骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉治疗高龄不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

黄培镇，陈心敏，郑利钦，林梓凌△，董航，蔡群斌

股骨转子间骨折是老年人中常见的骨折类型，其治疗方案主要是手术治疗，特别是不稳定型股骨转子间骨折［1］。股骨近端防旋髓内钉（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）因其力臂更短、把持力更强，在临床治疗不稳定型股骨转子间骨折中应用较多［2-3］。有限元分析也证实PFNA具有更好的生物力学效果［4］，但仍有部分病例出现退钉、切割等并发症［5］，其中以螺旋刀片切割较为常见，发生率可达3%～15%［6］，而骨折类型和骨质疏松被认为是螺旋刀片切割的重要原因［7］。Evans Ⅴ型股骨转子间骨折时，股骨转子内外侧壁均缺乏支撑而极不稳定，尤其高龄患者骨质疏松严重，骨小梁稀松脆弱［8］，更易发生PFNA 术后失效［9］。骨水泥具有强大的抗断裂作用，并具有与骨组织良好的结合性［10］。临床和有限元研究均已证实，骨水泥钉道强化椎弓根螺钉是治疗严重骨质疏松性椎体骨折的有效方法［11-12］。而用骨水泥增强PFNA螺旋刀片把持力能否有效防止不稳定型股骨转子间骨折中螺旋刀片切割尚无定论，且国内外对此研究甚少。本文基于有限元法探讨骨水泥增强PFNA 和普通PFNA 治疗Evans Ⅴ型股骨转子间骨折的生物力学差异，为改善高龄患者PFNA术后疗效、减少螺旋刀片切割率提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 病例选取 选取1 位志愿者收集CT 资料。（1）基本资料：75 岁，男，身高170 cm，体质量70 kg，体质量指数（BMI）24.2 kg/m2。（2）病史：因摔倒致左髋部疼痛、活动受限3 h，于2019 年1 月7 日入院，X 线提示左股骨粗隆间骨折，骨质疏松；既往无手术史，无代谢性骨病和先天骨骼变异，无肿瘤史，近年未服影响骨代谢药物。（3）伦理与知情同意：告知患者试验目的，患者表示知情理解并签署知情同意书，同时取得广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准（医院伦理批件号：NO.Y［2019］164，审批时间：2019-03-14）。

1.1.2 扫描条件 体位与部位：志愿者取仰卧位，采用GE 64排螺旋CT同时扫描双侧髋部至小腿中上段，以Dicom格式保存扫描的CT数据，CT数据必须包含股骨全长；扫描参数设置参照郑利钦等［13］方法，扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，层厚2 mm，层距5 mm，每个扫描层的像素矩阵密度大小为512×512。

1.1.3 实验设备 （1）计算机：联想P52 图形工作站。（2）实验软件：Mimics 19.0 软件（Materialise 公司，比利时）、Geomagic studio 2017 软件（Geomagic 公司，美国）、Solidworks 2017 软件（Dassault Systemes 公司，美国）、Hypermesh14.0 软件（Altair 公司，美国）、LS-DYNA 软件（LSTC 公司，美国），均由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供。

1.2 方法

1.2.1 重建右侧股骨三维模型 将Dicom 格式的CT 影像资料导入Mimics 19.0软件中，通过设置阈值、蒙罩、填充、包裹、光滑等处理后得到stl 格式的右侧股骨三维模型，再导入Geomagic studio 2017软件中，进行划分面网格、调整网格线、去除特征、拟合曲面等步骤后得到优化后的右侧股骨三维模型，并导出生成step文件。

1.2.2 建立PFNA 模型 运用Solidworks 2017 软件绘制PFNA 内固定草图，通过拉伸、旋转、切割、组合、放样等步骤得到PFNA内固定三维模型，PFNA内固定模型参数为主钉长170 mm，螺旋刀片直径10 mm，长度105 mm，颈干角130°，5°外翻角，内固定其他数据参照AO股骨近端防旋髓内钉。

1.2.3 构建不稳定型股骨转子间骨折PFNA 模型 在Solidworks 2017软件中将右侧股骨三维模型与PFNA 内固定模型按照标准手术技术进行装配、组合，确定尖顶距（tip apex distance，TAD）≤25 mm，并 储 存 为step 格 式 导 入Hypermesh 14.0 软件中，通过Mesh 命令进行模型网格划分，检查网格质量良好，Delete 命令删除部分单元模拟Evans Ⅴ型骨折，形成两个大转子骨块、小转子骨块、股骨头颈骨块和股骨干骨块。各部件相互作用均设置为面与面摩擦［14］，其中骨与骨的摩擦系数为0.46，骨与内固定为0.3，螺旋刀片与主钉为0.23，同时删除股骨远端以减少运算量，储存为A模型。

1.2.4 材料属性、边界条件与分析 参照郑利钦等［13］关于股骨近端松质骨、皮质骨、PFNA 内固定密度、弹性模量、泊松比、屈服应力等参数设置A模型。本试验主要研究高龄骨质疏松股骨转子间骨折，故松质骨和皮质骨的各项材料参数均为骨质疏松参数。正视模型，在与股骨干长轴呈10°，垂直于股骨头球面，线性加载大小为990 N［15］的载荷，完全固定股骨最远端部分单元以保证模型运算时的稳定性。在A 模型中截取螺旋刀片近端表面部分松质骨重新定义为骨水泥部件，骨水泥置于刀片4条凹槽附近，并设置骨水泥与螺旋刀片为绑定，储存为B 模型并导出为K 文件保存，见图1。B 模型骨水泥材料参数参照文献［16］：表观密度为1.18 g/cm3，弹性模量为220 000 MPa，泊松比0.2，屈服应力100 MPa，2个模型具体参数，见表1。

Fig.1 Models of Evans Ⅴtype femoral intertrochanteric fracture treated with proximal femoral nail anti-rotation and bone cement augmented proximal femoral nail anti-rotation图1 普通PFNA和骨水泥增强PFNA治疗EvansⅤ型股骨转子间骨折的模型

Tab.1 Material parameters of bone and proximal femoral nail anti-rotation表1 模型各部分材料属性参数

1.2.5 运算及对比指标 分别将K文件导入LS-DYNA软件中，设置运行内存后提交运算，运算结果于Hyperview 中查看，主要对比指标为：螺旋刀片切割程度、股骨颈内翻变化、股骨颈旋转程度、股骨近端应力分布、股骨近端位移。

2 结果

2.1 螺旋刀片切割 A模型首先在螺旋刀片最近端周围产生切割，继而股骨头颈骨块远端切割，松质骨单元变形、塌陷、消失；B 模型螺旋刀片最近端和股骨头颈骨块远端松质骨单元消失数量明显减少，切割程度明显较A模型轻，见图2。

2.2 股骨颈内翻 A模型股骨头颈骨块内翻15.2°，随着头颈骨块内翻，与小转子骨块相接触，小转子骨块受压移位外翻，且部分皮质骨单元消失；B模型内翻2.2°，头颈骨块内翻并与小转子骨块相接触，但小转子骨块并未明显移位和皮质骨单元消失，见图3。

2.3 股骨颈旋转 A模型股骨头颈骨块内翻与小转子骨块相接触，内侧皮质骨单元受压变形、塌陷、消失，股骨头颈骨块失去支撑后远端向前移位，近端向后移位，形成股骨头颈骨块旋转，旋转角度达7.4°；B模型两个骨块相接触后，内侧皮质骨单元较少，股骨头颈骨块旋转角度仅有1.3°，见图4。

2.4 股骨近端应力 A模型股骨近端应力主要分布在螺旋刀片和主钉连接处、主钉大转子处和小转子骨块，最大应力806.2 MPa；B 模型股骨近端应力主要分布在螺旋刀片和主钉连接处和骨水泥处，最大应力766.8 MPa，见图5。

2.5 股骨近端位移 A模型股骨近端移位主要是股骨头颈骨块和小转子骨块，其中股骨头后方移位最大，最大位移达13.3 mm；B 模型股骨近端移位主要是股骨头颈骨块，小转子骨块基本无移位，最大位移达4.4 mm，见图6。

Fig.2 Blade cutting of PFNA model and bone cement augmented PFNA model图2 普通PFNA模型和骨水泥增强PFNA模型螺旋刀片切割

Fig.3 The inversion of proximal femoral neck bone mass in PFNA model and bone cement augmented PFNA model图3 普通PFNA模型和骨水泥增强PFNA模型股骨头颈骨块内翻

Fig.4 The rotation of proximal femoral neck bone mass in PFNA model and bone cement augmented PFNA model图4 普通PFNA模型和骨水泥增强PFNA模型股骨头颈骨块旋转

Fig.5 Von Mises stress distribution in PFNA model and bone cement augmented PFNA model图5 普通PFNA模型和骨水泥增强PFNA模型股骨近端应力

Fig.6 Von Mises displacement distribution in PFNA model and bone cement augmented PFNA model图6 普通PFNA模型和骨水泥增强PFNA模型股骨近端位移

3 讨论

不稳定型股骨转子间骨折的治疗一直是骨科医师面临的难题，特别是Evans Ⅴ型骨折，其内外侧壁均破裂，骨折端极不稳定，复位和固定较为困难，即使运用PFNA 等髓内固定装置仍易产生术后并发症，加之老年人骨质疏松，螺旋刀片把持力弱，更增加了内固定失效风险［30］。因此，笔者将高龄EvansⅤ型股骨转子间骨折作为试验模型具有很好的代表性。

骨水泥即骨黏固剂，在椎体成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折［31-32］和骨水泥钉道强化椎弓根螺钉内固定用于治疗重度骨质疏松腰椎退变性疾病［11-12］中应用广泛且具有较好疗效。而骨水泥是否能通过增强PFNA稳定性较好地治疗高龄不稳定型股骨转子间骨折尚无定论。王勇等［33］运用骨水泥强化PFNA 治疗高龄股骨转子间骨折，收集的42 例患者中未发生内固定松动、断裂、螺钉切出及切穿等并发症，取得很好的术后早期疗效，但研究病例数较少，随访时间相对较短，未行对照研究，其临床疗效有待进一步观察。另外，关于骨水泥强化PFNA 治疗高龄股骨转子间骨折的生物力学方面国内外研究甚少，骨水泥强化PFNA的可行性缺乏有力支撑。

区别于既往静态有限元研究，笔者基于有限元单元删除法，用量化的指标直观、具体、动态地展示了骨水泥增强PFNA 和普通PFNA 治疗Evans Ⅴ型股骨转子间骨折的一次受力过程。本文A模型试验结果表明，普通PFNA治疗Evans Ⅴ型股骨转子间骨折时，随着股骨头颈骨块内翻、向后旋转，继而螺旋刀片切割，最终导致内固定失效。这与既往研究结果是一致的：破裂的股骨外侧壁无法提供稳定的外侧支撑，也无法对抗头颈骨块的旋转［34］。同时内侧壁破裂，小转子破碎、不稳定，股骨头颈骨块与小转子骨块相接触时，破碎的小转子不能提供有效内侧支撑，头颈骨块内翻［35-36］。而老年人因骨质疏松，骨小梁稀松，脆性增加，与螺旋刀片的接触面积小，亦不能提供强有力的把持力，当应力超过骨小梁所能承受的最大应力时，骨小梁的“桁架结构”遭到破坏，螺旋刀片周围的骨小梁断裂，随着头颈骨块的内翻继而造成螺旋刀片的切割，甚至穿出股骨头。

本文B模型试验结果可见，相对于普通PFNA治疗Evans Ⅴ型股骨转子间骨折，骨水泥增强PFNA螺旋刀片切割程度较轻，股骨头颈骨块内翻和旋转角度、股骨近端应力和位移均较小，骨折端稳定，具有更好的生物力学效果。笔者认为其原因可能是：（1）本研究设计少量骨水泥较均匀地分布于螺旋刀片近端的螺旋凹槽中，使整个螺旋刀片成为一个相对规则的圆柱体，近端可以相对均匀受力，避免过度应力集中。（2）骨水泥参数主要参照聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，其强度大，对于骨质疏松患者具有更好的把持力［37］。（3）骨质疏松患者松质骨稀松变脆，螺旋刀片的微小应力即可产生股骨头松质骨的微骨折、断裂，当周围松质骨断裂愈发严重时，螺旋刀片接触面积减少，把持力弱，进而产生松动、切割，而骨水泥置于螺旋刀片近端后，螺旋刀片、骨水泥和松质骨三者紧密结合，高强度的骨水泥能一定程度地抵抗螺旋刀片的应力，间接减少对脆弱的骨质疏松松质骨的直接应力，增加稳定性，降低切割概率。（4）本文模型中股骨外侧壁破裂，但包裹着骨水泥的螺旋刀片近端直接加强了作为股骨近端防旋髓内钉“三点支撑”的内侧支撑点，其可靠的稳定性可部分减少外侧壁破裂对内固定的影响，一定程度对抗股骨头颈骨块内翻和旋转；虽内侧壁亦破裂，破碎的小转子不能对头颈骨块进行有效支撑，但骨水泥增强螺旋刀片对松质骨把持力后，股骨头受到向下的应力很大一部分转移到内固定，即使破碎的小转子不能提供有力支撑，亦能一定程度地防止头颈骨块的内翻和旋转。

综上所述，骨水泥增强PFNA治疗Evans Ⅴ型不稳定型高龄股骨转子间骨折，螺旋刀片切割程度较轻，股骨颈旋转和内翻明显减少，骨折块位移较小，骨折端稳定，生物力学效果明显优于普通PFNA 治疗Evans Ⅴ型不稳定型高龄股骨转子间骨折。然而，骨水泥增强PFNA 治疗高龄不稳定型股骨转子间骨折仍有很多问题亟待解决，如骨水泥填充造成股骨近端的局部压力增大可能会出现微血管栓塞、骨水泥放热出现局部骨组织坏死和骨水泥注入部位与数量等。