涂世杰 鄒洋 熊趙平 陳心敏 林梓凌 鄒霞

[摘要] 目的 運(yùn)用有限元法探討股骨近端防旋髓內(nèi)釘治療3種不同復(fù)位狀態(tài)高齡股骨頸基底部骨折的生物力學(xué)。 方法 基于志愿者髖部CT資料，通過Mimics、Geomagic等軟件提取和優(yōu)化股骨近端模型，再導(dǎo)入Solidworks軟件中與股骨近端防旋髓內(nèi)釘進(jìn)行裝配并分割模擬骨折線，移動(dòng)骨折塊分別得到3個(gè)不同復(fù)位狀態(tài)的模型（陽性支撐、中性支撐、陰性支撐），最后把3個(gè)模型全部導(dǎo)入Abaqus軟件中設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件等后進(jìn)行運(yùn)算，查看模型的Von Mises云圖。 結(jié)果 陽性支撐骨折端應(yīng)力分布最均勻且骨折端位移最小，陰性支撐骨折端應(yīng)力集中且骨折端移位最大，中性支撐應(yīng)力分布較均勻且骨折端移位稍大。 結(jié)論 運(yùn)用股骨近端防旋髓內(nèi)釘治療股骨頸基底部骨折，應(yīng)避免陰性支撐復(fù)位狀態(tài)，盡量維持解剖復(fù)位或陽性支撐。

[關(guān)鍵詞] 股骨近端防旋髓內(nèi)釘;股骨頸基底部骨折;陽性支撐;有限元

[中圖分類號] R459;R318;R445;R687.3? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）05（c）-0071-05

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of non-anatomical reduction of basicervical femoral neck fracture in elderly

TU Shijie1? ?ZOU Yang1? ?XIONG Zhaoping1? ?CHEN Xinmin2▲? ?LIN Ziling2? ?ZOU Xia1

1.Department of Traumatic Orthopedics， Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine， Jiangxi Province， Fengcheng? ?331100， China; 2.Department of Traumatic Orthopedics， the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangdong Province， Guangzhou? ?510405， China

[Abstract] Objective To investigate the biomechanics of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of femoral neck basicervical fracture in elderly with three different reduction states by using finite element method. Methods Based on the CT data of the volunteers′ hips， the proximal femoral model was extracted and optimized by Mimics， Geomagic and other softwar， then assembled with proximal femoral nail anti-rotation in Solidworks software and segmented into simulated fracture lines. Three models of different reduction states （positive support fracture， neutral support fracture， negative support fracture） were obtained by moving fracture fragments. Finally， all the three models were imported into Abaqus software to set material parameters， boundary conditions， etc.， and then the calculation was carried out to check the Von Mises nephogram of the model. Results The stress distribution of the positive support fracture end was the most uniform and the displacement of the fracture end was the least. The stress of negative support fracture end was concentrated and the displacement of the fracture end was the greatest. The stress distribution of neutral support fracture end was uniform and the displacement of the fracture end was larger. Conclusion The use of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of basicervical femoral neck fracture should avoid the negative support reduction state， and try to maintain the anatomical reduction or positive support.

[Key words] Proximal femoral nail anti-rotation; Basicervical femoral neck fracture; Positive support; Finite element

股骨頸基底部骨折是股骨頸骨折中較為罕見的一種骨折類型，其本身固有的不穩(wěn)定性增加了內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)[1]，特別對于高齡股骨頸基底部骨折患者，是老年人中最嚴(yán)重的骨折之一[2-3]。臨床上亦有青年股骨頸基底部骨折病例，但多數(shù)因高能量損傷所致，病例較少[4-5]，且青年人骨質(zhì)與老年人差異甚大，治療方式亦有區(qū)別，本文暫不討論。對于高齡股骨頸基底部骨折的治療方式，臨床應(yīng)用股骨近端抗旋髓內(nèi)釘（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）取得較好效果，張乃棟等[6]研究顯示PFNA治療高齡股骨頸基底部骨折術(shù)后髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)優(yōu)良率可達(dá)91.76%。高齡股骨頸基底部骨折臨床病例總體較少，但Lee等[7]研究顯示仍有26.8%的高齡患者因骨折部位塌陷而導(dǎo)致內(nèi)固定失敗，其原因可能與股骨頸基底部骨折復(fù)位狀態(tài)有關(guān)。而用PFNA治療高齡股骨頸基底部骨折怎樣的復(fù)位狀態(tài)可取得更好的效果呢？國內(nèi)外對此研究甚少。本文通過有限元法模擬不同復(fù)位狀態(tài)探討PFNA治療3種不同復(fù)位狀態(tài)高齡股骨頸基底部骨折的效果，為臨床治療提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取1例患者志愿者收集CT資料：①基本資料：62歲，男性，身高170 cm，體重70 kg;②病史：因“摔倒致左髖部疼痛、活動(dòng)受限3 h”于2019年10月23日入豐城市中醫(yī)院（以下簡稱“我院”），X線提示左股骨粗隆間骨折，骨質(zhì)疏松;既往無手術(shù)史、無重大內(nèi)科疾病史，無先天骨骼變異，無腫瘤史，近年未服影響骨代謝藥物;③倫理與知情同意：告知患者實(shí)驗(yàn)?zāi)康模颊弑硎局槔斫獠⒑炇鹬橥鈺?，同時(shí)取得我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn);④掃描條件：取仰臥位，采用GE 64排螺旋CT對髖部螺旋掃描并以Dicom格式保存掃描的CT數(shù)據(jù)，參照鄭利欽等[8]設(shè)置掃描條件為，掃描電壓120 kV，掃描電流250 mA，層厚2 mm，層距5 mm，每個(gè)掃描層的像素矩陣密度大小為512×512。

1.2 實(shí)驗(yàn)軟件

Mimics 19.0 軟件（Materialise公司，比利時(shí)）;Geomagic studio 2017軟件（Geomagic公司，美國）;Solidworks 2017軟件（Dassault Systemes公司，美國）;Abaqus 2016軟件（LSTC公司，美國），以上軟件均由廣州中醫(yī)藥大學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科中醫(yī)骨傷科學(xué)數(shù)字骨科與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.3 方法

1.3.1 重建股骨近端三維模型與初步處理? 將Dicom格式的CT資料導(dǎo)入Mimics 19.0軟件中，通過閾值分割、區(qū)域增長等步驟后建立右側(cè)股骨三維模型，以stl格式文件導(dǎo)入Geomagic studio 2017軟件，進(jìn)行去除特征、劃分格柵、擬合曲面等處理后得到右側(cè)仿真股骨三維模型并生成step文件。

1.3.2模型裝配、分割與復(fù)位模擬? 運(yùn)用Solidworks 2017軟件對step格式的右側(cè)股骨模型進(jìn)行進(jìn)一步處理：首先對模型進(jìn)行分割模擬骨折線;然后在草圖功能中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割、放樣等命令得到PFNA內(nèi)固定模型，具體參數(shù)見大博股骨近端防旋髓內(nèi)釘;再對內(nèi)固定和右側(cè)股骨模型進(jìn)行裝配，調(diào)整進(jìn)釘點(diǎn)、尖頂距（tip apex distance，TAD）于合適位置（TAD值≤0.25）;最后對股骨近端骨折塊進(jìn)行移動(dòng)，分別得到A模型——“陽性支撐”：近側(cè)骨折斷端（股骨頭、頸）的內(nèi)下緣凸向遠(yuǎn)側(cè)骨折斷端的內(nèi)上緣的內(nèi)側(cè)（上蓋下）;B模型——“中性支撐”：遠(yuǎn)近骨折斷端解剖復(fù)位;C模型——“陰性支撐”：遠(yuǎn)側(cè)骨折斷端的內(nèi)上緣凸向近側(cè)骨折斷端的內(nèi)緣的內(nèi)側(cè)（下托上）[9]。見圖1。

1.3.3 材料屬性、邊界條件與運(yùn)算分析? 分別將3個(gè)模型導(dǎo)入Abaqus 2016軟件中，參照任德新等[10]賦予股骨和內(nèi)固定材料屬性，設(shè)置所有材料均為均質(zhì)、各向同性，具體參數(shù)見表1;所有模型骨折端設(shè)置為有限滑移，選擇主表面和從表面，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.3[10]，螺旋刀片與主釘、遠(yuǎn)端釘與主釘、螺旋刀片與股骨均為綁定，約束股骨遠(yuǎn)端，股骨頭最上方設(shè)置BP點(diǎn)，選擇相應(yīng)區(qū)域與之耦合，參考周宇萍[11]關(guān)于股骨頸基底部有限元分析方法，志愿者體重70 kg，在BP點(diǎn)垂直向下加載載荷700 N，劃分網(wǎng)格后行靜力分析。

1.3.4 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)? 在Abaqus軟件可視化模塊中分別比較A、B、C 3個(gè)模型：①股骨近端整體應(yīng)力;②骨折端應(yīng)力;③股骨頭頂部位移;④股骨近端應(yīng)變率。

1.3.5 模型有效性驗(yàn)證? 導(dǎo)入正常右側(cè)股骨三維模型，設(shè)置材料參數(shù)、屬性、邊界條件，給股骨頭中心一個(gè)垂直向下大小為700 N的力，模擬正常股骨受力情況進(jìn)行分析，得出右側(cè)正常股骨的應(yīng)力分布圖。見圖2。其所示應(yīng)力分布和應(yīng)力大小與樊健等[12]、張建國等[13]生物力學(xué)研究獲得的結(jié)果較吻合，提示本實(shí)驗(yàn)建立的有限元模型是可行的，該模型可用于下一步運(yùn)算。

2 結(jié)果

2.1 股骨近端整體應(yīng)力

當(dāng)股骨近端受力時(shí)，股骨近端防旋髓內(nèi)釘提供了很好的支撐作用，完整的外側(cè)壁進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)固定的穩(wěn)定性，A、B、C 3個(gè)模型應(yīng)力均主要集中在螺旋刀片與主釘?shù)倪B接處和外側(cè)壁，股骨近端整體應(yīng)力依次為766.4、777.8、775.4 MPa。見圖3。

2.2 骨折端應(yīng)力分布

當(dāng)股骨頭受力向下時(shí)，骨折端應(yīng)力主要集中于外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)皮質(zhì)，A、B、C 3個(gè)模型最大應(yīng)力均位于外側(cè)壁PFNA進(jìn)釘處，但A模型內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力分布均勻，B模型內(nèi)側(cè)皮質(zhì)亦稍顯應(yīng)力集中，C模型內(nèi)側(cè)皮質(zhì)明顯應(yīng)力集中。見圖4（封三）。

2.3 股骨頭頂部位移

當(dāng)股骨頭受力向下時(shí)，股骨頭頸骨塊亦下壓，與遠(yuǎn)端骨塊相抵，當(dāng)與遠(yuǎn)端骨塊皮質(zhì)骨相抵時(shí)，可形成有效支撐，對抗股骨頭頸骨塊內(nèi)翻和旋轉(zhuǎn);當(dāng)與遠(yuǎn)端骨塊松質(zhì)骨相抵時(shí)，脆弱的松質(zhì)骨斷裂，股骨頭頸骨塊下沉、內(nèi)翻、旋轉(zhuǎn)。C模型股骨頭頂部位移最大，達(dá)5.77 mm，A模型股骨頭頂部位移最小，B模型股骨頭頂部位移處于A、C模型之間。見圖5。

2.4 股骨近端應(yīng)變率

當(dāng)股骨頭受力向下時(shí)，內(nèi)固定、外側(cè)壁、內(nèi)側(cè)皮質(zhì)均對股骨頭頸骨塊有一定的支撐作用，其中內(nèi)固定承受大部分應(yīng)力，A、B、C 3個(gè)模型的應(yīng)變主要都集中在螺旋刀片和主釘?shù)倪B接處，其中C模型應(yīng)變率最小，B模型應(yīng)變率最大，A模型應(yīng)變率處于B、C模型之間。見圖6。

3 討論

股骨頸基底部骨折是股骨頸囊外骨折的一個(gè)獨(dú)特的亞型，它也被稱為高位股骨粗隆間兩部分骨折。由于股骨頸基底部骨折斷端兩側(cè)存在明顯不同，即近端狹窄，遠(yuǎn)端較寬，造成股骨頸基底部骨折天然的軸向和旋轉(zhuǎn)機(jī)械不穩(wěn)定，最終都可能導(dǎo)致內(nèi)固定失敗[14]。股骨頸基底部骨折的治療方式現(xiàn)主要是多根空心螺釘固定、側(cè)方鋼板系統(tǒng)固定和髓內(nèi)釘系統(tǒng)固定3種，眾多學(xué)者[15-21]研究發(fā)現(xiàn)：無論臨床療效或生物力學(xué)研究，以PFNA為代表的髓內(nèi)釘系統(tǒng)固定較前兩者具有明顯的優(yōu)勢。因此，PFNA治療股骨頸基底部骨折是切實(shí)可行的。

陽性支撐最早是由以色列骨科醫(yī)生Gotfried[22]提出的用于股骨頸頭下型骨折復(fù)位，主要是在X線正位片強(qiáng)調(diào)將上方頭頸骨塊的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)由輕度外展位復(fù)位于下方股骨頸內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的外側(cè)（下托上）。張世民等[23]基于此提出了股骨粗隆間骨折的非解剖的正性皮質(zhì)支撐復(fù)位，與Gotfried股骨頸頭下型骨折的復(fù)位要求正好相反。而從本研究的生物力學(xué)上看，股骨頸基底部骨折生物力學(xué)更接近于股骨粗隆間骨折，這與現(xiàn)有觀點(diǎn)是一致的[24]。與股骨粗隆間骨折相似：①股骨頸基底部骨折骨折端形成陽性支撐復(fù)位后，近端骨塊內(nèi)側(cè)皮質(zhì)與遠(yuǎn)端骨塊內(nèi)側(cè)皮質(zhì)形成“上蓋下”復(fù)位關(guān)系，受力后近端骨塊向外向下滑動(dòng)，其內(nèi)側(cè)皮質(zhì)與遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)皮質(zhì)相互接觸，堅(jiān)硬的皮質(zhì)骨為頭頸骨塊提供了“二次穩(wěn)定”，為骨折的愈合創(chuàng)造了良好的力學(xué)環(huán)境[23，25-26]，而本次有限元研究也可看出陽性支撐骨折端內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力分布均勻，未有明顯應(yīng)力集中，股骨頭頂部位移較小，提示股骨頭頸骨塊較為穩(wěn)定，骨折端間隙小，有利于骨折愈合;②股骨頸基底部骨折骨折端形成陰性支撐復(fù)位后，近端骨塊內(nèi)側(cè)皮質(zhì)與遠(yuǎn)端骨塊內(nèi)側(cè)皮質(zhì)形成“下托上”復(fù)位關(guān)系，受力后近端骨塊向外向下滑動(dòng)，其內(nèi)側(cè)皮質(zhì)與遠(yuǎn)端松質(zhì)骨相互接觸，松質(zhì)骨無法提供有力支撐形成“二次穩(wěn)定”，骨折端塌陷、內(nèi)翻，螺旋刀片切割，最終導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。本次有限元研究也顯示陰性支撐骨折端有明顯的應(yīng)力集中，股骨頭頂部位移最大，提示股骨頭頸骨塊相對不穩(wěn)定，骨折端間隙大，可能導(dǎo)致延遲愈合，甚至不愈合。

解剖復(fù)位一直是骨科手術(shù)遵循的原則，良好的對位對線具有較理想的恢復(fù)效果，而對于PFNA治療股骨頸基底部骨折，解剖復(fù)位和陽性支撐各有其優(yōu)缺點(diǎn)：①本研究提示，陽性支撐的應(yīng)力分布比中性支撐更為分散、均勻，更能有效地避免應(yīng)力集中，且陽性支撐骨折端位移比中性支撐骨折端位移更小，更加有利于骨折端愈合;但股骨頸基底部骨折精準(zhǔn)閉合復(fù)位常出現(xiàn)困難，如術(shù)中反復(fù)牽拉旋轉(zhuǎn)，使股骨血供遭到破壞，反而會(huì)增加股骨頭缺血性壞死、骨折不愈合風(fēng)險(xiǎn)[27]。②陽性支撐“上蓋下”的復(fù)位關(guān)系使近端骨塊向外向下滑動(dòng)，其內(nèi)側(cè)皮質(zhì)與遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)皮質(zhì)相互接觸，堅(jiān)硬的皮質(zhì)骨為頭頸骨塊提供了“二次穩(wěn)定”，而中性支撐更多地依靠骨折端近端骨塊和遠(yuǎn)端骨塊皮質(zhì)骨的摩擦力形成穩(wěn)定，提供支撐，當(dāng)骨折端承受應(yīng)力大于摩擦力時(shí)則造成滑動(dòng)，進(jìn)而變成陰性支撐，最終可能導(dǎo)致內(nèi)固定失敗;但股骨頸基底部骨折解剖復(fù)位具有其生物學(xué)優(yōu)勢：可較好的保護(hù)股骨頭血供，有效避免對關(guān)節(jié)囊的損傷，較好的保護(hù)血液供應(yīng)，能有效降低術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)或術(shù)中出血量[28-29]。③中性支撐即近端骨塊和遠(yuǎn)端骨塊內(nèi)側(cè)皮質(zhì)在影像學(xué)透視上獲得完全對位，但由于透視影像的分辨力不強(qiáng)，1～2 mm皮質(zhì)錯(cuò)位并不能反映出來，在骨折端吸收后，中性支撐有可能轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮灾味鴮?dǎo)致頭頸骨塊過度退縮[23]。

高齡股骨頸基底部骨折是老年人中最嚴(yán)重的骨折之一，本研究基于有限元法模擬不同復(fù)位狀態(tài)顯示：運(yùn)用PFNA治療股骨頸基底部骨折，應(yīng)避免陰性支撐復(fù)位狀態(tài)，盡量維持解剖復(fù)位或陽性支撐。因條件所限，本研究為靜態(tài)應(yīng)力分析，而不同復(fù)位狀態(tài)產(chǎn)生的術(shù)后并發(fā)癥如螺旋刀片切割、股骨頭頸骨塊內(nèi)翻和旋轉(zhuǎn)等卻是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，我們將在后期研究中進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

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（收稿日期：2019-12-09? 本文編輯：顧家毓）