钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折的有限元分析*

陈心敏 刘舒畅 张宇迪 范文科 陈盼 郭志 袁丁 罗石 周帅 黄涛 周勇*

股骨转子下骨折通常是指股骨小转子以下5 cm内的骨折，骨折线可累及小转子和梨状窝，占股骨近端骨折的10%～ 15%[1]。髓内钉为中心性固定，具有较好的生物力学效果，为临床治疗股骨转子下骨折最常用的固定方式[2-3]，但由于转子下区域其自身解剖结构及受众多肌肉牵拉作用，导致骨折端不稳定，尤其是Seinsheimer Ⅴ型转子下骨折，转子间合并转子下骨折，单纯髓内钉固定常并发无菌性骨不连及内固定失效，术后预期较差[4]。临床中尝试使用股骨近端锁定钢板、有限切开复位钛缆捆扎联合加长髓内钉、钢板联合髓内钉等方法治疗Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折，但手术切口大、时间长、术中出血量多等缺点限制了其广泛应用[5-8]。故研究一种简单快捷有效的手术方式治疗Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折具有重要意义，而骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉具有操作简便、损伤小、生物力学效果好等优点[9]，若能有效治疗SeinsheimerⅤ型股骨转子下骨折，对医生和患者均是很好的手术方式之一。此次实验旨在通过有限元模拟骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折，观察其生物力学结果及评估临床使用的可行性，为临床提供新的思路与方法。

1 资料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 病例选取

选取1 名志愿者收集CT 资料，条件为：①基本资料：男，72 岁，身高170 cm，体质量74 kg；②病史：既往无手术史、无重大内科疾病史及其他影响骨骼代谢的内科疾病史，无先天骨骼变异；③伦理与知情同意：详细告知患者实验过程和实验目的，患者表示理解支持并签署知情同意书，同时取得钟祥市人民医院伦理委员会批准（医院伦理批件号：Y［2022］061）。

1.1.2 扫描条件

①地点：钟祥市人民医院影像科1号CT室；②体位与部位：患者取仰卧位，采用GE 128 排螺旋CT 对股骨进行扫描，将Dicom格式的影像数据保存并拷贝（包含股骨全长）；③扫描参数设置[9]：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 主要仪器与设备

本次有限元实验于钟祥市人民医院骨科完成。①实验设备：联想Thinkpad P52，Windows 11专业版；②实验软件：Mimics 19.0 软件（比利时Materialise 公司），Geomagic studio 2017 软件（美国Geomagic 公司），Solidworks 2017软件（美国Dassault Systemes 公司），Hypermesh 14.0 软件（美国Altair公司），LS-DYNA软件（美国LSTC公司）。以上设备及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 重建右侧股骨三维模型

在Mimics 19.0 软件中导入志愿者的CT 影像资料，选择“bone”阈值辨别股骨，再通过编辑蒙罩、材料填充、3D提取、光顺等步骤后得到右侧股骨三维模型，并储存为STL格式文件导入Geomagic studio 2017软件，先后予划分网格、构造格栅、拟合曲面等处理后得到更为优化、仿真的右侧股骨三维模型，以STEP格式保存。

1.3.2 建立股骨近端防旋髓内钉模型

参照第2 代AO 股骨近端防旋髓内钉的具体参数，在Solidworks 2017 软件中新建零件，通过拉伸、旋转、螺旋线、组合、放样、配合、删减等步骤得到PFNA 内固定三维模型，PFNA 内固定模型基本参数为：主钉长340 mm，直径为11 mm，5°外翻角；螺旋刀片直径10 mm，长度105 mm，远端锁定钉长度40 mm。

1.3.3 构建Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折PFNPFNA模型

在Solidworks 2017 软件中将右侧股骨三维模型与PFNA 内固定模型按照标准手术技术进行装配、组合，并储存为STEP格式导入Hypermesh 14.0软件中，对所有部件进行体网格划分，再将股骨划分为皮质骨和松质骨，并检查网格质量均良好，利用Delete 命令删除部分单元模拟Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折，即转子下骨折同时伴有转子间骨折，储存为普通Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折PFNA模型（以下简称为PFNA模型）。

1.3.4 材料属性与边界条件

设置高龄股骨近端松质骨、皮质骨和PFNA 内固定的密度、弹性模量、泊松比、屈服应力等参数[9]，并选取控制卡片；边界条件设置为股骨远端完全固定，模拟单足站立，在与股骨干长轴呈10°，垂直于股骨头球面，1 s 内线性加载大小为740 N 的载荷，各部件相互作用设置骨与骨之间摩擦系数为0.46，骨与内固定的摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉设置为0.23[10]。

1.3.5 定义骨水泥与分析

参照笔者的前期研究[9]，截取模型中螺旋刀片近端凹槽周围一定数量的松质骨重新定义为骨水泥部件，计算其体积约为2.5 mL，另存为骨水泥钉道强化Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折PFNPFNA 模型（以下简称为C-PFNA 模型）；骨水泥部件为聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，其材料参数[9]：表观密度为1.18 g/cm3，弹性模量为220 000 MPa，泊松比0.2，屈服应力100 MPa，骨水泥与螺旋刀片近端接触关系设置为绑定，分别保存为K文件导出，详见图1。

图1 A.PFNA模型；B.C-PFNA模型；C.C-PFNA模型局部剖视图

1.3.6 运算

分别将K 文件导入LS-DYNA 软件中，设置运行内核和内存提交运算，运算结果于Hyperview 14.0软件中查看。

1.4 主要对比指标

对比2 个模型：①螺旋刀片切割；②头颈骨块内翻与旋转；③近端骨块位移；④股骨与内固定应力。

2 结果

2.1 螺旋刀片切割

在PFNA模型中，螺旋刀片周围可见明显松质骨单元消失，尖端松质骨消失最多，螺旋刀片切割上移；C-PFNA模型中螺旋刀片周围无明显松质骨单元消失，螺旋刀片位置基本无移动。统计得出，PFNA 模型中头颈骨块松质骨单元消失为256 个，C-PFNA 模型松质骨单元消失为28 个，约为PFNA模型的1/9，见图2。

图2 各模型螺旋刀片切割：A、B.PFNA模型受力前后剖视图；C、D.C-PFNA模型受力前后剖视图

2.2 头颈骨块内翻与旋转

随着螺旋刀片的切割，头颈骨块随之产生内翻和旋转，取相同的点分别测量两个模型加载最大应力时颈干角和旋转角度的变化，可见C-PFNA 模型头颈骨块内翻和旋转角度明显小于PFNA模型，见图3。

图3 各模型头颈骨块内翻与旋转：A.PFNA 模型头颈骨块内翻角度；B.C-PFNA 模型内翻角度；C.PFNA 模型头颈骨块旋转角度；D.CPFNA模型旋转角度，可见C-PFNA模型头颈骨块内翻和旋转角度明显小于PFNA模型

2.3 近端骨块位移

头颈骨块的内翻和旋转必然导致骨折端周围骨块的受压、移位：在PFNA模型中，小转子骨块往上移位，内侧骨块向上翻转，大转子骨块亦有轻微移位，最大位移10.6 mm；反观C-PFNA模型，只有头颈骨块稍移位，最大位移2.5 mm，骨折端更稳定，更有利于骨折愈合，见图4。

图4 各模型股骨近端位移：A.PFNA 模型头颈骨块位移云图；B.C-PFNA 模型头颈骨块位移云图，可见PFNA 模型位移明显大于C-PFNA模型，C-PFNA模型更趋稳定

2.4 股骨与内固定应力

两个模型最大应力均在内固定，PFNA 模型中应力主要集中于主钉和螺旋刀片连接处，C-PFNA 模型中不仅连接处应力大，螺旋刀片和骨水泥接触段亦出现应力集中，且C-PFNA模型整体应力大于PFNA模型，见图5。

3 讨论

临床治疗股骨转子下骨折内固定主要分为两种：髓内固定和髓外固定，髓内固定具有创伤小、手术时间短、出血量少等优点，生物力学也更趋稳定，成为临床治疗股骨转子下骨折的主流固定方式[11-14]。洪意侠等[15]认为，股骨转子下骨折患者为高能量损伤导致的年轻人，其骨质量较好，骨折多为劈裂骨块，可选择钛缆或钢丝捆扎结合股骨近端联合交锁髓内钉内固定。若患者年龄较大、骨质条件差、患有骨质疏松、骨块多粉碎且伴有基础病，一般选择股骨近端防旋髓内钉内固定，但术后仍出现股骨无菌性骨不连[16]，其原因可能包括：①股骨转子下区域连接着宽大的股骨近端和狭窄的股骨干，此处以皮质骨为主，为应力集中区域，外侧承受张应力，内侧承受压应力，尤其是后内侧皮质可以承受高达自身多倍应力，骨折后支撑和应力传导不利，骨折端不稳定[17]；②转子下区域受众多肌肉牵拉：髂腰肌、髋短展肌等内收肌群附着于股骨近端，常导致骨块屈曲、外旋、外展；而股四头肌肌腱和内收肌附着于股骨干，常导致内收和短缩。术前肌肉牵拉导致骨折移位，术后若固定强度不够，功能锻炼时容易引起骨块再次移位，影响骨折愈合[18]。而Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折具有与Seinsheimer Ⅰ-Ⅳ型的不同特点：股骨转子下骨折合并转子间骨折，涉及关键为内侧壁和外侧壁同时损伤。完整的内侧壁是影响股骨转子下骨折治疗和预后的关键因素，后内侧纵行骨板是支撑近端骨块和向下传导应力的关键部位，内侧壁受损必将极大增加治疗难度；外侧壁可承受自身4 倍的张应力，完整的外侧壁可以有效对抗头颈骨块的旋转和内翻，防止内固定失效[19]。故对于极不稳定的Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折，探求一种简单、有效、便捷的内固定方式具有重要意义。

此次实验PFNA 模型为单纯股骨近端髓内钉治疗Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折，骨折块粉碎无法捆扎，查看其运算结果可发现：当头颈骨块受力后，应力向下传导，内侧皮质粉碎，骨折端多个骨块未能有效固定，受力后即出现翻转，不能提供强有力的支撑和有效传导应力，头颈骨块缺乏内侧支撑后出现内翻、旋转，同时股骨外侧壁的破碎导致无法对抗头颈骨块的移位，此时股骨近端防旋髓内钉起到主要支撑作用，但患者为高龄骨质疏松患者，骨质量稍差，螺旋刀片在对抗头颈骨块移位的过程中承受较大应力，其周围的松质骨较为稀松脆弱，挤压后出现断裂，随着应力加大，断裂的松质骨增多，在螺旋刀片周围形成空缺，进而螺旋刀片切割，头颈骨块移位，内固定失效。王郑浩等[20]研究表明，转子下骨折髓内钉术后髋内翻、髓内钉固定失效为骨折不愈合的危险因素，术后复位内侧皮质为其保护因素，这与本次实验结果完全吻合；而众多临床研究也表明单纯髓内钉治疗股骨转子下骨折，特别是复杂股骨转子下骨折疗效较差[21-23]。

对比之下，实验C-PFNA 模型螺旋刀片基本无切割，头颈骨块的内翻和旋转角度较小，虽局部应力稍大，但整体更趋稳定，其原因可能是：①骨水泥即骨黏固剂，常用的有聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥、磷酸钙骨水泥及其他复合骨水泥材料三种，此次实验使用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥不仅可塑性高，而且力学强度优良，在增加内固定稳定性的同时可以有效分散、传导应力，降低内固定失败风险[24]；②骨水泥填充、挤压螺旋刀片周围稀松的松质骨后，松质骨和螺旋刀片连接形成一个稳定的整体结构，大大提升了松质骨的强度，并将应力传导至螺旋刀片，减少松质骨受力、断裂，保证了螺旋刀片与周围松质骨的接触面积，进而避免螺旋刀片切割，本次实验中可以看到注入骨水泥后，头颈骨块周围松质骨断裂消失甚少，基本无切割；③螺旋刀片注入骨水泥后，螺旋刀片的锚固力增加，传导应力效果更佳，能承受更大作用力，相当于重建内侧壁，极大地增强了“三点支撑”的内侧作用点，减少了内侧皮质的压力，增加了外侧皮质的张力，有效地抵抗了外侧壁和内侧壁破裂的不利影响，减少了内固定失败的风险。而在本次实验结果中也可以看到，在骨水泥钉道强化后，所有骨块移位均较小，骨折端更加稳定，能有效减少术后无菌性骨不连的发生率，但骨水泥周围出现应力最集中。这与黄培镇等[19]使用钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折得出的实验结果一致，骨水泥的锚固力可有效抵抗内外侧壁破裂带来的不稳定，但同时会导致应力集中。

此次实验结果表明，钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折具有较好的生物力学效果，相较于其他内固定方式，具有如下优点：①骨水泥注入简单便捷，等待骨水泥冷却时间也较短，不会大幅度增加手术时长，对于老年患者尤为适用；②无需增加手术切口，仍能保留髓内钉的微创特点，减少术中出血，降低血运破坏，避免额外损伤周围神经、血管的可能，有利于患者术后恢复；③附加钢板可以重建外侧壁，但高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折多为骨质疏松患者，螺钉拔出风险增加，且近端螺钉只有单皮质固定，固定牢固性欠佳，不如骨水泥强有力的锚固：④整体稳定性增加，有利于患者术后功能锻炼，患者可早期拄拐下地，减少压疮、肺炎、深静脉血栓等并发症。

当然，钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折仍具有一定的局限性：①钢板集采之后价格便宜，而骨水泥价格较钢板稍贵，不可避免地增加了患者负担；②骨水泥强大的锚固力导致内固定取出困难，内固定可能需永久留存体内，若患者并发术后感染或排斥反应需去除内固定，这将是骨科医生的难题；③骨水泥不同分布将造成迥异的生物力学效果，怎样分布具有最佳的生物力学效果，还需进一步探讨研究；④钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折临床研究报道甚少，对于术后并发症及患者的功能恢复情况无从得知，今后将收集更多的临床病例来支撑实验结果，进一步改进和完善术式。

综上，钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折具有较好的生物力学效果，兼具操作简单、损伤小、手术时间短等优点，且能有效预防螺旋刀片切割，是临床治疗高龄Seinsheimer Ⅴ型股骨转子下骨折的一个新思路、新方法，关于其相关问题将在后续进一步深入研究。