股骨近端锁定钢板与Gamma钉用于伴有外侧壁骨折股骨转子间骨折的三维有限元分析

汪灿锋，韩雷，胡云根，何杭

股骨转子外侧壁概念在临床上近年来逐渐获得重视[1]。Palm 等[2]认为外侧壁是影响二次手术重要因素，建议根据外侧壁完整性进行骨折分型。多数临床医师建议该类型骨折使用髓内固定[3]，但也有学者提出使用锁定钢板，认为锁定钢板可恢复股骨外侧壁完整性[4-5]；同时，通过随访显示术后髋关节功能方面髓内钉与锁定钢板固定相比两者无明显差异[4]。目前锁定钢板及髓内钉固定伴有外侧壁骨折的的生物力学研究仍较少。本研究通过对伴有外侧壁骨折的股骨转子间骨折模型进行不同内固定的有限元分析，比较锁定钢板及Gamma钉的力学有效性。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择1 例AO 分型为31A1.2型股骨转子间骨折及同时存在外侧壁骨折患者。男性，年龄80 岁，身高170 cm，体质量60 kg，排除病理性骨折、肿瘤及感染性疾病、骨骼畸形及代谢性骨病等。本研究已获得患者的知情同意。采用美国GE 公司32 排螺旋CT，将CT 扫描数据导人Mimics 19.0 软件（Materialise 公司，比利时）。采用阈值分割方法对CT图像中的股骨进行分割，建立三维模型，将Mimics所建立粗糙模型导入Geomagic Studio 12.0（Geomagic公司，美国）进行打磨处理。运用Solidworks 2017 软件画出内固定模型，利用软件分割命令模拟外侧壁破裂进行截骨。建立锁定钢板与Gamma 钉三维模型，在装配界面与股骨模型进行装配。

1.2 方法 将上述几何模型导入到ANSYS 17.0 有限元分析软件中，建立Static Structural 分析类型，在分析材料库中分别建立皮质骨、松质骨、内固定物的材料属性参数，进入Mechanical 工作界面，在geometry 中对股骨皮质骨、松质骨、内固定物等模型赋予相关的材料。接下来对模型进行网格划分。设置边界条件和载荷：将股骨三维有限元模型内外髁下缘节点的自由度约束为0 作为边界条件，即远端各节点在x、y、z 轴上的位移为0，在股骨头上方关节面予以纵轴向下500 N 应力，平均作用于股骨头与髋臼的接触面，沿纵轴向下，通过运行分析后，得到股骨近端位移云图、骨折部及内固定应力。

2 结果

在相同加载应力下，得到Mises 应力云图显示两种模型模型均出现形变，在股骨头上部的加载力的区域出现最大位移。其中锁定钢板模型最大位移为1.4 001 mm，Gamma 钉模型最大位移为1.2 578 mm；两种模型在骨折线下方骨折远端部分均出现应力不同程度增加，其中Gamma 钉模型最大应力值为23.4MPa。锁定钢板组在远端骨块的骨折线下方及外侧壁周围均有较大应力出现，最大应力值为25.8MPa；两种模型固定的应力分布情况呈现出明显差异，锁定钢板应力的应力集中于在股骨外侧壁与钢板接触部，其中最大应力位于贴近股骨距螺钉尾端与钢板接触部，最高应力达72.5MPa。Gamma钉在股骨内侧显示有分散且均匀的应力分布，最大应力位于主钉近端与股骨颈拉力钉接触部，最高应力为57.6 MPa。见封四彩图2 ～4。

3 讨论

近年来，国内外学者认为股骨转子外侧壁是影响股骨近端骨折稳定及预后的重要因素[1,6-7]。股骨转子外侧壁以松质骨为主，且在术中置入主钉时形成外侧壁破裂，形成二次损伤[8]。生物力学上分析外侧壁阻挡股骨头颈部骨块向外侧移位，一旦外侧壁破坏则可致使近侧头颈骨块向外侧移位，并发生内旋，后期出现拉力螺钉切出股骨头。Gotfried 等[9]通过对24 例股骨转子间骨折内固定失败患者的进行回顾性研究，发现所有患者均存在不同程度的外侧壁骨折。目前已有越来越多的研究发现外侧壁对股骨转子间内固定的重要性，认为无论髓内或髓外固定，均需在手术过程中应注意保护外侧壁的完整性。

本研究两组有限元模型在同样的应力加载下，Gamma 钉模型股骨近端的应力集中位于在主钉与股骨颈拉力钉接触部，锁定钢板模型中股骨近端的应力在股骨外侧臂皮质骨处出现应力集中，内固定应力最大值大于Gamma 钉内固定的骨折模型，这与以往文献报道一致[10]。锁定钢板因为偏心固定，因此承受更多的载荷，而锁定钢板近端的多螺钉设计有利于应力分散，避免应力集中而出现内固定断裂。本实验采用外侧壁骨折模型，在载荷下大转子与外侧壁骨块的所形成的股骨外侧张力带的断裂，当对股骨头部施加应力时，应力一部分沿内固定向远端传导，另一部分沿股骨内侧向下传导，同时在外侧壁处形成了外翻应力，因为缺少外侧壁，导致内固定在外侧壁临近股骨颈、骨折断端处的应力增大[11]，应力分布云图颜色在相应部位加深。此外，Gamma 钉内固定的最大应力明显小于锁定钢板，因为髓内钉的固定作用对外侧壁的张力辅助要求较低，且内固定轴心内移。通过内固定应力云图可显示Gamma 钉使应力通过主钉传导，在股骨内侧形成分散且均匀的应力，明显降低局部的应力遮挡和应力集中发生。锁定钢板的工作力臂更长，加上外侧壁的缺损，因此在外侧壁与钢板接触部出现明显应力集中。

综上所述，Gamma 钉与股骨外侧锁定钢板均有效固定伴有外侧壁骨折的转子间骨折，Gamma 钉内固定所承受的应力较锁定钢板小，临床应首选髓内固定。当选择锁定钢板内固定时，需要尽量重建外侧壁的完整，提高股骨近端的稳定性，减少内固定失败率。