空心螺釘內固定治療股骨頸骨折有限元分析的研究進展

陳澤銘，楊放，龐清江

作者單位：315211寧波，寧波大學醫學院（陳澤銘、楊放）；中國科學院大學寧波華美醫院（龐清江）

股骨頸骨折多見于中老年人，尤其是70歲以上人群[1]。目前我國城鎮化發展迅速，由工傷及車禍傷致股骨頸骨折的青壯年患者數量日益增多。臨床上對于60歲以上的老年人通常考慮行全髖關節置換術[2]，60歲以下人群或高齡無法耐受人工髖關節置換手術的患者通常采用閉合復位經皮空心釘內固定術，尤其是因外傷所致的青壯年人群[3-4]。目前已有不少文獻通過有限元分析，就不同空心螺釘數量、置釘方式、螺釘種類、釘道及新型內固定方式治療股骨頸骨折療效及術后并發癥進行比較，本文就以上內容做一綜述。

1 有限元分析（FEA）概述

FEA通過CT、MRI等成像技術將人體一部分或整體圖像化，再導入軟件建立三維立體數字模型，賦予模型材料屬性，定義力學特性及約束條件，對模型進行網格化劃分成若干個單元體，在計算機上對其進行模擬加載和計算分析進行研究。這種技術一方面可以減少高成本的實驗投入，可以進行無限次的模擬分析；另一方面又可以避免實驗對象的一系列相關倫理問題，僅在計算機上對數字模型進行分析而不會對機體造成損害。

通過有限元分析不同內固定方式旨在探尋一種股骨頭區螺釘所受應力峰值較大，受應力區骨質體積較少，在骨折線處承受較少剪切應力和旋轉應力且應力能較均勻分布在整個釘體上，骨折塊位移程度小，釘道所受最大載荷較大的置釘方案來減少骨折不愈合、股骨頸短縮及斷釘等術后并發癥的發生。

2 不同螺釘數量的有限元結果差異

使用3枚空心螺釘治療股骨頸骨折是目前臨床上比較普遍的內固定方式[5]，與僅使用2枚空心釘相比，3枚空心釘能夠提供更加穩定的抗旋轉作用，減少骨折端的移位[6]。目前就內固定治療股骨頸骨折而言，已有不少文獻通過有限元分析比較了不同數量空心釘的影響，認為使用4枚較3枚而言在相同置釘方式下更有利于力學穩定。張浩等[7]采用有限元分析3枚空心拉力螺釘倒三角固定于4枚空心拉力螺釘（在3枚空心拉力螺釘倒三角排列的上方再水平置入1枚空心拉力螺釘）治療PauwelsⅢ型骨折的療效，認為4枚螺釘的治療方案具有更佳的抗剪切力、抗旋轉應力和減少骨折移位的作用。同時也有文獻通過有限元分析證實[8-9]，上述4枚空心拉力螺釘的內固定方式治療PauwelsⅢ型股骨頸骨折比倒三角排列3枚螺釘方案更能抗剪切力，減少骨折端位移和螺釘位移，在生物力學上更加穩定，提示可能減少術后退釘及骨折位移的情況發生。

但也有學者的有限元分析結果認為4枚與3枚螺釘的內固定方案間有限元結果差異并不明顯。梁會等[10]分別將3枚空心釘成正三角、倒三角及“F”形固定（上方2枚上下平行從后下至前上置入，下方一枚從前下至后上置入）與4枚空心釘呈矩形固定PauwelsⅡ型骨折在仿真骨模型上進行生物力學分析，得出4枚空心釘與3枚空心釘內固定相比，骨折塊垂直、水平位移差異無統計學意義（P＞0.05），所以認為其并不具有優勢，但缺乏臨床證據支持。王穎等[11]比較了3枚“倒品字”排列空心拉力螺釘與4枚菱形排列空心拉力螺釘治療PauwelsⅢ型骨折的有限元分析結果，認為兩者生物力學差異并不明顯。但對于4枚螺釘方案而言，實際臨床運用中需要多次定位透視調整，不僅增加了手術時間及難度，多次導針的置入也將使股骨頸內骨量丟失，甚至造成內固定穩定性下降[12]，增加術后退釘風險。所以，對于采用3枚或4枚螺釘方案對股骨頸骨折內固定的影響仍需要更多的生物力學結果驗證。

3 不同置釘方式對內固定的影響

通過對正三角形與倒三角形置釘方式進行比較，發現后者在生物力學上更具優勢，主要體現在更符合股骨頸上寬下窄的解剖結構，能夠更好的進行應力分布，減少術后退釘、骨折位移及再次骨折的可能性[13]，還可以減少置釘難度從而減少手術時間及風險[14]。

Li等[15]對比了正三角形、倒三角形、前三角形、后三角形和垂直形五種使用3枚空心拉力螺釘治療股骨頸骨折的有限元分析結果，認為倒三角形3枚螺釘固定方式抗剪切力更好，具有更好的生物力學特性，且認為對于更傾向于拆除內固定的患者，正三角形螺釘排列方式最不推薦使用，因為拆除螺釘后上述內固定方式最有可能造成股骨粗隆下骨折。王雪飛等[16]采用有限元分析正等腰三角形、倒等腰三角形及反“V”構型（同“F”形）的3枚空心螺釘治療PauwelsⅡ型骨折的治療效果后，發現反“V”構型內固定具有更好的抗剪切應力及抗旋轉應力的作用。其它文獻[17-18]通過有限元分析“F”形與其他3枚空心螺釘內固定方式后，也認為前者的生物力學特性更佳。任棟等[8]探究了正三角形、倒三角形、菱形和矩形4種置釘內固定方式治療股骨頸骨折的生物力學結果，并通過有限元分析顯示菱形置釘的方式螺釘應力峰值較小、股骨頭應力峰值較大、股骨頭位移峰值較小，較其他3種方式更具有抗剪切應力、旋轉應力的作用，能保證骨折端穩定，促進骨折愈合。

4 不同種類螺釘對有限元結果的影響

半螺紋的空心加壓螺釘通過螺紋完全跨越骨折線骨折端提供持續軸向壓力，雖然有利于骨折愈合，但由于骨折線處骨質在長期加壓下逐漸吸收，導致術后股骨頸短縮甚至退釘現象的發生；全螺紋空心釘螺紋位于骨折線兩側，僅起固定作用，并無持續加壓作用。夏志峰等[17]通過對2枚上下平行空心拉力螺釘、3枚倒三角形排列全螺紋空心螺釘、股骨近端鎖定鋼板（鋼板模型為下方1枚全螺紋螺釘、上方2枚鎖定空心拉力螺釘）治療PauwelsⅠ型股骨頸骨折進行有限元分析，發現采用3枚“倒品字”全螺紋空心螺釘的內固定應力峰值、位移峰值及骨折塊位移峰值均優于其他2種內固定方式，提示采用全螺紋釘或許對預防術后股骨頸短縮的發生有積極意義。

內固定術后1年股骨頸短縮率近乎50%[19-20]。股骨頸短縮已是空心釘內固定術后最常見的并發癥，甚至是造成術后疼痛、跛行、髖關節功能障礙主要的因素[19,21]。因此，如何在充分保證股骨頸骨愈合的前提下，盡可能減少術后頸短縮程度成為了當前研究的重點與難點。有學者[22-23]在臨床中采用全螺紋空心釘聯合半螺紋空心釘呈倒三角分布的內固定方案治療股骨頸骨折，證實其術后頸短縮發生率明顯低于傳統置釘方式。

相庚等[24]對雙頭螺紋空心釘的生物力學研究發現雙頭釘可以更好保持頸的長度，提示不同種類螺紋釘對于術后股骨頸長度有不同影響。筆者發現臨床上已有采用1枚全螺紋空心螺釘與2枚半螺紋空心釘聯合固定治療股骨頸骨折的報道：Weil等[23]認為使用全螺紋空心釘可使股骨頸縮短率明顯下降。最近Shin等[22]也通過臨床研究提出相同觀點，更認為采用1枚全螺紋釘替代半螺紋釘的方案可以減少術后股骨頸后方塌陷的可能，有利于骨折愈合。同時黃永剛等[25]在一項前瞻性臨床研究中，也證實了采用1枚全螺紋釘聯合2枚半螺紋釘的方案比傳統內固定方式更具生物力學優勢，降低了術后股骨頸短縮的發生率，并在生物力學實物模型中測試后得到驗證。而Li等[26]則通過有限元分析后認為1枚半螺紋釘和2枚全螺紋釘足可對骨折塊加壓防止骨折移位和抵抗剪切力。因此筆者認為采用全螺紋釘聯合半螺紋釘的新置釘方案一方面可以通過一定的滑動加壓作用為骨折愈合提供環境，另一方面，全螺紋釘相對固定的作用可以減少頸的過度短縮。

5 取釘后釘道的對生物力學的影響

虎群盛等[27]模擬了不同排列方式的3枚空心釘治療股骨頸骨折去除內固定后的釘道模型，并通過有限元分析發現前者釘道應力峰值11.02 MPa大于后者的10.82 MPa，認為正三角形空心釘內固定取出后所受應力更大，要注意術后發生再次骨折的可能性。通過比較去除內固定后釘道數量及相對結構對術后發生再次骨折的影響，筆者認為正三角形結構釘道較倒三角形更易致術后再發骨折，而釘道數量的增加使得置釘區骨質丟失，不可避免的減少了術中螺釘調整機會，從而增加手術操作難度，故在保證內固定穩定情況下盡可能選擇倒三角置釘方式。

6 新型內固定方式

姚琦等[28]設計了開側孔的空心拉力螺釘，通過有限元分析驗證了其生物力學安全性與有效性，并認為可以向空心釘內注射藥物、細胞因子或骨水泥等來促進骨愈合。白正發等[29]則通過向普通空心拉力螺釘內填注骨水泥，并通過有限元分析證實此法可以有效提高對骨折內固定的穩定性。林暐哲等[30]采用有限元分析3枚“倒品字”空心拉力螺釘模型與新型釘棒系統（置入2枚萬向接頭螺釘，并通過鈦合金棒連接其尾端）治療PauwelsⅡ型股骨頸骨折的治療效果，認為新型釘棒系統模型中的股骨頭軸向位移均值（0.487±0.046）mm顯著小于傳統3枚空心拉力螺釘的（0.540±0.038）mm，提示可減少術后骨折軸向位移程度。目前雖仍未在臨床上見到使用改良空心螺釘的報道，但筆者認為改良空心螺釘結合組織生物工程如加入人工骨、骨形成蛋白、富血小板血漿等物質或許是今后研究的熱點。

7 總結

股骨頸骨折愈合為骨折端之間接觸愈合，即一期愈合，需要內固定物提供整體相對穩定環境和持續加壓固定。故此，空心釘內固定所提供的整體穩定性至關重要。良好的穩定性可以減少骨折塊的剪切力和旋轉性，減少骨折端嵌插，保證股骨頭血流穩定，進一步減少頸短縮、股骨頭缺血壞死及骨不連等術后并發癥。

綜上有限元分析結果所述，對于股骨頸骨折，就骨折穩定性、抗剪切應力及抗旋轉應力而言，采用4枚空心拉力螺釘呈菱形或交鎖分布均優于3枚空心拉力螺釘，但“F”形3枚螺釘排列方式與4枚螺釘之間的有限元分析差異尚未有相關文獻提及；盡管有學者[11]認為其兩者間差異不明顯，甚至多置入1枚螺釘會造成骨量進一步丟失，而在被取出后留下的釘道可能會增加術后骨折的風險；由于半螺紋釘螺紋部分把持在股骨頭內部，股骨側骨折塊可沿螺桿部分滑動，可持續對骨折斷端進行滑動加壓，易致術后頸短縮發生，半螺紋空心釘是造成術后股骨頸短縮的最重要因素。而全螺紋空心釘螺紋位于骨折線兩側，僅起固定作用，并無滑動加壓作用，一定程度上減少過度加壓帶來的頸短縮問題。近年來，國內外學者已開始關注股骨頸骨折空心釘內固定術后致股骨頸短縮的問題。采用全螺紋空心螺釘聯合空心拉力螺釘的治療方式更優于傳統三枚倒三角半螺紋空心拉力螺釘，但目前缺少究竟采用幾枚及如何分布全螺紋釘的相關文獻支持。術者可以通過有限元分析結果結合臨床患者實際情況確定合適螺釘種類、螺釘數量及置釘方式的內固定方案治療股骨頸骨折，從最大程度上避免相關術后并發癥的發生。此外，目前仍缺少對于全螺紋空心螺釘數量及置釘方式、改良空心螺釘內固定方式和向空心釘內注射藥物來減少術后并發癥的相關有限元分析，展望未來研究人員將繼續完善有限元模型周圍軟組織構建以及結合組織工程技術研發新型螺釘并通過有限元分析其治療股骨頸骨折的生物力學特性。