利用有限元探究内固定治疗股骨颈骨折的生物力学研究

王 颖，刘志朋，殷 涛，赵云龙，韩 彪，郭超韡，滕延斌，范峥睿，杨宝成，马信龙

股骨颈骨折是一种临床常见的创伤骨折，发病率约占全身骨折的3.58%，占髋部骨折的54%[1]。股骨颈骨折Pauwels分型是一种根据骨折线角度进行的分型[2]， Pauwels III型骨折是骨折线角度大于50°的内收型股骨颈骨折，由于其骨折线角度相对垂直，骨折断端剪切力较大。在治疗时，人们一直试图优选能够抗张力、抗滑移、抗旋转，且应力遮挡率低，促进骨愈合的内固定物。随着时代的发展，内固定在材质和性能方面都得到一定的改善，但股骨颈骨折术后骨不愈合和股骨头坏死的概率依然波动在20%～40%[3-4]。并发症的发生受到多种因素的影响，其中一个重要因素就是内固定的选择。有很多学者对治疗股骨颈骨折的内固定展开研究，Nakanishi等[5]对股骨颈骨折治疗时螺钉的最佳位置和角度展开研究，并认为合理的角度与位置对于螺钉治疗股骨颈骨折有重要的影响。GOK[6]对不同空心螺钉的材料进行有限元分析，认为钛螺钉更适用于股骨颈骨折的治疗。该作者又采用相同的方法对五种不同排布方式的空心螺钉治疗股骨颈骨折进行有限元分析，发现采用正三角方式排布螺钉及股骨颈骨折线承受的压力最小，利于骨折恢复及股骨颈受力传导[7]。而仉培武等通过临床疗效研究发现，倒三角构型的三枚空心钉在股骨颈骨折治疗中有更好的疗效[8]。任栋等研究认为4枚菱形排列的空心拉力螺钉固定股骨颈骨折具有更优的应力分散作用，能够使骨折断端更加稳定且能提供有效的滑动加压作用和抗扭力作用，具有更佳的生物力学优势[9]。很多学者从不同角度和范围对股骨颈骨折内固定物的选择和放置方法进行了广泛的研究，也得出了大量重要的结论。虽然在很多方面取得了共识，然而在股骨颈骨折内固定物的选择方面依然存在一定的争议。本研究目的是采用有限元方法，对临床常用的动力髋螺钉、锁定加压钢板、三枚空心钉、四枚空心钉及股骨近端髓内钉五种内固定治疗Pauwels III型骨折的应力和位移进行对比分析，进一步探讨不同内固定治疗Pauwels III型股骨颈骨折时的临床特点。

1 材料与方法

1.1 有限元模型的建立 选取1例健康志愿者，男，67岁，体质量73 kg（签署知情同意书）。经问诊及X线检查，无髋关节骨关节炎；无弥散性髋部疼痛；无股骨头上软骨受损；无严重的韧带不稳。双侧髋关节行螺旋CT扫描（64排螺旋CT，GE公司，美国)。扫描参数设置：球管电压120 kV，电流150 mA，层厚0.625 mm，获得DICOM数据。采用左侧股骨数据作为实验样本，将DICOM格式保存的数据导入Mimics 17.0软件(Materialise公司，比利时)，调节灰度阈值，实现左股骨重建，导出二进制STL格式文件。将STL文件导入Geomagic 20l4软件(Geomagic公司，美国)进行删除钉状物、开流行、松弛、打磨、光顺等操作优化股骨模型，随后进入曲面处理阶段。对股骨曲面进行曲率探测，编辑调整约束线，构造格栅，最后生成NURBS曲面，拟合曲面，以iges格式文件输出。

选取临床应用的动力髋螺钉、锁定加压钢板、空心钉及股骨近端髓内钉，根据各内固定的参数，应用Solidworks 2012软件（SolidWorks公司，美国）实现三维虚拟重建，分别重建出动力髋螺钉、锁定加压钢板、空心钉及股骨近端髓内钉的三维模型。由于本研究的重点与内固定的螺纹关系不大，为了简化模型，重建时忽略螺纹细节。将iges格式股骨模型导入Solidworks软件，模拟Pauwels III型股骨颈骨折对重建的三维股骨进行截骨，并与各内固定模型分别进行装配，以确定相对位置。然后将二者分别以iges格式导出，其中三枚空心钉以倒“品”字型排列，四枚空心钉以菱形方式排列。再将模型导入到Hypermesh 13.0软件（Altair公司，美国）中进行材料属性赋值和网格划分，将股骨表面选定为皮质骨，厚度为2 mm，股骨内余下部分为松质骨。然后对内固定和股骨分别进行网格划分生成不同内固定方式的股骨有限元模型。最后在有限元分析Abaqus 6.14软件（Dassault Simulia公司，美国）中进行力学加载分析。

1.2 材料属性的设置 股骨皮质骨、松质骨及内固定设置为各项同性、均质、连续的材料[10]。材料属性[11-12]见表1。

表1 不同结构材料参数

1.3 边界条件及加载 定义股骨骨折面为完全骨折，并相互接触，摩擦系数设为0.3。定义股骨远端在x、y、z轴上完全固定；假定内固定螺钉与股骨接合面固定牢固，不会发生界面松动。在股骨头上端关节面施加1400 N应力载荷，沿轴向向下，分析静态加载受力时股骨与内固定的应力分布。

1.4 评价指标 比较股骨颈骨折不同内固定方式在力学加载条件下：（1）内固定的应力分布、应力峰值、位移分布和位移峰值。（2）股骨的应力分布、应力峰值、位移分布和位移峰值。

2 结果

2.1 内固定的应力分布和应力峰值 动力髋螺钉固定时，应力分布于股骨颈及股骨干部位，最大应力集中在骨折线附近的头颈螺钉中部位置，应力峰值为347.2 MPa（图1）。锁定加压钢板固定时，应力主要分布于钢板上，股骨颈和股骨干中下部也应力分布，最大应力主要集中于钢板远端螺钉与钢板连接位置，应力峰值为405.9 MPa（图2）。三枚空心钉固定时，应力分布于股骨颈及股骨干部位，最大应力位于骨折线位置，集中在空心钉中部，应力峰值为137.5 MPa（图3）。四枚空心钉固定时，应力分布与三枚空心钉固定相似，最大应力集中于骨折线附近最下端螺钉中部位置，应力峰值为135.3 MPa（图4）。髓内钉固定时，应力分布于股骨颈与股骨干，最大应力分布在髓腔内中下部，集中在髓内钉远端锁钉上端位置，应力峰值为223.5 MPa（图5），在骨折线附近的髓内钉上也出现较大的应力分布。

图1 动力髋螺钉固定时应力分布及峰值

图2 锁定加压钢板固定时应力分布及峰值

图3 三枚空心钉固定时的应力分布及峰值

图4 四枚空心钉固定时应力分布及峰值

图5 髓内钉固定时应力分布及峰值

2.2 内固定的位移分布和位移峰值 动力髋螺钉的最大位移集中于头颈螺钉的尖端，大小为17.4 mm。锁定加压钢板最大位移集中于股骨头内螺钉尖端位置，大小为12.3 mm。三枚空心钉的最大位移集中于上端螺钉的尖端位置，大小为18.8 mm。四枚空心钉的最大位移集中于上端三枚螺钉的尖端位置，最大值为18.7 mm。髓内钉的最大位移集中于植入股骨头内螺钉的尖端位置，大小为16.9 mm。

2.3 股骨的应力分布和应力峰值 动力髋螺钉固定时，股骨的最大应力主要集中于股骨干上三分之一的位置，应力峰值为91.2 MPa。锁定加压钢板固定时，股骨的最大应力主要集中于股骨干中下段外侧，与钢板最远端螺钉接触位置，同时在最大应力位置的内侧也出现较大应力，整体应力分布不均，应力峰值为104.6 MPa。三枚空心钉固定时，股骨的最大应力主要集中股骨干中部内侧位置，应力峰值为36.8 MPa。四枚空心钉固定时，

股骨的最大应力主要集中股骨干中部内侧位置，应力峰值为36.8 MPa。髓内钉固定时，股骨的最大应力主要集中股骨干中部内侧位置，整个股骨受力不均，股骨干外侧也出现较大应力，应力峰值为43.7 MPa。

2.4 股骨的位移分布和位移峰值 动力髋螺钉固定时，股骨最大位移集中于股骨头顶端，力学加载位置，方向垂直向下，大小为17.8 mm。锁定加压钢板固定时，股骨最大位移集中于股骨头顶端，

力学加载位置，大小为12.6 mm。三枚空心钉固定时，股骨最大位移集中于股骨头顶端，力学加载位置，大小为19.3 mm。四枚空心钉固定时，股骨最大位移集中于股骨头顶端，力学加载位置，大小为19. 3mm。髓内钉固定时，股骨最大位移集中于股骨头顶端，力学加载位置，大小为17.5 mm。加载过程中，四枚空心钉的应力最小，锁定加压钢板的应力最大而位移最小，三枚空心钉的位移最大。见表2。

表2 不同内固定应力峰值及位移峰值

三枚空心钉固定时，股骨受力最小，但股骨位移最大，锁定加压钢板固定时，股骨受力最大而产生的位移最小。见表3。

表3 不同内固定方式下股骨应力峰值及位移峰值

3 讨论

股骨颈骨折是临床常见的髋部骨折，现针对股骨颈骨折的治疗主要有内固定治疗和髋关节置换治疗。髋关节置换多用于高龄患者，对于65周岁以下患者，临床多主张采用内固定方式治疗，尤其是在青年患者中应用较多[13]。股骨颈骨折Pauwels分型是一种根据骨折线角度进行的分型，共分为三型，Pauwels III型则是股骨颈远端骨折线与两侧髂嵴连线的夹角大于50°的内收型股骨颈骨折。本研究选择Pauwels III型骨折，是由于骨折角度越大，骨折断端的剪切力越大[14]。骨折治疗时对内固定的选择要求就越高，研究结果对临床越实用。

选择股骨颈骨折的内固定时，除了要考虑内固定的抗张力、抗滑移、抗旋转及应力遮挡率等因素外，预防骨折不愈合及股骨头坏死等并发症的发生也是重要的考虑因素。本研究结果显示，五种内固定治疗股骨颈骨折时，股骨应力较大区域均分布于股骨颈及股骨干部位，且在骨折线附近均出现应力增大的现象。尤其在动力髋螺钉固定时最为明显，且应力值最大，空心钉固定骨折线处应力最小。因此可以认为，在骨折愈合过程中，使用动力髋螺钉固定可维持骨折断端的持续加压作用，利于骨折愈合，体现了动力髋螺钉滑动加压的优势。该结论与临床随访研究[15]一致，即动力髋螺钉固定股骨颈骨折骨愈合时间和不愈合率均优于空心钉固定。本研究结果显示，锁定加压钢板固定方式下，股骨整体受力均一且位移最小，三枚空心钉固定位移最大。因此，锁定加压钢板固定稳定性最高，空心钉固定稳定性最差。但是锁定加压钢板固定时股骨受到的应力最大，单从股骨头受力角度分析，锁定加压钢板固定会使股骨头内骨小梁承受更大应力和剪切力，导致发生骨小梁微骨折、修复、硬化甚至塌陷坏死，若在复位不良情况下长期植入会增加坏死几率。

有研究报道[16]，髓内钉较动力髋螺钉具有固定优良率更高的优势。本研究结果显示，髓内钉固定和动力髋螺钉固定在骨折线附近的应力值相差不大且在股骨及内固定的应力和位移表现上也较为相似，但动力髋螺钉应力分布相对集中而髓内钉受力较为分散均匀。另外，由于动力髋螺钉固定于股骨外侧骨皮质，力矩较大，固定股骨近端的部分采用的是滑动压力螺钉，一旦骨皮质有缺损就会引起更严重的应力集中，产生螺钉松动、股骨颈短缩等副作用，虽然有研究报道股骨颈短缩对髋功能恢复没有影响[17]。而髓内钉固定力矩小，螺钉旋入固定股骨近端，虽不如动力髋螺钉加压应力大，但其整体稳定性更高，固定更牢靠。

对骨折复位内固定来说，空心加压螺钉治疗股骨颈骨折已获得医学界的广泛认可，其在结构上和生物力学上的优势，在内固定系统应用中备受瞩目[18]。临床中较常用的空心钉固定是三枚空心钉和四枚空心钉两种方式。有研究报道，四枚空心钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折较三枚空心钉固定具有更强的抗剪切力效果，具有更强的生物力学稳定性，术后并发症少，骨折愈合时间短等优点。本研究结果中，虽三枚空心钉固定应力峰值及位移峰值均小于四枚空心钉固定，但两种固定方式下股骨及内固定物的应力和位移分布都较为相似且数值差异较小，因此在选择时可采用骨质流失更少，手术时间更短，创伤更小的三枚空心钉。

本研究对股骨颈骨折术后不同内固定物的生物力学仿真采用的是常用的静态固定模拟方法，患者在实际生活中，股骨承受的主要是行走等过程中的动态力，同时肌肉等软组织对股骨受力也会产生一定的影响。因此，本研究仅反映受试者某一动作下股骨的受力情况，后期需要结合肌骨系统的动力学分析，为临床提供更精准实际的仿真结果。

综上所述，锁定加压钢板在固定股骨颈骨折时稳定性更高，但股骨和内固定承受更大的应力和剪切力。动力髋螺钉固定短期内促进骨折愈合较有优势，但长期固定时髓内钉固定更佳。空心钉固定则具有手术简单、创伤小、骨量丢失少、价格低廉的特点。