腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉比较治疗股骨颈骨折的有限元分析

徐景利， 陈 达， 林天烨， 杨 鹏， 庞智晖， 张庆文

(广州中医药大学1第一临床医学院； 2第一附属医院骨三科， 广州 510405)

股骨颈骨折是指由股骨头颈交界区至股骨颈基底部的骨折，在全世界范围内发病率较高，中老年人居多，且呈现逐年增长的趋势。预计到2050年，全球范围内的股骨颈骨折患者将达到6 300万，这一数值是1994年的4倍[1]。股骨颈骨折后易导致股骨头、颈的血运受损，使股骨头血供减少，导致骨不连、股骨头缺血性坏死的发生。股骨颈骨折后骨不连的发生率为20%，股骨头坏死的发生率为30%[2]。目前手术治疗股骨颈骨折的方法主要是内固定和髋关节置换2种。内固定手术操作简便、价格相对低廉且可保留患者股骨头，但存在骨折不愈合及股骨头坏死等并发症，恢复周期较长；全髋关节置换术可在短期内使患者恢复正常生活能力，减低褥疮、感染、深静脉血栓形成等并发症的风险，但由于假体寿命限制等原因，对于年龄小于65岁的患者，主要采用内固定手术治疗。目前，闭合复位空心钉内固定可以使骨折端加压，有利于骨折愈合，已成为治疗股骨颈骨折的首选方法[3]。近年来，有学者采用有限元方法对空心钉固定股骨颈骨折的生物力学机制进行一系列研究，认为3 枚螺钉倒三角布局可以提供足够的稳定性[4-6]。空心螺钉内固定术疗效肯定，骨折愈合率高[7-10]，但即使较早复位和螺钉坚强内固定也难以完全避免股骨头坏死的发生。研究表明[11-13]，采用腓骨柱联合空心钉治疗股骨颈骨折，可有效促进骨折愈合、减少股骨头坏死及预防创伤性股骨头坏死后塌陷。目前关于腓骨柱联合空心钉治疗股骨颈骨折的生物力学特性研究较少。本研究采用三维有限元分析软件，建立腓骨柱联合空心螺钉Pauwels I模型、腓骨柱联合空心螺钉Pauwels II模型、腓骨柱联合空心螺钉Pauwels III模型及3枚空心螺钉Pauwels I模型、3枚空心螺钉Pauwels II模型、3枚空心螺钉Pauwels III模型共6种，比较腓骨柱联合空心螺钉固定与3枚空心螺钉固定治疗股骨颈骨折的生物力学特性，以期为临床治疗股骨颈骨折提供一定参考，现报道如下。

1 资料和方法

1.1一般资料选择26岁健康男性志愿者1名，体质量70 kg，身高172 cm，获取志愿者髋部CT螺旋扫描数据，层厚0.5 mm，层距5 mm，每层分辨率1 024×1 024像素，生成的图像保存为DICOM格式。

1.2分析软件Mimics 17.0 软件(比利时 Materialise公司)，Geomagic Studio 11(美国Geomagic公司)，Solidworks 2015(美国Dassault Systemes S.A)，Abaqus 2016(美国Dassault Systemes S.A)。

1.3方法

1.3.1 股骨颈骨折有限元模型的建立 将CT得到的DICOM数据导入Mimiucs 17.0软件，经阈值分割，获得股骨头皮质骨大致轮廓，然后通过区域增长、蒙皮编辑、腔隙填充等进行修补，生成皮质骨三维模型，经轻度表面光滑处理后，导出为stl格式文件，导入Geomagic-Studio 11软件进一步行表面光滑、划分网格、探测轮廓线及拟合曲面等处理，保存为stp格式导入Soildworks 2015软件进行装配，按照Pauwels I(Pauwels角30°)、Pauwels II(Pauwels角50°)、Pauwels III(Pauwels角70°)型模拟骨折，建立股骨头骨性结构三维模型。

1.3.2 同种异体腓骨模型的建立 在Soildworks 2015软件中进行同种异体腓骨有限元模型构建，设置植入同种异腓骨柱为长90 mm、外径10 mm、中空部分直径5 mm的皮质骨，将模型保存为prt格式文件。

1.3.3 空心螺钉模型的建立 在Soildworks 2015软件中进行空心螺钉有限元模型构建，设置长85 mm、80 mm 2种规格空心螺钉，直径均为6.5 mm，空心部分直径均为5 mm，螺纹长30 mm，位于螺钉远端，将2种模型保存为prt格式文件。

1.3.4 腓骨柱联合空心螺钉模型的建立 在Soildworks 2015软件中分别对股骨颈骨折模型(Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III)、腓骨柱和空心螺钉进行装配，85 mm长空心螺钉位于股骨距前下方皮质3 mm以内，腓骨柱植入部位为股骨头前外侧负重区，腓骨柱到关节面下约5 mm，80 mm空心钉植入到腓骨柱前下方，共建立Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III型股骨颈骨折腓骨柱联合空心螺钉模型3个，保存为x_t格式文件。

1.3.5 3枚空心螺钉模型的建立 在Soildworks 2015软件中分别对(Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III)股骨颈骨折模型、空心螺钉进行装配，3枚螺钉与股骨颈平行呈“倒三角”植入，共建立Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III型股骨颈骨折3枚空心螺钉模型3个，建模过程示例，见图1。

(注：A: Mimiucs软件建立皮质骨三维模型；B: Geomagic-Studio表面光滑、划分网格、探测轮廓线及拟合曲面；C: Soildworks 建立同种异体腓骨、螺钉及模拟骨折；D: Soildworks装配腓骨柱联合空心钉及3枚空心钉模型)

1.4材料属性及网格划分将上述模型导入Abaqus软件中，股骨近端材料设定为各向同性的弹性材料，各材料弹性模量及泊松比见表1。股骨、空心螺钉及腓骨均采用10节点4面体单元(C3D10)，不同模型节点及单元见表2。

表1 不同材料弹性模量及泊松比

表2 2组模型节点及单元数/个

1.5边界条件及载荷设定骨折完全断裂且解剖复位，骨折断端完全接触，摩擦系数为0.2。股骨皮质骨与松质骨、腓骨柱与股骨、空心钉与股骨均设定为绑定接触。股骨远端在X轴、Y轴、Z轴上的自由度设置为0。采用常用的单足站立简化模型，在股骨头负重区施加700 N轴向应力，应力沿轴向向下,见图2。

(注：股骨远端完全约束、轴向应力垂直向下)

1.6观察指标(1)不同模型总体应力分布及位移情况；(2)不同模型股骨应力分布情况；(3)股骨头应力分布及位移情况；(4)不同模型内固定物最大应力及位移分布情况；(5)不同模型骨折断端移位情况；(6)骨折远折端应力分布情况。

2 结果

2.1腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型的应力分布及最大位移情况在Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III型股骨颈骨折中，3枚空心螺钉模型的应力分布均较腓骨柱联合空心螺钉模型更集中，且最大应力值均大于腓骨柱联合空心螺钉模型。3枚空心螺钉模型应力主要集中在骨折的内固定端，腓骨柱联合空心螺钉模型应力主要集中在骨折的内固定端及股骨距区，更分散的应力有利于降低内固定在术后康复过程中发生疲劳失效的风险。最大位移方面，在Pauwels I、Pauwels II型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉2种内固定方式最大位移相差不大；而在Pauwels III型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉模型的最大位移为0.26 mm，3枚空心螺钉模型的最大位移为0.16 mm，见表3、图3。

表3 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型的应力分布及最大位移情况

(注：A: Pauwels I型腓骨柱联合空心螺钉模型应力及位移云图； B: Pauwels I型3枚空心螺钉模型应力及位移云图； C: Pauwels II型腓骨柱联合空心螺钉模型应力及位移云图； D: Pauwels II型3枚空心螺钉模型应力及位移云图； E: Pauwels III型腓骨柱联合空心螺钉模型应力及位移云图； F: Pauwels III型3枚空心螺钉模型应力及位移云图)

2.2腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型内固定处的应力分布及最大位移情况腓骨柱联合空心螺钉Pauwels I模型内固定物最大应力值由大到小分别为95.38、14.09、13.28，3枚空心螺钉Pauwels I模型内固定物最大应力值由大到小分别为217.2、216.3、87.50。腓骨柱联合空心螺钉Pauwels II模型内固定物最大应力值由大到小分别为77.60、76.28、14.89，3枚空心螺钉Pauwels II模型内固定物最大应力值由大到小分别为177.3、133.2、72.43。腓骨柱联合空心螺钉Pauwels III模型内固定物最大应力值由大到小分别为113.6、91.65、11.29，3枚空心螺钉Pauwels III模型内固定物最大应力值由大到小分别为176.8、94.46、72.01。腓骨柱联合空心螺钉模型内固定物最大应力值小于3枚空心螺钉模型，3枚空心螺钉模型应力过于集中于螺钉部位，螺钉发生疲劳失效的风险更大。内固定最大位移方面，在Pauwels I、Pauwels II型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉2种内固定方式内固定物最大位移相差不大，而在Pauwels III型股骨颈骨折中，3枚空心螺钉模型最大位移更小,见表4、5、图4。

2.3 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型股骨的应力分布情况 3枚空心螺钉Pauwels I模型股骨的最大应力值小于腓骨柱联合空心螺钉Pauwels I模型。3枚空心螺钉Pauwels II模型股骨最大应力值与腓骨柱联合空心螺钉Pauwels II模型相近。腓骨柱联合空心螺钉Pauwels III模型最大应力值小于3枚空心螺钉Pauwels III模型。在3种骨折模型中，2种内固定方式的股骨应力集中部位均在股骨距及下面螺钉入口处,见表6、图5。

表4 腓骨柱联合空心螺钉模型内固定处的应力分布及最大位移情况

表5 3枚空心螺钉模型内固定处的应力分布及最大位情况

(A: Pauwels I型腓骨柱联合空心螺钉模型内固定应力及位移云图； B: Pauwels I型3枚空心螺钉模型内固定应力及位移云图； C: Pauwels II型腓骨柱联合空心螺钉模型内固定应力及位移云图； D: Pauwels II型3枚空心螺钉模型内固定应力及位移云图； E: Pauwels III型腓骨柱联合空心钉螺模型内固定应力及位移云图； F: Pauwels III型3枚空心螺钉模型内固定应力及位移云图)

表6 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型股骨的应力分布情况

(A: Pauwels I型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨应力分布云图； B: Pauwels I型3枚空心螺钉模型股骨应力分布云图； C: Pauwels II型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨应力分布云图； D: Pauwels II型3枚空心螺钉模型股骨应力分布云图； E: Pauwels III型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨应力分布云图； F: Pauwels III型3枚空心螺钉模型股骨应力分布云图)

2.4腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型股骨头的最大应力及位移分布情况在Pauwels I、Pauwels II型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉2种内固定方式股骨头最大应力及最大位移值相近。在Pauwels III型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉模型股骨头最大应力值及最大位移值均大于3枚空心螺钉模型，说明对于Pauwels III型股骨颈骨折，3枚空心螺钉比腓骨柱联合空心螺钉能提供更好的生物力学稳定性，抗张力及剪切力更好，见表7、图6。

表7 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型股骨头的最大应力及位移分布情况

(A: Pauwels I型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨头应力及位移云图； B: Pauwels I型3枚空心螺钉模型股骨头应力及位移云图； C: Pauwels II型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨头应力及位移云图； D: Pauwels II型3枚空心螺钉模型股骨头应力及位移云图； E: Pauwels III型腓骨柱联合空心螺钉模型股骨头应力及位移云图； F: Pauwels III型2枚空心螺钉模型股骨头应力及位移云图)

2.5腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型骨折断端的位移情况在Pauwels I、Pauwels II型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉2种内固定方式骨折断端最大位移值相近；在Pauwels III型股骨颈骨折中，3枚空心螺钉模型骨折断端的最大位移值更小,见表8。

2.6腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型骨折远折端的应力情况在Pauwels I、Pauwels II、Pauwels III型股骨颈骨折中，腓骨柱联合空心螺钉模型的骨折远折端的最大应力值均大于3枚空心螺钉模型，说明腓骨柱联合空心螺钉可以为骨折端提供更大的压应力，见表9、图7。

表8 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型骨折断端的位移情况

表9 腓骨柱联合空心螺钉模型和3枚空心螺钉模型骨折远折端的应力情况

(A: Pauwels I型腓骨柱联合空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图； B: Pauwels I型3枚空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图； C: Pauwels II型腓骨柱联合空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图； D: Pauwels II型3枚空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图； E: Pauwels III型腓骨柱联合空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图； F: Pauwels III型3枚空心螺钉模型骨折远折端应力分布云图)

3 讨论

股骨颈骨折多发于中老年人，占全身骨折的3.6%，骨质疏松是老年人常见的股骨颈骨折原因，而中青年股骨颈骨折常见于车祸、高空坠落等高能量损伤，移位较大的骨折易导致骨折愈合困难及增加远期股骨头坏死、塌陷的风险。陈海宏等[13]认为，传统的骨折复位空心拉力螺钉固定可以达到骨折端解剖复位、骨折端加压，有利于骨折愈合，但不能增加股骨头血供及降低股骨头内压，继而出现股骨头缺血坏死。随着股骨头坏死的进一步发展，螺钉把持力不足，固定失效，向外滑脱退出，抗剪切及支撑力进一步下降，出现折端移位及股骨头塌陷，形成骨性关节炎，关节疼痛，活动受限。腓骨柱植骨支撑固定术通过腓骨柱植入支撑在负重区，应用腓骨柱的生物学和力学特性，在为骨折部位保障有效固定的同时，也为骨折部位的爬行替代提供修复的空间、刺激成骨、促进骨折愈合[14-16]。有限元法是一种力学研究方法，在骨外科领域被逐渐广泛应用，极大的促进了骨折外科的生物力学研究的发展，股骨生物力学的研究已经有很多年的历史了，传统的力学研究方法不便于直接应用于人体，有限元分析为股骨生物力学的研究提供了新的方法[17]。

本研究采用单足站立简化模型，忽略周围肌肉及韧带对骨折稳定性的影响，未能完全模拟人体实际力学情况，2种内固定方式治疗尚需更多大样本体外生物力学及临床研究进一步验证。对于Pauwels I、Pauwels II型股骨颈骨折，腓骨柱联合空心螺钉与3枚空心螺钉力学稳定性相当，但腓骨柱联合空心螺钉应力分布更分散，3枚空心螺钉模型应力更多集中于螺钉上，易造成螺钉应力疲劳；对于Pauwels III型股骨颈骨折，3枚空心螺钉具有更好的力学稳定性，抗张力及剪切力更好。