新型釘棒系統(tǒng)治療股骨頸骨折的三維有限元分析

林暐哲 陳文鈞 許 耀 王世龍 章 曄 湯超亮 張 權(quán)

股骨頸骨折多由摔傷、高處墜落傷等低能量或高能量外力因素所致，臨床表現(xiàn)為患髖疼痛伴髖關(guān)節(jié)和患側(cè)下肢活動障礙，目前手術(shù)治療股骨頸骨折的方式為3枚空心螺紋釘固定和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)兩大類。傳統(tǒng)的3枚空心螺紋釘內(nèi)固定手術(shù)的固定失敗率較高，術(shù)后易發(fā)生骨折移位、內(nèi)固定切割、股骨頭壞死等并發(fā)癥［1-2］。本研究設(shè)計新型釘棒系統(tǒng)，使用2枚萬向接頭螺紋釘固定，釘尾以連接桿互相固定，形成一體的釘棒固定系統(tǒng)。通過三維有限元分析，將新型釘棒系統(tǒng)與傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘內(nèi)固定手術(shù)的固定強度進(jìn)行對比，以評價新型釘棒系統(tǒng)的固定效果，旨在為臨床治療股骨頸骨折提供新方法。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選擇1位27歲健康男性志愿者，既往體格健壯，X線檢查未見髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常，行髖關(guān)節(jié)CT掃描，收集其股骨中上段影像學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Si mple Ware 2.0軟件建立正常人股骨中上段的三維有限元模型，利用ScanIP軟件將該模型生成為Pau welsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型。

1.2 方法 內(nèi)固定實物為直徑7.0 mm的空心螺紋釘（鈦合金材料，常州市康輝醫(yī)療器械有限公司）、直徑6.0 mm的萬向接頭螺紋釘（鈦合金材料，上海國創(chuàng)醫(yī)藥有限公司）和直徑5.5 mm的連接桿（鈦合金材料，上海國創(chuàng)醫(yī)藥有限公司）。應(yīng)用ZLDS200激光掃描儀對內(nèi)固定材料進(jìn)行測量，獲得空心螺紋釘、萬向接頭螺紋釘和連接桿的有關(guān)數(shù)據(jù)（包括螺距、寬度、曲率等）。應(yīng)用Solidworks 2012軟件，繪制并改良建立帶有萬向接頭的螺紋釘，長度為85～115 mm（不包含萬向接頭），該螺紋釘尾端1/5處有螺紋，其余部位為光滑表面；同時于軟件中建立圓柱形連接棒，長度40 mm，表面光滑。

將2枚萬向接頭螺紋釘沿股骨頸皮質(zhì)上、下各1/3處進(jìn)釘，沿股骨頸長軸平行置入，螺紋釘尾端位于股骨大粗隆下方骨皮質(zhì)較厚處，將2枚萬向接頭螺紋釘尾端萬向接頭以1根鈦合金連接棒進(jìn)行連接，建立釘棒系統(tǒng)的三維模型。將3枚空心螺紋釘以倒三角方式沿股骨頸長軸平行置入，螺紋釘尾端位于股骨大粗隆下方骨皮質(zhì)較厚處，建立3枚空心螺紋釘?shù)娜S模型。將得到的相對應(yīng)的三維模型分別裝配至PauwelsⅡ型股骨頸骨折模型，共計生成裝配后模型兩組，即傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定模型和新型釘棒系統(tǒng)固定模型（圖1、2）。

1.3 數(shù)據(jù)獲得 在計算機輔助下，應(yīng)用Abaqus 6.10軟件，分別于兩組裝配內(nèi)固定物后Pau welsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型中進(jìn)行模擬軸向應(yīng)力加載（圖3）。分別于兩個模型的股骨頭負(fù)重區(qū)隨機選取20個位點的軸向位移值，計算平均軸向位移值。

圖1 新型釘棒系統(tǒng)固定示意圖（2枚萬向接頭螺紋釘和連接棒置入股骨頸位置的三維有限元模型）

圖2 傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定示意圖（3枚空心螺紋釘置入股骨頸位置的三維有限元模型）

圖3 股骨近端載荷工況示意圖

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計學(xué)軟件。呈正態(tài)分布的計量資料以±s表示，兩個模型間平均軸向位移值的比較采用t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定模型股骨頭負(fù)重區(qū)20個位點的軸向位移值為0.506、0.518、0.524、0.512、0.521、0.487、0.517、0.514、0.495、0.576、0.468、0.562、0.597、0.555、0.575、0.593、0.557、0.572、0.574、0.582 mm，新型釘棒系統(tǒng)固定模型股骨頭負(fù)重區(qū)20個位點的軸向位移值為0.479、0.430、0.379、0.486、0.443、0.495、0.512、0.498、0.483、0.462、0.447、0.524、0.525、0.448、0.533、0.518、0.437、0.556、0.540、0.547 mm。傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定模型股骨頭負(fù)重區(qū)的平均軸向位移值為（0.540±0.038）mm，顯著大于新型釘棒系統(tǒng)固定模型的（0.487±0.046）mm（P＜0.05）。

3 討 論

股骨頸骨折后因其局部血供差，術(shù)后愈合率低且內(nèi)固定易發(fā)生移位，已成為手術(shù)治療中的難點。應(yīng)用空心螺紋釘進(jìn)行閉合復(fù)位內(nèi)固定術(shù)中，醫(yī)源性血供破壞少，是股骨頸骨折手術(shù)治療的常見選擇［3］。閉合復(fù)位內(nèi)固定術(shù)多適用于年齡＜65歲、骨折移位不明顯（如Gar denⅠ至Ⅲ型）或全身情況無法耐受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者［4］。與髖關(guān)節(jié)置換術(shù)相比，閉合復(fù)位內(nèi)固定術(shù)能夠達(dá)到良好的固定效果。

臨床常采用3枚空心螺紋釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折，由于股骨頸中央部的直徑最大，側(cè)位與股骨頸處呈倒三角形置釘固定［5-7］，正位以平行于股骨頸方向置釘固定，依靠螺紋釘遠(yuǎn)端的螺紋形成拉力加壓固定骨折端。多項臨床研究［2］對3枚螺紋釘固定股骨頸骨折的療效進(jìn)行評估，其固定失敗率為11%～46%。

在對螺紋釘?shù)臄?shù)量、排列方式和形狀進(jìn)行研究后普遍認(rèn)為，在股骨頸前上方、后上方和下方置釘?shù)牡谷欠绞降墓潭◤姸容^佳，且該強度對于大部分的穩(wěn)定性骨折已足夠。因此，目前臨床多采用倒三角平行置入3枚空心螺紋釘固定［7-8］。采用倒三角方式置釘時，下方螺紋釘應(yīng)放置于股骨距水平，螺紋釘尾端與股骨頭皮質(zhì)間的距離至少為5 mm，以減少螺紋釘穿出發(fā)生。Gjertsen等［9］采用倒三角形置釘行空心螺紋釘固定治療4 468例股骨頸骨折（無移位發(fā)生）患者，術(shù)后隨訪1年，固定成功率為89%。Kain等［10］采用經(jīng)皮3枚螺紋釘固定術(shù)治療GardenⅠ或Ⅱ型股骨頸骨折的老年患者，經(jīng)過平均11個月的隨訪，由股骨頭壞死、骨折不愈合或內(nèi)固定松動等原因?qū)е碌男g(shù)后翻修率為10%。

國內(nèi)外研究［11-12］將股骨頸骨折術(shù)后固定失敗的發(fā)生原因分為三大類：①復(fù)位不充分；②內(nèi)固定不穩(wěn)；③骨質(zhì)疏松。如果內(nèi)固定的固定強度不佳，骨折斷端將產(chǎn)生過多微動進(jìn)而影響骨折端的穩(wěn)定和愈合，術(shù)后可能發(fā)生骨折不愈合、股骨頭塌陷壞死，以及螺紋釘松動退出或螺紋釘頭部穿出關(guān)節(jié)腔等。股骨頭壞死的常見原因分為股骨頭血供不足和固定穩(wěn)定性不佳兩大類，血供不足可造成股骨頸骨折不愈合，加上內(nèi)固定強度不佳，導(dǎo)致骨折端不穩(wěn)定，造成股骨頭壞死［8］。

股骨頸骨折患者術(shù)后臥床時間長會導(dǎo)致其深靜脈血栓發(fā)生率增高，而下肢恢復(fù)早期功能鍛煉則需要內(nèi)固定穩(wěn)定性良好［13］。因此，國內(nèi)外學(xué)者對如何提高內(nèi)固定的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。Filipov［14］于2007年提出“雙平面固定（BDSF）”的內(nèi)固定置入方式，該方式能夠使內(nèi)固定物與股骨頸皮質(zhì)部分的接觸更多，形成更佳的強度支撐。與3枚螺紋釘平行固定方式相比，BDSF的有限元分析或在生物力學(xué)實驗中均能達(dá)到較佳的強度［15］。在3枚空心螺紋釘固定中，于下方螺紋釘尾部附加墊圈也是一種可采用的方法；與單純螺紋釘固定相比，于釘尾處附加墊圈在擰入過程中能防止釘尾發(fā)生切割，并能提供更好的斷端加壓［16］。

然而，目前常用的空心拉力螺釘固定方式仍存在缺陷。BDSF的進(jìn)針方向是操作難點，如何提高空心螺紋釘固定的穩(wěn)定性也是研究的方向。此外，對于嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者，附加墊圈的固定效果和抗拔出性也欠佳。

本研究通過三維有限元建模，在新型釘棒系統(tǒng)固定模型中，將2枚萬向接頭螺紋釘平行股骨頸長軸方向置入，螺紋釘尾端以連接棒進(jìn)行連接，結(jié)果顯示，新型釘棒系統(tǒng)固定模型股骨頭負(fù)重區(qū)的平均軸向位移值顯著小于傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定模型；軸向位移越小，表明股骨頭在內(nèi)固定后向下塌陷程度越小，角穩(wěn)定性越強?？梢姡滦歪敯艄潭ㄏ到y(tǒng)在三維有限元建模中的力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定，但仍需要進(jìn)一步行生物力學(xué)研究加以證實。

本研究尚存在一些不足，目前臨床上對于股骨頸骨折患者行3枚空心螺紋釘固定術(shù)后，多通過延長患者的臥床時間以減少內(nèi)固定失敗的發(fā)生，今后可進(jìn)一步增加在髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、屈伸活動時應(yīng)力作用三維有限元模型后對內(nèi)固定位移影響的測試。此外，不同的股骨頸骨折Pau wels分型是否需要增加釘棒系統(tǒng)的螺紋釘數(shù)量以取得更加堅強的固定效果，尚需后續(xù)研究進(jìn)一步驗證。

有別于傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定方式，新型釘棒系統(tǒng)將釘尾改為萬向連接頭，并在螺紋釘尾端以連接棒連接，將單獨的兩枚螺紋釘連接成釘棒系統(tǒng)，可增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性和抗拔出性；釘棒系統(tǒng)可較好地適用于不同的股骨近端解剖，且可達(dá)到良好的固定效果。釘尾的萬向連接頭和連接棒是否會導(dǎo)致皮下軟組織激惹的發(fā)生尚需進(jìn)一步研究觀察，縮小連接組件的直徑和改善其形態(tài)是減少皮下軟組織激惹發(fā)生可行的方案。

本研究利用軟件將正常人股骨中上段的三維有限元模型生成為Pau welsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型，分別采用傳統(tǒng)3枚空心螺紋釘固定和新型釘棒系統(tǒng)固定，利用模擬應(yīng)力下的軸向位移值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)新型釘棒系統(tǒng)固定的穩(wěn)定性更佳，在軸向抗位移中具有更佳的固定強度，可有效減少術(shù)后骨折端軸向位移。