不同长度股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

陈心敏 江腾 杨威 郑利钦 林梓凌 涂世杰

[摘要] 目的 運用有限元法探讨治疗老年A3.3型股骨转子间骨折最佳长度的股骨近端防旋髓内钉。 方法 基于1例江西省丰城市中医院的患者志愿者髋部CT资料，导入Mimics 19.0和Geomagic 2017等软件进行处理后得到仿真股骨近端模型，再将模型导入Solidworks 2017软件中进行分割，模拟A3.3型骨折，并与不同长度股骨近端防旋髓内钉进行装配分别得到A（短钉）、B（中长钉）、C（长钉）模型，以step格式把模型逐个导入Abaqus 2016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云图并观察股骨整体应力、内固定应力、骨折端间隙和股骨头颈骨块内翻。 结果 B模型股骨整体应力最小，C模型最大，A模型居中。股骨近端防旋髓内钉是头颈骨块的主要支撑结构，承载了大部分的应力，应力峰值位于螺旋刀片与主钉的连接处，次峰值位于股骨外侧壁进钉点。骨折端间隙和头颈骨块内翻角度与主钉长度呈反比，A模型骨折端间隙和头颈骨块内翻角度最小，C模型最大，B模型居中。 结论 运用短股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折，骨折端间隙小，骨折端更加稳定，生物力学效果更佳。

[关键词] 股骨近端防旋髓内钉;A3.3型股骨转子间骨折;不同长度;有限元

[中图分类号] R459;R318;R445          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）09（c）-0092-04

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation with different length in the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in elderly

CHEN Xinmin1   JIANG Teng1   YANG Wei1   ZHENG Liqin2   LIN Ziling2   TU Shijie1

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 optimal length of proximal femoral nail anti-rotation for the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in elderly by using finite element method. Methods Based on one patient volunteer′s hip CT data in Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine， Jiangxi Province imported into Mimics 19.0 and Geomagic 2017 softwares and obtained proximal femur model after processed. Then the model was imported into Solidworks 2017 software to simulate A3.3 type fracture and assembled with different length of proximal femoral nail anti-rotation getting model A （short nail）， B （middle nail）， and C （long nail）  respectively. The models were imported into Abaqus 2016 software one by one in step format to set material parameters and boundary conditions， etc. and then the calculation was carried out. The Von Mises cloud pictures were checked and the whole femur stress， internal fixation stress， fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment were observed. Results The overall stress of femur in model B was the minimum， that in model C was the maximum， and that in model A was the center. Proximal femoral nail anti-rotation was the main supporting structure of head and neck bone fracture， and beared most of the stress. The stress peak was located at the connection between spiral blade and main nail， and the secondary peak was located at the entry point of external femoral wall. The fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment were inversely proportional to the length of the main nail， model A had the smallest fracture gap size and inversion angle of head-neck bone fragment， model C had the largest， and model B had the middle. Conclusion The application of the short length proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of type A3.3 femoral intertrochanteric fracture in the elderly has a smaller fracture gap size， a more stable fracture end and a better biomechanical effect.

[Key words] Proximal femoral nail anti-rotation; Type A3.3 femoral intertrochanteric fracture; Different length; Finite element analysis

不稳定股骨转子间骨折属于关节外骨折，约占髋部骨折的一半，老年人发病率高，主要是由低能量创伤引起，如摔伤[1]。不稳定型股骨转子间骨折的外科治疗包括髓外固定、髓内固定或髋关节置换术，在动物模型研究和人类临床试验中，髓内钉主要是股骨近端防旋髓内钉（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA），其与动态髋螺钉固定比较，可提高整体承重能力和更好地髋关节功能，但主要并发症有大腿前部疼痛、内固定失效及二次骨折，报道发生率为2.0%～3.5%，严重影响患者的生活质量[2-6]。研究显示[7-8]加长的PFNA增加了骨折远端活动长度和主钉与股骨之间的接触面积，压力水平的分散可以显著降低并发症的发生率，但缺少生物力学证据。股骨转子间A3.3型骨折是不稳定型股骨转子间骨折中失败率较高的骨折类型，更长的主钉是否能增加骨折端稳定性，抵抗股骨头颈骨块内翻呢？本研究通过有限元法评估了不同长度PFNA在固定A3.3型转子间骨折中的应力分布情况，为提高PFNA内固定的生物力学稳定性提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取1例江西省丰城市中医院（以下简称“我院”）创伤骨科患者志愿者并收集其CT资料，于2020年1月在我院创伤骨科完成实验研究。①基本资料：男，65岁，身高169 cm，体重70 kg;②排除标准：双髋手术史，糖尿病、甲亢等影响骨代谢的内科疾病史，先天骨骼变异，肿瘤史;③伦理与知情同意：与患者沟通后签署实验知情同意书并获我院医学伦理委员会审批批准;④扫描条件：患者取常规仰卧位，采用GE 64排螺旋CT自双侧髂前上棘螺旋扫描至双侧胫骨结节，并以Dicom格式保存扫描的CT数据，保证CT资料包含股骨全长，设置扫描参数为层厚2 mm，层距5 mm，像素矩阵密度为512×512[9]。

1.2 实验设备及软件

①实验设备：联想Thinkpad P52;②实验软件：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远程提供包括Mimics 19.0、Geomagic studio 2017、Solidworks 2017、Abaqus 2016等软件。

1.3 实验方法与步骤

1.3.1 三维重建股骨模型  打开Mimics 19.0，导入患者CT资料，通过选择阈值、分割、区域增长、三维重建等步骤，得到stl格式的右侧股骨三维模型，再导入Geomagic studio 2017軟件中进行进一步处理并生成step文件。

1.3.2 创建股骨近端防旋髓内钉模型  在Solidworks 2017软件的草图功能中画出主钉、螺旋刀片和横锁钉3个零件，再对螺旋刀片沿着螺旋线切割，删除多余部分，最后把3个零件进行面与面装配，主钉、螺旋刀片和远端锁定钉的直径、长度等详细参数参考大博公司第二代股骨近端防旋髓内钉。

1.3.3 构建股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定模型  将股骨模型导入Solidworks 2017软件中，建立基准面，并参照AO分型“画出”股骨转子间A3.3型骨折线，再进行分割，得到股骨头颈骨块、小转子骨块和远端骨块;然后装配A3.3型股骨模型和PFNA内固定模型，正位片和侧位片螺旋刀片位置均位于股骨头颈正中，测量尖顶距为22.3 mm;替换不同规格主钉得到不同模型，其中A模型内固定参数为：主钉170 mm，横锁钉35 mm。B模型内固定参数为：主钉240 mm，横锁钉35 mm。C模型内固定参数为：主钉340 mm，横锁钉40 mm。螺旋刀片均为105 mm。见图1。

1.3.4 材料参数、工况设置与运算分析  依次将3个模型导入Abaqus 2016软件中，赋予相同的材料参数和属性[10]：其中皮质骨弹性模量为18 000 MPa，泊松比0.3;松质骨弹性模量为1600 MPa，泊松比0.2;内固定弹性模量为11 000 MPa，泊松比0.3，材料属性选择均质、各向同性。临床中骨折端受力后相互摩擦，模型骨折端设置为切向行为，摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉摩擦系数为0.3，与股骨摩擦系数为0.23，其余部件关系设置为绑定[11];选择3个模型股骨远端相同位置进行约束，6个自由度均为0，，股骨头上方施加集中力，根据体重换算载荷为700 N，设置1.5 mm大小划分网格，检查网格无异常后提交行静力分析。

1.4 评价指标

运算成功后分别在Abaqus 2016软件的可视化模块中查看结果，主要比较3个模型间：①股骨近端整体应力;②内固定应力;③骨折端间隙;④股骨头颈骨块内翻。

1.5 模型验证

导入尚未分割的右侧股骨模型，赋予相同的材料参数、属性，同样位置进行约束和加载集中力，划分网格后提交运算，观察右侧股骨的应力。见图2（封三）。应力主要集中于内侧股骨矩并向下传导，应力大小也与现有研究结果相近[10-12]，模型的应力分布和应力大小证实模型确实有效，本研究结果较为真实可靠。

2 结果

2.1 股骨近端整体应力

股骨近端防旋髓内钉是头颈骨块的主要支撑结构，承载了大部分的应力，应力峰值位于螺旋刀片与主钉的连接处，次峰值位于股骨外侧壁进钉点，3个模型整体应力依次为476.0、394.7、507.1 MPa，即B模型应力最小，C模型应力最大，A模型应力居中。见图3（封三）。

2.2 內固定应力

3个模型的最大应力均集中在内固定主钉与螺旋刀片的连接处，B、C模型主钉下段亦有应力分布，而C模型主钉变形明显，出现弯曲变形。见图4（封三）。

2.3 骨折端间隙

当股骨头受力向下时，股骨头颈骨块亦下压与内侧小转子骨块相抵，但小转子骨块并不能形成有效支撑，加之外侧壁破裂，进而股骨头颈骨块内翻，外侧壁骨折端间隙增大。选取同一位置外侧壁骨折端两点，测量两点间距离即为骨折端间隙大小，A、B、C模型分别为0.55、0.59、0.65 mm，随着主钉长度增加，骨折端间隙亦呈增加趋势。见图5。

2.4 股骨头颈骨块内翻

当内固定对骨折端支撑不够时，头颈骨块容易出现移位、内翻。所有模型均使用同一股骨模型，测量未变形模型的颈干角与变形后颈干角，两者相减得出头颈骨块内翻角度，A、B、C模型头颈骨块内翻角度分别为3.2°、3.6°、5.1°，A模型头颈骨块的内翻角度最小，C模型最大，B模型居中。见图6。

3 讨论

股骨转子间A3型骨折，具有不同于A1和A2型骨折的特点：骨折线累及股骨外侧壁，作为“三点支撑”外侧作用点的股骨外侧壁损伤，极大地增加骨折端不稳定性，发生内固定失败和术后并发症的概率上升[13-14]。而股骨转子间A3.3型骨折，因内外侧壁均破裂，更增加了其不稳定性和手术复位固定难度，内固定失败风险和并发症概率较A3.1型和A3.2型股骨转子间骨折更高。

对于老年股骨转子间骨折的治疗，目前主要是侧方钢板系统和髓内钉系统[15]。与侧方钢板系统如动力髋螺钉和股骨近端解剖型钢板比较[16-17]，PFNA具有天然的生物力学优势，中心性固定有效地缩短了杠杆力臂，对头颈骨块的支撑更加有力[18]，为防止“Z”字效应特殊设计的螺旋刀片，增加了与周围松质骨接触面积，敲击进入的过程中极大地挤压周边松质骨，对老年骨质疏松患者具有更好的锚固力，髋内翻概率大大地降低，研究亦证实PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折具有更好的临床效果[19]。

虽选择PFNA治疗股骨转子间骨折现已无太多争议，但选取何种规格的PFNA仍有待进一步研究。有研究表明[20-22]短钉会引起主钉尖端的应力集中，可能导致假体周围骨折，而长钉虽可减少此风险，但手术时间长、损伤大，可能会影响骨折的愈合，且并发二次骨折和断钉的风险升高。本研究基于具体参数重建高度仿真的PFNA，严格把控PFNA的进钉点和TAD值符合临床标准，使骨折端完美复位，使本研究模拟不同长度主钉PFNA治疗老年A3.3型股骨转子间骨折具有更好的可靠性和准确性。

本研究结果可以看出：A、B、C模型中，B模型整体应力最小，3个模型的内固定均承受着模型最大应力，但随着主钉长度增加，受力后主钉有弯曲变形的趋势;而骨折端间隙和头颈骨块内翻角度与主钉长度呈反比。骨折端的稳定是促进骨折愈合的重要因素之一，稳定的力学环境能确保营养的输送，促进骨痂的生长;骨折端间隙的大小也对骨折愈合产生很大的影响，其直接决定着骨折线周围骨质的连接、骨折部位愈合的微环境，对预后有着决定性的意义[23-24]。A模型股骨头颈骨块位移和骨折端间隙较B、C模型均更小，提示短钉模型骨折端更稳定，更有利于骨折愈合。其原因可能是短钉尾端的锁定钉距离骨折线较近，虽可能导致应力集中，但能提供更有力的支撑，而过长的主钉使得力臂的中心离骨折端较远，对股骨头颈骨块的支撑不够，因此短钉具有比中长钉和长钉更好的生物力学效果。

本研究亦有不足之处：①只选取了3种代表性规格的PFNA内固定，其他规格并未涉及;②股骨近端的皮质骨和松质骨设置为均质、各向同性，如能设置各向异性材料将会有更精确的实验结果，这也是本研究笔者后续研究方向;③股骨转子间A3.3型骨折因其内外侧壁破裂导致及其不稳定，单纯的PFNA内固定临床效果仍难以令人满意，钢缆捆扎联合PFNA和骨水泥增强PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折是否具有更好的效果，笔者将进一步研究。

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（收稿日期：2020-03-20）