股骨近端防旋髓內釘治療高齡非解剖復位股骨頸基底部骨折的有限元分析

涂世杰 鄒洋 熊趙平 陳心敏 林梓凌 鄒霞

[摘要] 目的 運用有限元法探討股骨近端防旋髓內釘治療3種不同復位狀態高齡股骨頸基底部骨折的生物力學。 方法 基于志愿者髖部CT資料，通過Mimics、Geomagic等軟件提取和優化股骨近端模型，再導入Solidworks軟件中與股骨近端防旋髓內釘進行裝配并分割模擬骨折線，移動骨折塊分別得到3個不同復位狀態的模型（陽性支撐、中性支撐、陰性支撐），最后把3個模型全部導入Abaqus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。 結果 陽性支撐骨折端應力分布最均勻且骨折端位移最小，陰性支撐骨折端應力集中且骨折端移位最大，中性支撐應力分布較均勻且骨折端移位稍大。 結論 運用股骨近端防旋髓內釘治療股骨頸基底部骨折，應避免陰性支撐復位狀態，盡量維持解剖復位或陽性支撐。

[關鍵詞] 股骨近端防旋髓內釘;股骨頸基底部骨折;陽性支撐;有限元

[中圖分類號] R459;R318;R445;R687.3? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）05（c）-0071-05

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of non-anatomical reduction of basicervical femoral neck fracture in elderly

TU Shijie1? ?ZOU Yang1? ?XIONG Zhaoping1? ?CHEN Xinmin2▲? ?LIN Ziling2? ?ZOU Xia1

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 biomechanics of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of femoral neck basicervical fracture in elderly with three different reduction states by using finite element method. Methods Based on the CT data of the volunteers′ hips， the proximal femoral model was extracted and optimized by Mimics， Geomagic and other softwar， then assembled with proximal femoral nail anti-rotation in Solidworks software and segmented into simulated fracture lines. Three models of different reduction states （positive support fracture， neutral support fracture， negative support fracture） were obtained by moving fracture fragments. Finally， all the three models were imported into Abaqus software to set material parameters， boundary conditions， etc.， and then the calculation was carried out to check the Von Mises nephogram of the model. Results The stress distribution of the positive support fracture end was the most uniform and the displacement of the fracture end was the least. The stress of negative support fracture end was concentrated and the displacement of the fracture end was the greatest. The stress distribution of neutral support fracture end was uniform and the displacement of the fracture end was larger. Conclusion The use of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of basicervical femoral neck fracture should avoid the negative support reduction state， and try to maintain the anatomical reduction or positive support.

[Key words] Proximal femoral nail anti-rotation; Basicervical femoral neck fracture; Positive support; Finite element

股骨頸基底部骨折是股骨頸骨折中較為罕見的一種骨折類型，其本身固有的不穩定性增加了內固定失敗的風險[1]，特別對于高齡股骨頸基底部骨折患者，是老年人中最嚴重的骨折之一[2-3]。臨床上亦有青年股骨頸基底部骨折病例，但多數因高能量損傷所致，病例較少[4-5]，且青年人骨質與老年人差異甚大，治療方式亦有區別，本文暫不討論。對于高齡股骨頸基底部骨折的治療方式，臨床應用股骨近端抗旋髓內釘（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）取得較好效果，張乃棟等[6]研究顯示PFNA治療高齡股骨頸基底部骨折術后髖關節功能恢復優良率可達91.76%。高齡股骨頸基底部骨折臨床病例總體較少，但Lee等[7]研究顯示仍有26.8%的高齡患者因骨折部位塌陷而導致內固定失敗，其原因可能與股骨頸基底部骨折復位狀態有關。而用PFNA治療高齡股骨頸基底部骨折怎樣的復位狀態可取得更好的效果呢？國內外對此研究甚少。本文通過有限元法模擬不同復位狀態探討PFNA治療3種不同復位狀態高齡股骨頸基底部骨折的效果，為臨床治療提供生物力學依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取1例患者志愿者收集CT資料：①基本資料：62歲，男性，身高170 cm，體重70 kg;②病史：因“摔倒致左髖部疼痛、活動受限3 h”于2019年10月23日入豐城市中醫院（以下簡稱“我院”），X線提示左股骨粗隆間骨折，骨質疏松;既往無手術史、無重大內科疾病史，無先天骨骼變異，無腫瘤史，近年未服影響骨代謝藥物;③倫理與知情同意：告知患者實驗目的，患者表示知情理解并簽署知情同意書，同時取得我院醫學倫理委員會批準;④掃描條件：取仰臥位，采用GE 64排螺旋CT對髖部螺旋掃描并以Dicom格式保存掃描的CT數據，參照鄭利欽等[8]設置掃描條件為，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。

1.2 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）;Abaqus 2016軟件（LSTC公司，美國），以上軟件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。

1.3 方法

1.3.1 重建股骨近端三維模型與初步處理? 將Dicom格式的CT資料導入Mimics 19.0軟件中，通過閾值分割、區域增長等步驟后建立右側股骨三維模型，以stl格式文件導入Geomagic studio 2017軟件，進行去除特征、劃分格柵、擬合曲面等處理后得到右側仿真股骨三維模型并生成step文件。

1.3.2模型裝配、分割與復位模擬? 運用Solidworks 2017軟件對step格式的右側股骨模型進行進一步處理：首先對模型進行分割模擬骨折線;然后在草圖功能中通過拉伸、旋轉、切割、放樣等命令得到PFNA內固定模型，具體參數見大博股骨近端防旋髓內釘;再對內固定和右側股骨模型進行裝配，調整進釘點、尖頂距（tip apex distance，TAD）于合適位置（TAD值≤0.25）;最后對股骨近端骨折塊進行移動，分別得到A模型——“陽性支撐”：近側骨折斷端（股骨頭、頸）的內下緣凸向遠側骨折斷端的內上緣的內側（上蓋下）;B模型——“中性支撐”：遠近骨折斷端解剖復位;C模型——“陰性支撐”：遠側骨折斷端的內上緣凸向近側骨折斷端的內緣的內側（下托上）[9]。見圖1。

1.3.3 材料屬性、邊界條件與運算分析? 分別將3個模型導入Abaqus 2016軟件中，參照任德新等[10]賦予股骨和內固定材料屬性，設置所有材料均為均質、各向同性，具體參數見表1;所有模型骨折端設置為有限滑移，選擇主表面和從表面，設置摩擦系數為0.3[10]，螺旋刀片與主釘、遠端釘與主釘、螺旋刀片與股骨均為綁定，約束股骨遠端，股骨頭最上方設置BP點，選擇相應區域與之耦合，參考周宇萍[11]關于股骨頸基底部有限元分析方法，志愿者體重70 kg，在BP點垂直向下加載載荷700 N，劃分網格后行靜力分析。

1.3.4 評價標準? 在Abaqus軟件可視化模塊中分別比較A、B、C 3個模型：①股骨近端整體應力;②骨折端應力;③股骨頭頂部位移;④股骨近端應變率。

1.3.5 模型有效性驗證? 導入正常右側股骨三維模型，設置材料參數、屬性、邊界條件，給股骨頭中心一個垂直向下大小為700 N的力，模擬正常股骨受力情況進行分析，得出右側正常股骨的應力分布圖。見圖2。其所示應力分布和應力大小與樊健等[12]、張建國等[13]生物力學研究獲得的結果較吻合，提示本實驗建立的有限元模型是可行的，該模型可用于下一步運算。

2 結果

2.1 股骨近端整體應力

當股骨近端受力時，股骨近端防旋髓內釘提供了很好的支撐作用，完整的外側壁進一步增強內固定的穩定性，A、B、C 3個模型應力均主要集中在螺旋刀片與主釘的連接處和外側壁，股骨近端整體應力依次為766.4、777.8、775.4 MPa。見圖3。

2.2 骨折端應力分布

當股骨頭受力向下時，骨折端應力主要集中于外側壁和內側皮質，A、B、C 3個模型最大應力均位于外側壁PFNA進釘處，但A模型內側皮質應力分布均勻，B模型內側皮質亦稍顯應力集中，C模型內側皮質明顯應力集中。見圖4（封三）。

2.3 股骨頭頂部位移

當股骨頭受力向下時，股骨頭頸骨塊亦下壓，與遠端骨塊相抵，當與遠端骨塊皮質骨相抵時，可形成有效支撐，對抗股骨頭頸骨塊內翻和旋轉;當與遠端骨塊松質骨相抵時，脆弱的松質骨斷裂，股骨頭頸骨塊下沉、內翻、旋轉。C模型股骨頭頂部位移最大，達5.77 mm，A模型股骨頭頂部位移最小，B模型股骨頭頂部位移處于A、C模型之間。見圖5。

2.4 股骨近端應變率

當股骨頭受力向下時，內固定、外側壁、內側皮質均對股骨頭頸骨塊有一定的支撐作用，其中內固定承受大部分應力，A、B、C 3個模型的應變主要都集中在螺旋刀片和主釘的連接處，其中C模型應變率最小，B模型應變率最大，A模型應變率處于B、C模型之間。見圖6。

3 討論

股骨頸基底部骨折是股骨頸囊外骨折的一個獨特的亞型，它也被稱為高位股骨粗隆間兩部分骨折。由于股骨頸基底部骨折斷端兩側存在明顯不同，即近端狹窄，遠端較寬，造成股骨頸基底部骨折天然的軸向和旋轉機械不穩定，最終都可能導致內固定失敗[14]。股骨頸基底部骨折的治療方式現主要是多根空心螺釘固定、側方鋼板系統固定和髓內釘系統固定3種，眾多學者[15-21]研究發現：無論臨床療效或生物力學研究，以PFNA為代表的髓內釘系統固定較前兩者具有明顯的優勢。因此，PFNA治療股骨頸基底部骨折是切實可行的。

陽性支撐最早是由以色列骨科醫生Gotfried[22]提出的用于股骨頸頭下型骨折復位，主要是在X線正位片強調將上方頭頸骨塊的內側皮質由輕度外展位復位于下方股骨頸內側皮質的外側（下托上）。張世民等[23]基于此提出了股骨粗隆間骨折的非解剖的正性皮質支撐復位，與Gotfried股骨頸頭下型骨折的復位要求正好相反。而從本研究的生物力學上看，股骨頸基底部骨折生物力學更接近于股骨粗隆間骨折，這與現有觀點是一致的[24]。與股骨粗隆間骨折相似：①股骨頸基底部骨折骨折端形成陽性支撐復位后，近端骨塊內側皮質與遠端骨塊內側皮質形成“上蓋下”復位關系，受力后近端骨塊向外向下滑動，其內側皮質與遠端內側皮質相互接觸，堅硬的皮質骨為頭頸骨塊提供了“二次穩定”，為骨折的愈合創造了良好的力學環境[23，25-26]，而本次有限元研究也可看出陽性支撐骨折端內側皮質應力分布均勻，未有明顯應力集中，股骨頭頂部位移較小，提示股骨頭頸骨塊較為穩定，骨折端間隙小，有利于骨折愈合;②股骨頸基底部骨折骨折端形成陰性支撐復位后，近端骨塊內側皮質與遠端骨塊內側皮質形成“下托上”復位關系，受力后近端骨塊向外向下滑動，其內側皮質與遠端松質骨相互接觸，松質骨無法提供有力支撐形成“二次穩定”，骨折端塌陷、內翻，螺旋刀片切割，最終導致內固定失敗。本次有限元研究也顯示陰性支撐骨折端有明顯的應力集中，股骨頭頂部位移最大，提示股骨頭頸骨塊相對不穩定，骨折端間隙大，可能導致延遲愈合，甚至不愈合。

解剖復位一直是骨科手術遵循的原則，良好的對位對線具有較理想的恢復效果，而對于PFNA治療股骨頸基底部骨折，解剖復位和陽性支撐各有其優缺點：①本研究提示，陽性支撐的應力分布比中性支撐更為分散、均勻，更能有效地避免應力集中，且陽性支撐骨折端位移比中性支撐骨折端位移更小，更加有利于骨折端愈合;但股骨頸基底部骨折精準閉合復位常出現困難，如術中反復牽拉旋轉，使股骨血供遭到破壞，反而會增加股骨頭缺血性壞死、骨折不愈合風險[27]。②陽性支撐“上蓋下”的復位關系使近端骨塊向外向下滑動，其內側皮質與遠端內側皮質相互接觸，堅硬的皮質骨為頭頸骨塊提供了“二次穩定”，而中性支撐更多地依靠骨折端近端骨塊和遠端骨塊皮質骨的摩擦力形成穩定，提供支撐，當骨折端承受應力大于摩擦力時則造成滑動，進而變成陰性支撐，最終可能導致內固定失敗;但股骨頸基底部骨折解剖復位具有其生物學優勢：可較好的保護股骨頭血供，有效避免對關節囊的損傷，較好的保護血液供應，能有效降低術后感染風險或術中出血量[28-29]。③中性支撐即近端骨塊和遠端骨塊內側皮質在影像學透視上獲得完全對位，但由于透視影像的分辨力不強，1～2 mm皮質錯位并不能反映出來，在骨折端吸收后，中性支撐有可能轉變為陰性支撐而導致頭頸骨塊過度退縮[23]。

高齡股骨頸基底部骨折是老年人中最嚴重的骨折之一，本研究基于有限元法模擬不同復位狀態顯示：運用PFNA治療股骨頸基底部骨折，應避免陰性支撐復位狀態，盡量維持解剖復位或陽性支撐。因條件所限，本研究為靜態應力分析，而不同復位狀態產生的術后并發癥如螺旋刀片切割、股骨頭頸骨塊內翻和旋轉等卻是一個動態過程，我們將在后期研究中進行進一步深入研究。

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（收稿日期：2019-12-09? 本文編輯：顧家毓）