不同長度股骨近端防旋髓內(nèi)釘治療老年A3.3型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析

陳心敏 江騰 楊威 鄭利欽 林梓凌 涂世杰

[摘要] 目的 運(yùn)用有限元法探討治療老年A3.3型股骨轉(zhuǎn)子間骨折最佳長度的股骨近端防旋髓內(nèi)釘。 方法 基于1例江西省豐城市中醫(yī)院的患者志愿者髖部CT資料，導(dǎo)入Mimics 19.0和Geomagic 2017等軟件進(jìn)行處理后得到仿真股骨近端模型，再將模型導(dǎo)入Solidworks 2017軟件中進(jìn)行分割，模擬A3.3型骨折，并與不同長度股骨近端防旋髓內(nèi)釘進(jìn)行裝配分別得到A（短釘）、B（中長釘）、C（長釘）模型，以step格式把模型逐個導(dǎo)入Abaqus 2016軟件中設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件等后進(jìn)行運(yùn)算，查看模型的Von Mises云圖并觀察股骨整體應(yīng)力、內(nèi)固定應(yīng)力、骨折端間隙和股骨頭頸骨塊內(nèi)翻。 結(jié)果 B模型股骨整體應(yīng)力最小，C模型最大，A模型居中。股骨近端防旋髓內(nèi)釘是頭頸骨塊的主要支撐結(jié)構(gòu)，承載了大部分的應(yīng)力，應(yīng)力峰值位于螺旋刀片與主釘?shù)倪B接處，次峰值位于股骨外側(cè)壁進(jìn)釘點。骨折端間隙和頭頸骨塊內(nèi)翻角度與主釘長度呈反比，A模型骨折端間隙和頭頸骨塊內(nèi)翻角度最小，C模型最大，B模型居中。 結(jié)論 運(yùn)用短股骨近端防旋髓內(nèi)釘治療老年A3.3型股骨轉(zhuǎn)子間骨折，骨折端間隙小，骨折端更加穩(wěn)定，生物力學(xué)效果更佳。

[關(guān)鍵詞] 股骨近端防旋髓內(nèi)釘;A3.3型股骨轉(zhuǎn)子間骨折;不同長度;有限元

[中圖分類號] R459;R318;R445? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）09（c）-0092-04

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation with different length in the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in elderly

CHEN Xinmin1? ?JIANG Teng1? ?YANG Wei1? ?ZHENG Liqin2? ?LIN Ziling2? ?TU Shijie1

1.Department of Traumatic Orthopedics， Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine， Jiangxi Province， Fengcheng? ?331100， China; 2.Department of Traumatic Orthopedics， the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangdong Province， Guangzhou? ?510405， China

[Abstract] Objective To investigate the optimal length of proximal femoral nail anti-rotation for the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in elderly by using finite element method. Methods Based on one patient volunteer′s hip CT data in Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine， Jiangxi Province imported into Mimics 19.0 and Geomagic 2017 softwares and obtained proximal femur model after processed. Then the model was imported into Solidworks 2017 software to simulate A3.3 type fracture and assembled with different length of proximal femoral nail anti-rotation getting model A （short nail）， B （middle nail）， and C （long nail）? respectively. The models were imported into Abaqus 2016 software one by one in step format to set material parameters and boundary conditions， etc. and then the calculation was carried out. The Von Mises cloud pictures were checked and the whole femur stress， internal fixation stress， fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment were observed. Results The overall stress of femur in model B was the minimum， that in model C was the maximum， and that in model A was the center. Proximal femoral nail anti-rotation was the main supporting structure of head and neck bone fracture， and beared most of the stress. The stress peak was located at the connection between spiral blade and main nail， and the secondary peak was located at the entry point of external femoral wall. The fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment were inversely proportional to the length of the main nail， model A had the smallest fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment， model C had the largest， and model B had the middle. Conclusion The application of the short length proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in the elderly has a smaller fracture gap size， a more stable fracture end and a better biomechanical effect.

[Key words] Proximal femoral nail anti-rotation; Type A3.3 femoral intertrochanteric fracture; Different length; Finite element analysis

不穩(wěn)定股骨轉(zhuǎn)子間骨折屬于關(guān)節(jié)外骨折，約占髖部骨折的一半，老年人發(fā)病率高，主要是由低能量創(chuàng)傷引起，如摔傷[1]。不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折的外科治療包括髓外固定、髓內(nèi)固定或髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，在動物模型研究和人類臨床試驗中，髓內(nèi)釘主要是股骨近端防旋髓內(nèi)釘（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA），其與動態(tài)髖螺釘固定比較，可提高整體承重能力和更好地髖關(guān)節(jié)功能，但主要并發(fā)癥有大腿前部疼痛、內(nèi)固定失效及二次骨折，報道發(fā)生率為2.0%～3.5%，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[2-6]。研究顯示[7-8]加長的PFNA增加了骨折遠(yuǎn)端活動長度和主釘與股骨之間的接觸面積，壓力水平的分散可以顯著降低并發(fā)癥的發(fā)生率，但缺少生物力學(xué)證據(jù)。股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折是不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折中失敗率較高的骨折類型，更長的主釘是否能增加骨折端穩(wěn)定性，抵抗股骨頭頸骨塊內(nèi)翻呢？本研究通過有限元法評估了不同長度PFNA在固定A3.3型轉(zhuǎn)子間骨折中的應(yīng)力分布情況，為提高PFNA內(nèi)固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取1例江西省豐城市中醫(yī)院（以下簡稱“我院”）創(chuàng)傷骨科患者志愿者并收集其CT資料，于2020年1月在我院創(chuàng)傷骨科完成實驗研究。①基本資料：男，65歲，身高169 cm，體重70 kg;②排除標(biāo)準(zhǔn)：雙髖手術(shù)史，糖尿病、甲亢等影響骨代謝的內(nèi)科疾病史，先天骨骼變異，腫瘤史;③倫理與知情同意：與患者溝通后簽署實驗知情同意書并獲我院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批批準(zhǔn);④掃描條件：患者取常規(guī)仰臥位，采用GE 64排螺旋CT自雙側(cè)髂前上棘螺旋掃描至雙側(cè)脛骨結(jié)節(jié)，并以Dicom格式保存掃描的CT數(shù)據(jù)，保證CT資料包含股骨全長，設(shè)置掃描參數(shù)為層厚2 mm，層距5 mm，像素矩陣密度為512×512[9]。

1.2 實驗設(shè)備及軟件

①實驗設(shè)備：聯(lián)想Thinkpad P52;②實驗軟件：由廣州中醫(yī)藥大學(xué)國家重點學(xué)科中醫(yī)骨傷科學(xué)數(shù)字骨科與生物力學(xué)實驗室遠(yuǎn)程提供包括Mimics 19.0、Geomagic studio 2017、Solidworks 2017、Abaqus 2016等軟件。

1.3 實驗方法與步驟

1.3.1 三維重建股骨模型? 打開Mimics 19.0，導(dǎo)入患者CT資料，通過選擇閾值、分割、區(qū)域增長、三維重建等步驟，得到stl格式的右側(cè)股骨三維模型，再導(dǎo)入Geomagic studio 2017軟件中進(jìn)行進(jìn)一步處理并生成step文件。

1.3.2 創(chuàng)建股骨近端防旋髓內(nèi)釘模型? 在Solidworks 2017軟件的草圖功能中畫出主釘、螺旋刀片和橫鎖釘3個零件，再對螺旋刀片沿著螺旋線切割，刪除多余部分，最后把3個零件進(jìn)行面與面裝配，主釘、螺旋刀片和遠(yuǎn)端鎖定釘?shù)闹睆健㈤L度等詳細(xì)參數(shù)參考大博公司第二代股骨近端防旋髓內(nèi)釘。

1.3.3 構(gòu)建股骨轉(zhuǎn)子間骨折股骨近端防旋髓內(nèi)釘內(nèi)固定模型? 將股骨模型導(dǎo)入Solidworks 2017軟件中，建立基準(zhǔn)面，并參照AO分型“畫出”股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折線，再進(jìn)行分割，得到股骨頭頸骨塊、小轉(zhuǎn)子骨塊和遠(yuǎn)端骨塊;然后裝配A3.3型股骨模型和PFNA內(nèi)固定模型，正位片和側(cè)位片螺旋刀片位置均位于股骨頭頸正中，測量尖頂距為22.3 mm;替換不同規(guī)格主釘?shù)玫讲煌Ｐ?，其中A模型內(nèi)固定參數(shù)為：主釘170 mm，橫鎖釘35 mm。B模型內(nèi)固定參數(shù)為：主釘240 mm，橫鎖釘35 mm。C模型內(nèi)固定參數(shù)為：主釘340 mm，橫鎖釘40 mm。螺旋刀片均為105 mm。見圖1。

1.3.4 材料參數(shù)、工況設(shè)置與運(yùn)算分析? 依次將3個模型導(dǎo)入Abaqus 2016軟件中，賦予相同的材料參數(shù)和屬性[10]：其中皮質(zhì)骨彈性模量為18 000 MPa，泊松比0.3;松質(zhì)骨彈性模量為1600 MPa，泊松比0.2;內(nèi)固定彈性模量為11 000 MPa，泊松比0.3，材料屬性選擇均質(zhì)、各向同性。臨床中骨折端受力后相互摩擦，模型骨折端設(shè)置為切向行為，摩擦系數(shù)為0.3，螺旋刀片與主釘摩擦系數(shù)為0.3，與股骨摩擦系數(shù)為0.23，其余部件關(guān)系設(shè)置為綁定[11];選擇3個模型股骨遠(yuǎn)端相同位置進(jìn)行約束，6個自由度均為0，，股骨頭上方施加集中力，根據(jù)體重?fù)Q算載荷為700 N，設(shè)置1.5 mm大小劃分網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格無異常后提交行靜力分析。

1.4 評價指標(biāo)

運(yùn)算成功后分別在Abaqus 2016軟件的可視化模塊中查看結(jié)果，主要比較3個模型間：①股骨近端整體應(yīng)力;②內(nèi)固定應(yīng)力;③骨折端間隙;④股骨頭頸骨塊內(nèi)翻。

1.5 模型驗證

導(dǎo)入尚未分割的右側(cè)股骨模型，賦予相同的材料參數(shù)、屬性，同樣位置進(jìn)行約束和加載集中力，劃分網(wǎng)格后提交運(yùn)算，觀察右側(cè)股骨的應(yīng)力。見圖2（封三）。應(yīng)力主要集中于內(nèi)側(cè)股骨矩并向下傳導(dǎo)，應(yīng)力大小也與現(xiàn)有研究結(jié)果相近[10-12]，模型的應(yīng)力分布和應(yīng)力大小證實模型確實有效，本研究結(jié)果較為真實可靠。

2 結(jié)果

2.1 股骨近端整體應(yīng)力

股骨近端防旋髓內(nèi)釘是頭頸骨塊的主要支撐結(jié)構(gòu)，承載了大部分的應(yīng)力，應(yīng)力峰值位于螺旋刀片與主釘?shù)倪B接處，次峰值位于股骨外側(cè)壁進(jìn)釘點，3個模型整體應(yīng)力依次為476.0、394.7、507.1 MPa，即B模型應(yīng)力最小，C模型應(yīng)力最大，A模型應(yīng)力居中。見圖3（封三）。

2.2 內(nèi)固定應(yīng)力

3個模型的最大應(yīng)力均集中在內(nèi)固定主釘與螺旋刀片的連接處，B、C模型主釘下段亦有應(yīng)力分布，而C模型主釘變形明顯，出現(xiàn)彎曲變形。見圖4（封三）。

2.3 骨折端間隙

當(dāng)股骨頭受力向下時，股骨頭頸骨塊亦下壓與內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子骨塊相抵，但小轉(zhuǎn)子骨塊并不能形成有效支撐，加之外側(cè)壁破裂，進(jìn)而股骨頭頸骨塊內(nèi)翻，外側(cè)壁骨折端間隙增大。選取同一位置外側(cè)壁骨折端兩點，測量兩點間距離即為骨折端間隙大小，A、B、C模型分別為0.55、0.59、0.65 mm，隨著主釘長度增加，骨折端間隙亦呈增加趨勢。見圖5。

2.4 股骨頭頸骨塊內(nèi)翻

當(dāng)內(nèi)固定對骨折端支撐不夠時，頭頸骨塊容易出現(xiàn)移位、內(nèi)翻。所有模型均使用同一股骨模型，測量未變形模型的頸干角與變形后頸干角，兩者相減得出頭頸骨塊內(nèi)翻角度，A、B、C模型頭頸骨塊內(nèi)翻角度分別為3.2°、3.6°、5.1°，A模型頭頸骨塊的內(nèi)翻角度最小，C模型最大，B模型居中。見圖6。

3 討論

股骨轉(zhuǎn)子間A3型骨折，具有不同于A1和A2型骨折的特點：骨折線累及股骨外側(cè)壁，作為“三點支撐”外側(cè)作用點的股骨外側(cè)壁損傷，極大地增加骨折端不穩(wěn)定性，發(fā)生內(nèi)固定失敗和術(shù)后并發(fā)癥的概率上升[13-14]。而股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折，因內(nèi)外側(cè)壁均破裂，更增加了其不穩(wěn)定性和手術(shù)復(fù)位固定難度，內(nèi)固定失敗風(fēng)險和并發(fā)癥概率較A3.1型和A3.2型股骨轉(zhuǎn)子間骨折更高。

對于老年股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療，目前主要是側(cè)方鋼板系統(tǒng)和髓內(nèi)釘系統(tǒng)[15]。與側(cè)方鋼板系統(tǒng)如動力髖螺釘和股骨近端解剖型鋼板比較[16-17]，PFNA具有天然的生物力學(xué)優(yōu)勢，中心性固定有效地縮短了杠桿力臂，對頭頸骨塊的支撐更加有力[18]，為防止“Z”字效應(yīng)特殊設(shè)計的螺旋刀片，增加了與周圍松質(zhì)骨接觸面積，敲擊進(jìn)入的過程中極大地擠壓周邊松質(zhì)骨，對老年骨質(zhì)疏松患者具有更好的錨固力，髖內(nèi)翻概率大大地降低，研究亦證實PFNA治療老年股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折具有更好的臨床效果[19]。

雖選擇PFNA治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折現(xiàn)已無太多爭議，但選取何種規(guī)格的PFNA仍有待進(jìn)一步研究。有研究表明[20-22]短釘會引起主釘尖端的應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致假體周圍骨折，而長釘雖可減少此風(fēng)險，但手術(shù)時間長、損傷大，可能會影響骨折的愈合，且并發(fā)二次骨折和斷釘?shù)娘L(fēng)險升高。本研究基于具體參數(shù)重建高度仿真的PFNA，嚴(yán)格把控PFNA的進(jìn)釘點和TAD值符合臨床標(biāo)準(zhǔn)，使骨折端完美復(fù)位，使本研究模擬不同長度主釘PFNA治療老年A3.3型股骨轉(zhuǎn)子間骨折具有更好的可靠性和準(zhǔn)確性。

本研究結(jié)果可以看出：A、B、C模型中，B模型整體應(yīng)力最小，3個模型的內(nèi)固定均承受著模型最大應(yīng)力，但隨著主釘長度增加，受力后主釘有彎曲變形的趨勢;而骨折端間隙和頭頸骨塊內(nèi)翻角度與主釘長度呈反比。骨折端的穩(wěn)定是促進(jìn)骨折愈合的重要因素之一，穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境能確保營養(yǎng)的輸送，促進(jìn)骨痂的生長;骨折端間隙的大小也對骨折愈合產(chǎn)生很大的影響，其直接決定著骨折線周圍骨質(zhì)的連接、骨折部位愈合的微環(huán)境，對預(yù)后有著決定性的意義[23-24]。A模型股骨頭頸骨塊位移和骨折端間隙較B、C模型均更小，提示短釘模型骨折端更穩(wěn)定，更有利于骨折愈合。其原因可能是短釘尾端的鎖定釘距離骨折線較近，雖可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，但能提供更有力的支撐，而過長的主釘使得力臂的中心離骨折端較遠(yuǎn)，對股骨頭頸骨塊的支撐不夠，因此短釘具有比中長釘和長釘更好的生物力學(xué)效果。

本研究亦有不足之處：①只選取了3種代表性規(guī)格的PFNA內(nèi)固定，其他規(guī)格并未涉及;②股骨近端的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨設(shè)置為均質(zhì)、各向同性，如能設(shè)置各向異性材料將會有更精確的實驗結(jié)果，這也是本研究筆者后續(xù)研究方向;③股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折因其內(nèi)外側(cè)壁破裂導(dǎo)致及其不穩(wěn)定，單純的PFNA內(nèi)固定臨床效果仍難以令人滿意，鋼纜捆扎聯(lián)合PFNA和骨水泥增強(qiáng)PFNA治療老年股骨轉(zhuǎn)子間A3.3型骨折是否具有更好的效果，筆者將進(jìn)一步研究。

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（收稿日期：2020-03-20）