INTERTAN与PFNA治疗Evans-Jensen Ⅳ型股骨转子间骨折的有限元分析

张建国，吕 欣

股骨转子间骨折为临床上骨科常见疾病，常见于老年人，随着社会人口老龄化的到来，其发病率呈上升趋势[1]。目前研究表明，因股骨转子间骨折具有并发症多、病死率高等特点，手术治疗是主流[2]。但内植物的选择一直是骨科医师争论的热点话题之一，临床上常见的内植物有钢板螺钉固定系统和髓内固定系统，动力髋螺钉(DHS)和股骨近端锁定钢板(LCP)作为钢板螺钉固定系统的代表，在临床上被广泛使用。DHS很长一段时间作为手术治疗的金标准，但是DHS更多地适用于稳定的转子间骨折的固定[3]。随着内固定材料不断发展和生物力学研究不断进步，股骨近端髓内钉(PFN)、股骨近端防旋髓内钉(PFNA)和INTERTAN髓内钉等髓内固定系统在临床上使用越来越多[4]。PFNA是在PFN的基础上针对老年骨质疏松患者研制的内固定系统[5]，具有操作简单、创伤小、手术时间短、骨量丢失少等特点。而INTERTAN 作为新一代髓内钉[6]，很大程度上避免了其他内植物的缺点，如主钉近端横截面采用梯形，增强了抗旋转能力，远端采用独特的发卡形分叉设计，可有效分散应力，避免远端假体周围骨折。

目前，有限元分析是研究骨骼生物力学特性的一种重要方法，其采用建模对数值仿真分析，得出系统的变形、应力、应变分布等结果[7]。本实验通过运用三维有限元分析法，对Evens-Jensen Ⅳ型股骨转子间骨折采用INTERTAN和PFNA治疗的生物力学进行分析，旨在为临床治疗提供理论依据。

材料与方法

1 材料

1.1实验资料 健康男性1名，年龄26岁，身高175cm，体重70kg，既往无股骨病史。

1.2实验设备 Discovery CT750 HD宝石能谱CT，美国GE公司。

惠普高性能计算机工作站配置：Windows10操作系统，CPU：Inter(R)Core(TM)i5-6200u，2.30GHz，内存 8GB。

1.3实验软件 Mimics15.0软件，比利时Materialise公司；Geomagic Studio12.0软件，美国Geomagic公司；Ansys软件，美国Ansys公司；Solidworks，美国达索公司。

2 方法

2.1获取图像 对健康成年人双侧股骨进行CT平扫，扫描长度为股骨全长，具体扫描条件是：球管电压设置为140kv，电流设置为140mA，层厚 0.625mm，无间隔，共800张，将CT扫描的图片以DICOM格式保存。

2.2建立股骨有限元模型 第一步：使用mimics15.0软件处理CT扫描获得的DICOM格式的图像资料，将灰度值设置为226-3071Gv，对所得的三维图像进行处理，提取出所需骨骼模型，以STL格式文件导出。第二步：使用工程软件GeomagicStudio12.0处理导出的STL格式文件，生成实体，导出为STP格式文件。第三步：在专业的三维软件Solidworks里进行模型编辑，生成骨折面。第四步：最后将模型导入有限元分析软件进行应力分析。

2.3PFNA 和INTERTAN 三维模型的建立 第一步：CT平扫Synthes生产的PFNA内固定系统，电压设定140kv，电流设定140mA，层厚0.625mm，使用mimics15.0处理扫描得到的PFNA影像学资料，获得PFNA的三维图像，以STL 格式文件导出。第二步：使用工程软件GeomagicStudio12.0处理导出的STL格式文件，建立PFNA三维模型，导出为IGES格式。第三步：根据Smith Nephew生产的INTERTAN髓内钉资料，使用Solidworks对INTERTAN进行三维模拟重建，得到INTERTAN三维模型，导出为IGES格式，见图1。

图1 a.PFNA三维模型;b.INTERTAN 三维模型

2.4两种不同固定的有限元模型的建立 按照Evens-Jensen IV型股骨转子间骨折的治疗方法，及Synthes生产的PFNA和Smith Nephew生产的INTERTAN两种内固定装配标准流程，采用Solidworks将股骨模型和两种内固定的三维模型进行处理，得到两种不同固定结果的有限元模型(所得节点与单元数见表1)。将以上结果导入ANSYS软件进行处理、计算、分析。

表1 两种不同固定的有限元模型的节点数与单元数

2.5有限元模型接触方式设置 将合适装配的两组模型导入Ansys中，对内植物进行设置，骨折面的摩擦系数设置为0.2[8]，根据临床上对Evans-Jensen Ⅳ型股骨转子间骨折的处理办法，对小转子不进行固定，本实验将小转子设置为游离状态，将内植物拉力钉与主钉之间的接触关系设置为绑定，且股骨和内植物之间没有相对位移。根据Bergmann等[9]的研究，人在步行过程中力的峰值可达体重的2.6～2.8倍。结合志愿者身体重量，将2 100N(3倍体重)的力垂直加到股骨头上进行有限元加载。

3 材料属性

有限元模型各部分材料参数见表2。

表2 有限元模型各部分材料参数

4 评价指标

通过以下指标评定两种内固定：模型中股骨的应力分布和应力峰值；模型中PFNA和INTERTAN的应力分布和应力峰值；两种模型中股骨应变结果；股骨大小转子周围a和b区域的应力峰值(图2)。

图2 股骨大小转子周围a和b区域图

5 有限元模型的可靠性验证

用正常股骨模拟正常人生理状态下受力情况的有限元模型，得出正常股骨的应力分布图(图3)，其所示应力分布情况与张雪鹏等[10]生物力学研究获得的结果较吻合，证明本实验建立的有限元模型是可行的，可以用该模型进行计算。

图3 正常股骨应力云图

1 股骨的von Mises应力分布

两种模型(图4a、b)中股骨最大应力均位于股骨近端内侧，分别为61.827MPa和66.382MPa。I模型的股骨最大应力小于P模型。

图4 a.I模型股骨应力云图;b.P模型股骨应力云图

2 内固定的von Mises 应力分布

INTERTAN和PFNA中内固定最大应力点均位于主钉远端(图5a、b)，分别为72.554MPa和75.486MPa。内植物INTERTAN应力峰值小于PFNA。

图5 a.I模型内植物应力云图;b.P模型内植物应力云图

3 两种模型股骨应变结果

两种模型中股骨最大应变点均位于股骨近端内侧(图6a、b)，分别为1421×10-6和1526×10-6。INTERTAN应变峰值小于PFNA。

图6 a.I模型股骨微应变云图;b.P模型股骨微应变云图

4 股骨大小转子周围2个区域的应力峰值、及股骨、内植物应力峰值

I模型中，股骨大小转子周围a和b区域的应力峰值均低于股骨和内植物应力峰值；P模型中，股骨大小转子周围a、b区域和股骨的应力峰值均低于内植物应力峰值，见表3。

表3 股骨大小转子周围2个区域的应力峰值及股骨、内植物应力峰值(MPa)

讨 论

股骨转子间骨折多由暴力所致，尤其老年骨质疏松患者多发，造成患处肿痛，下地行走等活动受限，易发长期卧床并发症，给患者和家属造成重大负担[11]。根据Evans-Jensen 分型，Ⅲ型及以上不稳定骨折以手术治疗为主[12]。目前临床上治疗方法较多，有钢板螺钉固定系统、髓内钉固定系统、人工关节置换术等[13]，由于人工关节置换术具有假体使用年限受限、假体松动、下沉、严重骨质疏松患者假体失稳等缺陷，该手术方式受一定的限制；钢板螺钉固定系统抗旋转能力较差、容易出现螺钉切割等问题，严重粉碎性骨折患者不易使用。髓内钉固定系统中有Gamma钉、PFN、PFNA和INTERTAN钉等，临床上后两者最为常用，尽管取得良好的疗效，但是术后髋内翻、内植物断裂、应力性骨折等并发症并不能完全避免[14]。

股骨转子间骨折尤其是合并小转子骨折的患者，发生髋内翻的概率更大[15]。研究结果显示，在相同压力下，两组模型股骨的应力分布与正常股骨基本相同，应力主要位于股骨近端内侧，但两组模型股骨各区域应力较正常股骨相同部位应力均有升高，外侧升高最为显著，与冯卫等[16]的结论相同。骨小梁和股骨近端内侧皮质会承受更大的应力，力会从股骨近端结构中央的内侧传递至外侧，股骨头内侧结构可以起支撑作用，而外侧没有，因此股骨近端会有内翻的倾向[17]。研究结果显示，在给予相同载荷作用下， I模型与P模型股骨近端内侧最大应力分别为31.312MPa、31.570MPa，与正常股骨内侧应力无明显区别，I模型与P模型股骨近端外侧应力分别为36.832Mpa、31.143MPa，模型股骨外侧应力较正常股骨明显升高，I模型外侧的最大应力小于P模型，因此P模型发生髋内翻的概率高于I模型。

内植物断裂是股骨转子间骨折内固定术后失败的原因之一[18]。内固定能够为骨折的股骨提供稳定的支撑，同时能将压力向下传导，避免应力的集中。本研究发现两组模型内植物应力主要分布于远端。结合两组模型股骨近端内侧应力分布分析，Evans-Jensen Ⅳ型股骨转子间骨折内侧壁小转子丢失，内侧应力无法通过内侧壁向下传导，对于此型骨折使用髓内固定时股骨内侧应力没有明显增加，而内固定相应位置承受一部分应力，应力集中于内植物的远端。INTERTAN的应力峰值为72.554MPa,PFNA应力峰值为75.486MPa，均位于主钉与远端锁钉交界处。根据医用钛合金材料的相关报道[19]：医用钛合金的屈服强度通常不低于700MPa，研究显示两组模型内植物的应力峰值均远低于屈服强度，能够为骨折提供可靠固定。

股骨中段应力性骨折也是股骨转子间骨折内固定术后失败的原因之一[20]。应变是指在外力等因素作用下物体局部产生的相对变形，是形变量与原来尺寸的比值，用ε表示，即ε=ΔL/L[21]。研究结果显示I模型股骨最大应变(ε)为1421×10-6，位于股骨中段内侧，而P模型股骨最大应变(ε)为1525×10-6，也位于股骨内侧近端。根据Frost[22]的相关理论，当应变 (ε)达到 3000×10-6时，会产生过多的骨微量损伤，进而引起骨小梁断裂和骨的疲劳骨折。由研究可见，两组模型应变峰值均未达到可以造成股骨应力性骨折的阈值。

综上所述，PFNA和INTERTAN均可用于Evans-Jensen Ⅳ型股骨转子间骨折的治疗。相较于PFNA，INTERTAN具有一定的生物力学优势。