骨水泥增強股骨近端防旋髓內釘治療高齡不穩定型股骨轉子間骨折的有限元分析

黃培鎮，陳心敏，鄭利欽，林梓凌△，董航，蔡群斌

股骨轉子間骨折是老年人中常見的骨折類型，其治療方案主要是手術治療，特別是不穩定型股骨轉子間骨折［1］。股骨近端防旋髓內釘（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）因其力臂更短、把持力更強，在臨床治療不穩定型股骨轉子間骨折中應用較多［2-3］。有限元分析也證實PFNA具有更好的生物力學效果［4］，但仍有部分病例出現退釘、切割等并發癥［5］，其中以螺旋刀片切割較為常見，發生率可達3%～15%［6］，而骨折類型和骨質疏松被認為是螺旋刀片切割的重要原因［7］。Evans Ⅴ型股骨轉子間骨折時，股骨轉子內外側壁均缺乏支撐而極不穩定，尤其高齡患者骨質疏松嚴重，骨小梁稀松脆弱［8］，更易發生PFNA 術后失效［9］。骨水泥具有強大的抗斷裂作用，并具有與骨組織良好的結合性［10］。臨床和有限元研究均已證實，骨水泥釘道強化椎弓根螺釘是治療嚴重骨質疏松性椎體骨折的有效方法［11-12］。而用骨水泥增強PFNA螺旋刀片把持力能否有效防止不穩定型股骨轉子間骨折中螺旋刀片切割尚無定論，且國內外對此研究甚少。本文基于有限元法探討骨水泥增強PFNA 和普通PFNA 治療Evans Ⅴ型股骨轉子間骨折的生物力學差異，為改善高齡患者PFNA術后療效、減少螺旋刀片切割率提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 病例選取 選取1 位志愿者收集CT 資料。（1）基本資料：75 歲，男，身高170 cm，體質量70 kg，體質量指數（BMI）24.2 kg/m2。（2）病史：因摔倒致左髖部疼痛、活動受限3 h，于2019 年1 月7 日入院，X 線提示左股骨粗隆間骨折，骨質疏松；既往無手術史，無代謝性骨病和先天骨骼變異，無腫瘤史，近年未服影響骨代謝藥物。（3）倫理與知情同意：告知患者試驗目的，患者表示知情理解并簽署知情同意書，同時取得廣州中醫藥大學第一附屬醫院倫理委員會批準（醫院倫理批件號：NO.Y［2019］164，審批時間：2019-03-14）。

1.1.2 掃描條件 體位與部位：志愿者取仰臥位，采用GE 64排螺旋CT同時掃描雙側髖部至小腿中上段，以Dicom格式保存掃描的CT數據，CT數據必須包含股骨全長；掃描參數設置參照鄭利欽等［13］方法，掃描電壓120 kV，掃描電流250 mA，層厚2 mm，層距5 mm，每個掃描層的像素矩陣密度大小為512×512。

1.1.3 實驗設備 （1）計算機：聯想P52 圖形工作站。（2）實驗軟件：Mimics 19.0 軟件（Materialise 公司，比利時）、Geomagic studio 2017 軟件（Geomagic 公司，美國）、Solidworks 2017 軟件（Dassault Systemes 公司，美國）、Hypermesh14.0 軟件（Altair 公司，美國）、LS-DYNA 軟件（LSTC 公司，美國），均由廣州中醫藥大學國家重點學科中醫骨傷科學數字骨科與生物力學實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 重建右側股骨三維模型 將Dicom 格式的CT 影像資料導入Mimics 19.0軟件中，通過設置閾值、蒙罩、填充、包裹、光滑等處理后得到stl 格式的右側股骨三維模型，再導入Geomagic studio 2017軟件中，進行劃分面網格、調整網格線、去除特征、擬合曲面等步驟后得到優化后的右側股骨三維模型，并導出生成step文件。

1.2.2 建立PFNA 模型 運用Solidworks 2017 軟件繪制PFNA 內固定草圖，通過拉伸、旋轉、切割、組合、放樣等步驟得到PFNA內固定三維模型，PFNA內固定模型參數為主釘長170 mm，螺旋刀片直徑10 mm，長度105 mm，頸干角130°，5°外翻角，內固定其他數據參照AO股骨近端防旋髓內釘。

1.2.3 構建不穩定型股骨轉子間骨折PFNA 模型 在Solidworks 2017軟件中將右側股骨三維模型與PFNA 內固定模型按照標準手術技術進行裝配、組合，確定尖頂距（tip apex distance，TAD）≤25 mm，并 儲 存 為step 格 式 導 入Hypermesh 14.0 軟件中，通過Mesh 命令進行模型網格劃分，檢查網格質量良好，Delete 命令刪除部分單元模擬Evans Ⅴ型骨折，形成兩個大轉子骨塊、小轉子骨塊、股骨頭頸骨塊和股骨干骨塊。各部件相互作用均設置為面與面摩擦［14］，其中骨與骨的摩擦系數為0.46，骨與內固定為0.3，螺旋刀片與主釘為0.23，同時刪除股骨遠端以減少運算量，儲存為A模型。

1.2.4 材料屬性、邊界條件與分析 參照鄭利欽等［13］關于股骨近端松質骨、皮質骨、PFNA 內固定密度、彈性模量、泊松比、屈服應力等參數設置A模型。本試驗主要研究高齡骨質疏松股骨轉子間骨折，故松質骨和皮質骨的各項材料參數均為骨質疏松參數。正視模型，在與股骨干長軸呈10°，垂直于股骨頭球面，線性加載大小為990 N［15］的載荷，完全固定股骨最遠端部分單元以保證模型運算時的穩定性。在A 模型中截取螺旋刀片近端表面部分松質骨重新定義為骨水泥部件，骨水泥置于刀片4條凹槽附近，并設置骨水泥與螺旋刀片為綁定，儲存為B 模型并導出為K 文件保存，見圖1。B 模型骨水泥材料參數參照文獻［16］：表觀密度為1.18 g/cm3，彈性模量為220 000 MPa，泊松比0.2，屈服應力100 MPa，2個模型具體參數，見表1。

Fig.1 Models of Evans Ⅴtype femoral intertrochanteric fracture treated with proximal femoral nail anti-rotation and bone cement augmented proximal femoral nail anti-rotation圖1 普通PFNA和骨水泥增強PFNA治療EvansⅤ型股骨轉子間骨折的模型

Tab.1 Material parameters of bone and proximal femoral nail anti-rotation表1 模型各部分材料屬性參數

1.2.5 運算及對比指標 分別將K文件導入LS-DYNA軟件中，設置運行內存后提交運算，運算結果于Hyperview 中查看，主要對比指標為：螺旋刀片切割程度、股骨頸內翻變化、股骨頸旋轉程度、股骨近端應力分布、股骨近端位移。

2 結果

2.1 螺旋刀片切割 A模型首先在螺旋刀片最近端周圍產生切割，繼而股骨頭頸骨塊遠端切割，松質骨單元變形、塌陷、消失；B 模型螺旋刀片最近端和股骨頭頸骨塊遠端松質骨單元消失數量明顯減少，切割程度明顯較A模型輕，見圖2。

2.2 股骨頸內翻 A模型股骨頭頸骨塊內翻15.2°，隨著頭頸骨塊內翻，與小轉子骨塊相接觸，小轉子骨塊受壓移位外翻，且部分皮質骨單元消失；B模型內翻2.2°，頭頸骨塊內翻并與小轉子骨塊相接觸，但小轉子骨塊并未明顯移位和皮質骨單元消失，見圖3。

2.3 股骨頸旋轉 A模型股骨頭頸骨塊內翻與小轉子骨塊相接觸，內側皮質骨單元受壓變形、塌陷、消失，股骨頭頸骨塊失去支撐后遠端向前移位，近端向后移位，形成股骨頭頸骨塊旋轉，旋轉角度達7.4°；B模型兩個骨塊相接觸后，內側皮質骨單元較少，股骨頭頸骨塊旋轉角度僅有1.3°，見圖4。

2.4 股骨近端應力 A模型股骨近端應力主要分布在螺旋刀片和主釘連接處、主釘大轉子處和小轉子骨塊，最大應力806.2 MPa；B 模型股骨近端應力主要分布在螺旋刀片和主釘連接處和骨水泥處，最大應力766.8 MPa，見圖5。

2.5 股骨近端位移 A模型股骨近端移位主要是股骨頭頸骨塊和小轉子骨塊，其中股骨頭后方移位最大，最大位移達13.3 mm；B 模型股骨近端移位主要是股骨頭頸骨塊，小轉子骨塊基本無移位，最大位移達4.4 mm，見圖6。

Fig.2 Blade cutting of PFNA model and bone cement augmented PFNA model圖2 普通PFNA模型和骨水泥增強PFNA模型螺旋刀片切割

Fig.3 The inversion of proximal femoral neck bone mass in PFNA model and bone cement augmented PFNA model圖3 普通PFNA模型和骨水泥增強PFNA模型股骨頭頸骨塊內翻

Fig.4 The rotation of proximal femoral neck bone mass in PFNA model and bone cement augmented PFNA model圖4 普通PFNA模型和骨水泥增強PFNA模型股骨頭頸骨塊旋轉

Fig.5 Von Mises stress distribution in PFNA model and bone cement augmented PFNA model圖5 普通PFNA模型和骨水泥增強PFNA模型股骨近端應力

Fig.6 Von Mises displacement distribution in PFNA model and bone cement augmented PFNA model圖6 普通PFNA模型和骨水泥增強PFNA模型股骨近端位移

3 討論

不穩定型股骨轉子間骨折的治療一直是骨科醫師面臨的難題，特別是Evans Ⅴ型骨折，其內外側壁均破裂，骨折端極不穩定，復位和固定較為困難，即使運用PFNA 等髓內固定裝置仍易產生術后并發癥，加之老年人骨質疏松，螺旋刀片把持力弱，更增加了內固定失效風險［30］。因此，筆者將高齡EvansⅤ型股骨轉子間骨折作為試驗模型具有很好的代表性。

骨水泥即骨黏固劑，在椎體成形術治療骨質疏松性椎體壓縮骨折［31-32］和骨水泥釘道強化椎弓根螺釘內固定用于治療重度骨質疏松腰椎退變性疾病［11-12］中應用廣泛且具有較好療效。而骨水泥是否能通過增強PFNA穩定性較好地治療高齡不穩定型股骨轉子間骨折尚無定論。王勇等［33］運用骨水泥強化PFNA 治療高齡股骨轉子間骨折，收集的42 例患者中未發生內固定松動、斷裂、螺釘切出及切穿等并發癥，取得很好的術后早期療效，但研究病例數較少，隨訪時間相對較短，未行對照研究，其臨床療效有待進一步觀察。另外，關于骨水泥強化PFNA 治療高齡股骨轉子間骨折的生物力學方面國內外研究甚少，骨水泥強化PFNA的可行性缺乏有力支撐。

區別于既往靜態有限元研究，筆者基于有限元單元刪除法，用量化的指標直觀、具體、動態地展示了骨水泥增強PFNA 和普通PFNA 治療Evans Ⅴ型股骨轉子間骨折的一次受力過程。本文A模型試驗結果表明，普通PFNA治療Evans Ⅴ型股骨轉子間骨折時，隨著股骨頭頸骨塊內翻、向后旋轉，繼而螺旋刀片切割，最終導致內固定失效。這與既往研究結果是一致的：破裂的股骨外側壁無法提供穩定的外側支撐，也無法對抗頭頸骨塊的旋轉［34］。同時內側壁破裂，小轉子破碎、不穩定，股骨頭頸骨塊與小轉子骨塊相接觸時，破碎的小轉子不能提供有效內側支撐，頭頸骨塊內翻［35-36］。而老年人因骨質疏松，骨小梁稀松，脆性增加，與螺旋刀片的接觸面積小，亦不能提供強有力的把持力，當應力超過骨小梁所能承受的最大應力時，骨小梁的“桁架結構”遭到破壞，螺旋刀片周圍的骨小梁斷裂，隨著頭頸骨塊的內翻繼而造成螺旋刀片的切割，甚至穿出股骨頭。

本文B模型試驗結果可見，相對于普通PFNA治療Evans Ⅴ型股骨轉子間骨折，骨水泥增強PFNA螺旋刀片切割程度較輕，股骨頭頸骨塊內翻和旋轉角度、股骨近端應力和位移均較小，骨折端穩定，具有更好的生物力學效果。筆者認為其原因可能是：（1）本研究設計少量骨水泥較均勻地分布于螺旋刀片近端的螺旋凹槽中，使整個螺旋刀片成為一個相對規則的圓柱體，近端可以相對均勻受力，避免過度應力集中。（2）骨水泥參數主要參照聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，其強度大，對于骨質疏松患者具有更好的把持力［37］。（3）骨質疏松患者松質骨稀松變脆，螺旋刀片的微小應力即可產生股骨頭松質骨的微骨折、斷裂，當周圍松質骨斷裂愈發嚴重時，螺旋刀片接觸面積減少，把持力弱，進而產生松動、切割，而骨水泥置于螺旋刀片近端后，螺旋刀片、骨水泥和松質骨三者緊密結合，高強度的骨水泥能一定程度地抵抗螺旋刀片的應力，間接減少對脆弱的骨質疏松松質骨的直接應力，增加穩定性，降低切割概率。（4）本文模型中股骨外側壁破裂，但包裹著骨水泥的螺旋刀片近端直接加強了作為股骨近端防旋髓內釘“三點支撐”的內側支撐點，其可靠的穩定性可部分減少外側壁破裂對內固定的影響，一定程度對抗股骨頭頸骨塊內翻和旋轉；雖內側壁亦破裂，破碎的小轉子不能對頭頸骨塊進行有效支撐，但骨水泥增強螺旋刀片對松質骨把持力后，股骨頭受到向下的應力很大一部分轉移到內固定，即使破碎的小轉子不能提供有力支撐，亦能一定程度地防止頭頸骨塊的內翻和旋轉。

綜上所述，骨水泥增強PFNA治療Evans Ⅴ型不穩定型高齡股骨轉子間骨折，螺旋刀片切割程度較輕，股骨頸旋轉和內翻明顯減少，骨折塊位移較小，骨折端穩定，生物力學效果明顯優于普通PFNA 治療Evans Ⅴ型不穩定型高齡股骨轉子間骨折。然而，骨水泥增強PFNA 治療高齡不穩定型股骨轉子間骨折仍有很多問題亟待解決，如骨水泥填充造成股骨近端的局部壓力增大可能會出現微血管栓塞、骨水泥放熱出現局部骨組織壞死和骨水泥注入部位與數量等。