股骨颈骨折空心钉内固定有限元分析的研究进展

张迪峰，余 霄，庞清江

有限元分析是一种现代计算方法，目前广泛应用于水利建筑工程及机械制造等领域。作为一种力学分析方法，其在骨关节生物力学方面亦有广阔的应用空间。与传统应力分析法相比，有限元分析能建立与真实几何相似的数字模型，赋予材料特殊的属性，直接对人体骨骼进行重建模拟研究[1]，弥补了普通实验成本高、周期长等不足。

在创伤骨科领域，股骨颈骨折的相关研究主要集中在对股骨近段、股骨颈以及髋臼处应力的三维有限元分析方面，用以指导设计股骨内置物、评价及改进修复方式等[2-4]。空心钉固定是治疗股骨颈骨折的主要术式，尤其适用于年轻患者。利用有限元法研究股骨颈骨折空心钉固定的生物力学特点，对合理制定手术规划、准确预估手术效果、减少术后并发症具有重要意义，现综述如下。

1 有限元分析在空心钉内固定术前规划和评估中的应用

三维虚拟重建技术是在有限元分析的基础上发展起来的，可以模拟内固定安装后的关节活动以及可能出现的各种情况。杜长岭等[5]对8例采用空心钉内固定治疗的股骨颈骨折患者应用交互式医学影像控制系统模拟手术操作，依据测量参数定位导针，选择合适型号螺钉，术后根据X线片观察虚拟计划与手术情况是否匹配，结果显示，术中实际情况与虚拟手术设计基本相符，缩短了手术时间，减少了术中透视次数。

通过三维有限元分析还可获得股骨颈应力应变规律以及应力分布基础数据，根据患者个体情况对空心钉内固定手术效果及预后进行术前评估，并进一步得到手术优化参数[6-8]，为常规手术以及机器人或计算机辅助导航手术提供依据，保障手术的准确性和安全性。

2 有限元法在空心钉内固定效果影响因素分析中的应用

影响股骨颈空心钉内固定效果的因素主要包括患者健康状态、体重、骨量、骨折类型、空心钉置入数量以及螺钉整体布局、角度、位置等[6,9-11]。

2.1 骨折类型

随Pauwels角度增大，股骨颈骨折断端所承受的剪切力逐渐增加，骨折不稳定、内固定失败的风险也随之加大。相对于其他类型的股骨颈骨折，PauwelsⅠ型骨折断端压力较小，故使用空心钉固定时骨折线不应与螺钉方向垂直，以防股骨颈发生短缩。夏志锋等[12]对全螺纹空心螺钉、2枚拉力螺钉及股骨近端锁定钢板3种内固定方式的生物力学特性进行有限元分析，发现对于PauwellsⅠ型骨折，全螺纹空心螺钉的内固定效果优于其他两种内固定方式。

对于PauwellsⅢ型股骨颈骨折，张浩等[9]研究3枚与4枚螺钉置入股骨颈的生物力学稳定性，有限元分析结果提示4枚螺钉内固定生物力学稳定性更强，但缺乏临床实验证据。InterTan钉板系统是使用2枚互相交锁的螺钉置入股骨头中，应力分布均匀，固定稳定性优于3枚互相平行的空心钉[13]；该系统治疗PauwelsⅢ型骨折术后骨不连发生率为8%，显著低于传统空心钉固定的19%[14]。总之，PauwelsⅢ型骨折线位移趋势较Ⅰ型、Ⅱ型大，需首先考虑固定的稳定性。如选择空心钉，宜在传统3枚螺钉上加用额外固定以增加稳定性，分散应力，降低术后内固定松动、断裂以及骨折不愈合的风险。

2.2 置钉方式

有学者认为，使用3枚“倒品字”形排列的空心钉治疗股骨颈骨折预后最佳[14-15]。周力等[6]采用有限元方法对空心钉内固定手术进行力学综合分析，将体重、骨折线角度、空心钉角度及空心钉位置等参数组合后获得216种情况，分析结果显示，3枚空心钉置入的最佳位置为倒三角形，空心钉基本为对称面位置以及以接近垂直于骨折线的角度置入时，内固定稳定性较好。Mei等[16]的有限元分析结果亦表明，倒立等腰三角形固定是3枚拉力螺钉治疗股骨颈骨折最佳的固定方式，螺钉位置、Pauwels角以及钻孔次数均对固定强度有一定影响。

另有实验采用有限元分析方法分别模拟3根与4根空心拉力螺钉固定股骨颈骨折的情况，结果表明4枚螺钉的生物力学效果显著强于3枚螺钉，可更加有效地对抗增加的剪切力，提高力学稳定性[9]。亦有学者比较4种不同数量及正三角形、倒三角形、矩形、菱形构型的内固定模型，应力峰值分别为46.382、32.159、43.985和24.342 MPa，4枚菱形分布的空心拉力螺钉设计有效分散了应力，应力集中小于其他固定方式；同时还可有效避免股骨头扭转，具有更佳的生物力学优势[17]。

有学者提出一种新的F形空心钉固定方式，与传统正三角形固定相比，能明显减小内固定对股骨矩断端的应力载荷，增强股骨头载荷时的稳定性，减小总位移量及骨折断端的相对位移量，为骨折端稳定提供良好的力学环境[18-19]。

2.3 术后前倾角

股骨颈骨折术后前倾角的改变对于股骨近端生物力学也有一定影响[20-21]。杜长岭等[22]通过股骨近端三维重建及CAD软件装配，建立股骨颈骨折内固定术后不同前倾角的有限元模型，分析结果显示，随着前倾角的变化，股骨和空心钉内固定上的应力分布均有所改变。前倾角未改变时（10°），股骨近端所受应力、产生位移和等效应变最小；随着前倾角增大或减小，应力、位移、最大冠状面位移、等效应变值均有所升高，3枚空心螺钉承受的应力较周围骨组织高，最下方螺钉承受的应力较上方2枚螺钉明显增高，提示股骨颈骨折闭合复位内固定术中恢复前倾角、达到解剖复位的重要性。

3 有限元分析在预估术后并发症风险中的应用

股骨颈骨折内固定术后的主要并发症有股骨头坏死、股骨颈短缩、骨折复发、骨折不愈合等[23]，一旦发生，往往需要进一步手术干预，但效果不甚理想。通过有限元分析探究符合生物力学原理的固定方式，预估并发症发生风险，可以达到增强手术效果、改善患者预后的目的。

3.1 股骨头坏死

临床上取出内固定1～2年内出现股骨头坏死的患者不在少数，有学者认为取出内固定之前患者股骨头已处于坏死进程中，只是外观尚未改变，未出现塌陷及变形，其细微变化在普通X线片上难以察觉[24]。赵万鹏等[25]通过三维重建技术对坏死股骨头的MRI影像进行重构，获得坏死股骨头的三维几何模型，分析表明，正常载荷（300 N）下股骨头坏死组织≥40%就有发生塌陷的危险，小于40%则在较大载荷下才有发生塌陷的危险；Liu等[26]的三维有限元分析结果亦表明，大的坏死缺损往往形成高应力集中区，塌陷危险较大，建议在内固定置入之前对缺损大小进行详细评估。唐洪涛等[27]的有限元分析则表明，骨折愈合去除空心螺钉后行钉道内植骨有利于提高股骨头颈部的生物力学性能，可预防股骨头坏死塌陷变形。

空心钉排列布局情况及螺钉远端位于股骨头下的深度和螺钉数量也是股骨颈骨折骨性愈合患者取钉后股骨头坏死的主要生物力学影响因素。吴伟等[28]研究发现当3枚空心钉排列分布最集中且远端位于股骨头下2 mm时，取钉后股骨头前外侧的应力值最大；当2枚空心钉排列分布最分散且远端位于股骨头下10 mm时，取钉后股骨头前外侧的应力值最小。国际内固定协会亦推荐采用3枚平行于股骨颈方向的空心钉呈倒等边三角形固定、空心钉远端位于股骨头下5～10 mm的方式，取出空心钉后对股骨头的生物力学影响最小。

3.2 股骨颈短缩

通过建立三维有限元模型，人们得以成功预测股骨颈骨折术后发生短缩的情况，分析各种内固定方式、置钉方式等对于术后股骨颈短缩并发症的影响。姜轩[10]研究发现，随着股骨颈长度的缩短，股骨近端生物力学性能变化明显，髋关节活动受到影响，不利于恢复患者远期功能和生活质量；张晟等[13]的有限元分析结果证实InterTan钉板系统固定能有效防止股骨颈短缩的发生；任栋等[17]的有限元分析研究则表明，4枚菱形空心拉力螺钉的内固定方式稳定性更好，内固定强度更高，应力更加分散，能够有效降低术后股骨颈短缩的发生风险。

3.3 股骨颈再次骨折

股骨颈内固定取出后遗留的骨洞空腔会造成骨骼结构质量下降，股骨头颈的再生修复血管化减缓；同时，由于失去内固定物的支撑保护，再次骨折的风险会明显增加[29-30]。有学者分别重建模拟正三角形、倒三角形内固定人体股骨近端的三维有限元模型，发现由于应力集中，正三角形置钉者骨折愈合取钉后股骨颈再次骨折的风险明显上升，提示术后康复时应予以密切注意[31]。

3.4 骨折不愈合

股骨颈骨折术后愈合过程受到内固定稳定性的影响，不同的空心钉固定效果也有所不同。顾洪辉等[32]采用“榫”式头颈成形术治疗股骨颈骨折不愈合，生物力学结果显示，该术式令骨折断面增大，断端嵌插，骨质接触紧密，相应减轻了内固定物的负载，也减少了应力遮挡效应，有利于骨折愈合。

4 空心钉改良设计的有限元分析

内固定器械的作用是暂时性地为骨折愈合提供一个稳定的力学环境，愈合过程中负重将逐步转移至愈合的骨上。吕厚辰等[33]在传统3枚空心螺钉“品”字形固定的基础上复合成骨刺激因子，设计侧边开口的改良空心螺钉，有限元分析结果表明改良螺钉断裂载荷低于传统组，力学强度足以承受人体体质量，可代替常规空心螺钉。Shi等[34]在使用2钉固定的基础上加入骨折髋支撑关节这一非限制型新型髋关节支撑器，有限元分析结果表明，髋支撑关节能保护新生血管通过骨折区进入股骨头，促使股骨头转化愈合。

总之，通过有限元分析，术者能够对股骨颈骨折空心钉内固定术后应力应变分布等生物力学特点进行观察，明确多种内固定的最佳置入角度，为内固定的设计、改良提供参考，对临床手术具有指导意义。然而，有限元法对力学动态变化的分析存在不足，导致模拟临床实际情况的精准度下降。此外，有关空心钉内固定术后短缩和螺钉断裂等并发症的有限元分析目前仍较为缺乏，未来人们将更加关注术后短缩及股骨周围软组织等有限元模型的相关研究，以及对空心钉固定术后并发症损伤机制的有限元分析。