不同長度股骨近端防旋髓內釘治療老年A3.3型股骨轉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 運用有限元法探討治療老年A3.3型股骨轉子間骨折最佳長度的股骨近端防旋髓內釘。 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，導入Mimics 19.0和Geomagic 2017等軟件進行處理后得到仿真股骨近端模型，再將模型導入Solidworks 2017軟件中進行分割，模擬A3.3型骨折，并與不同長度股骨近端防旋髓內釘進行裝配分別得到A（短釘）、B（中長釘）、C（長釘）模型，以step格式把模型逐個導入Abaqus 2016軟件中設置材料參數、邊界條件等后進行運算，查看模型的Von Mises云圖并觀察股骨整體應力、內固定應力、骨折端間隙和股骨頭頸骨塊內翻。 結果 B模型股骨整體應力最小，C模型最大，A模型居中。股骨近端防旋髓內釘是頭頸骨塊的主要支撐結構，承載了大部分的應力，應力峰值位于螺旋刀片與主釘的連接處，次峰值位于股骨外側壁進釘點。骨折端間隙和頭頸骨塊內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翻角度最小，C模型最大，B模型居中。 結論 運用短股骨近端防旋髓內釘治療老年A3.3型股骨轉子間骨折，骨折端間隙小，骨折端更加穩(wěn)定，生物力學效果更佳。

[關鍵詞] 股骨近端防旋髓內釘;A3.3型股骨轉子間骨折;不同長度;有限元

[中圖分類號] R459;R318;R445? ? ? ? ? [文獻標識碼] 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)定股骨轉子間骨折屬于關節(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)定型股骨轉子間骨折的外科治療包括髓外固定、髓內固定或髖關節(jié)置換術，在動物模型研究和人類臨床試驗中，髓內釘主要是股骨近端防旋髓內釘（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節(jié)功能，但主要并發(fā)癥有大腿前部疼痛、內固定失效及二次骨折，報道發(fā)生率為2.0%～3.5%，嚴重影響患者的生活質量[2-6]。研究顯示[7-8]加長的PFNA增加了骨折遠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，但缺少生物力學證據。股骨轉子間A3.3型骨折是不穩(wěn)定型股骨轉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型轉子間骨折中的應力分布情況，為提高PFNA內固定的生物力學穩(wěn)定性提供參考依據。

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排除標準：雙髖手術史，糖尿病、甲亢等影響骨代謝的內科疾病史，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)學倫理委員會審批批準;④掃描條件：患者取常規(guī)仰臥位，采用GE 64排螺旋CT自雙側髂前上棘螺旋掃描至雙側脛骨結節(jié)，并以Dicom格式保存掃描的CT數據，保證CT資料包含股骨全長，設置掃描參數為層厚2 mm，層距5 mm，像素矩陣密度為512×512[9]。

1.2 實驗設備及軟件

①實驗設備：聯想Thinkpad P52;②實驗軟件：由廣州中醫(yī)藥大學國家重點學科中醫(yī)骨傷科學數字骨科與生物力學實驗室遠程提供包括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格式的右側股骨三維模型，再導入Geomagic studio 2017軟件中進行進一步處理并生成step文件。

1.3.2 創(chuàng)建股骨近端防旋髓內釘模型? 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個零件進行面與面裝配，主釘、螺旋刀片和遠端鎖定釘的直徑、長度等詳細參數參考大博公司第二代股骨近端防旋髓內釘。

1.3.3 構建股骨轉子間骨折股骨近端防旋髓內釘內固定模型? 將股骨模型導入Solidworks 2017軟件中，建立基準面，并參照AO分型“畫出”股骨轉子間A3.3型骨折線，再進行分割，得到股骨頭頸骨塊、小轉子骨塊和遠端骨塊;然后裝配A3.3型股骨模型和PFNA內固定模型，正位片和側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)格主釘得到不同模型，其中A模型內固定參數為：主釘170 mm，橫鎖釘35 mm。B模型內固定參數為：主釘240 mm，橫鎖釘35 mm。C模型內固定參數為：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、工況設置與運算分析? 依次將3個模型導入Abaqus 2016軟件中，賦予相同的材料參數和屬性[10]：其中皮質骨彈性模量為18 000 MPa，泊松比0.3;松質骨彈性模量為1600 MPa，泊松比0.2;內固定彈性模量為11 000 MPa，泊松比0.3，材料屬性選擇均質、各向同性。臨床中骨折端受力后相互摩擦，模型骨折端設置為切向行為，摩擦系數為0.3，螺旋刀片與主釘摩擦系數為0.3，與股骨摩擦系數為0.23，其余部件關系設置為綁定[11];選擇3個模型股骨遠端相同位置進行約束，6個自由度均為0，，股骨頭上方施加集中力，根據體重換算載荷為700 N，設置1.5 mm大小劃分網格，檢查網格無異常后提交行靜力分析。

1.4 評價指標

運算成功后分別在Abaqus 2016軟件的可視化模塊中查看結果，主要比較3個模型間：①股骨近端整體應力;②內固定應力;③骨折端間隙;④股骨頭頸骨塊內翻。

1.5 模型驗證

導入尚未分割的右側股骨模型，賦予相同的材料參數、屬性，同樣位置進行約束和加載集中力，劃分網格后提交運算，觀察右側股骨的應力。見圖2（封三）。應力主要集中于內側股骨矩并向下傳導，應力大小也與現有研究結果相近[10-12]，模型的應力分布和應力大小證實模型確實有效，本研究結果較為真實可靠。

2 結果

2.1 股骨近端整體應力

股骨近端防旋髓內釘是頭頸骨塊的主要支撐結構，承載了大部分的應力，應力峰值位于螺旋刀片與主釘的連接處，次峰值位于股骨外側壁進釘點，3個模型整體應力依次為476.0、394.7、507.1 MPa，即B模型應力最小，C模型應力最大，A模型應力居中。見圖3（封三）。

2.2 內固定應力

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

2.3 骨折端間隙

當股骨頭受力向下時，股骨頭頸骨塊亦下壓與內側小轉子骨塊相抵，但小轉子骨塊并不能形成有效支撐，加之外側壁破裂，進而股骨頭頸骨塊內翻，外側壁骨折端間隙增大。選取同一位置外側壁骨折端兩點，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 股骨頭頸骨塊內翻

當內固定對骨折端支撐不夠時，頭頸骨塊容易出現移位、內翻。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翻角度，A、B、C模型頭頸骨塊內翻角度分別為3.2°、3.6°、5.1°，A模型頭頸骨塊的內翻角度最小，C模型最大，B模型居中。見圖6。

3 討論

股骨轉子間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壁，作為“三點支撐”外側作用點的股骨外側壁損傷，極大地增加骨折端不穩(wěn)定性，發(fā)生內固定失敗和術后并發(fā)癥的概率上升[13-14]。而股骨轉子間A3.3型骨折，因內外側壁均破裂，更增加了其不穩(wěn)定性和手術復位固定難度，內固定失敗風險和并發(fā)癥概率較A3.1型和A3.2型股骨轉子間骨折更高。

對于老年股骨轉子間骨折的治療，目前主要是側方鋼板系統(tǒng)和髓內釘系統(tǒng)[15]。與側方鋼板系統(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”字效應特殊設計的螺旋刀片，增加了與周圍松質骨接觸面積，敲擊進入的過程中極大地擠壓周邊松質骨，對老年骨質疏松患者具有更好的錨固力，髖內翻概率大大地降低，研究亦證實PFNA治療老年股骨轉子間A3.3型骨折具有更好的臨床效果[19]。

雖選擇PFNA治療股骨轉子間骨折現已無太多爭議，但選取何種規(guī)格的PFNA仍有待進一步研究。有研究表明[20-22]短釘會引起主釘尖端的應力集中，可能導致假體周圍骨折，而長釘雖可減少此風險，但手術時間長、損傷大，可能會影響骨折的愈合，且并發(fā)二次骨折和斷釘的風險升高。本研究基于具體參數重建高度仿真的PFNA，嚴格把控PFNA的進釘點和TAD值符合臨床標準，使骨折端完美復位，使本研究模擬不同長度主釘PFNA治療老年A3.3型股骨轉子間骨折具有更好的可靠性和準確性。

本研究結果可以看出：A、B、C模型中，B模型整體應力最小，3個模型的內固定均承受著模型最大應力，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翻角度與主釘長度呈反比。骨折端的穩(wěn)定是促進骨折愈合的重要因素之一，穩(wěn)定的力學環(huán)境能確保營養(yǎng)的輸送，促進骨痂的生長;骨折端間隙的大小也對骨折愈合產生很大的影響，其直接決定著骨折線周圍骨質的連接、骨折部位愈合的微環(huán)境，對預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，雖可能導致應力集中，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，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內固定，其他規(guī)格并未涉及;②股骨近端的皮質骨和松質骨設置為均質、各向同性，如能設置各向異性材料將會有更精確的實驗結果，這也是本研究筆者后續(xù)研究方向;③股骨轉子間A3.3型骨折因其內外側壁破裂導致及其不穩(wěn)定，單純的PFNA內固定臨床效果仍難以令人滿意，鋼纜捆扎聯合PFNA和骨水泥增強PFNA治療老年股骨轉子間A3.3型骨折是否具有更好的效果，筆者將進一步研究。

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（收稿日期：2020-03-20）