PFNA 與 PCCP 固定法治療不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析

徐鍇 李開(kāi)南

臨床醫(yī)生在遇到股骨轉(zhuǎn)子間骨折患者時(shí)，由于其常合并有骨質(zhì)疏松及各種內(nèi)科疾病，治療難度相對(duì)較大[1-6]。骨折分型作為對(duì)病情評(píng)估的重要方式，從提出至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。隨著 CT 技術(shù)的運(yùn)用，傳統(tǒng)的依據(jù) X 線片檢查結(jié)果的 Evans 分型等在反映骨折區(qū)域情況方面劣勢(shì)開(kāi)始展現(xiàn)，由于 X 線常出現(xiàn)重影的干擾，對(duì)于判讀結(jié)果有著一定的影響[7]。部分學(xué)者近年來(lái)提出基于 CT 檢查的新的分型方式，用于指導(dǎo)內(nèi)固定的選擇[8-9]。余清文等[9]提出基于 CT 三維重建技術(shù)的股骨轉(zhuǎn)子間骨折六部分分型，將股骨轉(zhuǎn)子間部進(jìn)行立體劃分，更為直觀地描述了股骨轉(zhuǎn)子部的骨折情況。

六部分分型法根據(jù)骨折塊數(shù)量及骨折累及部位將股骨轉(zhuǎn)子間骨折分為 7 種分型[10-12]。二部分骨折的骨折線僅累及轉(zhuǎn)子間線；出現(xiàn)大轉(zhuǎn)子或小轉(zhuǎn)子骨折為三部分骨折 ( 大轉(zhuǎn)子破裂，3A；小轉(zhuǎn)子破裂，3B )；在二部分骨折基礎(chǔ)上出現(xiàn)大、小轉(zhuǎn)子同時(shí)破裂則為四部分骨折；若在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)前外側(cè)壁或后內(nèi)側(cè)壁的破裂，則為五部分骨折 ( 前外側(cè)壁破裂，5A；后內(nèi)側(cè)壁破裂，5B )；若前外側(cè)壁及后內(nèi)側(cè)壁同時(shí)出現(xiàn)破裂，則為六部分骨折。鄭穎捷[12]的研究顯示，除二部分骨折為穩(wěn)定性骨折外，其余均為不穩(wěn)定性骨折。

股骨轉(zhuǎn)子間骨折的患者，身體情況較好的應(yīng)首選手術(shù)治療[13-19]。如何選擇內(nèi)固定裝置，一直是不少學(xué)者討論的熱點(diǎn)。對(duì)此，筆者結(jié)合股骨轉(zhuǎn)子間骨折六部分分型法，利用有限元分析技術(shù)，模擬股骨近端防旋髓內(nèi)釘 ( proximal femoral nail antirotation，PFNA )、股骨近端經(jīng)皮加壓鋼板 ( percutaneous compression plating，PCCP ) 固定不穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折的情況，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，旨在探討PFNA、PCCP 在治療不穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)的股骨各重要部位及內(nèi)固定裝置本身受力情況，分析兩種方式固定后的力學(xué)穩(wěn)定性。

資料與方法

一、資料

選取 1 名成年健康志愿者。經(jīng)檢查排除髖關(guān)節(jié)病變或損傷。圖像采集平臺(tái)：64 排螺旋 CT。軟件：64 排螺旋 CT 操作平臺(tái)；Mimics 16.0；Geomagic Studio 10.0；Pro / E 5.0；Hypermesh 17.0 軟件。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1. 三維模型重建及有限元模型的建立：根據(jù) CT掃描數(shù)據(jù) DICOM 文件，使用 Mimics16.0 軟件重建出股骨上段結(jié)構(gòu)正常模型，導(dǎo)出 STL 格式文件。在Geomagic Studio10.0 軟件中導(dǎo)出股骨上段的 STP 格式文件。整體處理后的股骨上段幾何模型以 IGES 格式導(dǎo)出。利用 CT 三維重建技術(shù)來(lái)重建股骨，處理出六部分骨折模型。參照辛迪思與施樂(lè)輝所提供手術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)為參考，分別針對(duì)各不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折分型進(jìn)行 PFNA、PCCP 內(nèi)固定研究分析。將得到的結(jié)構(gòu)模型 IGES 文件導(dǎo)入 Hypermesh17.0 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出 BDF 格式文件。最后在 Pro / E 5.0 軟件中進(jìn)行有限元后處理計(jì)算分析工作。兩種內(nèi)固定方式模型見(jiàn)圖 1，正常股骨模型及兩種內(nèi)固定方式股骨模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)表 1。

2. 材料參數(shù)、邊界條件及載荷的施加：參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定[20-34]：( 1 ) 摩擦系數(shù)：設(shè)定各斷端、內(nèi)固定物與股骨間摩擦系數(shù)為 0.2；( 2 ) 邊界條件：約束模型各節(jié)點(diǎn)自由度為 0 ( 具體條件見(jiàn)圖 2 )；( 3 ) 本研究所設(shè)計(jì)骨及材料為均值、同向 ( 具體參數(shù)見(jiàn)表 2 )；( 4 ) 模擬體重 700 N 成人正常行走時(shí)髖部各方向受力情況 ( 表 3 )。

3. 評(píng)價(jià)方法：使用有限元分析法計(jì)算正常股骨及 12 種內(nèi)固定模型對(duì)應(yīng)的股骨重要位置 ( 圖 3 ) 處應(yīng)力峰值情況，并將其進(jìn)行匯總。將內(nèi)固定物本身結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力、股骨 ( 螺釘孔處 ) 應(yīng)力峰值單獨(dú)列出。

圖 1 兩種內(nèi)固定方式示意圖 a：PFNA 固定模型；b：PCCP 固定模型圖 2 正常股骨模型邊界約束圖 3 股骨重要位置應(yīng)力觀察點(diǎn)示意圖 ( A：股骨近端內(nèi)側(cè)；B：股骨近端外側(cè)；C：內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)；D：內(nèi)固定物遠(yuǎn)端外側(cè) )Fig.1 Schematic diagram of two types of internal fixation a:PFNA fixed model; b: PCCP fixed modelFig.2 Boundary constraint of normal femoral modelFig.3 Diagram of stress observation points in important positions of the femur ( A: Medial proximal femur; B: Proximal lateral femur; C: Distal medial of the internal fixator; D: Distal lateral of the internal fixator )

表 1 正常股骨及兩種內(nèi)固定方式股骨模型有限元節(jié)點(diǎn)單元數(shù)Tab.1 Number of finite element nodes in the normal femur and two internal fixation methods

表 2 有限元模型參數(shù)Tab.2 Material parameters of finite element model

結(jié) 果

正常股骨及兩種內(nèi)固定方式股骨重要受力觀察位置處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值見(jiàn)表 4。由表中數(shù)據(jù)可知，PFNA 固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折各分型骨折時(shí)，各分型骨折均未見(jiàn)股骨及內(nèi)固定結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力明顯集中的情況。與正常股骨受力情況進(jìn)行對(duì)比，股骨近端內(nèi)側(cè)位置處，股骨所受應(yīng)力降低，降幅約 3%；在股骨近端外側(cè)股骨所受應(yīng)力有所增加，增幅約 16%；在內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)處股骨所受應(yīng)力有所減小，降幅約 6%；在內(nèi)固定物遠(yuǎn)端外側(cè)處股骨所受應(yīng)力有所減小，降幅約 5%。股骨近端內(nèi)外側(cè)和內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)外側(cè)位置處，幾種骨折分型之間經(jīng) PFNA 固定后的股骨所受應(yīng)力差異均不明顯。PFNA 內(nèi)固定后自身結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力約為 115 MPa，而內(nèi)固定材料鈦合金( Ti-6Al-7Nb ) 的屈服強(qiáng)度約為 817 MPa，目前均在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。PFNA 固定時(shí)螺釘孔處的股骨應(yīng)力未見(jiàn)明顯集中。

PCCP 固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折各分型骨折時(shí)，均未出現(xiàn)明顯股骨近端及內(nèi)固定物遠(yuǎn)端所受應(yīng)力及內(nèi)固定結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力集中的情況。與正常股骨受力情況進(jìn)行對(duì)比，在股骨近端內(nèi)側(cè)位置處，各骨折分型經(jīng) PCCP 固定后所受應(yīng)力均升高，增幅約 45%；在股骨近端外側(cè)位置處股骨所受應(yīng)力有所減小，降幅約 14%；在內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)位置處股骨所受應(yīng)力均減小，降幅約 5%；在內(nèi)固定物遠(yuǎn)端外側(cè)處股骨所受應(yīng)力均減小，降幅約 4%。股骨近端內(nèi)外側(cè)和內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)外側(cè)位置處，幾種骨折分型之間經(jīng) PCCP固定后的股骨所受應(yīng)力差異均不明顯。對(duì)于幾種骨折分型下的內(nèi)固定自身結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及螺釘孔處的股骨所受應(yīng)力集中來(lái)說(shuō)，差異不明顯，在 PCCP 內(nèi)固定后內(nèi)固定自身結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力約 412～413 MPa，而內(nèi)固定材料鈦合金 ( Ti-6Al-7Nb ) 的屈服強(qiáng)度約817 MPa，目前均在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。PCCP固定時(shí)，其螺釘孔處的股骨應(yīng)力集中約為 325～326 MPa。

討 論

一、PFNA 及 PCCP 治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的優(yōu)缺點(diǎn)

髓內(nèi)固定裝置在近年來(lái)發(fā)展迅速，隨著其在臨床上的大量應(yīng)用，大部分學(xué)者認(rèn)為髓內(nèi)固定是治療轉(zhuǎn)子間骨折的有效內(nèi)固定方式。PFNA 自誕生以來(lái)，被臨床醫(yī)生大為推廣，是近年來(lái)臨床上運(yùn)用最多的髓內(nèi)固定裝置，適用于各種類(lèi)型的股骨轉(zhuǎn)子間骨折。相較于股骨近端髓內(nèi)釘 ( proximal femoral nail，PFN )，PFNA 將其 2 枚頭頸釘?shù)脑O(shè)計(jì)改為 1 枚螺旋刀片，在防旋能力上較 PFN 更強(qiáng)，骨量丟失較 PFN少。螺旋刀片的設(shè)計(jì)，使其承重能力增加，降低了螺釘斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。PFNA 的螺旋刀片在旋入時(shí)，對(duì)頭頸部的松質(zhì)骨有很好的擠壓作用，提高松質(zhì)骨密度的同時(shí)提高了螺旋刀片固定的穩(wěn)定性，較 PFN 具有更堅(jiān)強(qiáng)的固定作用，降低螺釘切出的風(fēng)險(xiǎn)，避免“Z”字效應(yīng)的發(fā)生。針對(duì)伴有骨質(zhì)疏松的患者，往往能夠起到較好的固定效果[35]。但由于 PFNA 是基于歐洲人體型設(shè)計(jì)，應(yīng)用于亞洲人群時(shí)常發(fā)生股骨骨折、術(shù)后大腿部疼痛等并發(fā)癥[36]。AO 組織在2009 年針對(duì)亞洲人群股骨近端髓腔特點(diǎn)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的 PFNA-II，大大避免了上述并發(fā)癥的發(fā)生。但由于 PFNA-II 操作時(shí)需擴(kuò)髓，術(shù)后髓腔內(nèi)隱性出血較多[37]。

表 4 股骨及內(nèi)固定物結(jié)構(gòu)重要位置處應(yīng)力峰值 ( MPa )Tab.4 Peak stress ( MPa ) at important positions of the femur and internal fixator

PCCP 是近些年來(lái)基于微創(chuàng)理念提出的新型內(nèi)固定裝置，在治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)創(chuàng)傷小、出血量少。PCCP 的鋼板與螺釘之間為鎖定狀態(tài)，具有較好的角穩(wěn)定性。PCCP 近端采用 2 枚頭釘進(jìn)行固定，使其抗旋轉(zhuǎn)、抗滑脫的能力較為突出。Knobe 等[38]將動(dòng)力髖螺釘 ( dynamic hip screw，DHS ) 和 PCCP 進(jìn)行了一項(xiàng)臨床療效的對(duì)比，結(jié)果顯示兩者在針對(duì)穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)，都能對(duì)骨折進(jìn)行很好的固定。在治療不穩(wěn)定性骨折時(shí)，PCCP 固定成功率要顯著高于 DHS。有研究顯示，針對(duì)內(nèi)側(cè)壁不完整的轉(zhuǎn)子間骨折，PCCP 固定的同時(shí)對(duì)內(nèi)側(cè)壁進(jìn)行復(fù)位固定，可有效恢復(fù)骨折端穩(wěn)定性[39]。

二、股骨轉(zhuǎn)子間骨折分型及治療方式的選擇

股骨近端結(jié)構(gòu)主要包括大轉(zhuǎn)子、小轉(zhuǎn)子、內(nèi)側(cè)壁及外側(cè)壁，共同起到有效的支撐及穩(wěn)定作用。股骨轉(zhuǎn)子間骨折若出現(xiàn)以上四個(gè)部位其中一個(gè)或多個(gè)的破裂，則被認(rèn)為是不穩(wěn)定型骨折。臨床上用于檢查骨折的方式早期主要為 X 線片檢查，對(duì)一般骨折情況均能較好地顯示。早期的股骨轉(zhuǎn)子間骨折分型方式均為依據(jù) X 線片檢查結(jié)果得出，其中最具代表性的主要是 Evans 分型[40]、Evans-Jensen 分型[41]及 AO 分型[42]。Evans 分型[43]將轉(zhuǎn)子間骨折分為2 型，指出內(nèi)側(cè)壁是決定骨折是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。Jensen 等[41]將其進(jìn)行改良，指出大、小轉(zhuǎn)子及股骨近端內(nèi)、外側(cè)壁的受累及情況是影響骨折穩(wěn)定性的重要因素。AO 分型[42]將骨折分為 3 種類(lèi)型，主要考慮的是股骨近端內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)的受累情況。這些分型方式目前仍被臨床醫(yī)生廣泛運(yùn)用，用于指導(dǎo)治療方式的選擇。由于 X 線片檢查結(jié)果為二維平面圖像，若骨折部分出現(xiàn)重疊，或是體外偽影等的影響，將會(huì)大大降低判讀結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，CT 在骨折檢查上的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 X線?；诖?，近些年許多學(xué)者提出運(yùn)用 CT 檢查結(jié)果對(duì)股骨轉(zhuǎn)子間骨折進(jìn)行分型，外側(cè)壁的概念隨之提出。股骨轉(zhuǎn)子間骨折六部分分型法基于 CT 三維重建技術(shù)將股骨近端進(jìn)行立體區(qū)域的劃分，更加明確地顯示出骨折區(qū)域的整體情況。經(jīng)部分學(xué)者驗(yàn)證，六部分骨折分型法符合人體力學(xué)情況，較以往的 Evans分型等更加清晰地描述了骨折區(qū)域的情況，是指導(dǎo)內(nèi)固定選擇的有效分型方式[10-12,43]。股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療方式[44]，目前理論上認(rèn)為：( 1 ) 穩(wěn)定性骨折，首選髓外固定；( 2 ) 不穩(wěn)定性骨折，首選髓內(nèi)固定；( 3 ) 合并嚴(yán)重骨質(zhì)疏松、手術(shù)失敗需二次固定患者、股骨頭缺血壞死、骨折粉碎程度高的患者，首選人工髖關(guān)節(jié)置換；( 4 ) 合并嚴(yán)重內(nèi)科疾病不能耐受手術(shù)者，首選外固定治療。

試驗(yàn)結(jié)果分析可知，不穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折經(jīng) PFNA、PCCP 固定后，其穩(wěn)定性均有顯著的提升。PFNA 固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)，降低了股骨近端外側(cè)、內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)及外側(cè)的股骨所受應(yīng)力，雖股骨近端內(nèi)側(cè)應(yīng)力有所增加，但增加幅度較小，約 16%；相較于 PCCP 而言，PFNA 螺釘固定處未見(jiàn)明顯的應(yīng)力集中情況，內(nèi)固定結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力約為 115 MPa，屬正常范圍內(nèi)。PCCP 固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)，降低了股骨近端內(nèi)側(cè)、內(nèi)固定物遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)及外側(cè)的股骨所受應(yīng)力，股骨近端外側(cè)所受應(yīng)力增加約 45%，但尚在正常范圍內(nèi)；PCCP 固定后，其螺釘孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，應(yīng)力集中約325～326 MPa，內(nèi)固定本身結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力約為 412～413 MPa，尚在正常范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，PFNA 能較好地恢復(fù)股骨近端內(nèi)外側(cè)壁的支撐作用，而 PCCP對(duì)內(nèi)側(cè)壁支撐作用的恢復(fù)較弱，對(duì)破裂較嚴(yán)重的內(nèi)側(cè)壁不能起到穩(wěn)定支撐作用，在固定不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)易發(fā)生髖內(nèi)翻等并發(fā)癥。PFNA 是治療股骨轉(zhuǎn)子間不穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有效手段，能用于治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折六部分分型法中各分型骨折；PCCP 由于對(duì)股骨近端內(nèi)側(cè)皮質(zhì)支撐作用較弱，在用于固定三部分骨折 ( 小轉(zhuǎn)子破裂 ) 及骨折粉碎程度更加嚴(yán)重的骨折時(shí)，易發(fā)生內(nèi)固定物失效、髖內(nèi)翻等并發(fā)癥，在使用 PCCP 治療不穩(wěn)定性股骨轉(zhuǎn)子間骨折時(shí)，應(yīng)運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆绞剑瑢⒐晒墙藘?nèi)側(cè)壁進(jìn)行有效固定，恢復(fù)其內(nèi)側(cè)支撐作用。

有限元分析法與傳統(tǒng)的運(yùn)用模型進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試的方法相比，操作更加簡(jiǎn)單，且不用對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行破壞，有效節(jié)約了資源。但有限元分析法屬于理論研究，是簡(jiǎn)化了的股骨數(shù)字模型，建模過(guò)程中涉及的參數(shù)可能與實(shí)際的股骨各項(xiàng)參數(shù)有一定的差異，但經(jīng)過(guò)許多研究表明，該方式為力學(xué)分析的有效方式。