股骨近端防旋髓内钉治疗高龄非解剖复位股骨颈基底部骨折的有限元分析

涂世杰 邹洋 熊赵平 陈心敏 林梓凌 邹霞

[摘要] 目的 運用有限元法探讨股骨近端防旋髓内钉治疗3种不同复位状态高龄股骨颈基底部骨折的生物力学。 方法 基于志愿者髋部CT资料，通过Mimics、Geomagic等软件提取和优化股骨近端模型，再导入Solidworks软件中与股骨近端防旋髓内钉进行装配并分割模拟骨折线，移动骨折块分别得到3个不同复位状态的模型（阳性支撑、中性支撑、阴性支撑），最后把3个模型全部导入Abaqus软件中设置材料参数、边界条件等后进行运算，查看模型的Von Mises云图。 结果 阳性支撑骨折端应力分布最均匀且骨折端位移最小，阴性支撑骨折端应力集中且骨折端移位最大，中性支撑应力分布较均匀且骨折端移位稍大。 结论 运用股骨近端防旋髓内钉治疗股骨颈基底部骨折，应避免阴性支撑复位状态，尽量维持解剖复位或阳性支撑。

[关键词] 股骨近端防旋髓内钉;股骨颈基底部骨折;阳性支撑;有限元

[中图分类号] R459;R318;R445;R687.3          [文献标识码] A          [文章编号] 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颈骨折中较为罕见的一种骨折类型，其本身固有的不稳定性增加了内固定失败的风险[1]，特别对于高龄股骨颈基底部骨折患者，是老年人中最严重的骨折之一[2-3]。临床上亦有青年股骨颈基底部骨折病例，但多数因高能量损伤所致，病例较少[4-5]，且青年人骨质与老年人差异甚大，治疗方式亦有区别，本文暂不讨论。对于高龄股骨颈基底部骨折的治疗方式，临床应用股骨近端抗旋髓内钉（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）取得较好效果，张乃栋等[6]研究显示PFNA治疗高龄股骨颈基底部骨折术后髋关节功能恢复优良率可达91.76%。高龄股骨颈基底部骨折临床病例总体较少，但Lee等[7]研究显示仍有26.8%的高龄患者因骨折部位塌陷而导致内固定失败，其原因可能与股骨颈基底部骨折复位状态有关。而用PFNA治疗高龄股骨颈基底部骨折怎样的复位状态可取得更好的效果呢？国内外对此研究甚少。本文通过有限元法模拟不同复位状态探讨PFNA治疗3种不同复位状态高龄股骨颈基底部骨折的效果，为临床治疗提供生物力学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取1例患者志愿者收集CT资料：①基本资料：62岁，男性，身高170 cm，体重70 kg;②病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限3 h”于2019年10月23日入丰城市中医院（以下简称“我院”），X线提示左股骨粗隆间骨折，骨质疏松;既往无手术史、无重大内科疾病史，无先天骨骼变异，无肿瘤史，近年未服影响骨代谢药物;③伦理与知情同意：告知患者实验目的，患者表示知情理解并签署知情同意书，同时取得我院医学伦理委员会批准;④扫描条件：取仰卧位，采用GE 64排螺旋CT对髋部螺旋扫描并以Dicom格式保存扫描的CT数据，参照郑利钦等[8]设置扫描条件为，扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，层厚2 mm，层距5 mm，每个扫描层的像素矩阵密度大小为512×512。

1.2 实验软件

Mimics 19.0 软件（Materialise公司，比利时）;Geomagic studio 2017软件（Geomagic公司，美国）;Solidworks 2017软件（Dassault Systemes公司，美国）;Abaqus 2016软件（LSTC公司，美国），以上软件均由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供。

1.3 方法

1.3.1 重建股骨近端三维模型与初步处理  将Dicom格式的CT资料导入Mimics 19.0软件中，通过阈值分割、区域增长等步骤后建立右侧股骨三维模型，以stl格式文件导入Geomagic studio 2017软件，进行去除特征、划分格栅、拟合曲面等处理后得到右侧仿真股骨三维模型并生成step文件。

1.3.2模型装配、分割与复位模拟  运用Solidworks 2017软件对step格式的右侧股骨模型进行进一步处理：首先对模型进行分割模拟骨折线;然后在草图功能中通过拉伸、旋转、切割、放样等命令得到PFNA内固定模型，具体参数见大博股骨近端防旋髓内钉;再对内固定和右侧股骨模型进行装配，调整进钉点、尖顶距（tip apex distance，TAD）于合适位置（TAD值≤0.25）;最后对股骨近端骨折块进行移动，分别得到A模型——“阳性支撑”：近侧骨折断端（股骨头、颈）的内下缘凸向远侧骨折断端的内上缘的内侧（上盖下）;B模型——“中性支撑”：远近骨折断端解剖复位;C模型——“阴性支撑”：远侧骨折断端的内上缘凸向近侧骨折断端的内缘的内侧（下托上）[9]。见图1。

1.3.3 材料属性、边界条件与运算分析  分别将3个模型导入Abaqus 2016软件中，参照任德新等[10]赋予股骨和内固定材料属性，设置所有材料均为均质、各向同性，具体参数见表1;所有模型骨折端设置为有限滑移，选择主表面和从表面，设置摩擦系数为0.3[10]，螺旋刀片与主钉、远端钉与主钉、螺旋刀片与股骨均为绑定，约束股骨远端，股骨头最上方设置BP点，选择相应区域与之耦合，参考周宇萍[11]关于股骨颈基底部有限元分析方法，志愿者体重70 kg，在BP点垂直向下加载载荷700 N，划分网格后行静力分析。

1.3.4 评价标准  在Abaqus软件可视化模块中分别比较A、B、C 3个模型：①股骨近端整体应力;②骨折端应力;③股骨头顶部位移;④股骨近端应变率。

1.3.5 模型有效性验证  导入正常右侧股骨三维模型，设置材料参数、属性、边界条件，给股骨头中心一个垂直向下大小为700 N的力，模拟正常股骨受力情况进行分析，得出右侧正常股骨的应力分布图。见图2。其所示应力分布和应力大小与樊健等[12]、张建国等[13]生物力学研究获得的结果较吻合，提示本实验建立的有限元模型是可行的，该模型可用于下一步运算。

2 结果

2.1 股骨近端整体应力

当股骨近端受力时，股骨近端防旋髓内钉提供了很好的支撑作用，完整的外侧壁进一步增强内固定的稳定性，A、B、C 3个模型应力均主要集中在螺旋刀片与主钉的连接处和外侧壁，股骨近端整体应力依次为766.4、777.8、775.4 MPa。见图3。

2.2 骨折端应力分布

当股骨头受力向下时，骨折端应力主要集中于外侧壁和内侧皮质，A、B、C 3个模型最大应力均位于外侧壁PFNA进钉处，但A模型内侧皮质应力分布均匀，B模型内侧皮质亦稍显应力集中，C模型内侧皮质明显应力集中。见图4（封三）。

2.3 股骨頭顶部位移

当股骨头受力向下时，股骨头颈骨块亦下压，与远端骨块相抵，当与远端骨块皮质骨相抵时，可形成有效支撑，对抗股骨头颈骨块内翻和旋转;当与远端骨块松质骨相抵时，脆弱的松质骨断裂，股骨头颈骨块下沉、内翻、旋转。C模型股骨头顶部位移最大，达5.77 mm，A模型股骨头顶部位移最小，B模型股骨头顶部位移处于A、C模型之间。见图5。

2.4 股骨近端应变率

当股骨头受力向下时，内固定、外侧壁、内侧皮质均对股骨头颈骨块有一定的支撑作用，其中内固定承受大部分应力，A、B、C 3个模型的应变主要都集中在螺旋刀片和主钉的连接处，其中C模型应变率最小，B模型应变率最大，A模型应变率处于B、C模型之间。见图6。

3 讨论

股骨颈基底部骨折是股骨颈囊外骨折的一个独特的亚型，它也被称为高位股骨粗隆间两部分骨折。由于股骨颈基底部骨折断端两侧存在明显不同，即近端狭窄，远端较宽，造成股骨颈基底部骨折天然的轴向和旋转机械不稳定，最终都可能导致内固定失败[14]。股骨颈基底部骨折的治疗方式现主要是多根空心螺钉固定、侧方钢板系统固定和髓内钉系统固定3种，众多学者[15-21]研究发现：无论临床疗效或生物力学研究，以PFNA为代表的髓内钉系统固定较前两者具有明显的优势。因此，PFNA治疗股骨颈基底部骨折是切实可行的。

阳性支撑最早是由以色列骨科医生Gotfried[22]提出的用于股骨颈头下型骨折复位，主要是在X线正位片强调将上方头颈骨块的内侧皮质由轻度外展位复位于下方股骨颈内侧皮质的外侧（下托上）。张世民等[23]基于此提出了股骨粗隆间骨折的非解剖的正性皮质支撑复位，与Gotfried股骨颈头下型骨折的复位要求正好相反。而从本研究的生物力学上看，股骨颈基底部骨折生物力学更接近于股骨粗隆间骨折，这与现有观点是一致的[24]。与股骨粗隆间骨折相似：①股骨颈基底部骨折骨折端形成阳性支撑复位后，近端骨块内侧皮质与远端骨块内侧皮质形成“上盖下”复位关系，受力后近端骨块向外向下滑动，其内侧皮质与远端内侧皮质相互接触，坚硬的皮质骨为头颈骨块提供了“二次稳定”，为骨折的愈合创造了良好的力学环境[23，25-26]，而本次有限元研究也可看出阳性支撑骨折端内侧皮质应力分布均匀，未有明显应力集中，股骨头顶部位移较小，提示股骨头颈骨块较为稳定，骨折端间隙小，有利于骨折愈合;②股骨颈基底部骨折骨折端形成阴性支撑复位后，近端骨块内侧皮质与远端骨块内侧皮质形成“下托上”复位关系，受力后近端骨块向外向下滑动，其内侧皮质与远端松质骨相互接触，松质骨无法提供有力支撑形成“二次稳定”，骨折端塌陷、内翻，螺旋刀片切割，最终导致内固定失败。本次有限元研究也显示阴性支撑骨折端有明显的应力集中，股骨头顶部位移最大，提示股骨头颈骨块相对不稳定，骨折端间隙大，可能导致延迟愈合，甚至不愈合。

解剖复位一直是骨科手术遵循的原则，良好的对位对线具有较理想的恢复效果，而对于PFNA治疗股骨颈基底部骨折，解剖复位和阳性支撑各有其优缺点：①本研究提示，阳性支撑的应力分布比中性支撑更为分散、均匀，更能有效地避免应力集中，且阳性支撑骨折端位移比中性支撑骨折端位移更小，更加有利于骨折端愈合;但股骨颈基底部骨折精准闭合复位常出现困难，如术中反复牵拉旋转，使股骨血供遭到破坏，反而会增加股骨头缺血性坏死、骨折不愈合风险[27]。②阳性支撑“上盖下”的复位关系使近端骨块向外向下滑动，其内侧皮质与远端内侧皮质相互接触，坚硬的皮质骨为头颈骨块提供了“二次稳定”，而中性支撑更多地依靠骨折端近端骨块和远端骨块皮质骨的摩擦力形成稳定，提供支撑，当骨折端承受应力大于摩擦力时则造成滑动，进而变成阴性支撑，最终可能导致内固定失败;但股骨颈基底部骨折解剖复位具有其生物学优势：可较好的保护股骨头血供，有效避免对关节囊的损伤，较好的保护血液供应，能有效降低术后感染风险或术中出血量[28-29]。③中性支撑即近端骨块和远端骨块内侧皮质在影像学透视上获得完全对位，但由于透视影像的分辨力不强，1～2 mm皮质错位并不能反映出来，在骨折端吸收后，中性支撑有可能转变为阴性支撑而导致头颈骨块过度退缩[23]。

高龄股骨颈基底部骨折是老年人中最严重的骨折之一，本研究基于有限元法模拟不同复位状态显示：运用PFNA治疗股骨颈基底部骨折，应避免阴性支撑复位状态，尽量维持解剖复位或阳性支撑。因条件所限，本研究为静态应力分析，而不同复位状态产生的术后并发症如螺旋刀片切割、股骨头颈骨块内翻和旋转等却是一个动态过程，我们将在后期研究中进行进一步深入研究。

[参考文献]

[1]  Watson ST，Schaller TM，Tanner SL，et al. Outcomes of Low-Energy Basicervical Proximal Femoral Fractures Treated with Cephalomedullary Fixation [J]. J Bone Joint Surg Am，2016，98（13）：1097-1102.

[2]  Guo J，Dong W，Jin L，et al. Treatment of basicervical femoral neck fractures with proximal femoral nail antirotation [J]. J Int Med Res，2019，47（9）：4333-4343.

[3]  Bernstein J，Weintraub S，Hume E，et al. The New APGAR SCORE：A Checklist to Enhance Quality of Life in Geriatric Patients with Hip Fracture [J]. J Bone Joint Surg Am，2017，99（14）：e77.

[4]  Wilk R，Skrzypek M，Kowalska M，et al. Standardized incidence and trend of osteoporotic hip fracture in Polish women and men： a nine year observation [J]. Maturitas，2014，77（1）：59-63.

[5]  Broderick JM，Bruce-Brand R，Stanley E，et al. Osteoporotic hip fractures：the burden of fixation failure [J]. ScientificWorldJournal，2013，2013：515197.

[6]  张乃栋，陈方民.微创闭合复位经皮空心加压螺丝钉及股骨近端抗旋髓内钉（PFN A）治疗股骨颈基底型骨折的临床疗效对比[J].滨州医学院学报，2016，39（3）：186-188，191.

[7]  Lee YK，Yoon BH，Hwang JS，et al. Risk factors of fixation failure in basicervical femoral neck fracture：Which device is optimal for fixation？ [J]. Injury，2018，49（3）：691-696.

[8]  鄭利钦，陈心敏，张彪，等.股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真[J].中国组织工程研究，2019，23（36）：5794-5799.

[9]  Chang SM，Zhang YQ，Ma Z，et al. Fracture reduction with positive medial cortical support：a key element in stability reconstruction for the unstable pertrochanteric hip fractures [J]. Arch Orthop Trauma Surg，2015，135（6）：811-818.

[10]  任德新，顾海伦，李赫，等.股骨近端防旋髓内钉固定治疗累及外侧壁的股骨转子间骨折有限元分析[J].中华创伤骨科杂志，2018，20（4）：346-351.

[11]  周宇萍.股骨颈基底部内收型骨折不同内固定方式的三维有限元分析[D].长沙：中南大学，2010.

[12]  樊健，李山珠，袁锋，等.股骨小转子未固定的抗旋髓内钉治疗Evans-Jensen Ⅲ型转子间骨折的有限元分析[J].中华实验外科杂志，2016，33（12）：2794-2796.

[13]  张建国.INTERTAN与PFNA治疗股骨转子间骨折的有限元学分析[D].太原：山西医科大学，2019.

[14]  Xiong WF，Du SC，Chang SM. Choosing an optimal implant fixation for basicervical femoral neck fractures [J]. Injury，2018，49（6）：1238-1239.

[15]  楼宇梁，洪建军，余可和，等.不同直径空心钉闭合复位内固定治疗股骨颈骨折疗效分析[J].中国骨伤，2015， 28（9）：792-795.

[16]  张弓，李松军，董杰.股骨颈加压锁定骨板与空心拉力螺钉治疗青年股骨颈骨折的效果比较[J].中国当代医药，2018，25（22）：25-28.

[17]  Kweon SH，Lee SH，Kook SH，et al. Outcomes of Cephalome-dullary Nailing in Basicervical Fracture [J]. Hip Pelvis，2017，29（4）：270-276.

[18]  Tasy？覦kan L，Ugutmen E，Sanel S，et al. Short-term results of surgical treatment with cephalomedullary nails for basicervical proximal femoral fractures [J]. Acta Orthop Belg，2015，81（3）：427-434.

[19]  Hu SJ，Yu GR，Zhang SM. Surgical treatment of basicervical intertrochanteric fractures of the proximal femur with cephalomeduallary hip nails [J]. Orthop Surg，2013， 5（2）：124-129.

[20]  Okano I，Sawada T，Kushima N，et al. Treatment With Helical Blade Cephalomedullary Nail for Two-Part Basicervical Proximal Femoral Fracture in Elderly Patients： A Retrospective Observational Study [J]. Geriatr Orthop Surg Rehabil，2017，8（4）：244-251.

[21]  Imren Y，Gurkan V，Bilsel K，et al. Biomechanical comparison of dynamic hip screw，proximal femoral nail，cannulated screw，and monoaxial external fixation in the treatment of basicervical femoral neck fractures [J]. Acta Chir Orthop Traumatol Cech，2015，82（2）：140-144.

[22]  Gotfried Y. The Gotfried（nonanatomic，closed）reduction of unstable subcapital femoral fractures [J]. Tech Orthop，2014，29（4）：194-196.

[23]  张世民，张英琪，李清，等.内側皮质正性支撑复位对老年股骨粗隆间骨折内固定效果的影响[J].中国矫形外科杂志，2014，22（14）：1256-1261.

[24]  王亦璁.骨与关节损伤[M].3版.北京：人民卫生出版社，2001：1148-1149.

[25]  赵璞，王洪彪，刘永国，等.非解剖复位治疗股骨转子间骨折的临床观察[J].中国中医骨伤科杂志，2018，26（4）：50-53.

[26]  冼树强，李学良，潘德悦.阳性支撑对股骨粗隆间骨折内固定效果的影响[J].创伤外科杂志，2018，20（10）：770-773.

[27]  辛景义，曹红彬.克氏针辅助闭合复位治疗难复性股骨颈骨折[J].中华骨科杂志，2013，33（7）：708-713.

[28]  邢秀峰.切开复位内固定联合带血供骨瓣移植治疗股骨颈骨折的疗效及安全性观察[J].中国现代医生，2019， 57（26）：72-75.

[29]  田力升.解剖复位、Gotfried支撑复位用于青年股骨颈骨折的远期随访观察[J].中国现代医药杂志，2018，20（1）：26-29.

（收稿日期：2019-12-09  本文编辑：顾家毓）