不同内固定方法治疗不稳定型粗隆间骨折的有限元分析

贺洪辉，侯 威

（南华大学附属南华医院关节运动科，湖南衡阳421000）

不同内固定方法治疗不稳定型粗隆间骨折的有限元分析

贺洪辉，侯 威

（南华大学附属南华医院关节运动科，湖南衡阳421000）

目的 利用三维有限元技术对不稳定型粗隆间骨折及动力髋螺钉（DHS）、股骨近端髓内钉（PFN）、股骨近端锁定钢板（PF-LCP）进行建模，分析3种方式固定不稳定型粗隆间骨折（AO分型31-A2型、31-A3型）的生物力学特性及其稳定性，以期对不稳定型股骨粗隆间骨折的治疗提供科学、客观、可靠的力学理论依据，指导临床治疗。方法 建立31-A2型、31-A3型骨折模型（AO分型理想模型），分别采用DHS、PFN、PF-LCP 3种方式固定2种骨折，利用有限元方法模拟及分析正常载荷静止状态下单足中立位时3种方式固定2种骨折的生物力学稳定性。结果 力学加载后在31-A2型、31-A3型骨折断面节点应力值及骨折线位移值最大者均为DHS，其次为PF-LCP，PFN应力及位移最小，三者最大应力在31-A2型分别为15.3、4.30、3.80 MPa，在31-A3型分别为56.9、31.16、16.63 MPa；3种方式骨折断面节点应力值比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。三者最大位移值在31-A2型分别为381、334、269 μm，在31-A3型分别为430、333、271 μm。2种骨折断面应力最均匀的固定方式为PFN，其次分别为PF-LCP、DHS；骨折位移最小的固定方式为PFN，其次分别为PF-LCP、DHS。结论 在31-A2型、31-A3型骨折中PFN固定效果最优，其次分别为PF-LCP、DHS；DHS对股骨近端具有明显的应力遮挡效应，且在31-A3型骨折断面外侧区有应力过分集中现象，容易导致固定衰败，是不适用的。

股骨骨折/外科学； 有限元分析； 骨螺丝； 骨折固定术，内； 骨钉； 骨折固定术，髓内； 股骨近端锁定钢板

粗隆间骨折是髋部常见骨折，好发于老年骨质疏松者，是致残及致死的主要原因[1]。随着我国老龄化逐年加剧，股骨粗隆间骨折发病率逐年上升。早期行粗隆间骨折内固定术可明显减少患者卧床时间，降低并发症发生率和病死率。临床主要应用髓外及髓内系统进行固定，髓外系统主要代表为动力髋螺钉（dynamic hip screw，DHS）、股骨近端锁定钢板（proximal femur locking plate，PF-LCP）等。髓内主要代表为Gamma钉、股骨近端髓内钉（poximal femoral nails，PFN）等。目前国内外学者选择何种内固定系统还存在争议[2]。尤其对不稳定型股骨粗隆间骨折选用何种内固定尚缺乏有效的生物力学依据。本研究利用三维有限元法对DHS、PFN、PF-LCP固定不稳定型粗隆间骨折（AO分型31-A2型、31-A3型）的应力、位移等特征进行对比分析，以期对不稳定型股骨粗隆间骨折的治疗提供科学、客观、可靠的力学理论依据，为临床选择内固定方法提供合理建议。

1 资料与方法

1.1 一般资料 对70岁健康男性志愿者（自愿参加并签订知情同意书）1例进行X射线、CT检查，排除股骨及髋关节创伤、骨病及肿瘤等。使用美国GE牌64排CT进行髋关节及全长股骨薄层扫描，层厚1 mm，生成380张DICOM格式的CT图像，由Mimics软件读取相关数据。

1.2 方法

1.2.1 实验步骤 （1）将CT图片导入Mimics软件中建立股骨三维模型；（2）将三维模型导入Geomagic逆向工程软件中进行优化处理；（3）利用Workbench软件模型处理功能，按31-A2、31-A3理想骨折线切割股骨模型，31-A2型：骨折线位于转子间线与股骨纵轴45°，内侧及后侧骨皮质破裂，外侧骨皮质完好；31-A3型：骨折线由小转子上向外向下延伸至股骨外侧皮质；（3）依据骨折模型尺寸并参考临床实际医疗器械按比例对内固定模型进行设计构造，并按照标准手术方法装配骨折模型及内固定模型；（4）采用Workbench软件Solid187实体单元对模型进行网格划分（十节点四单元体），设置边界条件，加载荷，定义相互接触关系，进行计算分析。

1.2.2 边界条件、接触设置及材料属性 （1）边界条件：固定股骨远端，进行静态力学加载，模拟单足中立位时生物力学特征。（2）设置：所有拉力螺钉在股骨头内为牢固固定，在股骨颈、髓内钉主钉及动力髋钢板中为部分固定，摩擦系数为0.3；骨折断面摩擦接触，摩擦系数亦为0.3。髓内钉远端交锁钉在骨皮质处为完全固定，在髓内钉主钉滑动孔中为滑动固定。固定构件与股骨间为绑定接触。（3）由于股骨近端形态不规则且骨质不均匀缺乏规律，将所有模型材质均设为均匀体，材料属性参照文献[3]，见表1。

表1 相关材料属性

1.2.3 加载条件 模拟体质量60 kg患者静止状态下单足中立位时髋关节承受的重量。承重力线经股骨头中心垂直向下[4]。加载点选取股骨头中心，方向垂直向下。

1.2.4 评价指标 （1）骨折断面应力分布特点：在2种骨折断面分别均匀选取8个节点进行应力测定，骨折断面应力分布越均匀说明骨折端越稳定；（2）骨折位移：分别在6个模型的骨折线选取5个节点进行位移测量，位移越小说明内固定越可靠；（3）应力特点分析：分析3种方式固定股骨近端应力特点。

1.3 统计学处理 应用SPSS16.0统计软件进行数据分析，采用多独立样本非参数检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 骨折断面应力分布特点

2.1.1 31-A2型 DHS固定时应力主要集中在小转子附近区域，PFN固定时应力主要集中在拉力螺钉区域；PF-LCP固定时应力主要集中在拉力螺钉附近区域；3种方式骨折断面节点应力值比较，差异有统计学意义（P<0.05），见表2。骨折断面应力最均匀的固定方式为PFN，其次分别为PF-LCP、DHS，见图1。

表2 31-A2型骨折中3种方式骨折断面节点应力值比较（MPa）

图1 31-A2型骨折断面应力云图

2.1.2 31-A3型 DHS固定时应力在骨折面上分布极度不均匀，且在骨折面外侧区有应力过分集中现象，势必导致固定衰败。3种方式骨折断面节点应力值比较，差异有统计学意义（P=0.048），见表3。骨折断面应力最均匀的固定方式为PFN，其次分别为PF-LCP、DHS，见图2。

表3 31-A3型骨折中3种方式骨折断面节点应力值比较（Mpa）

图2 31-A3型骨折断面应力云图

2.2 骨折位移 31-A2型、31-A3型骨折3种方式骨折线位移比较，差异均有统计学意义（P=0.02、0.03）；31-A2型、31-A3型骨折线位移最小的固定方式为PFN，其次分别为PF-LCP、DHS，见表4。

表4 2种骨折3种方式骨折线位移比较（μm）

2.3 3种方式固定股骨近端应力特点分析 DHS侧方钢板下股骨有一明显应力遮挡区域，容易形成应力遮挡区域骨质失用性疏松，造成去钢板后应力遮挡区域骨折。PF-LCP、PFN固定时股骨近端应力分布较均匀，且PFN固定股骨近端应力分布更接近正常。3种方式固定股骨近端应力云图见图3、4。

图3 31-A2型骨折3种方式固定股骨近端应力云图

图4 31-A3型骨折3种方式固定股骨近端应力云图

图5 完整正常股骨近端模型加载后应力云图

3 讨 论

股骨粗隆间骨折严重危害老年患者健康，若不及时治疗病死率较高。大多数学者认为，对老年股骨粗隆间骨折如无明显禁忌证均应早期给予手术治疗[5]。当前，用于固定股骨粗隆间骨折的内固定种类较多，有髓外固定及髓内固定系统。对不稳定型股骨粗隆间骨折内固定方法的选择尚有较多争议，主要是由于缺乏相应生物力学研究及可靠的力学理论依据。由于股骨近端形态复杂、力学传导非线性，传统力学实验方法不能较精确、直观、完整地反映力学传导及变化过程，且传统力学实验方法周期长，重复性差，加载方式及属性较为单一。随着计算机技术的发展，三维有限元技术能对不同材料属性及结构功能进行精确模拟，不仅能对生物体力学特性进行定量精确计算分析，又可将力学传递及分布特征直观表现出来，且研究重复性高，应用广泛，损耗小，较普通实验方法获取的实验结果更具有临床意义[6]。

本研究首先建立完整股骨模型，并对模型进行材料赋值，模仿生理条件及载荷下股骨应力特征，得出股骨近端张应力位于外侧，而压应力位于内侧，最大值压应力在小转子附近，见图5。将这一应力分布特征与传统实验所得结果进行对比分析具有95%的一致性，验证了本研究力学加载方式科学、合理。本研究采用的网格划分方式为十节点四单元体，在精确度方面较四节点四单元体更具有优势[7]。本研究对股骨及内固定材料均进行了降噪、磨光等优化处理，并对其进行精确网格划分，能精确模拟及分析模型加载后的生物力学特征，并对力学进行定量分析，使模型更加接近真实的生物力学特征。由于31-A2型、31-A3型骨折形式的多样性，本研究尚不能一一模拟分析，故将31-A2型、31-A3型骨折进行理想化处理，也能满足研究要求。本研究主要通过分析模型应力分布特点、骨折断面节点应力值及骨折线位移值3个方面对比3种方式固定2种骨折模型的力学传递特征及利弊，总体说来在2种骨折模型中PFN效果最优，其次分别为PF-LCP、DHS，其中DHS对31-A3性骨折是不适用的。

在DHS与髓内钉力学对比研究方面，李山珠等[8]利用有限元方法对 DHS、PFN 2种内固定治疗 Evans-JensenⅡb型股骨粗隆间骨折进行了生物力学分析及比较，结果显示，PFN固定时股骨近端和内固定上的应力及骨折位移量均较DHS小，PFN较DHS具有较明显的优势，尤其是伴小转子骨折的股骨粗隆间骨折。

在DHS与股骨近端钢板对比研究方面，既往大多数研究表明，股骨近端经皮加压钢板及锁定钢板较DHS在出血量、手术时间、感染率、术后并发症及康复时间方面均具有明显优势[9-11]。张凯瑞等[12]通过有限元法证明，经皮加压钢板治疗稳定型股骨粗隆间骨折较DHS在力学稳定性方面更具有优势，主张治疗稳定型股骨粗隆间骨折使用经皮加压钢板，但对不稳定型粗隆间骨折是否适用还缺乏进一步的研究。本研究同样利用有限元方法对PF-LCP固定不稳定型粗隆间骨折的生物力学特性进行了分析，结果表明，在股骨近端应力分布均匀性、骨折断面应力分布均匀性、骨折稳定性方面PF-LCP较DHS同样具有明显优势。

在Gamma钉、DHS与股骨近端钢板对比研究方面，朴海旺[13]利用有限元方法对Gamma钉、DHS及锁定钢板固定31-A2型粗隆间骨折进行了研究，并从抗压力、抗旋转及抗张力角度详细阐述了Gamma钉、DHS及锁定钢板的力学特性及优劣性，表明在抗压力方面Gamma钉优于DHS及锁定钢板，在抗旋转方面锁定钢板优于Gamma钉和DHS，Gamma钉与DHS比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。在抗张力方面Gamma钉、锁定钢板优于DHS，Gamma钉与锁定钢板比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；DHS及锁定钢板可造成股骨近端应力遮挡效应，Gamma钉应力遮挡效应较小。本研究同样利用有限元法对PFN、DHS及PF-LCP固定不稳定型粗隆间骨折的生物力学特性及优劣性进行了对比分析，从骨折断面、股骨近端应力及骨折位移方面阐述了3种方式的生物力学特征，从另一角度进一步完善了固定不稳定型股骨粗隆间骨折的力学理论依据。

三维有限元生物力学研究为多科学交叉综合研究，涉及临床医学、临床影像学、数学、计算机辅助制造、有限元分析等众学科，由于涉及知识面较广泛，且受经验能力及实验条件等影响本研究尚存在一些不足，尚需依靠以后继续研究及努力完善。本研究进行的是一种静态力学研究，仅加载垂直方向的作用力进行有限元分析，所以得出的实验结果与真实动态行走下的结果存在一定偏差。且骨骼是一种各向异性材料，目前，还没有办法将生命体骨骼用数学的方法精确、全面地表达出来，故无法精确、全面地对生命体骨骼进行建模，也会对有限元分析精度有所影响[14]。任何有限元模型均是近似的模拟，其不可能将所有的实验要求及影响因素均包括在内，因此，再精确的有限元分析也或多或少存在一些偏差，其结果及结论的真实、可靠性最终仍需用传统的实体生物力学实验进行检验。随着有限元技术的发展一些学者开始对肌肉、关节囊、软骨、血管、神经甚至流动的血液进行建模并模拟其生物力学特性，这也使有限元分析精度越来越逼近真实的生命体。作者将在以后的研究中进一步丰富模型，提高模型的全面、精确性。

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Finite element analysis on different internal fixation methods for treating unstable intertrochanteric fractures

He Honghui，Hou Wei
（Department of Joint Movement，Affiliated Nanhua Hospital，University of South China，Hengyang，Hunan 421000，China）

ObjectiveTo establish the models of unstable intertrochanteric fractures，dynamic hip screw（DHS），proximal femoral nail（PFN）and proximal femoral-locking plate（PF-LCP）by applying the three-dimensional finite element technique and to analyze the biomechanical characteristics and stability of unstable intertrochanteric fractures（AO classification，type 31-A2 and type 31-A3）fixed with three kinds of methods in order to provide scientific，objective and reliable mechanical theoretical bases for treating unstable femoral intertrochanteric fractures and guiding clinical treatment.MethodsThe type 31-A2 and 31-A3 fracture models（ideal models of AO classification）were established and the 3 kinds of mode DHS，PFN and PF-LCP were adopted to fix the two kinds of fractures respectively.The biomechanical stability of two kinds of fractures fixed with three fixation approaches in the neutral position of a single foot under normal quiescent loads.ResultsIn type 31-A2 and 31-A3 after mechanical loading，the DHS fixation had the greatest stress values of fracture surface and fracture line displacement，followed by PFLCP，and which of PFN fixation was minimal.The greatest stress values were 15.3，4.30，3.80 MPa for type 31-A2，56.9，31.16，16.63 MPa for type 31-A3，the differences among the three kinds of mode were statistically significant（P<0.05）；the greatest displacement values were 381，334，269 μm for type 31-A2 type and 430，333，271 μm for type 31-A3 respectively.The most homogeneous stress of fixation mode in fracture cross section of two kinds of fracture was PFN，followed by PF-LCP and DHS；the minimal displacement of fixation mode was PFN，followed by PF-LCP and DHS.ConclusionThe PFN fixation has best effect in type 31-A2 and 31-A3 fracture，followed by PF-LCP and DHS；DHS has an obvious stress-shielding effect on proximal femur，moreover the over-centralized phenomenon of stresses appears in the lateral region of type 31-A3 fracture surface，which is easy to result in the fixation failure and is unsuitable.

Femoral fractures/surgery； Finite element analysis； Bone screws； Fracture fixation，internal； Bone nails； Fracture fixation，intramedullary； Proximal femur locking plate

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.24.005

A

1009-5519（2015）24-3700-04

2015-09-15）

2013年度湖南省医药卫生科研计划课题基金资助项目（B2013-047）。

贺洪辉（1973-），男，湖南耒阳人，硕士研究生，副主任医师，主要从事骨关节与运动医学研究工作；E-mail：hhh19731102@163.com。

侯威（E-mail：280640580@qq.com）。