遠端股骨鎖定鏍絲之應力分析：有限元素模型及機械測試

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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遠端股骨鎖定鏍絲之應力分析

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有限元素模型及機械測試

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計畫類別：ˇ個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號：NSC90-2314-B-002-195

執行期間：90 年 08 月 01 日至 91 年 10 月 31 日

計畫主持人：林晉

共同主持人：無

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

ˇ出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣大學醫學院骨科

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 計畫編號：NSC90-2314-B-002-195 執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 10 月 31 日 主持人：林晉 國立台灣大學醫學院骨科 計畫參與人員：徐慶琪、林瑞伶 國立台灣大學醫學院骨科 一、中文摘要 鎖定內釘已廣泛地應用於股骨骨折，但鎖 定螺絲仍常有破壞的情形發生，特別是遠 端的股骨骨折。本研究主要分成兩個架構 (1)有限元素分析；(2)機械測試實驗去探討 內釘皮質骨接觸對整個鎖定內釘應力的影 響。建立三維有限元素模型去模擬鎖定內 釘植入股骨骨折的情形。施加 700N 的力量 在股骨頭上，施力的方向通過膝關節中 心，且遠端股骨底端為完全拘束。本論文 之有限元素模型分為完全結合界面模型與 接觸界面模型。刪除元素用來模擬不同位 置的骨折以表示不同內釘皮質骨接觸的情 形，並使用 ANSYS 去求解鎖定內釘上的應 力。機械測試實驗主要是探討內釘皮質骨 接觸對鎖定內釘穩定度的影響。將鎖定內 釘植入股骨並分成四組，分別在 isthmus 下 1cm、5cm 及 isthmus 上 1cm、9cm 處將股 骨橫切開以模擬骨缺損的情形。每組遠端 螺絲的位置皆在 isthmus 下 7 公分的位置。 本實驗以位移控制，促動器以 5mm/min 的 速率往下移動。在完全界面模型，鬆質骨 對遠端內釘的應力影響不大，主要是內釘 皮質骨接觸的影響。在內釘皮質骨無接觸 情形的內釘應力較高。在接觸界面模型， 遠端螺絲及內釘的應力也受內釘皮質骨接 觸的影響，且內釘及鎖定螺絲的應力隨著 接觸長度的增加而逐漸減少。將內釘打到 遠端皮質骨發現可減低鎖定內釘及鎖定螺 絲的應力。在機械測試實驗，亦發現內釘 及鎖定螺絲的應力隨著接觸長度的增加而 逐漸減少。所以我們發現內釘皮質骨接觸 是影響鎖定內釘應力的主要因素。 關鍵詞：有限元素分析、機械測試實驗、 皮質骨接觸

locking screws are frequently subject to mechanical failure, especially for distal femoral fractures. This study consisted of finite element analysis and mechanical test to investigate the effects of nail-cortical contact on the stress of the implants. A 3D finite element model was created to simulate interlocking nailing of femoral fractures. A vertical load of 700N was applied to the center of the femoral head along the mechanical axis of lower extremity. The end of the distal femur was fully constrained. Two situations with different interface condition were studied in this study, bonded interface and contact interface. In the situation with contact interface, contact elements were placed between the nail and the screw as well as the nail and distal femoral cortex. Bone defect was simulated by removing the element at different levels, representing different nail-cortical contact at the distal fragment. Then, the stress around the distal nail holes was analyzed using ANSYS. The mechanical testing was done to investigate the effect of nail-cortical contact on the stability of interlocking nail. An interlocking nail was implanted into the femurs, which were transected at 4 different locations: 1, 5 cm below the isthmus and 1, 9 cm above the isthmus. The locking screw was applied 7 cm below the isthmus. The loading condition and boundary condition were the same as that in finite element model. The nail-femur constructs were loaded up to 700 N in displacement control mode. The loading rate was 5 mm/min. The axial deformation and medial deflection of the proximal femur, the gap between the fragments, the strain of the nail and the screw

Cancellous bone provided minimal support and might fail during loading. The stress was higher in situation without nail cortical contact. In the model with contact interface, the nail and screw stress were also affected by nail cortical contact. The stress around the distal nail hole was decreased in situation with longer nail-cortical contact. With the nail deeply inserted and engaged on the subchondral bone of the distal femur, the stress might be remarkably decreased. The results of mechanical tests also showed that increasing the length of nail-cortical contact might increase the stability of the nail-femur constructs and decrease the stress of screw and nail. It was concluded in this study that nail cortical contact was the major factor that affected the stress of interlocking nail.

Key wor ds: finite element analysis, mechanical test, nail-cortical contact

二、緣由與目的 治療長骨骨折的方法，若採用沒有鎖定功 能之內釘，內釘和骨骼間沒有強而有力之 連接，因其穩定度不夠，所以很容易發生 骨折癒合不良或不正的情況，只有在簡單 且穩定的骨折才能夠有好的療效。鎖定式 骨髓內釘是一長骨釘其兩端各有鎖定螺 絲，用來加強內釘及骨骼間的連接。鎖定 式骨髓內釘目前是治療長骨骨折之標準方 法，藉由鎖定螺絲的功能使骨折能夠穩定 地固定在骨釘上，不管是骨折癒合率或功 能的恢復均有顯著之進步。在股骨的骨折 目前以鎖定式骨髓內釘最常用，由於骨釘 需要承受數倍體重之外力而引起骨釘的破 斷，破斷最常見是發生在內釘孔或者是螺 絲。在鎖定式骨髓內釘近端之應力分析， 已有不少的文獻提出相關的報告；然而在 鎖定式骨髓內釘遠端之應力分析，卻很少 在文獻中出現。本研究主要分成兩個架構 (1)有限元素分析(2)機械測試實驗去探討 內釘皮質骨接觸對整個鎖定內釘應力的影 響。 三、實驗方法與步驟 為了探討內釘皮質骨接觸對於股骨與 鎖定內釘應力的影響，建立三維有限元素 模型分別考慮內釘皮質骨接觸及內釘皮質 骨無接觸兩種情況分析鎖定內釘上的應 力，同時探討接觸長度對於內釘及遠端鎖 定螺絲應力的關係。股骨模型根據三十六 歲健康男性股骨 X 光所建構。piriformis fossa 到 knee joint 距離為 37cm，近端股骨 長度為 7cm，而中間內釘與皮質骨接觸的 部分為 16cm。由於內釘皮質骨接觸對於股 骨與鎖定內釘的結構穩定度有很大的影 響，為了印證有限元素之結果，本研究將 鎖定內釘植入人工股骨中，之後將股骨橫 切開以模擬 10mm 之骨缺損。然後根據不 同骨缺損之位置分成四組，以研究不同程 度之內釘皮質骨接觸對固定穩定度及內置 物應力之影響。將所讀取的實驗資料，包 括位移、負荷、撓度、骨缺損間隙、鎖定 內釘內側遠端螺孔上緣之應變與遠端螺絲 內側下緣處之應變，儲存成文字檔格式。 在相同的骨缺損位置，我們各個實驗數據 測量 6 次，之後再平均求得平均值，並算 出其標準差。最後處理實驗資料並繪出圖 形。分析在不同的骨折位置，也就是在不 同內釘皮質骨接觸的情形下，位移、負荷、 撓度、骨缺損間隙、鎖定內釘和螺絲應變 的變化情形。 由於內釘皮質骨接觸對於股骨與鎖定 內釘的結構穩定度有很大的影響，為了印 證有限元素之結果，本研究將鎖定內釘植 入人工股骨中，之後將股骨橫切開以模擬 10mm 之骨缺損。然後根據不同骨缺損之 位置分成四組，以研究不同程度之內釘皮 質骨接觸對固定穩定度及內置物應力之影 響。 為了避免因人體差異性所造成的骨質 及幾何的變異性，所以使用人工股骨來做 機 械 測 試 實 驗 。 人 工 股 骨 ( 之 材 質 是 urethane elastomer(density：1-1.1gm/cm3； tensile modulus ： 11-11.7GPa ； tensile strength：34.5-41.4MPa)。股骨長度為 42 cm。在人造股骨的遠端將鬆質骨完全去 除，不考慮鬆質骨對整個股骨結構的影響。

四、結果與討論 實驗以位移控制，促動器以 5mm/min 的速 率往下移動，直到壓力到達 700N 才停止。 讀取實驗資料，包括位移、負荷、撓度、 骨缺損間隙、鎖定內釘內側遠端螺孔上緣 之應變與遠端螺絲內側下緣處之應變，根 據不同骨缺損位置總共分為四組： (1) Group I：內釘皮質骨無接觸，內釘皮 質骨有較寬距離的情形，骨缺損位於 isthmus 下五公分處。 (2) Group II：內釘皮質骨無接觸，內釘皮 質骨有較窄距離的情形，骨缺損位於 isthmus 下一公分處。 (3) Group III：內釘皮質骨短接觸的情形， 骨缺損位於 isthmus 上一公分處。 (4) Group IV ： 內釘皮質骨 長接觸 的 情 形，骨缺損位於 isthmus 上九公分處。 最後，記錄在不同骨折位置之位移、 撓度、骨缺損間隙、內釘應變及螺絲應變 的情形。 (1) 位移：位移隨著接觸長度的增加而減 少。內釘皮質骨沒有接觸情形時的位 移為 11.62mm。從內釘皮質骨沒有接 觸的情形轉換到內釘皮質骨接觸的情 形 ， 接 觸 長 度 1cm 時 的 位 移 為 6.50mm，而接觸長度 9cm 時的位移為 4.88mm。所以內釘皮質骨接觸對整個 結構的穩定度有很大的影響。 (2) 近端股骨之撓度：內釘皮質骨沒有接 觸情形時的撓度為 18.59mm。從內釘 皮質骨沒有接觸的情形轉換到內釘皮 質骨接觸的情形，接觸長度 1cm 時的 撓度為 5.91mm，而接觸長度 9cm 時的 撓度為 2.12mm。 (3) 骨折處之間隙：內釘皮質骨沒有接觸 情形時的骨缺損間隙為 2.63mm。從內 釘皮質骨沒有接觸的情形轉換到內釘 皮質骨接觸的情形，接觸長度 1cm 時 的骨缺損間隙為 1.29mm，而接觸長度 9cm 時的骨缺損間隙為 1.00mm。 接觸的情形，接觸長度 1cm 時的內釘 應變為 1474µ ，而接觸長度 9cm 時的 內釘應變為 946µ 。 (5) 螺絲應變：內釘皮質骨沒有接觸情形 時的螺絲應變為 2143µ 。從內釘皮質 骨沒有接觸的情形轉換到內釘皮質骨 接觸的情形，接觸長度 1cm 時的螺絲 應變為 1028µ ，而接觸長度 9cm 時的 螺絲應變為 800µ 。 一 般 來說 ，內釘皮質骨有接觸之位 移、撓度、骨缺損間隙、內釘應變、螺絲 應變比內釘皮質骨沒有接觸的情形來的 小。且接觸長度越長，其位移、撓度、骨 缺損間隙、內釘應變及螺絲應變越小。 我們取內釘皮質骨無接觸，內釘皮質 骨有較寬距離的情形，也就是骨缺損位於 isthmus 下五公分處這一組來觀察負載、撓 度、骨折處之間隙、內釘應變、螺絲應變 與位移的關係。 (1) 位移與負載的關係：位移與負載呈線 性的關係，位移隨著負載的增加而增 加。在股骨頭上的半球形不銹鋼夾具 上裝置一小滑輪，雖然能讓股骨頭有 向下及向內之位移，但是股骨頭滑動 的時候會使負載有突然下降，然後負 載再繼續往上增加的情形。 (2) 位移與撓度的關係：位移與撓度大致 依然呈線性的關係，位移越大撓度也 越大。其曲線有些波動，亦是因為股 骨頭滑動的關係。 (3) 位移與骨折處之間隙的關係：位移與 骨折處之間隙也是呈線性的關係。 (4) 位移與內釘應變的關係：位移越大內 釘應變也越大，位移與內釘應變呈線 性的關係。 (5) 位移與螺絲應變：位移越大螺絲應變 也越大，位移與螺絲應變呈線性的關 係。 四、參考文獻

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