4種內固定方式固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的有限元分析

宋丹丹 蔡震海 陳剛 尹海波 何曉君

股骨頸骨折是常見的髖部骨折之一，而Pauwels分型對骨折愈合的生物力學評價具有重要意義［1］。此類骨折術后骨不愈合及骨壞死發生率分別達到16%~59%及11%~86%［2］。內固定治療是股骨頸骨折的治療方式之一。傳統內固定方式有多枚空心螺釘、動力髖螺釘（DHS）以及股骨近端鎖定鋼板等。其中，多枚空心釘固定存在固定不牢靠缺乏角穩定特性、抗剪切力差的缺點［3］；動力髖螺釘雖然為角穩定裝置但抗旋轉力差，且其植入股骨頸內的螺釘直徑過大對股骨頭血運破壞嚴重，易發生股骨頭缺血壞死［4］；而鎖定鋼板目前臨床應用結果也不理想，應力較集中，發生骨不愈合及股骨頭切割的現象較多等［5-6］。本研究通過結合原內固定物的優點，設計一種新型內固定裝置，并通過三維有限元分析該新型內固定裝置固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學模型與原有內固定方法（三枚空心釘、DHS、股骨近端鎖定鋼板）進行比較，評估新型內固定器固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學穩定性。

1 材料和方法

1.1 材料 （1）內固定物：空心螺釘、角度器、鎖定板、滑動加壓釘、拉力螺釘。4種內固定方式：三枚空心螺釘、DHS、股骨近端鎖定板、髓內動力髖螺釘。（2）器材：硬件：GE螺旋CT、個人PC（聯想）。軟件：Mimics 21（Materialise公司），Geomagic studio X 2016（Geomagic公司），Solidworks 2018（SolidWorks公司），Ansys workbench 18.2（ANSYS公司）。

1.2 實驗方法 （1）三維模型重建及有限元模型建立：對志愿者股骨進行CT掃描，將CT掃描得到的DICOM源文件導入Mimics軟件中重建股骨上段的三維模型，導出STL文件。將STL文件導入Geomagic軟件進行優化及光滑操作，導出STP文件并導入Solidworks軟件，在Solidworks軟件中以股骨頸處與水平面成75°模擬Pauwels Ⅲ型骨折進行截骨處理。在Solidworks軟件中根據相關參數（廠家提供）重建4種內固定裝置的三維模型，并按照各自手術操作標準，裝配4種內固定模型（見圖1），各內固定植入物主要尺寸見表1。將模型導入Ansys workbench軟件進行有限元分析。網格劃分的原則是在保證計算精度的基礎上，最大限度的降低網格數量，從而降低計算時間。本次模擬中，使用的單元共包括以下4種：三維10節點二次四面體單元（Solid187）、三維20節點二次六面體單元（Solid186）、接觸單元（目標面，Targe170）、接觸單元（接觸面，Contact174）（見圖2）。（2）材料賦值、邊界設定及添加載荷：賦予各個部件材料屬性（所有內固定結構均采用TC4材料），見表2。設定股骨底部為固定端，無任何方向的位移和旋轉。內固定與股骨之間為綁定接觸，股骨頸骨折斷面間為摩擦接觸，摩擦系數設定為0.23［7］。然后在股骨頭上表面施加580N載荷，方向豎直向下［8］（見圖3）。（3）評價方法：經過有限元分析，將4中內固定方式模型中，股骨位移、最大應力值及應力分布匯總分析。

圖1 4種內固定方式模型：股骨近端鎖定板（A）、DHS（B）、三枚空心螺釘（C）、髓內動力髖螺釘（D）

表1 各內固定植入物的主要尺寸

表2 有限元計算中各種材料的屬性

圖2 網格（單元）劃分

圖3 載荷和固定邊界條件

2 結果

在相同載荷下，在pauwelss Ⅲ型骨折中，在相同的載荷580N下，股骨位移峰值：髓內動力髖螺釘<股骨端鎖定鋼板

表3 不同內固定方式下股骨應力峰值和位移峰值

3 討論

Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折多發生于中老年患者，占所有髖部骨折的3%左右，多因高能量損傷導致［9］。此類患者骨折端具有較大的剪切力和張力，且此剪切力和張力對骨折產生極為不利影響，術后骨不連，骨壞死及內固定失敗等發生率較高。據最近一項Meta分析指出：該類患者再手術率近18%，骨不連率9%，缺血性壞死率達14%，內固定失敗率約10%［10］。而既往研究多圍繞解剖復位，減少創傷，堅強內固定等方面展開，忽視骨折本身生物力學特性，進而導致較高的并發癥及內固定失敗發生。因此，相關學者［11］及AO協會［12］指出此類骨折內固定應盡量滿足以下條件：①抵抗骨折端的剪切力及彎應力；②增加軸向加壓力；③盡可能減少對股骨頭等組織的創傷。

關于股骨頸骨折的最優內固定，目前尚無定論。臨床上較常見的傳統內固定方式有：多枚空心螺釘、DHS（動力髖螺釘）以及股骨近端鎖定鋼板等，且各具優缺點。其中，三枚空心螺釘“倒三角”置入是目前臨床上應用較為廣泛的一種固定方式。該固定方式具有一定的抗剪切力及抗旋轉力，并提供軸向加壓［13］。但臨床研究顯示，因為空心釘置釘方向并不完全與此型骨折線垂直，骨折端的軸向加壓力僅為壓縮力的分力，另一分力則加大骨折端的剪切力，導致把持力不夠，后期易出現骨折移位、退釘、髖內翻等穩定性差的表現發生。本研究得出類似結果：相同載荷條件下，與其他三類內固定方式相比，雖然骨折端產生較大應力，但部分轉化為剪切力，導致股骨位移最大，且峰值均位于股骨頭處，顯示空心螺釘置入的穩定性較另外三種內固定器差。DHS雖具有較好的生物力學穩定性，其股骨位移較空心螺釘顯著減小，但臨床應用上因其對股骨頭血供破壞較大，同時單枚拉力螺釘抗旋轉能力較差，術后骨壞死的發生率較其他內固定方式高，臨床隨訪結果也證明如此［4］。股骨近端鎖定鋼板近年來已逐漸開展使用，具有較強的加壓、抗旋轉作用，且位移較小，穩定性也較空心螺釘及DHS兩種內固定物強。但有限元分析顯示該方式固定應力較集中，在臨床使用時易導致骨小梁微骨折、股骨頭塌陷，增加股骨頭壞死幾率，同時易發生鋼板斷裂等不良后果。相比以上三種內固定器，髓內動力髖螺釘顯示出生物力學上的優勢。髓內動力髖螺釘在四種內固定器中位移最小，穩定性最好，且具有較強應力，對骨折端產生較強的軸向應力，持續加壓，利于骨折的愈合；同時應力相對分散，理論上降低骨壞死發生率。但尚需臨床的應用及隨訪結果進一步驗證。

近年來，關于Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折內固定方式研究主要圍繞生物力學展開。相關研究已經顯示；DHS 在骨折端的持續加壓作用方面較有優勢［14］。但其應力分布相對集中且抗旋作用不足。FREITAS［15］及SAMSAMI等［16］提出以動力髖螺釘聯合空心釘固定治療股骨頸骨折，可起到防旋作用，且得到比較好的臨床隨訪結果。也有報道指出，髓內釘固定遠期較動力髖螺釘固定更優良，且顯著增強髖關節軸向負荷，具有較好的力學穩定性，適用于中青年不穩定型股骨頸骨折患者［17］。本資料結果表明，髓內動力髖螺釘具有理論上的軸向加壓、防旋穩定性及對血供破壞較少的優點。

綜上所述，Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折是一種對內固定生物力學要求較高的骨折類型，三枚空心螺釘在防旋作用上具有優勢，但穩定性較差；DHS和股骨近端鎖定鋼板穩定性較好，但應力相對集中；髓內動力髖螺釘在生物力學及損傷程度上均證明是一種較佳的固定方式。但仍需臨床應用隨訪驗證。