“F”形空心钉内固定技术治疗股骨颈骨折的有限元分析

许景红，汤志辉，毛成鹏，欧阳国新

(新疆建设兵团第一师医院外一科，新疆 阿克苏 843000)

股骨颈骨折是中老年人常见的髋部损伤，手术复位空心加压螺钉内固定是主要的治疗手段，但术后骨折不愈合发生率仍在9.3%左右[1]，即使骨折愈合，后期仍可能出现股骨颈短缩。目前，临床通常将空心钉按照“正三角”植入，但Weil等[2]通过回顾性研究发现该内固定股骨颈短缩发生率为56%，为此，Filipov[3]提出了一种新的空心钉固定方式，即“F”形技术，经过对88例股骨颈骨折患者的随访，愈合率达98.86%。本研究通过有限元分析的方法对两种内固定的力学机理进行研究，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 有限元的模型建立

1.1.1 建立几何模型 选取经X线片检查确定股骨近端及髋关节无外伤史、骨关节畸形或代谢性疾病健康志愿者1名，43岁，男性，身高174 cm，体重75 kg。采用128排螺旋CT对志愿者股骨中上段行CT薄层扫描，扫描层厚0.625 mm，CT图像存储为DICOM格式文件导入医学三维重建软件Mimics 16.0，根据组织的灰度值，通过区域分割，构建得到股骨上段三维模型，将模型输出为点云格式，导入Geomagic studio2012，对模型进行除噪点、平滑等处理，拟合出骨骼的NURBS曲面，再导入Cero3.0构建骨骼的实体模型。

根据临床上AO/ASIF空心加压螺钉的尺寸确定螺纹部分直径为7.3 mm，无螺纹部分直径为4.8 mm。由于本研究的重点与螺纹关系不大，因此为简化模型，忽略螺纹的细节，以直径7.3mm的圆柱体代替螺纹部分。在Cero3.0中将螺钉与股骨颈组合建立对照组(空心钉按照正三角形排列)、实验组(空心钉按照“F”形排列)并在组件模式下按照Pauwels角为70°标准建立股骨颈骨折模型。

1.1.2 建立有限元模型 将上述模型以STP格式导入Hypermesh 13.0划分为四面体C3D4单元，所有结构的材料属性为各项同性线弹性材料，各结构泊松比及弹性模量参数均来自既往经典文献[4]。设定螺钉螺纹部分和骨之间及钉尾与股骨之间为Tie连接，无螺纹部分与钉道之间接触摩擦系数为0.15，骨折断端之间摩擦系数为1.0。

1.1.3 边界条件及载荷 股骨近端承受的载荷包括关节力、肌肉力以及动力冲击载荷等，并且在不同状态各个作用力的方向亦不一致，复杂的力学环境很难用有限元法模拟进行精确模拟。因此，本研究参考文献[5]进行了合理的简化，计算体重为75 kg的成人在单足站立和双足站立两种状态，并将股骨远端截面为边界条件进行约束，将生成的三维模型导入Abaqus 6.14计算。

1.1.4 观察指标及统计分析 本研究数据均采用SPSS16.0统计学软件进行分析。在两种不同内固定模型中，选取股骨矩区10个代表节点的平均应力值、股骨头位移量、骨折断面间距离进行配对t检验，P<0.05为差异具有统计学意义。同时对空心钉应力分布、股骨近端应力分布进行描述性分析。

2 结 果

2.1 不同内固定模型的应力分布情况 对照组中，最上方空心钉钉尾上方、下方2枚空心钉钉尾的下方及骨折断端股骨矩区域出现明显的应力集中。提示在承受压力载荷时，下方2枚空心钉，特别是后下方空心钉的支撑强度的维持，需股骨矩部位骨质作为骨性支点。实验组中，螺钉的应力主要集中在钉头的螺丝螺杆结合处，并沿螺杆均匀分布到钉尾及周围的骨质，在骨折断端骨质特别是股骨矩部位应力分散明显，提示，通过"强斜"形植入的空心钉，能够弥补股骨矩骨质的不连续，将载荷顺利传导至外侧骨皮质(见图1)。

2.2 不同内固定模型中股骨颈骨折断端股骨矩区的应力、总位移量、最大裂隙距离的比较 与对照组相比，实验组能够明显减小股骨矩断端的应力载荷(P<0.01)、股骨头总位移量及骨折断端的相对位移量(P<0.05，见表1)。

a 对照组中螺钉的应力分布 b 对照组股骨近端应力分布 c 实验组螺钉应力分布 d 实验组股骨近端应力分布

表1 不同内固定模型中股骨颈骨折断端股骨矩区的应力、总位移量、最大裂隙距离比较

3 讨 论

股骨颈骨折是一种比较常见的创伤，按照Pauwels角对骨折进行分型，有利于评价骨折的力学稳定性，即Pauwels角<30°，为外展稳定型；30°50°，为内收极不稳定型。随着Pauwels角度的增大，股骨颈骨折断端所承受的剪切力显著增加，出现内固定失败的风险也越大。根据国际内固定研究学会(AO/ASIF)提出的股骨颈骨折内固定设计原则，应在消除扭转应力和剪切应力的同时保留轴向的压应力，以利于骨折的愈合，人们提出了动力髋、侧方钢板、空心钉等固定方式，各有优缺点。经过长期的临床实践，目前公认采用3枚空心拉力螺钉呈正三角模式固定股骨颈骨折能够满足骨折愈合的力学稳定性要求[6]。虽然Oden等[7]通过有限元分析发现，“正三角”形置入股骨颈，具有比较好的抗剪和抗扭效果。但该固定术后骨折愈合时间长，容易出现内固定松动以及股骨头坏死，高并发症发生率不仅与复位质量、骨折类型、术后是否过早下地等因素有关，还与空心钉的空间形态有一定的相关性。

本研究通过逆向建模方法，建立了Pauwels角>70°内收极不稳定型股骨颈骨折的有限元模型，发现按照“正三角”形螺钉固定时，股骨头后上方承受体重载荷会在最上方螺钉钉尾上方出现较大拉应力，而在下方2枚螺钉钉尾下方及股骨矩出现明显的压应力。提示该种固定方式符合正常状态下股骨近端的应力传导方式，即股骨颈外上方承受拉应力，内下方承受压应力。但在股骨颈骨折时，由于骨架结构连续性被破坏，丧失了传递应力的作用，复位后应按照股骨近端悬臂梁结构力学机理进行固定，但此时悬臂梁的关键是支柱的力学强度，即股骨矩的强度，“正三角”形置入的空心钉与压力骨小梁之间无论在冠状面还是在空间结构上仍存在一定的角度，从而导致股骨矩部位产生压应力分力，并同时会在钉尾股骨皮质周围产生较大的应力集中。

“F”形技术是由Filipov[3]提出，该技术使用空心钉双平面、双支撑点、大角度的“强斜”置钉方法，88例股骨颈骨折患者的愈合率达98.86%。夏希[8]等应用“F”形技术治疗130例股骨颈骨折，发现强斜低位内固定组的短缩率(35.5%)明显低于非强斜内固定组(50.8%)。本研究通过动态观察低位"强斜"形植入空心钉的解剖形态，恰好和股骨矩的方向相一致，该空心钉能够将体重产生的压应力传导至股骨外侧皮质，增强了股骨颈轴向抗压能力，从而形成股骨近端悬臂梁结构中心，为上方2枚空心钉的悬吊提供支撑，该悬吊空心钉减轻了股骨颈下方的压力载荷，进而将股骨颈骨折端的载荷恰当的分布到空心钉及股骨外侧骨皮质上。本研究发现与传统的“正三角”固定相比“F”形固定能够明显减小内固定对股骨矩断端的应力载荷(P<0.01)，并增强股骨头在承受载荷时的稳定性，减小总位移量及骨折断端的相对位移量(P<0.05)，为骨折端的稳定提供了力学环境[9]。

通过上述研究，作者认为“F”形空心钉技术治疗股骨颈骨折内固定，不仅能够在维持断端轴向压应力的同时消除扭转应力和剪切应力，而且能够通过强斜形植入的空心钉，在内固定悬臂梁结构中形成新的支柱核心，从而有效降低骨折端的剪切应力，为骨折的愈合提供良好的力学环境。

参考文献：

[1]Slobogean GP，Sprague SA，Scott T，et al.Complications following young femoral neck fractures[J].Injury 2015，46(3)：484-491.

[2]Weil YA，Khoury A，Zuaiter I，et al.Femoral neck shortening and varus collapse after navigated fixation of intracapsular femoral neck fractures.[J].J Orthop Trauma，2012，26(1)：19-23.

[3]Filipov O.Biplane double-supported screw fixation(F-technique)：a method of screw fixation at osteoporotic fractures of the femoral neck[J].Eur J Orthop Surg Traumatol，2011，21(7)：539-543.

[4]张浩，史雪峰，杨春宝，等.3枚与4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析[J].中国组织工程研究，2016，20(26)：3897-3902.

[5]杨成伟，李全，孙伟，等.内收型股骨颈骨折多根空心螺钉固定的三维有限元分析[J].中国矫形外科杂志，2009，17(14)：1077-1080.

[6]赵庭波，吉璐宏，唐欢.正三角和倒三角排列治疗中青年股骨颈骨折疗效比较[J].实用骨科杂志，2016，22(4)：372-375.

[7]Oden ZM，Selvitelli DM，Bouxsein ML.Effect of local density changes on the failure load of the proximal femur[J].J Orthop Res，1999，17(5)：661-667.

[8]夏希，刘智.老年股骨颈骨折空心螺钉固定术后颈短缩的测量及其对髋关节功能的影响[J].中华创伤骨科杂志，2014，16(8)：651-655.

[9]Filipov O，Gueorguiev B.Unique stability of femoral neck fractures treated with the novel biplane double-supported screw fixation method：A biomechanical cadaver study[J].Injury，2015，46(2)：218-226.