有限元分析在评价股骨颈骨折内固定方式中的研究进展与展望

齐远博 王道峰 刘道宏 陶笙

一、介绍

股骨颈骨折是临床中常见的一类髋部骨折。随着人口老龄化的加剧，股骨颈骨折的发病率不断升高，有流行病学研究预测，2050 年全世界的髋部骨折数量将达到626 万例，其中股骨颈骨折占比约达 53%，且主要来源于发展中国家和地区[1-2]。当今我国成人的股骨颈骨折的发生率占全身骨折的 3.6%，占髋部骨折的 48.22%[3]。目前，手术是治疗股骨颈骨折的主要方式。因此，寻求精准且高效的内固定疗法是股骨颈骨折诊疗和预后的迫切需求[4]。股骨颈骨折的手术治疗方式主要包括内固定与髋关节置换，其中内固定治疗的方法多样。由于股骨近端具有特殊的解剖结构和脆弱的血液供应，内固定术后易出现骨折不愈合、骨不连、股骨头坏死等严重并发症[5]。选择合适的内固定治疗方式对复位和预后具有重大意义。然而最佳的内固定方法仍无明确定论，这也是现今骨科医师面对的重大挑战[6]。

结合临床考虑和文献分析，笔者发现影响股骨颈骨折内固定手术成功率的主要因素是股骨颈骨折病理状态下及不同内固定状态下的生物力学传导机制。纷繁的内固定装置在不断创新与研发，只有对股骨颈骨折及不同内固定器械的生物力学展开更加全面的研究，才能有效实现股骨颈骨折的内固定治疗。有限元分析 (finite element analysis，FEA) 作为骨科领域里重要的生物力学研究工具，是临床前开展器械力学性能检验、提供科学理论依据的必要环节。FEA 是一种数学建模方法，最早出现在航空工程领域，随着计算机技术的不断发展，其被逐渐应用于生物力学、热力学及电磁学等领域。Brekelmans 等[7]和 Rybicki等[8]在 1972 年首次将 FEA 应用于骨科的生物力学研究，为此后 FEA 在骨科的发展奠定了基础。在骨生物力学研究领域，FEA 是一种适用于任何复杂结构中某一点的应力及应变的计算方法。通过 CT 等影像学技术获得数据，然后利用计算机软件将人体骨骼标本复杂的几何形状(“域”) 分割成许多个子域，并以此为基础构建目的标本的计算机网格模型，再将各个单元节点连接，描述出标本的几何形状，形成三维立体数字模型，最后赋予该模型材料属性、定义力学特性和约束条件，从而进行数据分析和研究计算[9]。相比传统的力学研究方法如脆性涂层技术、光学方法、应变片测量和光弹性技术，FEA 可以更准确有效地评估骨及骨材料的应力和变力特性，在应力应变分析、破坏分析等方面也具有借鉴意义；目前已逐渐发展成为现代骨生物力学研究中不可或缺的模拟计算方法。

笔者通过介绍国内外相关的股骨颈骨折内固定有限元力学分析研究，总结 FEA 在股骨颈骨折不同内固定方式的应用现状，旨在更好地了解不同内固定方式的力学特征，为临床有效选择股骨颈骨折内固定器械提供力学基础。

二、文献筛选

本研究以“股骨颈骨折”“有限元”和“内固定”为中文关键词在中国生物医学文献数据库 (China Biology Medicine disc，CBMdisc)，中国知网 (China National Knowledge Infrastructure) 数据库中展开检索。以“femoral neck fracture”“femur neck fracture”“finite element analys*”“internal fixation”“fixation device”为英文关键词在 PubMed，Embase 和 Web of Science 数据库中检索所有符合的文章。采用 Endnote 20.0 整合所有数据库参考引文，通过排除重复的研究后，逐一阅读引文标题及摘要，排除无关研究。随后进一步获取符合条件的文章全文，两位临床医师 (齐远博，王道峰) 独立筛查，如果存在歧义，则由第三位医师 (刘道宏) 介入审查。最终确定纳入综述的文章。具体检索式、纳入排除标准及流程图见(表1、图1)。通过对纳入文章的综述分析，总结 FEA 在股骨颈骨折内固定中的转化应用。

图1 文章筛选流程图Fig.1 Article screening flowchart

表1 基于 PubMed、Web of Science、Embase 数据库的检索策略Tab.1 Search strategy based on PubMed,Web of Science,Embase databases

三、文献综述

(一) 股骨颈骨折与内固定的 FEA 模型建立

股骨颈骨折与内固定装配的 FEA 模型是基于 CT 建立的。主要包括正常股骨颈、股骨颈骨折、内固定器械以及股骨颈骨折与内固定装配模型。图2 通过将一名符合标准的健康成人股骨 CT 影像数据材料导入医学影像系统处理得到原始股骨三维模型；将输出的 STL 文件导入扫描模型数据处理软件，进行构建和优化，经优化后的模型再传入三维制图软件进行“股骨颈的切割”构建骨折模型与内固定模型的装配；最后应用 FEA 软件对其进行各项力学参数的分析与研究。

图2 股骨颈骨折与内固定的 FEA 模型建立流程图Fig.2 Flow chart of finite element model of femoral neck fracture and internal fixation

(二) 股骨颈骨折不同内固定方式的 FEA 研究

选择何种内固定方法来处理股骨颈骨折，至今仍存在分歧。一项对 272 位创伤骨科协会 (Orthopaedic Trauma Association，OTA) 专家的调查显示[10]：47% 的医师习惯使用动力髋螺钉 (dynamic hip screw，DHS)，43% 的医师习惯使用空心钉固定系统，另外 10% 的医师使用其它不同的内固定装置；不同内固定应用于股骨颈骨折中的生物力学机制尚未明确是造成分歧的主要原因。探索股骨颈骨折的最佳内固定方式成为了目前的研究热点。而验证内固定系统的生物力学性能是其应用于临床的必要前提，FEA 可以为内固定装置在临床应用提供科学的理论依据。股骨颈骨折的主流分型方式包括：Garden 分型及 Pauwels 分型两类，根据文献的整理与总结，笔者发现当今关于 FEA 的研究主要聚焦于 Pauwels 分型中，尤以 Pauwels Ⅲ 型 (不稳定型)的股骨颈骨折，因为此类型是临床中最难处理的骨折类型，同时固定失效与骨折愈合不良也最易发生于此类骨折[11]。基于此，笔者就近年来 FEA 在评价不同内固定方式应用于股骨颈骨折中的研究进展进行综述 (图3)。

图3 股骨颈骨折不同内固定方式的 FEA 研究Fig.3 Finite element analysis of different internal fixation methods for femoral neck fracture

1.空心拉力螺钉的 FEA 研究：空心拉力螺钉技术治疗股骨颈骨折，因其手术创伤小、出血量少、恢复时间快、住院时间短等优势，且在维持骨折稳定、防旋转、促进骨折愈合等多个方面都凸显成效，成为了现今临床中最受欢迎的手术方式[12]；但该方法的装置固定强度有限，仅空心螺钉固定较为单薄，有研究数据显示传统空心加压螺钉固定股骨颈骨折的失败率为 41.9%[13]。所以对该固定方式的研究与改良也在不断进行，尝试以最小的损伤和最确切的手术效果，不断优化股骨颈骨折的内固定治疗方法。FEA的应用为这些“新方法”的临床应用奠定了力学基础。

(1) 空心拉力螺钉不同置钉方式的 FEA 研究：FEA 能精确地分析比较不同置钉方式所引起的力学特征。刘俊俊等[14]使用 FEA 比较了在 Pauwels 30° 稳定型股骨颈骨折中空心螺钉正三角与倒三角两种置钉方法的力学特点，结果两种置钉方式的股骨头最大等效应力、骨折端与内固定的最大位移无明显差异，但倒三角方式的内固定最大等效应力更低，更为坚固。张成宝等[15]则比较了正、倒三角螺空心钉在 Pauwels 70° 的不稳定股骨颈骨折伴有不同程度的骨缺损的力学特点，当股骨颈内侧皮质完整或有少量骨缺损时，倒三角置钉的生物力学性能更好，对于股骨颈内侧骨缺损较大时，正三角置钉更具力学稳定。有学者研究了正三角、倒三角、前三角、后三角和垂直分布 5 种置钉方式的 Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折的 FEA 模型，分析出倒三角方式固定的应变值最小、耐受垂直负荷最大、有最大的应力对抗能力，固定效果最为稳定[16]。魏文卿等[17]运用 FEA 模拟了在 Pauwels Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 的三型股骨颈骨折，分别将 2 枚平行钉、正三角、倒三角、强斜、交叉 5 种置钉方式建模，对内固定物与股骨颈头侧、干侧的应力分布以及模型的位移分布等数据分析，结果中 Pauwels Ⅰ、Ⅲ型骨折时强斜置钉与倒三角置钉较其余 3 种置钉方式更为稳固，在 Pauwels Ⅱ 型骨折中交叉置钉的方式最为稳定，正三角置钉的效果最差。

不同的置钉方式对骨折稳定性影响很大，且固定方式应随不同骨折类型随机应变。在众多置钉形式中，倒三角置钉方式的表现相对更优；为探究其固定力学原理，Zhang 等[18]考虑到空心螺钉的横截面积是否会对 3 枚空心螺钉固定 Pauwels Ⅲ 股骨颈骨折的效果产生影响，设计了斜三角形与倒等边三角形固定的 Pauwels Ⅲ 股骨颈骨折的FEA 建模，经过比较两种模型的横截面积、周长、应力变化等数据，指出当 3 枚空心螺钉平行置入后，横截面积越大稳定度越高，螺钉不同空间构型与内固定装置的稳定性有直接联系。

(2) 改良空心螺钉技术与传统空心螺钉比较的 FEA 研究：FEA 能模拟测试出在传统空心螺钉技术基础上改良的优势与弊端。传统的倒三角空心螺钉置钉时会将所有的钉平行于股骨颈置入，经改良的固定方式主要有偏轴螺钉固定 (近端 1 枚垂直骨折线加压螺钉的交叉构型)、F 形固定 (双平面、双支撑螺钉固定) 及在传统倒三角拉力螺钉基础上加股骨颈内侧支撑钢板等方式。Zhou 等[19]就偏轴螺钉固定与传统标准的倒三角空心螺钉固定 Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折进行了 FEA 及尸体的生物力学实验，结果均表明经改良的偏轴螺钉固定在抗剪切、防旋转和骨折端加压等方面较传统方法具有优势。严坤等[20]比较了倒三角构型、F 形固定、偏轴螺钉固定的 3 种内固定方式的 FEA研究中得出了 F 形固定与偏轴螺钉固定的方式应力更加分散、骨折端移位更小，可获得良好的固定效果。艾克白尔·吐逊等[21]、Zhan 等[22]和 Jiang 等[23]为探究传统倒三角拉力螺钉与增加内侧支撑钢板时，两种内固定系统的稳定程度，分别进行了 FEA 模拟实验，均证实了在固定Pauwell Ⅲ 型股骨颈骨折时，增加内侧支撑钢板对骨折端的稳定性优于单纯空心螺钉。

虽然这些经改良的空心钉固定方式在理论层面已获得良好效果，但是仍缺乏足够的临床证据，需根据具体的骨折类型及骨折情况慎重选用[24]。运用 FEA 对改良空心螺钉内固定方式的探索，体现出了现行的空心钉固定技术仍存在明显的局限性，虽然部分经改良的固定方式尚未在临床中广泛应用，但这也促进了股骨颈骨折内固定技术的不断发展。在通过借助 FEA 进行的建模实验，将会使得空心钉技术不断进步升级，为其能够更好地应用于股骨颈骨折治疗，提供坚实有力的数据与理论基础。

(3) 新型空心螺钉与传统空心螺钉比较的 FEA 研究：FEA 能辨析新型空心钉与传统空心钉的异同，并验证新型空心螺钉所具有的优势特性。Xue 等[25]新研制了一种无头加压支撑螺钉，并借助 FEA 比较其与传统空心螺钉固定不稳定性股骨颈骨折的生物力学性能；结果显示新型无头加压支撑螺钉的应力分布更广，螺钉的最大位移、von Mises 应力及旋转位移均小于传统空心螺钉，具有更好的抗旋转与支撑固定效果。Lu 等[26]对股骨颈骨折 (Pauwels角=60°) 应用新型双头螺纹的空心螺钉与普通空心螺钉分别进行水平、垂直及倒三角固定，采用光学测量技术结合FEA 构建出相应的骨折内固定模型，计算分析各组的生物力学效能。结果表明，双头螺纹的空心钉固定能使得应力分布更均匀、生物力学效能更佳。而 Ding 等[27]与方永刚等[28]研究了一种新型的可降解镁合金仿生空心螺钉固定股骨颈骨折并进行了 FEA 研究，分别在内固定模型中比对了该新型螺钉与传统钛合金仿生空心螺钉和钛合金空心螺钉的生物力学性能，发现新型的镁合金仿生空心钉固定模型的应力分布更加均匀、应力峰值更低，生物力学性能较其它两种钛合金螺钉更优越、固定效果更好。

随着内固定技术的发展及新型内固定装置研发，近几年间出现的多种新型空心螺钉器械正在尝试以更坚固的生物力学性能、更优越的生物材料特性，对传统构型的空心螺钉发起了挑战；空心螺钉在向多元化发展，从构型的改进再到优势材料的研发，伴之而来的便是这“新一代”的比拼。然而 FEA 也为这些新型的空心钉装置提供了筛选、优化、验证的有力平台，在 FEA 的强大模拟效果下，可以真实地反映出新内固定装置的有效性与可靠程度，进而有助于其尽快地应用于临床。

2.DHS 结合抗旋转螺钉 (derotation screw，DS) 的FEA 研究：DHS 是临床中常用于治疗股骨颈骨折的内固定手段之一，其适用的最佳骨折类型为基底型股骨颈骨折、Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折或骨质疏松性骨折；但因单钉固定时会发生骨折近端的旋转，遂在应用于股骨颈骨折时，常将其与 DS 一同平行置入[24]。有学者结合 FEA 与临床应用分析研究，表明在年龄 ≤65 岁的青年股骨颈骨折患者中，使用阳性支撑复位后 DHS+DS 的方式固定稳妥，可获得良好的治疗效果[29]。尤其在处理股骨颈骨折且伴内侧骨质粉碎时，传统的空心钉固定形式就很难满足坚强固定的需求；此时，DHS+DS 可能是更好的选择。尹博浩等[30]构建了在股骨颈骨折伴内侧皮质缺损的情况下，DHS+DS、倒三角空心钉、倒三角空心钉+内侧锁定钢板固定的有限元仿真模型，比较发现从稳定程度、应力分布等方面验证了 DHS+DS 固定的有效性。

(1) DHS+DS 与改良空心螺钉技术比较的 FEA 研究：FEA 能客观地比对经改良后的空心螺钉技术与传统DHS+DS 技术之间的差异。在既往的生物力学及 FEA 研究中，DHS 所表现出的刚度、应力分布及峰值等性能，一般都会较传统 3 根空心螺钉的固定方式优越[31]；近些年由于改良的新型空心螺钉技术不断发展，DHS 作为经典有效的固定方式，与之的“较量”必不可少。Huang 等[32]将DHS+DS 与新型双向加压滑动螺钉固定 Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折的生物力学性能进行了 FEA 实验，股骨外侧壁应力分布结果显示：DHS+DS 的应力峰值为 53.033 Mpa，应力集中主要分布在螺钉与骨的接触区域，而新型双向加压螺钉的应力峰值仅有 20.009 Mpa，未见明显的应力集中区域；但 DHS+DS 在 von Mises 应力峰值、内部固定应力的峰值及位移峰值均最小。Lin 等[33]将 DHS+DS、空心钉 F 形固定与改良的 F 形固定 (全螺纹钉) 等方式应用于Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折模型进行了 FEA 研究，表明改良的 F 形固定在股骨及内植物的最大位移、应力峰和骨折端位移最小，应力分布最为稳定，生物力学效能优于 DHS +DS 固定方式。

DHS 技术与空心钉技术相比操作方式相对复杂，且创伤较大；但由于空心钉的材料与结构特性，面对复杂且不稳定的股骨颈骨折时，它不足以应用对骨折端的应力及固定强度。为了兼顾内固定装置的优越性，经学者们改良后的空心钉技术不但可以做到创伤小、操作便捷，同时还满足了骨折稳定性要求。但这些改良技术并未成熟地应用于临床，仍需要进一步的临床实验与生物力学研究来加以验证；FEA 便成为了探究经改良后内固定物可靠性的有力方法，模拟的股骨颈骨折模型以及内固定系统会如实反映相应改良后的优劣情况，为股骨颈骨折的内固定治疗发展提供完善且可靠的理论数据基础。

3.股骨近端髓内钉的 FEA 研究：对于股骨颈基底型骨折且合并股骨干骨折时，可考虑应用股骨近端髓内钉进行治疗[24]；但对于单纯的股骨颈骨折，髓内钉的固定方式往往不适用；有研究表明髓内钉在治疗股骨颈骨折时的失败率很高，尤以其应用于头下型股骨颈骨折时的失败率高达 100%，不建议髓内钉装置应用于股骨颈囊内骨折[34]。髓内钉技术的发展与应用得益于具有良好的固定成效，所以承载于 FEA 方法的股骨颈骨折的髓内固定方式，也成为了学者们的研究方向之一。

(1) 股骨近端髓内钉与其它内固定方式比较的 FEA：FEA 能在构建出的髓内系统与髓外系统进行精准计算分析。Cui 等[35]分析了倒三角空心钉、DHS 和股骨近端防旋转髓内钉 (proximal femoral nail anti-rotation，PFNA) 的股骨颈骨折内固定 FEA 模型，结果表明，PFNA 在生物力学与抗股骨颈短缩方面更具优势，且适合于骨质疏松的患者。Zeng 等[36]设计的 Pauwell Ⅲ 型股骨颈骨折分别采用DHS、空心拉力钉、PFNA、DHS+内侧支撑钢板和空心拉力钉+内侧支撑钢板 5 种固定方式的 FEA 模型，模拟分别在静态与动态条件下步行和爬楼梯的 4 种载荷情况，对 20 种 FEA 模型进行内植物与股骨的 MPS 峰值、最大Von Mises 应力和应力分布等数值计算分析，结果在众多的固定方式中 PFNA 表现出较低的骨和内植物应力变化，生物力学效应最优。Hamidi 等[37]在模拟的股骨颈骨折模型中比对了 DHS 和股骨近端髓内钉 (Gamma 钉) 的力学强度，从骨诱导应力的角度分析，两者并无明显差别，而在应力分布方面，Gamma 钉比 DHS 更均匀。宋丹丹等[38]创新研制的髓内动力髋螺钉系统，进行 FEA 表示其在生物力学性征优于 DHS、空心螺钉和股骨近端锁定钢板。

以上的 FEA 研究体现出了髓内系统的稳定特性，临床中处理较为粉碎且骨折跨度较大的病例时，髓内固定系统可以发挥出独具的优势；而对于在单一的股骨颈骨折治疗时，髓内固定的应用相对较少；原因可能在于，理论层面上的稳定与实际临床情况之间的冲突；所以，对于股骨颈骨折时选用髓内钉固定须极其谨慎。此时 FEA 便通过其仿真模型、模拟受力等方法，将复杂的骨折、不同的内固定、多维度的受力等情况进行数据分析研究，得出真实状态下所发生的结果，从而指导和纠正内固定装置在临床治疗中应用的问题。

四、总结

除空心螺钉、DHS+DS、髓内钉以外，还有一些其它的股骨颈骨折内固定方式，如锁定钢板、股骨颈固定系统(femoral neck system，FNS) 等。关于股骨颈骨折的新型内固定装置的力学稳定性研究与临床应用是一个缓慢而持久的过程，须进行大量的生物力学实验及临床性探索。本着以科学的方法、严谨的态度、全面的视野综合考量，FEA可以作为内固定装置有效性评判的有力举措。但运用 FEA的模拟实验研究，并不能替代生物力学实验及临床性实验研究，因其对肌骨系统的材料属性假设，边界条件设定及单元格数目划分等有一定的局限性，造成的模拟状态与真实情况存在偏差，最终导致实验结果真实性降低。所以内固定装置的力学稳定性评价时，还需结合传统生物力学实验及临床实验共同验证。

股骨近端的 FEA 模型常被用于分析受力原理和预测骨折类型。根据 CT 数据构建的股骨近端 FEA 模型可以预测股骨颈骨折的位置和骨折类型[39]；也可以作为股骨颈骨折各种内固定装置生物力学研究与材料性能评估的应用措施[40]；在股骨颈骨折的预防、生物力学研究和内固定器械强度验证等方面的研究中均展现出了强大的生命力[41]。近年来，对于股骨颈骨折内固定方式的 FEA 研究的主要方向体现在多方面的“新路径”之上，新型的空心钉、新型的改良置钉技术、新型的设计理念、新型的固定装置等；但最终是在向着固定即稳定、损伤程度小、血运破坏少的“完美结局”前行。源于计算机的强大运算能力，FEA 智能地将实体与虚拟进行结合，从而为复杂且困难的股骨颈骨折研究提供出了一套简洁有效的研究体系。在如今大数据、云互联的背景下，结合人体解剖学、骨科生物力学、运动医学、影像学、软件工程学等多学科的合作模式，相信 FEA 可以模拟出更加真实的股骨颈骨折建模与内固定装置建模，使新型优质的内固定装置早日应用于临床。