新型钉棒系统治疗股骨颈骨折的三维有限元分析

林暐哲 陈文钧 许 耀 王世龙 章 晔 汤超亮 张 权

股骨颈骨折多由摔伤、高处坠落伤等低能量或高能量外力因素所致，临床表现为患髋疼痛伴髋关节和患侧下肢活动障碍，目前手术治疗股骨颈骨折的方式为3枚空心螺纹钉固定和髋关节置换术两大类。传统的3枚空心螺纹钉内固定手术的固定失败率较高，术后易发生骨折移位、内固定切割、股骨头坏死等并发症［1-2］。本研究设计新型钉棒系统，使用2枚万向接头螺纹钉固定，钉尾以连接杆互相固定，形成一体的钉棒固定系统。通过三维有限元分析，将新型钉棒系统与传统3枚空心螺纹钉内固定手术的固定强度进行对比，以评价新型钉棒系统的固定效果，旨在为临床治疗股骨颈骨折提供新方法。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选择1位27岁健康男性志愿者，既往体格健壮，X线检查未见髋关节发育异常，行髋关节CT扫描，收集其股骨中上段影像学数据，应用Si mple Ware 2.0软件建立正常人股骨中上段的三维有限元模型，利用ScanIP软件将该模型生成为Pau welsⅡ型股骨颈骨折三维有限元模型。

1.2 方法 内固定实物为直径7.0 mm的空心螺纹钉（钛合金材料，常州市康辉医疗器械有限公司）、直径6.0 mm的万向接头螺纹钉（钛合金材料，上海国创医药有限公司）和直径5.5 mm的连接杆（钛合金材料，上海国创医药有限公司）。应用ZLDS200激光扫描仪对内固定材料进行测量，获得空心螺纹钉、万向接头螺纹钉和连接杆的有关数据（包括螺距、宽度、曲率等）。应用Solidworks 2012软件，绘制并改良建立带有万向接头的螺纹钉，长度为85～115 mm（不包含万向接头），该螺纹钉尾端1/5处有螺纹，其余部位为光滑表面；同时于软件中建立圆柱形连接棒，长度40 mm，表面光滑。

将2枚万向接头螺纹钉沿股骨颈皮质上、下各1/3处进钉，沿股骨颈长轴平行置入，螺纹钉尾端位于股骨大粗隆下方骨皮质较厚处，将2枚万向接头螺纹钉尾端万向接头以1根钛合金连接棒进行连接，建立钉棒系统的三维模型。将3枚空心螺纹钉以倒三角方式沿股骨颈长轴平行置入，螺纹钉尾端位于股骨大粗隆下方骨皮质较厚处，建立3枚空心螺纹钉的三维模型。将得到的相对应的三维模型分别装配至PauwelsⅡ型股骨颈骨折模型，共计生成装配后模型两组，即传统3枚空心螺纹钉固定模型和新型钉棒系统固定模型（图1、2）。

1.3 数据获得 在计算机辅助下，应用Abaqus 6.10软件，分别于两组装配内固定物后Pau welsⅡ型股骨颈骨折三维有限元模型中进行模拟轴向应力加载（图3）。分别于两个模型的股骨头负重区随机选取20个位点的轴向位移值，计算平均轴向位移值。

图1 新型钉棒系统固定示意图（2枚万向接头螺纹钉和连接棒置入股骨颈位置的三维有限元模型）

图2 传统3枚空心螺纹钉固定示意图（3枚空心螺纹钉置入股骨颈位置的三维有限元模型）

图3 股骨近端载荷工况示意图

1.4 统计学处理 应用SPSS 16.0统计学软件。呈正态分布的计量资料以±s表示，两个模型间平均轴向位移值的比较采用t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

传统3枚空心螺纹钉固定模型股骨头负重区20个位点的轴向位移值为0.506、0.518、0.524、0.512、0.521、0.487、0.517、0.514、0.495、0.576、0.468、0.562、0.597、0.555、0.575、0.593、0.557、0.572、0.574、0.582 mm，新型钉棒系统固定模型股骨头负重区20个位点的轴向位移值为0.479、0.430、0.379、0.486、0.443、0.495、0.512、0.498、0.483、0.462、0.447、0.524、0.525、0.448、0.533、0.518、0.437、0.556、0.540、0.547 mm。传统3枚空心螺纹钉固定模型股骨头负重区的平均轴向位移值为（0.540±0.038）mm，显著大于新型钉棒系统固定模型的（0.487±0.046）mm（P＜0.05）。

3 讨 论

股骨颈骨折后因其局部血供差，术后愈合率低且内固定易发生移位，已成为手术治疗中的难点。应用空心螺纹钉进行闭合复位内固定术中，医源性血供破坏少，是股骨颈骨折手术治疗的常见选择［3］。闭合复位内固定术多适用于年龄＜65岁、骨折移位不明显（如Gar denⅠ至Ⅲ型）或全身情况无法耐受髋关节置换术的患者［4］。与髋关节置换术相比，闭合复位内固定术能够达到良好的固定效果。

临床常采用3枚空心螺纹钉内固定治疗股骨颈骨折，由于股骨颈中央部的直径最大，侧位与股骨颈处呈倒三角形置钉固定［5-7］，正位以平行于股骨颈方向置钉固定，依靠螺纹钉远端的螺纹形成拉力加压固定骨折端。多项临床研究［2］对3枚螺纹钉固定股骨颈骨折的疗效进行评估，其固定失败率为11%～46%。

在对螺纹钉的数量、排列方式和形状进行研究后普遍认为，在股骨颈前上方、后上方和下方置钉的倒三角方式的固定强度较佳，且该强度对于大部分的稳定性骨折已足够。因此，目前临床多采用倒三角平行置入3枚空心螺纹钉固定［7-8］。采用倒三角方式置钉时，下方螺纹钉应放置于股骨距水平，螺纹钉尾端与股骨头皮质间的距离至少为5 mm，以减少螺纹钉穿出发生。Gjertsen等［9］采用倒三角形置钉行空心螺纹钉固定治疗4 468例股骨颈骨折（无移位发生）患者，术后随访1年，固定成功率为89%。Kain等［10］采用经皮3枚螺纹钉固定术治疗GardenⅠ或Ⅱ型股骨颈骨折的老年患者，经过平均11个月的随访，由股骨头坏死、骨折不愈合或内固定松动等原因导致的术后翻修率为10%。

国内外研究［11-12］将股骨颈骨折术后固定失败的发生原因分为三大类：①复位不充分；②内固定不稳；③骨质疏松。如果内固定的固定强度不佳，骨折断端将产生过多微动进而影响骨折端的稳定和愈合，术后可能发生骨折不愈合、股骨头塌陷坏死，以及螺纹钉松动退出或螺纹钉头部穿出关节腔等。股骨头坏死的常见原因分为股骨头血供不足和固定稳定性不佳两大类，血供不足可造成股骨颈骨折不愈合，加上内固定强度不佳，导致骨折端不稳定，造成股骨头坏死［8］。

股骨颈骨折患者术后卧床时间长会导致其深静脉血栓发生率增高，而下肢恢复早期功能锻炼则需要内固定稳定性良好［13］。因此，国内外学者对如何提高内固定的稳定性进行研究。Filipov［14］于2007年提出“双平面固定（BDSF）”的内固定置入方式，该方式能够使内固定物与股骨颈皮质部分的接触更多，形成更佳的强度支撑。与3枚螺纹钉平行固定方式相比，BDSF的有限元分析或在生物力学实验中均能达到较佳的强度［15］。在3枚空心螺纹钉固定中，于下方螺纹钉尾部附加垫圈也是一种可采用的方法；与单纯螺纹钉固定相比，于钉尾处附加垫圈在拧入过程中能防止钉尾发生切割，并能提供更好的断端加压［16］。

然而，目前常用的空心拉力螺钉固定方式仍存在缺陷。BDSF的进针方向是操作难点，如何提高空心螺纹钉固定的稳定性也是研究的方向。此外，对于严重骨质疏松患者，附加垫圈的固定效果和抗拔出性也欠佳。

本研究通过三维有限元建模，在新型钉棒系统固定模型中，将2枚万向接头螺纹钉平行股骨颈长轴方向置入，螺纹钉尾端以连接棒进行连接，结果显示，新型钉棒系统固定模型股骨头负重区的平均轴向位移值显著小于传统3枚空心螺纹钉固定模型；轴向位移越小，表明股骨头在内固定后向下塌陷程度越小，角稳定性越强。可见，新型钉棒固定系统在三维有限元建模中的力学稳定性优于传统3枚空心螺纹钉固定，但仍需要进一步行生物力学研究加以证实。

本研究尚存在一些不足，目前临床上对于股骨颈骨折患者行3枚空心螺纹钉固定术后，多通过延长患者的卧床时间以减少内固定失败的发生，今后可进一步增加在髋关节旋转、屈伸活动时应力作用三维有限元模型后对内固定位移影响的测试。此外，不同的股骨颈骨折Pau wels分型是否需要增加钉棒系统的螺纹钉数量以取得更加坚强的固定效果，尚需后续研究进一步验证。

有别于传统3枚空心螺纹钉固定方式，新型钉棒系统将钉尾改为万向连接头，并在螺纹钉尾端以连接棒连接，将单独的两枚螺纹钉连接成钉棒系统，可增加内固定的稳定性和抗拔出性；钉棒系统可较好地适用于不同的股骨近端解剖，且可达到良好的固定效果。钉尾的万向连接头和连接棒是否会导致皮下软组织激惹的发生尚需进一步研究观察，缩小连接组件的直径和改善其形态是减少皮下软组织激惹发生可行的方案。

本研究利用软件将正常人股骨中上段的三维有限元模型生成为Pau welsⅡ型股骨颈骨折三维有限元模型，分别采用传统3枚空心螺纹钉固定和新型钉棒系统固定，利用模拟应力下的轴向位移值进行分析，发现新型钉棒系统固定的稳定性更佳，在轴向抗位移中具有更佳的固定强度，可有效减少术后骨折端轴向位移。