骨折愈合过程中新骨生长规律，并对不同位置的骨折愈合过程中不同的力学性能在多种载荷条件下进行了研究。最终确定了适用于评估骨折愈合程度的力学性能和最优评估方法。本课题最终将该成果推广到了其它领域。5. 研发自动优化股骨颈骨折内固定手术方案的技术。在该课题的资助下，本项目开发了自动优化平台，该平台将推广到内固定手术方案的优化设计中，并对手术装置进行优化，提高其固定效果。.