步态周期垂直力下股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定的生物力学特征

陈凯奇 石宇雄△ 陈敬恒 何达东

治疗股骨转子间骨折髓内固定以股骨近端防旋髓内钉(Proximal Femoral Nail Anti-Rotation，PFNA)为代表，PFNA具有优越的生物力学性能[1-2]，但是仍有部分患者在骨折愈合后发生内固定失效[3-5]。股骨转子间骨折PFNA内固定失效是步态周期身体载荷反复作用于骨-金属、金属-金属、骨-骨界面的结果，因此分析股骨与PFNA的生物力学特征，对理解失效发生的力学条件，从而提前干预便显得十分重要。目前，PFNA生物力学性能的有限元研究集中在施加恒定载荷后对其进行受力分析，而步态周期载荷下的有限元研究鲜有报道，PFNA在步态周期中的力学特征有待阐明。

1 材料与方法

1.1 CT资料

2019年12月于广州市番禺区中医院骨伤科住院治疗的老年女性髋部骨折患者的髋部CT资料。

1.2 实验软件

Mimics 19.0，比利时Materialise公司；Geomagic studio 2013，美国Geomagic公司；SolidWorks 2016，美国Dassault Systemes公司；Hypermesh 14.0，美国Altair公司；LS-DYNA，美国LSTC公司。

1.3 方法

1.3.1构建模型 获取老年女性髋部骨折患者的髋部CT资料，导入Mimics 19.0软件中建立三维模型[6]，利用Geomagic Studio2013软件对上述三维模型进行表面优化，得到优化的股骨三维模型。在SolidWorks软件中按照厦门大博医疗器械公司提供的参数构建PFNA三维模型并装配组件，其中主钉长170 mm，近端直径16 mm，远端直径10 mm；螺旋刀片长100 mm，直径10 mm，颈干角130°。然后继续导入优化的股骨三维模型，将PFNA固定到股骨近端，调整模型间相对位置使得尖顶距(Tip-Apex Distance，TAD)<25 mm。将上述装配模型导入Hypermesh14.0进行四面体网格划分，体网格大小为2 mm，并通过“mask”“organize”功能将股骨划分为包含松质骨与皮质骨的混合模型。

1.3.2模拟骨折线 本研究以2018版AO31-A1.3型股骨转子间骨折为研究对象。A1.3型股骨转子间骨折的骨折特征为外侧壁完整，且厚度大于20.5 mm，伴有内侧小转子骨块(图1a)。在Hypermesh14.0软件中使用“mask”“delete”“rotate”等功能对上述模型进行截骨，模拟骨折线。方法如下：1)沿垂直线外旋45°以完整显示小转子，取小转子顶点至对侧皮质骨连线的中内1/3分界点为圆心，分别从小转子上基底部与下基底部向此圆心引一直线，两直线所围成的区域即为小转子截骨区；2)前后位上，自大转子最高点至小转子基底部画一直线，以此作股骨转子间骨折线，所得模型效果见图1b。

图1 A1.3型股骨转子间骨折及PFNA内固定仿真效果图

表1 模型材料参数

1.3.4载荷及边界条件 一个步态周期可分为32个瞬间，步态周期内的关节载荷曲线呈双峰状，包括足跟着地相、单足站立相、脚掌踏地相、脚尖离地相以及摆动相等[18]。在实际步行周期载荷中存在X、Y、Z轴方向的分力，Hypermesh软件中由于载荷作用点在股骨头表面上恒定，故本研究仅以垂直方向(即Z轴)分力为施加对象。载荷曲线见图2，边界条件设置为股骨远端完全固定。

1.3.5提交运算及结果记录 经前处理后，将生成的K文件导入LS-DYNA软件进行运算，在Hyperview中记录并导出Von-Mises应力、位移、成角等结果。

图2 1个步态周期内Z轴方向分力

2 结果

2.1 PFNA最大应力曲线

如图3所示，PFNA应力主要集中在螺旋刀片和主钉上，应力呈单峰状，约在第16瞬间达最大；尾钉应力变化呈现双峰状，达峰时间约在第12和19瞬间；PFNA应力达峰后逐渐减小至第24及25瞬间左右再逐渐增大。

图3 PFNA各部件最大应力曲线

2.2 PFNA最大位移曲线

如图4所示，PFNA位移均呈单峰状，最大位移约出现在第17瞬间；其中以螺旋刀片尖端的位移最大，最大达6.74 mm；主钉次之，最大为1.79 mm；尾钉的最大位移为0.83 mm。各部件位移达峰后逐渐减小，约至第24及25瞬间后又再次增大。

图4 PFNA各部件最大位移曲线

2.3 头颈成角曲线

如图5所示，头颈骨折块成角包含了3个方向的成角，即Z轴(冠状面)、Y轴(矢状面)、X轴(横断面)。在脚掌踏地相前以向Y轴成角为主，达峰后逐渐减小至约26瞬间，维持2.5°成角；头颈骨折块在向Z轴、X轴成角过程中分别在约第24及27瞬间达到最大。

图5 头颈骨折块成角曲线

2.4 股骨应力及位移云图

如图6-图8所示，股骨应力、位移主要发生在脚掌踏地相和脚尖离地相之间；最大应力集中在小转子水平，头颈骨折块下内侧与股骨干相接处，达364.5 MPa；最大位移位于股骨头内侧，达7.12 mm。

2.5 PFNA应力及位移云图

如图6-图8所示，PFNA应力、位移主要在脚掌踏地相和脚尖离地相之间；最大应力集中在螺旋刀片与主钉孔交界处，达1 001 MPa；在5个步态瞬间中，螺旋刀片最大位移均位于其尖端。

图6 5个步态周期时相应力曲线

图7 5个步态周期时相位移曲线

3 讨论

步态是指步行的姿势，需要在各种姿势反射、感觉系统和运动系统的相互协调下完成，髋部步态周期的应力呈现双峰状[19]。从股骨转子间骨折愈合至完全负重一般需要12周，在此过程中，骨折复位情况，愈合、肌肉力量恢复不理想等均有可能影响髋部步态，从而直接改变骨折区及PFNA的应力分布，甚至处于畸形的受力状态。短期而言，可能出现骨折不愈合、畸形愈合，PFNA切割、切出、退钉、断钉等内固定失效；远期来看，异常步态改变了髋、膝、踝关节受力状态，从而诱发关节炎[20]。因此研究转子间骨折PFNA内固定后在步态周期应力下的力学特性对指导手术治疗、术后康复具有实际意义。

图8 5个步态周期时相应力、位移云图

已有研究者利用Anybody Modelling System软件联合有限元的方法，研究了股骨转子间骨折单臂外固定架在1个步态周期中的应力分布特点，结果显示步态载荷下应力主要分布在钢钉与股骨、钢钉与连接杆相接处，其应力变化大致与步态周期一致[21]。有研究比较了双螺钉与DSCS治疗股骨颈骨折的在步态载荷下的力学特性[22]，但目前国内许多涉及髋部步态周期的有限元研究主要集中股骨与髋臼的相互作用力上[23-24]，股骨转子间骨折PFNA内固定在步态载荷下的生物力学特性仍鲜有报道。

LS-DYNA软件特别适合于非线性动力冲击问题，目前LS-DYNA软件在汽车碰撞、地震工程、动力分析、跌落试验等领域应用广泛。本研究考察了在一个步态周期内，垂直作用力下股骨转子间骨折PFNA内固定后的生物力学动态变化特征，对研究股骨转子间骨折PFNA内固定失效方式提供了很好的技术支持。本实验在Hypermesh进行前处理时纳入了材料硬化效应及摩擦系数，结果显示股骨与PFNA模型均发生了较明显的单峰状应力、位移变化，在脚掌踏地相左右时均达到最大，这与步态载荷的双峰状不完全同步，亦与文献[21]的有限元双峰状应力改变明显不一致。笔者分析原因可能在于：1)LS-DYNA计算方式为动力显式，计算结果属于瞬态动力学，是应力应变积累变化的过程，而文献中以静力显式的ABAQUS软件进行运算，得出的是应力应变积累的结果；2)本实验选取了模型中最早出现应力、位移变化的单元作为研究对象，并绘制曲线，并没有反应整体的物理量变化过程，这与文献[22]所得结果相似(应力改变与步态载荷不一致)；3)由于模型仍然设定为弹塑性材料，且考虑了硬化效应，在步态载荷达峰的过程中PFNA模型亦积累了弹性势能，在载荷减小至摆动相水平的过程中PFNA释放弹性势能，导致应力、位移再次增加。

目前，涉及步态载荷的有限元分析多采用Anybody Modelling System软件进行步态仿真，将得出的肌肉力、关节作用力反向提取应用于个性化的有限元仿真，从而提高仿真度[25-27]。此外，本研究的载荷数据从文献获取，其仿真度有待提高，若能结合Anybody Modelling System，模型仿真度可更高。并且在Hypermesh进行前处理时尚能定义应变失效，提交至LS-DYNA后可进行内固定失效仿真，从而研究步态周期内骨折内固定失效的时相[25]，为术后康复提供指导。