有限元分析在股骨颈骨折内固定研究中的应用

尹博浩 靳颖哲 张伟

有限元法作为一种力学分析方法，最早由美籍著名数学家Courant提出，主要应用于航天航空、汽车制造、土木建筑等众多领域。相较于传统生物力学分析方法，有限元分析具有载荷方式多样、测试指标多元、实验结果直观、研究成本低廉、试验周期短及可进行动态分析等特点，近年来在医学领域，尤其在创伤骨科领域得到越来越广泛的应用。目前有限元分析关于股骨颈骨折的研究主要集中于不同类型股骨颈骨折内固定方式对比和各种内固定方式应力集中、位移等情况评价，以期优化内固定方案，有效减少骨折不愈合、内固定失效和股骨头坏死等发生率，实现“保留自身髋关节”这一根本目标。

1 有限元分析方法

在股骨颈骨折研究中，有限元分析利用数学近似方法对髋关节骨组织及植入物进行模拟，将复杂的结构划分为许多简单而又相互作用的单元。在施加载荷的情况下，对各个单元的相互作用进行计算，并划分为更多的单元和更贴近实际情况的材料赋值，从而用有限数量的未知量逼近无限未知量的真实系统，即模拟整个模型中力的分布及作用情况。

1.1 股骨颈骨折模型建立及参数赋予方法

建立一套仿真系数高且与实际情况相符合的股骨颈骨折模型是股骨颈骨折有限元分析研究可靠性的基础，越接近人体股骨近端的模型得出的实验结论越具有可靠性。虽然骨骼由皮质骨和松质骨构成，但两者间难以划分明显界限，且材料属性差异巨大，股骨近端力学传导复杂，故仍未有较权威的符合人体解剖特点的股骨颈骨折模型。现阶段为了提高分析效率，简化模型，相关研究主要采用均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值3种方法对人体股骨进行材料属性赋予与有限元模型建立。

均一材料赋值法是在获取股骨外形轮廓后，将其视为均匀同属性的均一材料体，并赋予相应的材料属性，是股骨有限元分析中较早出现的方法，目前仍广泛使用于髋关节假体研发设计[1-2]和髋关节置换术改良[3]的相关研究中，但其对股骨近端力学模拟欠精准，目前越来越少地运用于股骨颈骨折内固定研究。

考虑到骨组织主要分为密质骨与松质骨，有学者将股骨模型分为骨皮质与骨松质2种材料，并相对应赋予完全不同的材料属性，从而建立了皮-松质骨赋值模型[4]，这也是目前研究使用较广泛的建模方法[5]。该方法将模型区分为正交各向异性、横观各向同性的骨皮质与各向同性的骨松质2种材料，并相应赋予完全不同的材料属性，从而建立更加符合实际的股骨力学数据模型。Samsami等[6]采用皮-松质骨赋值法有限元分析与尸体骨力学实验比较多种内固定方式对于股骨颈骨折的固定效果，结果显示该两种方法结果虽有差异，但趋势相同，表明皮-松质骨赋值法建立的股骨颈骨折模型具有一定的信度。Sitthiseripratip等[7]则在研究中根据部位不同，将骨松质分为头、颈和转子间3部分并予以不同的材料属性，进一步优化了皮-松质骨赋值法股骨颈骨折模型。

Wirtz等[8]研究发现，骨的杨氏模量、抗压强度、拉伸强度、扭转强度、泊松比和剪切模量等多种材料特性均与骨密度高低相关，认为对于不同灰度的部位应予以对应的参数赋予，此即灰度赋值法。在此基础上，有学者根据小梁结构和哈弗氏系统方向确定了松质骨和皮质骨的主要刚度方向，并将两者进行匹配，建立了一套更符合人体股骨力学的数字模型[9]。Completo等[10]研究显示，灰度赋值法股骨颈骨折模型有限元分析与尸体骨体外力学实验取得了近似的实验数据和一致的实验结论，这也从侧面说明灰度赋值法建立的模型可能更能模拟股骨的力学情况。

这3种赋值法有各自特点。颜继英[11]对不同赋值法建立的股骨模型进行比较，结果显示灰度赋值法股骨模型的生物力学分布主要集中在股骨颈，较于其他2种股骨模型更接近于人体股骨实际状态下的承载。因此，在这3种赋值法中，灰度赋值法虽然较为繁琐，但无论在理论依据，还实际运用中，其建立的模型最接近实际人体股骨力学分布情况。

1.2 不同内固定方法及其参数赋予

虽然股骨颈骨折固定方式多种多样，但国内仍多采用空心螺钉内固定治疗。而在有限元分析股骨颈骨折内固定研究中，却涉及目前所有用于股骨颈骨折内固定类型，包括动力髋螺钉(DHS)、股骨近端锁定钢板(PFLP)和股骨髓内钉(PFN)等，这些模型的建立多参考临床上已使用的产品，故具有相当的可靠性。

目前临床上采用的内固定材料多为钛合金，且大多数相关研究也设置为钛合金参数[12]。Gok等[13]采用有限元分析法分析不锈钢、钛和钴铬3种不同材质的空心螺钉在固定股骨颈骨折时的生物力学情况，比较断裂线上、下接近处产生的应力，认为最佳材料为钛。

1.3 不同力学施加方式

传统力学实验因仪器条件限制，外力施加往往受到诸多限制，而在计算机模型中进行有限元分析则可有效避免这一局限，可以选取任何一点或平面添加任意方向的力，因此有限元分析外力加载模式较传统力学实验灵活多样。由于行走、下蹲、单腿站立、前突和侧突时股骨颈受力特征不尽相同，所以在股骨颈骨折研究中建立肌肉骨骼动力学模型，获得髋关节肌群运动关节反应和肌肉力量，不仅本身具有实际意义，而且可以为髋关节有限元分析提供重要依据[14]。

Noda等[15]认为，研究Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折及术后并发症应在模拟步行的动态条件下进行生物力学分析，而不是在静态条件下进行。然而，目前多数有关股骨颈骨折的有限元分析仍是仿照传统力学研究，设置2～3倍于体重的力量，由上向下作用于股骨头。实验研究应结合临床实际，多数股骨颈骨折患者术后并不能马上恢复负重，只能单纯地进行髋关节康复活动，所以有限元分析也不应脱离此种实际。有限元分析不应仅在静态条件下进行，但也没必要完全模拟步行条件完全负重的力学条件，而是应仿照康复活动中髋关节较大活动度、低负重的情况，从而对股骨颈骨折术后情况进行更好地模拟。

2 不同内固定方式力学差异

高龄人群股骨颈骨折治疗往往采用髋关节置换术，以避免内固定失效、骨折畸形愈合、骨折不愈合等术后并发症。以内固定为主的保髋治疗虽然可能发生术后并发症，但可满足较高的功能需求，同时避免人工髋关节存在使用寿命等问题，因此仍在青壮年人群中广泛使用。而内固定复位质量和牢靠程度与术后恢复、并发症发生等相关[16]，所以有限元分析各种内固定方式的稳固性具有极其重要的意义。

2.1 空心螺钉

目前空心螺钉广泛用于青壮年股骨颈骨折的治疗。Luttrell等[17]汇总了272位骨科创伤协会(OTA)专家的意见后发现，43%的专家倾向于选择空心螺钉进行股骨颈骨折固定，其优势在于手术技术要求低、置入方便、术中出血少和软组织破坏小等。Peng等[18]基于20套患者CT数据模拟Pauwels Ⅰ型股骨颈骨折，对DHS、空心螺钉、DHS联合空心螺钉、PFLP内固定和半髋关节置换术进行评估，各组间位移范围无显著性差异；空心螺钉组、PFLP组和半髋关节置换组应力分布峰值无显著性差异，但低于DHS联合空心螺钉组、DHS组，因此推荐空心螺钉或PFLP作为治疗Pauwels Ⅰ型股骨颈骨折的内固定装置。

Li等[19]评估三角形、倒三角形、前向三角形、后向三角形和垂直等5种不同排布空心加压螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的力学效果，结果显示倒三角形构型具有力学优势，可减少切出指数，降低内固定失败发生率。Sensoz等[20]通过有限元分析发现，倒三角形构型可有效降低应力集中，减少医源性股骨转子下骨折发生风险。Mei等[21]通过有限元分析进一步探究Pauwels角分别为30°、50°、70°时螺钉不同排布的范式应力分布和位移，结果显示倒等边三角形构型是股骨颈骨折固定的最佳螺钉排布方式。Wang等[22]比较倒三角形构型阳性支撑、解剖复位和阴性支撑的力学分布，认为阳性支撑具有最好的生物力学稳定性。

Lin等[23]在“F”型空心螺钉构型和内侧支撑钢板技术的理论基础上，通过有限元分析比较“F”构型空心螺钉、倒三角形构型空心螺钉、“F”构型空心螺钉联合内侧支撑钢板、倒三角形构型空心螺钉联合内侧支撑钢板的力学特性，发现“F”构型空心螺钉能消除扭转应力和剪切应力，同时保持断裂端轴向压应力，为骨折愈合创造良好的力学环境。

Zhang等[24]报道了一种治疗垂直型股骨颈骨折的新型空心螺钉内固定方式，即采用2枚全螺纹螺钉加1枚半螺纹螺钉，呈正“品”字型固定骨折，认为下方的全螺纹螺钉可提供良好的支撑以抵抗骨折断端的垂直剪切力。Li等[25]采用有限元分析比较全螺纹螺钉与半螺纹螺钉不同排布方式的固定效果和应力分布，发现各组螺钉的Mises应力峰值均集中在骨折线附近的螺钉表面，但采用1枚上半螺纹螺钉和2枚下全螺纹螺钉组成的三角形构型应力值最低，效果最好。

2.2 DHS及髓内钉

一项汇总分析OTA专家意见的研究表明，47%的专家倾向于采用单纯或联合防旋螺钉的DHS内固定，并认为DHS内固定稳定性较好[17]。Samsami等[26]采用有限元分析比较在静载条件下DHS、PFLP、空心螺钉固定垂直型股骨颈骨折的效果，发现DHS组骨折端之间移动程度最低，其次是PFLP组，然后是空心螺钉组。张晟等[27]采用有限元分析法研究InterTan髓内钉系统与3枚互相平行的空心螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学特点，认为使用InterTan髓内钉系统固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时应力分布均匀，固定稳定性优于3枚互相平行的空心螺钉。

Li等[28]设计了一种结合空心螺钉与DHS的钢板固定系统(SCAP-FN)，将空心拉力螺钉和粗大的DHS集成在1块锁定钢板上，以期获得空心螺钉和DHS的优点，该系统在抗剪切力和旋转力方面表现出较好的性能；有限元分析显示，相对于DHS和空心螺钉，SCAP-FN在股骨应力分布、内固定应力峰值、旋转角度等方面具有较好的力学特性。

2.3 PFLP

PFLP一般较少单独用于治疗股骨颈骨折治疗，多用于累及股骨大转子的严重股骨近端损伤，或放置于内侧等部位，联合外侧空心螺钉共同治疗股骨颈骨折。Mir等[29]提出，内侧Buttress钢板技术可较好地抵抗骨折断端的剪切力，并将其转换为断端面有效压力，而Smith Petersen前侧入路可很好地暴露骨折断端，在直视下完成解剖复位，同时通过外侧切口放置植入物并进行加压，从而有效地治疗垂直型股骨颈骨折。Lin等[23]在此基础上，采用有限元分析比较不同排布的空心螺钉联合内侧支撑钢板的力学特性，发现内侧支撑钢板能有效抵抗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的剪切力，联合“F”构型空心螺钉能消除扭转应力和剪切应力，为骨折愈合创造良好的力学环境，因此对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，建议采用“F”构型空心螺钉联合内侧支撑钢板进行内固定。

Li等[30]设计一种内侧解剖支板(MABP)，有限元分析显示其不仅能提供较好的内侧支撑稳定性，而且由于与股骨颈内侧解剖结构完美吻合，其在应力分布、应力峰值和Z轴位移方面的性能也优于普通重建锁定钢板。

胡家朗等[31]报道了一种股骨颈动力加压锁定钉板系统(简称KHS钉板系统)，通过股骨侧方钢板及锁定尾帽系统将3枚空心拉力螺钉形成一整体，增加了整体稳定性，相比于空心拉力螺钉，它可为Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折提供较为坚强的固定，生物力学性能较好，股骨再骨折及螺钉断裂风险较低。

3 结语

有限元分析因成本低廉、试验周期短及可进行动态分析等特点被广泛用于髋关节假体优化与设计[32]及股骨颈骨折发生风险[33]和内固定治疗预后[34]评估等多方面。灰度赋值法较繁琐，但具有较好的理论基础和实际效果，因此可能会逐步替代皮-松质骨赋值法。采用有限元分析比较各种内固定方式可为临床治疗方案选择提供重要的理论依据。

计算机运算能力与计算方法的进步对有限元分析有着根本性的影响。股骨近端力学传导过程较为复杂，但已有基于微CT检查和微有限元分析来评估骨小梁力学行为的研究[35]，相信未来会出现更接近人体股骨近端力学特性，甚至符合股骨局部组织学特性的建模方式。