空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折有限元分析的研究进展

陈泽铭，杨放，庞清江

作者单位：315211宁波，宁波大学医学院（陈泽铭、杨放）；中国科学院大学宁波华美医院（庞清江）

股骨颈骨折多见于中老年人，尤其是70岁以上人群[1]。目前我国城镇化发展迅速，由工伤及车祸伤致股骨颈骨折的青壮年患者数量日益增多。临床上对于60岁以上的老年人通常考虑行全髋关节置换术[2]，60岁以下人群或高龄无法耐受人工髋关节置换手术的患者通常采用闭合复位经皮空心钉内固定术，尤其是因外伤所致的青壮年人群[3-4]。目前已有不少文献通过有限元分析，就不同空心螺钉数量、置钉方式、螺钉种类、钉道及新型内固定方式治疗股骨颈骨折疗效及术后并发症进行比较，本文就以上内容做一综述。

1 有限元分析（FEA）概述

FEA通过CT、MRI等成像技术将人体一部分或整体图像化，再导入软件建立三维立体数字模型，赋予模型材料属性，定义力学特性及约束条件，对模型进行网格化划分成若干个单元体，在计算机上对其进行模拟加载和计算分析进行研究。这种技术一方面可以减少高成本的实验投入，可以进行无限次的模拟分析；另一方面又可以避免实验对象的一系列相关伦理问题，仅在计算机上对数字模型进行分析而不会对机体造成损害。

通过有限元分析不同内固定方式旨在探寻一种股骨头区螺钉所受应力峰值较大，受应力区骨质体积较少，在骨折线处承受较少剪切应力和旋转应力且应力能较均匀分布在整个钉体上，骨折块位移程度小，钉道所受最大载荷较大的置钉方案来减少骨折不愈合、股骨颈短缩及断钉等术后并发症的发生。

2 不同螺钉数量的有限元结果差异

使用3枚空心螺钉治疗股骨颈骨折是目前临床上比较普遍的内固定方式[5]，与仅使用2枚空心钉相比，3枚空心钉能够提供更加稳定的抗旋转作用，减少骨折端的移位[6]。目前就内固定治疗股骨颈骨折而言，已有不少文献通过有限元分析比较了不同数量空心钉的影响，认为使用4枚较3枚而言在相同置钉方式下更有利于力学稳定。张浩等[7]采用有限元分析3枚空心拉力螺钉倒三角固定于4枚空心拉力螺钉（在3枚空心拉力螺钉倒三角排列的上方再水平置入1枚空心拉力螺钉）治疗PauwelsⅢ型骨折的疗效，认为4枚螺钉的治疗方案具有更佳的抗剪切力、抗旋转应力和减少骨折移位的作用。同时也有文献通过有限元分析证实[8-9]，上述4枚空心拉力螺钉的内固定方式治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折比倒三角排列3枚螺钉方案更能抗剪切力，减少骨折端位移和螺钉位移，在生物力学上更加稳定，提示可能减少术后退钉及骨折位移的情况发生。

但也有学者的有限元分析结果认为4枚与3枚螺钉的内固定方案间有限元结果差异并不明显。梁会等[10]分别将3枚空心钉成正三角、倒三角及“F”形固定（上方2枚上下平行从后下至前上置入，下方一枚从前下至后上置入）与4枚空心钉呈矩形固定PauwelsⅡ型骨折在仿真骨模型上进行生物力学分析，得出4枚空心钉与3枚空心钉内固定相比，骨折块垂直、水平位移差异无统计学意义（P＞0.05），所以认为其并不具有优势，但缺乏临床证据支持。王颖等[11]比较了3枚“倒品字”排列空心拉力螺钉与4枚菱形排列空心拉力螺钉治疗PauwelsⅢ型骨折的有限元分析结果，认为两者生物力学差异并不明显。但对于4枚螺钉方案而言，实际临床运用中需要多次定位透视调整，不仅增加了手术时间及难度，多次导针的置入也将使股骨颈内骨量丢失，甚至造成内固定稳定性下降[12]，增加术后退钉风险。所以，对于采用3枚或4枚螺钉方案对股骨颈骨折内固定的影响仍需要更多的生物力学结果验证。

3 不同置钉方式对内固定的影响

通过对正三角形与倒三角形置钉方式进行比较，发现后者在生物力学上更具优势，主要体现在更符合股骨颈上宽下窄的解剖结构，能够更好的进行应力分布，减少术后退钉、骨折位移及再次骨折的可能性[13]，还可以减少置钉难度从而减少手术时间及风险[14]。

Li等[15]对比了正三角形、倒三角形、前三角形、后三角形和垂直形五种使用3枚空心拉力螺钉治疗股骨颈骨折的有限元分析结果，认为倒三角形3枚螺钉固定方式抗剪切力更好，具有更好的生物力学特性，且认为对于更倾向于拆除内固定的患者，正三角形螺钉排列方式最不推荐使用，因为拆除螺钉后上述内固定方式最有可能造成股骨粗隆下骨折。王雪飞等[16]采用有限元分析正等腰三角形、倒等腰三角形及反“V”构型（同“F”形）的3枚空心螺钉治疗PauwelsⅡ型骨折的治疗效果后，发现反“V”构型内固定具有更好的抗剪切应力及抗旋转应力的作用。其它文献[17-18]通过有限元分析“F”形与其他3枚空心螺钉内固定方式后，也认为前者的生物力学特性更佳。任栋等[8]探究了正三角形、倒三角形、菱形和矩形4种置钉内固定方式治疗股骨颈骨折的生物力学结果，并通过有限元分析显示菱形置钉的方式螺钉应力峰值较小、股骨头应力峰值较大、股骨头位移峰值较小，较其他3种方式更具有抗剪切应力、旋转应力的作用，能保证骨折端稳定，促进骨折愈合。

4 不同种类螺钉对有限元结果的影响

半螺纹的空心加压螺钉通过螺纹完全跨越骨折线骨折端提供持续轴向压力，虽然有利于骨折愈合，但由于骨折线处骨质在长期加压下逐渐吸收，导致术后股骨颈短缩甚至退钉现象的发生；全螺纹空心钉螺纹位于骨折线两侧，仅起固定作用，并无持续加压作用。夏志峰等[17]通过对2枚上下平行空心拉力螺钉、3枚倒三角形排列全螺纹空心螺钉、股骨近端锁定钢板（钢板模型为下方1枚全螺纹螺钉、上方2枚锁定空心拉力螺钉）治疗PauwelsⅠ型股骨颈骨折进行有限元分析，发现采用3枚“倒品字”全螺纹空心螺钉的内固定应力峰值、位移峰值及骨折块位移峰值均优于其他2种内固定方式，提示采用全螺纹钉或许对预防术后股骨颈短缩的发生有积极意义。

内固定术后1年股骨颈短缩率近乎50%[19-20]。股骨颈短缩已是空心钉内固定术后最常见的并发症，甚至是造成术后疼痛、跛行、髋关节功能障碍主要的因素[19,21]。因此，如何在充分保证股骨颈骨愈合的前提下，尽可能减少术后颈短缩程度成为了当前研究的重点与难点。有学者[22-23]在临床中采用全螺纹空心钉联合半螺纹空心钉呈倒三角分布的内固定方案治疗股骨颈骨折，证实其术后颈短缩发生率明显低于传统置钉方式。

相庚等[24]对双头螺纹空心钉的生物力学研究发现双头钉可以更好保持颈的长度，提示不同种类螺纹钉对于术后股骨颈长度有不同影响。笔者发现临床上已有采用1枚全螺纹空心螺钉与2枚半螺纹空心钉联合固定治疗股骨颈骨折的报道：Weil等[23]认为使用全螺纹空心钉可使股骨颈缩短率明显下降。最近Shin等[22]也通过临床研究提出相同观点，更认为采用1枚全螺纹钉替代半螺纹钉的方案可以减少术后股骨颈后方塌陷的可能，有利于骨折愈合。同时黄永刚等[25]在一项前瞻性临床研究中，也证实了采用1枚全螺纹钉联合2枚半螺纹钉的方案比传统内固定方式更具生物力学优势，降低了术后股骨颈短缩的发生率，并在生物力学实物模型中测试后得到验证。而Li等[26]则通过有限元分析后认为1枚半螺纹钉和2枚全螺纹钉足可对骨折块加压防止骨折移位和抵抗剪切力。因此笔者认为采用全螺纹钉联合半螺纹钉的新置钉方案一方面可以通过一定的滑动加压作用为骨折愈合提供环境，另一方面，全螺纹钉相对固定的作用可以减少颈的过度短缩。

5 取钉后钉道的对生物力学的影响

虎群盛等[27]模拟了不同排列方式的3枚空心钉治疗股骨颈骨折去除内固定后的钉道模型，并通过有限元分析发现前者钉道应力峰值11.02 MPa大于后者的10.82 MPa，认为正三角形空心钉内固定取出后所受应力更大，要注意术后发生再次骨折的可能性。通过比较去除内固定后钉道数量及相对结构对术后发生再次骨折的影响，笔者认为正三角形结构钉道较倒三角形更易致术后再发骨折，而钉道数量的增加使得置钉区骨质丢失，不可避免的减少了术中螺钉调整机会，从而增加手术操作难度，故在保证内固定稳定情况下尽可能选择倒三角置钉方式。

6 新型内固定方式

姚琦等[28]设计了开侧孔的空心拉力螺钉，通过有限元分析验证了其生物力学安全性与有效性，并认为可以向空心钉内注射药物、细胞因子或骨水泥等来促进骨愈合。白正发等[29]则通过向普通空心拉力螺钉内填注骨水泥，并通过有限元分析证实此法可以有效提高对骨折内固定的稳定性。林暐哲等[30]采用有限元分析3枚“倒品字”空心拉力螺钉模型与新型钉棒系统（置入2枚万向接头螺钉，并通过钛合金棒连接其尾端）治疗PauwelsⅡ型股骨颈骨折的治疗效果，认为新型钉棒系统模型中的股骨头轴向位移均值（0.487±0.046）mm显著小于传统3枚空心拉力螺钉的（0.540±0.038）mm，提示可减少术后骨折轴向位移程度。目前虽仍未在临床上见到使用改良空心螺钉的报道，但笔者认为改良空心螺钉结合组织生物工程如加入人工骨、骨形成蛋白、富血小板血浆等物质或许是今后研究的热点。

7 总结

股骨颈骨折愈合为骨折端之间接触愈合，即一期愈合，需要内固定物提供整体相对稳定环境和持续加压固定。故此，空心钉内固定所提供的整体稳定性至关重要。良好的稳定性可以减少骨折块的剪切力和旋转性，减少骨折端嵌插，保证股骨头血流稳定，进一步减少颈短缩、股骨头缺血坏死及骨不连等术后并发症。

综上有限元分析结果所述，对于股骨颈骨折，就骨折稳定性、抗剪切应力及抗旋转应力而言，采用4枚空心拉力螺钉呈菱形或交锁分布均优于3枚空心拉力螺钉，但“F”形3枚螺钉排列方式与4枚螺钉之间的有限元分析差异尚未有相关文献提及；尽管有学者[11]认为其两者间差异不明显，甚至多置入1枚螺钉会造成骨量进一步丢失，而在被取出后留下的钉道可能会增加术后骨折的风险；由于半螺纹钉螺纹部分把持在股骨头内部，股骨侧骨折块可沿螺杆部分滑动，可持续对骨折断端进行滑动加压，易致术后颈短缩发生，半螺纹空心钉是造成术后股骨颈短缩的最重要因素。而全螺纹空心钉螺纹位于骨折线两侧，仅起固定作用，并无滑动加压作用，一定程度上减少过度加压带来的颈短缩问题。近年来，国内外学者已开始关注股骨颈骨折空心钉内固定术后致股骨颈短缩的问题。采用全螺纹空心螺钉联合空心拉力螺钉的治疗方式更优于传统三枚倒三角半螺纹空心拉力螺钉，但目前缺少究竟采用几枚及如何分布全螺纹钉的相关文献支持。术者可以通过有限元分析结果结合临床患者实际情况确定合适螺钉种类、螺钉数量及置钉方式的内固定方案治疗股骨颈骨折，从最大程度上避免相关术后并发症的发生。此外，目前仍缺少对于全螺纹空心螺钉数量及置钉方式、改良空心螺钉内固定方式和向空心钉内注射药物来减少术后并发症的相关有限元分析，展望未来研究人员将继续完善有限元模型周围软组织构建以及结合组织工程技术研发新型螺钉并通过有限元分析其治疗股骨颈骨折的生物力学特性。