股骨颈骨折愈合后不同钉道类型的有限元分析

虎群盛，姜自伟，黄枫*

(1.广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405；2.广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东 广州 510405)

股骨颈骨折愈合后不同钉道类型的有限元分析

虎群盛1，姜自伟2，黄枫2*

(1.广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405；2.广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东 广州 510405)

目的 探讨股骨颈骨折愈合取出空心钉内固定后不同钉道类型对股骨近端力学分布的影响，为术后康复和并发症的预防提供理论参考。方法 利用64排螺旋CT扫描重建人体股骨近端的三维有限元模型，分别模拟正三角形与倒三角形空心钉内固定方式取出后的股骨近端钉道三维有限元模型，对模型进行加载和仿真计算。比较2种钉道模型与正常股骨模型在同一载荷下的应力分布。结果 最大应力均集中在股骨颈下方的股骨距区域。正三角形钉道模型股骨颈应力最大值(11.02 MPa)远远大于倒三角形钉道模型(10.82 MPa)与正常股骨近端模型(10.58 MPa)。结论 正三角形空心钉内固定取出后会明显造成股骨近端应力升高，在术后康复和功能锻炼时需要密切注意股骨颈骨折的风险。

股骨颈骨折；空心钉固定；内固定取出；有限元分析

股骨颈骨折是临床常见骨折，空心螺钉内固定是最常用的方法之一，主要适用于无移位或者是轻度移位的年轻骨折患者。Zielinski等[1]研究发现与未取出内固定的患者相比，内固定取出可改善股骨颈骨折患者的生活质量[1]。但是，目前临床上对于骨折愈合取出内固定后是否需要保护以及何时开始正常活动等问题没有统一的意见[2]。我们通过有限元方法分析股骨颈骨折骨性愈合取出内固定后不同钉道类型对股骨近端的应力分布的影响，为术后康复和并发症的预防提供理论参考，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 数据及软件 选择1例40岁成人健康男性志愿者，经过X线检查排除股骨病变情况。使用64排螺旋CT扫描(AQUILION64，广州中医药大学第一附属医院)，扫描条件：电压120 kV，扫描电流250 mA，扫描速度为0.875 s/r；层厚为0.5 mm，以DICOMG格式保存。所用软件：Mimics13.0(Materialise Company，Belgium)，GeomagicStudio10.0(Raindrop Company，USA)，SolidWork2010(Dassault Systemes Company，France)，Abaqus6.12.1(SIMULIA Company，USA)。

1.2 建模方法 将DICOMG格式的CT数据导入图像处理软件Mimics13.0软件，通过阈值分析、像素修补、光滑处理，得到包含骨皮质、骨松质在内的股骨上段三维模型，输出为STL文件，再导入GeomagicStudio10.0中进行光滑处理网格划分和拟合曲面，以Iges文件输出并导入到Solidwork2010软件与空心螺钉进行装配。在SolidWorks2010软件中根据临床上AO/ASIF空心加压螺钉的尺寸，螺钉直径为6.5 mm，分别按照倒三角形和正三角形的方式布置螺钉，螺钉顶端距股骨头关节面距离为5 mm。3 枚钉植入角度均为与股骨干纵轴成135°，前倾角15°，通过SolidWorks2010软件的切割实体、组合操作形成正三角形和倒三角形钉道的股骨近端模型。

1.3 材料属性和边界定义 设定本研究中使用的为均质、连续、各向同性的线弹性材料，材料属性赋值参考相关文献[3]，皮质骨弹性模量840 MPa，泊松比0.20，松质骨弹性模量16 800 MPa，泊松比0.30。采用四面体单元划分，划分网格所得到的节点和单元数见表1。

表1 不同模型节点数和单元数比较

1.4 加载运算与模型验证 在股骨头上表面的最上端取一受力面，模拟人在直立状态下的轴向受力情况，将1 000 N的力加到每个点上进行有限元加载。股骨远端底面作为固定端，施加三向平移和三向旋转约束。

1.5 观察指标 各模型的应力峰值和股骨颈应力峰值。

2 结 果

实验结果见表2。在同一载荷加载下，最大应力集中均集中在股骨颈下方的股骨距区域，正常股骨模型的应力峰值与股骨颈应力峰值最小(见图1)。在应力峰值方面，正三角形钉道模型和倒三角形钉道模型分别要比正常股骨模型高4.16%和2.27%。在股骨颈应力峰值方面，正三角形钉道模型和倒三角形钉道模型分别要比正常股骨模型高24.94%和2.27%。

表2 各模型组的应力峰值和股骨颈应力峰值(Mpa)

a 正常股骨模型 b 正三角形钉道模型 c 倒三角形钉道模型

图1 1 000 N轴向加压情况下各模型应力分布云图

3 讨 论

3.1 实验目的和有限元分析方法 股骨颈骨折临床多见于老年人的低能量损伤与年轻人的高能量损伤。对于无移位或者是轻度移位的年轻患者，空心螺钉固定是最常使用的治疗方法。临床上关于股骨颈空心螺钉固定的排列方式主要有正三角形排列与倒三角形排列这两种。近期研究表明倒三角形螺钉固定具有明显的生物力学和临床优势。Jiong等[4]采用有限元分析的方法对不同位置置入空心螺钉进行比较，结果发现倒三角形结构空心螺钉的固定效果最佳。Yang等[5]对202 例股骨颈骨折患者进行了随访，发现导致骨折不愈合的风险因素主要包括：螺钉正三角形排列、骨折移位严重、复位不佳，其中螺钉正三角形排列骨折不愈合高达23%，而倒三角形排列仅9%。但是关于不同排列结构置入空心螺钉取出后的生物力学分析研究相对较少。

与动物实验和生物力学实验相比，有限元分析具有实验条件容易控制、节省实验时间等优点。通过分别建立正三角形钉道和倒三角形钉道的三维模型，应用有限元方法进行力学分析，可以比较不同置钉方式骨折愈合后取出内固定对股骨近端的生物力学影响，为术后康复和并发症的预防提供理论参考。

3.2 实验结果的分析 从本次研究结果来看，和正常股骨模型相比，倒三角形钉道模型与正三角形钉道模型的应力峰值与股骨颈应力峰值均出现不同程度的上升。这直接反应了钉道对于股骨近端骨骼结构和性能的破坏。和正三角形钉道模型相比，倒三角形钉道模型对股骨近端的影响较小，股骨颈区域未出现明显的应力升高。而正三角形钉道模型的股骨颈应力峰值较正常股骨模型升高24.94%，存在明显的应力集中。

应力对骨的生长、重建起着重要的调节作用，应力集中所致的骨破坏是导致发生应力骨折的病理基础。虽然内固定取出后股骨颈再骨折的情况并不常见，但是由于应力集中，正三角形置钉骨折愈合取出内固定后发生股骨颈再次骨折的风险会明显上升。庞忠训等[6]研究认为，股骨颈内固定取出后遗留的骨洞空腔会造成骨骼结构质量的下降，股骨头颈的再生修复血管化缓慢。同时，由于失去内固定物的支撑保护，股骨颈内固定物取出后会明显增加再次骨折的风险[7]。

应力集中引起的骨强度降低与骨质缺损大小以及缺损形状有关。本研究发现两种构型空心螺钉取出后都会造成股骨近端应力升高，存在继发骨折的风险。在去除空心钉之后，由于钉道未完全愈合，骨骼强度和韧度下降，过早负重会使股骨近端应力增加从而容易出现骨折。和倒三角形置钉方式相比，正三角形置钉所产生的钉道会明显造成股骨颈区域应力升高。在正三角形空心螺钉取出后的康复和功能锻炼时尤其需要密切注意股骨颈骨折的风险。

3.3 本研究的不足和展望 在力学加载时，本研究只选择了静力分析，忽略了髋部肌肉等其他载荷对实验结果的影响，研究结果与临床实际可能存在一定误差，需要进行生物力学实验进一步验证不同方式置入的空心钉取出后对股骨近端结构性能的影响。

本研究显示正三角形空心钉取出后股骨颈存在明显的应力上升。笔者认为在股骨颈骨折愈合取出空心钉之后应格外小心，开展康复训练时应循序渐进，必要时应拍X线检查证实钉道完全愈合后再进行负重活动或者重体力劳动，以降低再骨折的风险。

[1]Zielinski SM，Heetveld MJ，Bhandari M，etal.Implant Removal After Internal Fixation of a Femoral Neck Fracture：Effects on Physical Functioning[J].J Orthop Trauma，2015，29(9)：285-292.

[2]Busam ML，Esther RJ，Obremskey WT.Hardware removal：indications and expectations[J].J Am Acad Orthop Surg，2006，14(2)：113-120.

[3]Tada S，Stegaroiu R，Kitamura E，etal.Influence of implant designand bone quality on stress/strain distribution in bone around implants：a 3-dimensional finite element analysis[J].Int J Oral Maxillofac Impants，2003，18(3)：357-368.

[4]Jiong M，Shi WL，Guang YJ，etal.Finite element analysis of the effect of cannulated screw placement and drilling frequency on femoral neck fracture fixation[J].Injury，2014，45(12)：2045-2050.

[5]Yang JJ，Lin LC，Chao KH，etal.Risk factors for nonunion in patients with intracapsular femoral neck fractures treated with three cannulated screws placed in either a triangle or an inverted triangle configuration[J].J Bone Joint Surg(Am)，2013，95(1)：61-69.

[6]庞忠训，彭方敏.青壮年股骨颈骨折内固定取出后股骨头坏死的临床分析[J].中国矫形外科杂志，2012，20(14)：1335-1336.

[7]Eberle S，Wutte C，Bauer C，etal.Evaluation of risk for secondary fracture after removal of a new femoral neck plate for intracapsular hip fractures[J].J Orthop Trauma，2011，12(25)：721-725.

Finite Element Analysis of Different Screw Path after Femoral Neck Fracture Healing

Hu Qunsheng1，Jiang Ziwei2，Huang Feng2

(1.First Clinical Medical of Guangzhou Chinese Medicine University，Guangzhou 510405，China；2.Department of Trauma Orthopedic，The First Affiliated Hospital of Guangzhou Chinese Medicine University，Guangzhou 510405，China)

Objective To investigate the stress distribution of different screw path of proximal femur after femoral neck fracture healing with removal of cannulated screws so as to provide theoretical reference for rehabilitation and prevention of complications after surgery.Methods Dimensional finite element model of the human proximal femur was reconstructed by 64-slice spiral CT scan.Finite element model of equilateral triangle and inverted triangle screw path were established respectively.Under the same load and constraint，the von stresses of the femural in different models were compared by the finite element analysis.Results The maximum von stress were concentrated in the region of calcar under the femoral neck.The maximum von stress of equilateral triangle model (11.02 MPa) was much larger than inverted triangle model(10.82 MPa) and normal proximal femur model (10.58 MPa).Conclusion The stress of femur neck would increase significantly after equilateral triangle screws were removed.It was needed to pay close attention to risk of femoral neck fracture when did rehabilitation and functional exercises after surgery.

femoral neck fracture；cannulated screw fixation；hardware removal；finite element analysis

1008-5572(2016)12-1091-03

广东省自然科学基金项目(2014A030310379)；广州市科技计划一般项目(201510010005)；国家中医药管理局2013年全国中医药专家传承工作室建设项目——陈基长全国名老中医药专家传承工作室(国中医药人教发[2013]47号)；

R683.42

A

2016-04-05

虎群盛(1983- )，男，博士研究生在读，广州中医药大学第一临床医学院，510405。

*本文通讯作者：黄枫