PFNA-Ⅱ治療不穩定型股骨轉子間骨折的動態有限元研究

姜自偉,虎群盛,黃楓,鄭曉輝，趙京濤，周琦石

(廣州中醫藥大學第一附屬醫院，廣州510405)

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PFNA-Ⅱ治療不穩定型股骨轉子間骨折的動態有限元研究

姜自偉,虎群盛,黃楓,鄭曉輝，趙京濤，周琦石

(廣州中醫藥大學第一附屬醫院，廣州510405)

目的采用有限元方法動態分析亞洲型股骨近端防旋髓內釘(PFNA-Ⅱ)治療不穩定型股骨轉子間骨折后不同階段的生物力學性能，為臨床上合理使用PFNA-Ⅱ提供理論依據。方法 建立PFNA-Ⅱ固定Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉子間骨折模型，通過調整骨折端的接觸關系和去除PFNA-Ⅱ模擬骨折愈合和取出內固定后的情況，利用有限元計算各模型的應力峰值和生物力學穩定性，并與正常股骨模型進行比較。 結果PFNA-Ⅱ固定Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉子間骨折后的應力集中位于螺旋刀片與主釘的交界部位，骨折愈合后內固定應力峰值上升。取出內固定后股骨頸區域的應力明顯上升，骨骼穩定性下降。結論 在股骨轉子間骨折愈合后為避免內固定斷裂應去除PFNA-Ⅱ，但需要注意防范股骨頸骨折的風險。

股骨轉子間骨折；內固定；股骨近端防旋髓內釘；有限元分析

股骨轉子間骨折是臨床常見骨折，以股骨近端防旋髓內釘(PFNA-Ⅱ)為代表的髓內釘是目前治療不穩定型股骨轉子間骨折的常用方法。在骨折愈合后，大多數的老年患者無需常規取出內固定，但是由于釘尾末端的激惹疼痛、金屬過敏等原因，部分患者需要進行內固定取出手術，從而存在股骨頸骨折的風險[1]。2016年1～4月，本研究通過建立PFNA-Ⅱ治療Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉子間骨折模型，應用有限元分析的方法了解不穩定型股骨轉子間骨折的不同治療階段的生物力學變化，為臨床治療提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料 選擇1例40歲成人健康男性志愿者，經過X線檢查排除股骨病變情況。使用64 排螺旋CT掃描，掃描條件：電壓120 kV，掃描電流250 mA，掃描速度0. 875 s /r; 層厚為0. 5 mm，以DICOMG格式保存。所用軟件：Mimics 13.0 (Materialise Company，Belgium)，Geomagic studio 10. 0(Raindrop Company，USA)，Solid work 2010(Dassault Systemes Company，France)，Abaqus 6.12.1 ( SIMULIA Company，USA) 。本研究中的內固定及股骨均假設為均質、連續、各向同性的線彈性材料，材料屬性賦值參考相關文獻[2，3]。

1.2建模方法將DICOMG 格式的CT 數據導入圖像處理Mimics 13.0軟件，通過閾值分析、像素修補、光滑處理，得到包含骨皮質、骨松質在內的股骨中上段三維模型，輸出為STL文件，再導入Geomagic studio 10.0中進行光滑處理網格劃分和擬合曲面，以Iges文件輸出并導入到Solid work 2010軟件中模擬Evans-Jensen Ⅳ型骨折進行截骨。在Solid works 2010 軟件中根據辛迪斯公司所提供的PFNA-Ⅱ髓內釘數據尺寸三維虛擬重建出PFNA-Ⅱ三維數字模型，PFNA-Ⅱ螺旋刀片進行仿真重建，忽略遠端鎖定螺釘的螺紋細節，以圓柱體代替螺紋部分。將股骨模型與PFNA-Ⅱ模型導入Solid works 2010，通過Solid works 2010軟件的切割實體、組合、裝配操作以及有限元分析軟件Abaqus 6.12.1中的裝配、接觸面關系設置來建立PFNA-Ⅱ治療Ⅳ型股骨轉子間骨折后不同階段的模型，分別為骨折固定模型、骨折愈合模型、取出PFNA-Ⅱ模型、正常股骨模型。

1.3 邊界條件及加載骨折固定模型A的骨折面為完全斷裂并接觸的關系，參照文獻[4]設定骨折端的摩擦系數為0.46；髓內釘主釘、遠端鎖定螺釘與股骨的接觸為綁定；螺旋刀片與骨折近端的關系為綁定；螺旋刀片與骨折遠端的摩擦系數為0.3，螺旋刀片與主釘之間的摩擦系數為0.23，滑移形式是有限滑移。骨折愈合模型中，設定PFNA-Ⅱ所有零件與骨骼之間的關系以及螺旋刀片與主釘之間的關系為綁定。骨折愈合模型和取出PFNA-Ⅱ模型的骨折面為綁定關系。在股骨頭表面最上端取一個較小的受力面，模擬人在直立狀態下的受力情況，將1 000 N的力加到每個點上進行有限元加載。股骨遠端底面作為固定端，施加三向平移和三向旋轉約束。 觀察指標包括應力峰值及位置、位移、股骨頸應力峰值

2　結果

2.1應力峰值及位置隨著骨折治療的時間變化，4種模型的應力峰值及其位置存在顯著變化。PFNA-Ⅱ固定骨折模型和骨折愈合模型的應力峰值均位于螺旋刀片與主釘接觸區域，當骨折愈合之后內固定的應力峰值上升63.7%。去除PFNA-Ⅱ模型的應力峰值有所下降，但仍然是正常股骨模型D的2.5倍。見表1、圖1A～D。

表1　不同模型的應力峰值與位置

圖1A　骨折固定模型應力分布云圖

圖1B　骨折愈合模型應力分布云圖

圖1C　取出PFNA-Ⅱ模型應力分布云圖

2.2位移位移云圖中，從股骨頭頂部到股骨干，位移量逐漸減小。正常股骨模型的位移最小，穩定性最好。骨折固定模型、骨折愈合模型、取出PFNA-Ⅱ后模型的最大位移分別是正常股骨模型的5.42、

圖1D　正常股骨模型應力分布云圖

4.21、5.69倍。骨折愈合模型的穩定性優于骨折固定模型和取出PFNA-Ⅱ模型。見圖2A～D、圖3。

圖2A　骨折固定模型位移云圖

圖2B　骨折愈合模型位移云圖

圖2C　取出PFNA-Ⅱ模型位移云圖

圖2D　正常股骨模型位移云圖

圖3　不同模型的位移變化圖

2.3股骨頸應力峰值由于PFNA-Ⅱ承擔了主要應力，骨折愈合模型的股骨頸區域應力最小。取出PFNA-Ⅱ模型的股骨頸區域的應力較骨折愈合模型上升86.6%，比正常股骨模型大25.5%。比骨折固定模型大42.9%。見圖4A～D、圖5。

圖4A　骨折固定模型股骨頸應力分布云圖

圖4B　骨折愈合模型股骨頸應力分布云圖

圖4C　取出PFNA-IIⅡ模型股骨頸應力分布云圖

圖4D　正常股骨模型股骨頸應力分布云圖

圖5　不同模型股骨頸應力峰值變化圖

3　討論

股骨轉子間骨折手術治療的目標在于重建骨骼的穩定性與連續性并堅強固定，促進患者早期負重行走，盡可能減少骨折直接或間接引起的并發癥[5]。本文對PFNA-Ⅱ治療不穩定型股骨轉子間骨折后的生物力學情況進行了動態研究和分析，根據臨床實際，分別建立了骨折固定模型、骨折愈合模型、內固定取出模型和正常股骨模型。研究表明，PFNA-Ⅱ固定治療不穩定型股骨轉子間骨折可以提供較好的穩定性，在治療過程中的骨骼與內固定的應力、穩定性存在明顯變化。PFNA-Ⅱ固定期間，內固定承擔主要應力，應力峰值主要集中在螺旋刀片與主釘的交界處。當骨折愈合之后，由于彈性模量較高，PFNA-Ⅱ同樣承擔了更多的載荷，且最大應力有上升的趨勢。骨折愈合后的應力集中會增加內固定疲勞斷裂的風險，同時可能會造成骨折[6，7]。這與之前我們所認為的骨折愈合后應力會通過骨傳導降低不一致。由于骨與內固定物存在彈性模量的差異，骨折雖然愈合，髓內釘仍為應力的主要傳導者，長期的活動會導致內固定物的疲勞斷裂。因此，當股骨轉子間骨折骨折愈合后，為避免發生內固定斷裂，從生物力學的角度考慮，我們認為活動度大、預期壽命較長的患者有必要取出PFNA-Ⅱ。

目前臨床上對于取出內固定后是否需要保護，是否可以有限負重以及何時開始正常活動等問題沒有統一的意見[8]。Yoon等[1]研究發現股骨轉子間骨折內固定取出術后有9%的患者在1 個月內發生了非外傷性股骨頸骨折。股骨小轉子的完整性對于股骨近端的穩定性和患者的功能恢復有重要意義[9]。本研究選取小轉子缺損的Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉子間骨折作為研究對象，結果顯示在小轉子獲得愈合、股骨近端完整性獲得重建的情況下，取出PFNA-Ⅱ后存在的釘道空洞仍然會明顯降低骨骼穩定性和增加股骨頸的應力集中。

不同的內固定取出后對股骨近端骨質強度的影響存在明顯不同，釘道空洞越大，骨骼強度降低也就越明顯。Kukla等[10]采用直徑12 mm的Gamma釘和直徑8 mm的動力髖螺釘對尸體股骨進行處理模擬內固定取出后的骨骼，其中經動力髖螺釘處理后的骨骼強度降低了21.1%， 經Gamma 釘處理后的強度降低了40.9%。 PFNA-Ⅱ的主釘近端直徑為16.5 mm，螺旋刀片套筒和桿部直徑分別為10.5 mm和9 mm，骨折愈合取出內固定后在股骨近端留下較大的釘道骨質空洞，破壞股骨的力學結構和力學強度。Mahaisavariya等[11]研究發現去除Gamma釘后股骨頸區域的應力明顯增加。我們的研究結果與其相符。因此可以認為釘道空洞所導致的穩定性降低和股骨頸局部應力增加是導致骨折愈合取出內固定后出現股骨頸骨折的原因。

綜上所述，在PFNA-Ⅱ治療不穩定型股骨轉子間骨折后的不同階段，骨骼與內固定的應力和穩定性存在明顯變化。手術醫生應對內固定拆除的指征和原因有所了解，在骨折愈合以后為避免內固定斷裂，活動度大、預期壽命較長的患者應取出PFNA-Ⅱ。內固定取出之后在釘道骨結構完全重塑之前需特別防范股骨近端再次骨折的風險。

本研究的不足之處在于股骨轉子間骨折的骨折線多不規則，骨折斷面之間的接觸并不完全，在建立三維有限元模型時僅做了簡化處理。在力學加載時，選擇了靜力分析，忽略了髖部肌肉等其他載荷的影響，故研究結果與臨床實際可能存在一定偏差。

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Dynamic finite element analysis of unstable intertrochanteric fractures fixed with PFNA-Ⅱ

JIANGZiwei,HUQunsheng,HUANGFeng,ZHENGXiaohui,ZHAOJingtao,ZHOUQishi

(TheFirstAffiliatedHospitalofGuangzhouUniversityofChineseMedicine,Guangzhou510405,China)

ObjectiveTo explore the dynamic biomechanical properties of unstable intertrochanteric fracture fixed with proximal femoral nail antirotation Ⅱ(PFNA-Ⅱ) through finite element analysis, and therefore to provide theoretical foundation for clinic application.MethodsFinite element model of Evans IV intertrochanteric fracture fixed by PFNA-Ⅱ was developed. We simulated the conditions of fracture union and internal fixation removal by adjusting the contact relationship of fractures and taking out of PFNA-Ⅱ. Stress peak and biomechanical stability of models were compared with normal femur model through finite element analysis. ResultsThe highest stress concentration area of fixation models was located in the caudal passage of the blade through the nail. After fracture union, the stress of internal fixation increased. After internal fixation was removed, the stress of femoral neck increased significantly and the stability decreased. ConclusionsIn order to avoid internal fixation rupture after fracture union, PFNA-Ⅱ should be removed, meanwhile the risk of femoral neck fracture requires attention.

intertrochanteric fractures; internal fixation; proximal femoral nail antirotation Ⅱ; finite element analysis

廣東省自然科學基金項目(2014A030310379)；廣州市科技計劃項目(1563000664)。

姜自偉(1980-)， 男 ，副主任中醫師，醫學博士，主要研究方向為中西醫結合治療骨與關節損傷。E-mail:ainemylyy@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.33.005

R683.42

A

1002-266X(2016)33-0014-05

2016-05-10)