“F”形空心釘內固定技術治療股骨頸骨折的有限元分析

許景紅，湯志輝，毛成鵬，歐陽國新

(新疆建設兵團第一師醫院外一科，新疆 阿克蘇 843000)

股骨頸骨折是中老年人常見的髖部損傷，手術復位空心加壓螺釘內固定是主要的治療手段，但術后骨折不愈合發生率仍在9.3%左右[1]，即使骨折愈合，后期仍可能出現股骨頸短縮。目前，臨床通常將空心釘按照“正三角”植入，但Weil等[2]通過回顧性研究發現該內固定股骨頸短縮發生率為56%，為此，Filipov[3]提出了一種新的空心釘固定方式，即“F”形技術，經過對88例股骨頸骨折患者的隨訪，愈合率達98.86%。本研究通過有限元分析的方法對兩種內固定的力學機理進行研究，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 有限元的模型建立

1.1.1 建立幾何模型 選取經X線片檢查確定股骨近端及髖關節無外傷史、骨關節畸形或代謝性疾病健康志愿者1名，43歲，男性，身高174 cm，體重75 kg。采用128排螺旋CT對志愿者股骨中上段行CT薄層掃描，掃描層厚0.625 mm，CT圖像存儲為DICOM格式文件導入醫學三維重建軟件Mimics 16.0，根據組織的灰度值，通過區域分割，構建得到股骨上段三維模型，將模型輸出為點云格式，導入Geomagic studio2012，對模型進行除噪點、平滑等處理，擬合出骨骼的NURBS曲面，再導入Cero3.0構建骨骼的實體模型。

根據臨床上AO/ASIF空心加壓螺釘的尺寸確定螺紋部分直徑為7.3 mm，無螺紋部分直徑為4.8 mm。由于本研究的重點與螺紋關系不大，因此為簡化模型，忽略螺紋的細節，以直徑7.3mm的圓柱體代替螺紋部分。在Cero3.0中將螺釘與股骨頸組合建立對照組(空心釘按照正三角形排列)、實驗組(空心釘按照“F”形排列)并在組件模式下按照Pauwels角為70°標準建立股骨頸骨折模型。

1.1.2 建立有限元模型 將上述模型以STP格式導入Hypermesh 13.0劃分為四面體C3D4單元，所有結構的材料屬性為各項同性線彈性材料，各結構泊松比及彈性模量參數均來自既往經典文獻[4]。設定螺釘螺紋部分和骨之間及釘尾與股骨之間為Tie連接，無螺紋部分與釘道之間接觸摩擦系數為0.15，骨折斷端之間摩擦系數為1.0。

1.1.3 邊界條件及載荷 股骨近端承受的載荷包括關節力、肌肉力以及動力沖擊載荷等，并且在不同狀態各個作用力的方向亦不一致，復雜的力學環境很難用有限元法模擬進行精確模擬。因此，本研究參考文獻[5]進行了合理的簡化，計算體重為75 kg的成人在單足站立和雙足站立兩種狀態，并將股骨遠端截面為邊界條件進行約束，將生成的三維模型導入Abaqus 6.14計算。

1.1.4 觀察指標及統計分析 本研究數據均采用SPSS16.0統計學軟件進行分析。在兩種不同內固定模型中，選取股骨矩區10個代表節點的平均應力值、股骨頭位移量、骨折斷面間距離進行配對t檢驗，P<0.05為差異具有統計學意義。同時對空心釘應力分布、股骨近端應力分布進行描述性分析。

2 結 果

2.1 不同內固定模型的應力分布情況 對照組中，最上方空心釘釘尾上方、下方2枚空心釘釘尾的下方及骨折斷端股骨矩區域出現明顯的應力集中。提示在承受壓力載荷時，下方2枚空心釘，特別是后下方空心釘的支撐強度的維持，需股骨矩部位骨質作為骨性支點。實驗組中，螺釘的應力主要集中在釘頭的螺絲螺桿結合處，并沿螺桿均勻分布到釘尾及周圍的骨質，在骨折斷端骨質特別是股骨矩部位應力分散明顯，提示，通過"強斜"形植入的空心釘，能夠彌補股骨矩骨質的不連續，將載荷順利傳導至外側骨皮質(見圖1)。

2.2 不同內固定模型中股骨頸骨折斷端股骨矩區的應力、總位移量、最大裂隙距離的比較 與對照組相比，實驗組能夠明顯減小股骨矩斷端的應力載荷(P<0.01)、股骨頭總位移量及骨折斷端的相對位移量(P<0.05，見表1)。

a 對照組中螺釘的應力分布 b 對照組股骨近端應力分布 c 實驗組螺釘應力分布 d 實驗組股骨近端應力分布

表1 不同內固定模型中股骨頸骨折斷端股骨矩區的應力、總位移量、最大裂隙距離比較

3 討 論

股骨頸骨折是一種比較常見的創傷，按照Pauwels角對骨折進行分型，有利于評價骨折的力學穩定性，即Pauwels角<30°，為外展穩定型；30°50°，為內收極不穩定型。隨著Pauwels角度的增大，股骨頸骨折斷端所承受的剪切力顯著增加，出現內固定失敗的風險也越大。根據國際內固定研究學會(AO/ASIF)提出的股骨頸骨折內固定設計原則，應在消除扭轉應力和剪切應力的同時保留軸向的壓應力，以利于骨折的愈合，人們提出了動力髖、側方鋼板、空心釘等固定方式，各有優缺點。經過長期的臨床實踐，目前公認采用3枚空心拉力螺釘呈正三角模式固定股骨頸骨折能夠滿足骨折愈合的力學穩定性要求[6]。雖然Oden等[7]通過有限元分析發現，“正三角”形置入股骨頸，具有比較好的抗剪和抗扭效果。但該固定術后骨折愈合時間長，容易出現內固定松動以及股骨頭壞死，高并發癥發生率不僅與復位質量、骨折類型、術后是否過早下地等因素有關，還與空心釘的空間形態有一定的相關性。

本研究通過逆向建模方法，建立了Pauwels角>70°內收極不穩定型股骨頸骨折的有限元模型，發現按照“正三角”形螺釘固定時，股骨頭后上方承受體重載荷會在最上方螺釘釘尾上方出現較大拉應力，而在下方2枚螺釘釘尾下方及股骨矩出現明顯的壓應力。提示該種固定方式符合正常狀態下股骨近端的應力傳導方式，即股骨頸外上方承受拉應力，內下方承受壓應力。但在股骨頸骨折時，由于骨架結構連續性被破壞，喪失了傳遞應力的作用，復位后應按照股骨近端懸臂梁結構力學機理進行固定，但此時懸臂梁的關鍵是支柱的力學強度，即股骨矩的強度，“正三角”形置入的空心釘與壓力骨小梁之間無論在冠狀面還是在空間結構上仍存在一定的角度，從而導致股骨矩部位產生壓應力分力，并同時會在釘尾股骨皮質周圍產生較大的應力集中。

“F”形技術是由Filipov[3]提出，該技術使用空心釘雙平面、雙支撐點、大角度的“強斜”置釘方法，88例股骨頸骨折患者的愈合率達98.86%。夏希[8]等應用“F”形技術治療130例股骨頸骨折，發現強斜低位內固定組的短縮率(35.5%)明顯低于非強斜內固定組(50.8%)。本研究通過動態觀察低位"強斜"形植入空心釘的解剖形態，恰好和股骨矩的方向相一致，該空心釘能夠將體重產生的壓應力傳導至股骨外側皮質，增強了股骨頸軸向抗壓能力，從而形成股骨近端懸臂梁結構中心，為上方2枚空心釘的懸吊提供支撐，該懸吊空心釘減輕了股骨頸下方的壓力載荷，進而將股骨頸骨折端的載荷恰當的分布到空心釘及股骨外側骨皮質上。本研究發現與傳統的“正三角”固定相比“F”形固定能夠明顯減小內固定對股骨矩斷端的應力載荷(P<0.01)，并增強股骨頭在承受載荷時的穩定性，減小總位移量及骨折斷端的相對位移量(P<0.05)，為骨折端的穩定提供了力學環境[9]。

通過上述研究，作者認為“F”形空心釘技術治療股骨頸骨折內固定，不僅能夠在維持斷端軸向壓應力的同時消除扭轉應力和剪切應力，而且能夠通過強斜形植入的空心釘，在內固定懸臂梁結構中形成新的支柱核心，從而有效降低骨折端的剪切應力，為骨折的愈合提供良好的力學環境。

參考文獻：

[1]Slobogean GP，Sprague SA，Scott T，et al.Complications following young femoral neck fractures[J].Injury 2015，46(3)：484-491.

[2]Weil YA，Khoury A，Zuaiter I，et al.Femoral neck shortening and varus collapse after navigated fixation of intracapsular femoral neck fractures.[J].J Orthop Trauma，2012，26(1)：19-23.

[3]Filipov O.Biplane double-supported screw fixation(F-technique)：a method of screw fixation at osteoporotic fractures of the femoral neck[J].Eur J Orthop Surg Traumatol，2011，21(7)：539-543.

[4]張浩，史雪峰，楊春寶，等.3枚與4枚螺釘置入治療Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的有限元分析[J].中國組織工程研究，2016，20(26)：3897-3902.

[5]楊成偉，李全，孫偉，等.內收型股骨頸骨折多根空心螺釘固定的三維有限元分析[J].中國矯形外科雜志，2009，17(14)：1077-1080.

[6]趙庭波，吉璐宏，唐歡.正三角和倒三角排列治療中青年股骨頸骨折療效比較[J].實用骨科雜志，2016，22(4)：372-375.

[7]Oden ZM，Selvitelli DM，Bouxsein ML.Effect of local density changes on the failure load of the proximal femur[J].J Orthop Res，1999，17(5)：661-667.

[8]夏希，劉智.老年股骨頸骨折空心螺釘固定術后頸短縮的測量及其對髖關節功能的影響[J].中華創傷骨科雜志，2014，16(8)：651-655.

[9]Filipov O，Gueorguiev B.Unique stability of femoral neck fractures treated with the novel biplane double-supported screw fixation method：A biomechanical cadaver study[J].Injury，2015，46(2)：218-226.