三种股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折的有限元分析

冯 卫1、2 ，郝 廷2 ，郝增涛2 ，余 斌1*
( 1． 南方医科大学南方医院创伤骨科，广州 510515; 2． 内蒙古医学院第二附属医院骨科，呼和浩特 010030)

 摘 要:

［目的］ 通过三维有限元法对 PFNA、PFNA-Ⅱ和 InterTan 3 种股骨近端髓内固定系统固定股骨转子间 骨折的生物力学稳定性进行对比，为临床应用提供理论依据。

［方法］ 建立 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ、Ⅴ型股骨转子间骨 折内固定三维有限元模型，研究不同内固定的 von Mises 应力分布、股骨的 von Mises 应力分布并比较股骨及内固定 模型内外侧应力峰值，分析骨折固定后生物力学稳定性。

［结果］ 股骨近端应力分布与骨折类型有关; Tronzo-Evans Ⅰ型骨折 3 种内固定的固定效果无差异; Tronzo-Evans Ⅳ和Ⅴ型骨折使用 InterTan 固定 von Mises 应力分布均匀，生 物力学稳定型较其他两者更具优势; 内固定应力集中区域位于主钉与头钉接触点下方，其中 InterTan von Mises 应力 分布最大效应值最大，其次为 PFNA-Ⅱ、PFNA; PFNA 近端广泛呈现应力集中区域现象。

［结论］ InterTan 治疗股骨 转子间骨折时股骨端应力分布合理，尤其对 Tronzo-EvansⅤ型骨折较 PFNA 及 PFNA-Ⅱ更具优势; PFNA 固定模型应 力分布不均，可能为与亚洲人髓腔不匹配所致。 

关键词: 转子间骨折， 有限元分析， 股骨近端防旋髓内钉

     股骨转子间骨折的治疗方式日新月异，其治疗方 式仍主要为髓内与髓外 2 种，髓内固定系统中，目前使用较多的有第 3 代 Gamma 钉、股骨近端防旋髓内钉 ( proximal femoral nail-antirotation，PFNA) 等，自 2009 年以来国内外学者陆续报道了 InterTan 在治疗股骨转 子间骨折的经验及应用范围［1］。PFNA 由于与亚洲人 群较小的骨骼不相符合因此引发了亚洲型 PFNA ( PFNA － Ⅱ) 的研发及应用［2］，前面的工作已经对 PFNA、PFNA － Ⅱ和 InterTan 与亚洲人股骨近端的形学匹配性进行了分析，本研究采用有限元分析的方 法，对 3 种内固定的力学性能进行分析。

1 材料与方法 

1. 1 有限元模型的建立

         选取健康志愿者 1 名，男，28 岁，体重 75 kg， 经过 X 线检查排除髋关节损伤或疾病。双侧髋关节作 螺旋 CT 平扫 ( 16 排螺旋 CT，GE 公司，美国) ，球管 电压 120 kv，电流 65 ～ 150 mA，暴露时间 0. 5 ～ 1 s， 选择骨组织窗扫描，扫描层厚0. 625 mm，扫描长度为 大转子顶点至膝关节平面，所得数据以 DICOM 格式 保存，共 421 张图片。采用右侧近端股骨数据作为样 本。将二维 DICOM 格式保存的数据导入 Mimics 13. 0 软件，设定适当的灰度阈值，对图像进行分割，输出 为 STL 格式文件，导入 Geomagic10. 0 软件进行光滑处 理，并模拟 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ、Ⅴ型骨折进行截骨， 其中 Tronzo-Evan Ⅳ型、Ⅴ型去除小转子，拟合曲面， 以 Iges 文件输出。

          根据辛迪斯公司及施乐辉公司所提供的髓内钉数 据，应用 proE 4. 0 三维绘图软件对其进行三维虚拟重建，重建出 PFNA、PFNA － Ⅱ和 InterTan 三维模型。其中 PFNA 与 PFNA － Ⅱ螺旋刀片进行了仿真重建， InterTan 则忽略螺纹影响，对其进行简化处理，所得 结果以 IGES 输出。再将股骨及内固定的几何模型导 入有限元分析前处理软件 Hypermesh 10. 0 中进行装 配，根据转子间骨折不同骨折类型及固定方式，生成 9 种不同固定的有限元模型 ( 图 1) 。导入股骨中的位 置以辛迪思与施乐辉所提供手术操作标准为参考，头 钉位于股骨头中下靠后位置［3］ ( 图 2) 。所有模型均 采用 solid185 单元，所得节点与单元数见表 1。后导 入有限元分析软件 Abaqus 6. 9 后处理分析。

1. 1. 2 材料属性

         本研究中内固定及骨的相关材料为均质、各向同 性的，材料属性参考相关文献［4 ～ 6］ ( 表 2) 。
   

1. 1. 3 边界条件及加载

          假设为骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数 为 0. 2 ［7］。将股骨三维有限元模型内外髁下缘全部节点 的自由度约束为零作为边界条件，即远端各节点在 X、 Y、Z 轴上的位移为 0。采用目前常用的简化的模型，对于肌肉力，仅取大转子附近的外展肌力和股外侧肌力 外展肌作为有限元分析的外载荷，即仅考虑骨盆髋臼窝 作用在股骨头上的力，以及作用在大转子附近的外展肌 力和股外侧肌力。计算该状态下股骨的应力分布。假定 人体重为 70 kg 下此状态下的应力分布。

   1. 4 评价指标

        ( 1) 内固定的应力分布，应力峰值及位置; ( 2) 股骨的应力分布，应力峰值及位置; ( 3) 股骨及内固 定内外侧四个区域的应力峰值 ( 图 3) 。

   
   

1. 
   

   2 结 果

   
   

   2. 1 股骨的 von Mises 应力分布

         对于 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ型骨折，3 种内固定的应力 分布均随着骨折类型的不同，股骨内侧应力值逐渐降 低，外侧应力值逐渐增加; 对 Tronzo-Evans Ⅴ型骨折， 3 种内固定应力最集中点均为内固定与股骨接触的远 端，股骨内侧应力较前两种骨折小 ( 表 3、图 4) 。

   2. 2 内固定的 von Mises 应力分布

   
   

1. 3 种骨折类型中应力峰值位于主钉与头钉接触点 下方，其中应力峰值 InterTan 最大，其次为 PFNA － Ⅱ、PFNA; PFNA 近端应力集中区域较广，可能与其和亚洲人股骨髓腔形态不匹配有关; PFNA 螺旋刀片 处应 力 集 中，最 大 值 114. 4 MPa，大 于 PFNA － Ⅱ ( 65. 98 MPa) 和 InterTan ( 69. 12 MPa) ( 图5、表4) 。
   

1. 2. 3 股骨及内固定内外侧四个区域的应力峰值

         通过对每种模型的 6 个区域的应力峰值进行总 结，得出结果 ( 表 4) 。根据表中数据，股骨近端内侧 应力分布与骨折类型有关，Tronzo-EvansⅠ型骨折内侧 皮质压力大于Ⅳ、Ⅴ型; Tronzo-Evans Ⅴ型骨折内固 定远端股骨侧应力大于Ⅰ型和Ⅳ型。

   
   

   3 讨 论

         股骨转子间骨折的治疗一直是临床医生争论的热 点话题之一，髓内固定系统可适用于任何类型的转子 间骨折，逐渐呈现取代髓外固定的趋势。PFNA 是一 种针对骨质疏松患者设计的髓内固定系统，螺旋刀片 的使用使得股骨头的旋转、切割、塌陷率显著降低， 对于合并骨质疏松的不稳定型股骨转子间骨折具有良 好疗效［8］。在此基础上设计的 PFNA － Ⅱ更加符合亚 洲人股骨近端解剖学特点，目前在中国报道均得到良 好的临床疗效［2］。然而，PFNA 的螺旋刀片设计对于 骨折端的加压作用较弱，术中可能导致骨折端分离而 致骨不愈合。InterTan 为一种新型的髓内钉，其置入 股骨头内的螺钉采用双枚交锁加压螺钉，能有效避免 ‘Z’字效应的发生，其纵向截面为近似椭圆形，长径 达 15 mm，抗轴向负荷压力强，具有较好的生物力学 性能［1］。目前，比较这 3 种髓内固定系统固定股骨转 子间骨折的力学分析尚属于空白，生物力学研究是力 学研究的金标准，三维有限元分析作为一种较新的生 物力学研究手段，也逐渐应用于医学领域的各种力学 研究。为研究每种内固定系统生物力学特点，作者分 别选用 了 稳 定 型 Tronzo-Evans Ⅰ 型 骨 折、不 稳 定 型 Tronzo-Evans Ⅳ型骨折以及逆转子间 Tronzo-Evans Ⅴ 型骨折 3 种类型骨折进行有限元分析。

          通过研究结果可见，对于Ⅰ型骨折，股骨近端内 侧为应力集中部位，使用 InterTan 固定的应力峰值小 于其他两者; 而内固定方面，3 种内固定均存在应力 集中现象，均位于头钉与主钉连接的下方，分别为 PFNA: 136. 2 MPa; PFNA － Ⅱ: 158. 3 MPa; InterTan: 162. 8 MPa。笔者认为，虽然 InterTan 模型的内 固定应力值较大，但是远未达到其屈服强度［9 ～ 19］，可 不予考虑此方面的影响; 就固定的稳定性而言，InterTan 优于其他两者。因此，笔者认为，治疗复位较好 的稳定型 Tronzo-EvansⅠ型骨折三种内固定均可选用， 而 InterTan 合并较多骨量丢失，对骨质疏松患者不推 荐采用。

        结果同时显示，Tronzo-Evans Ⅳ型骨折模型，大 转子、小转子均发生骨折，股骨内侧皮质应力分布减 小，股骨外侧壁应力分布增加，PFNA 固定的股骨大 转子处应力峰值高于 InterTan，而股骨近端内侧结果 相反，InterTan 固定模型中股骨中段与内固定远端接 触点成为应力集中部位，可能导致术后股骨中段骨折 的发生。通过实验结果证明了对于股骨内侧壁缺乏骨 质支撑的Ⅳ型骨折患者，采用 InterTan 治疗可获得较 好的生物力学稳定性，但发生股骨中段骨折的概率却 高于其他 2 种内固定; 而严重骨质疏松，对术后活动 要求不高的患者可采用 PFNA 治疗。在 Tronzo-Evans Ⅴ型骨折情况下，此时股骨外侧壁已不完整，股骨应 力集中部位主要位于内固定与股骨髓腔接触的股骨外 侧中下段及与内固定远端接触点，如髓内钉主钉与髓 腔不匹配，容易导致此处应力集中从而引起股骨干骨 折的发生，PFNA － Ⅱ与 InterTan 的远端设计均降低了 股骨远端的应力集中，PFNA 固定模型中股骨远端的 应力最大值较大，发生股骨干骨折的概率高于其他二 者。近年来，随着第 3 代 Gamma 钉与 PFN 的问世， 使用髓内钉固定转子间骨折发生股骨中段骨折的概率 已显著下降。PFNA 继续沿用 PFN 远端设计，近年来 股骨中段骨折报道较少，而 InterTan 远端音叉样设计， 有效的避免了对股骨干的应力集中［1］。因此，此 3 种 髓内固定系统发生股骨中段骨折的概率均不高。

        PFNA 固定模型中内固定近端应力集中区域较广， 且股骨干中段应力过度集中，主要可能由于其形态学 设计与亚洲人群髓腔不匹配所致，从而增加了其在亚 洲人群使用时股骨干骨折发生的概率。其螺旋刀片处 应力 集 中，最 大 值 114. 4 MPa，大 于 PFNA － Ⅱ ( 65. 98 MPa) 和 InterTan ( 69. 12 MPa) ，可能与其在 髓腔内受力不均从而导致螺旋刀片承载较多应力有 关。InterTan 固定模型中，股骨应力分布均匀，应力 峰值较其他 2 种内固定小，可能是其形态与股骨髓腔 更匹配有关，此外，其截面为近似三角形设计，力学 稳定型优于 PFNA 的圆形截面设计。早年就有学者证 明，股骨内侧壁缺损的患者，使用内固定时骨质内侧 所承受的应力较小，而对钢板的张力更大，说明对于 内侧壁不完整的转子间骨折采用髓内固定时股骨内侧 所承受的应力分布较小，而内固定相应位置所承受的 应力较大［12］，因此，对于此种类型的骨折需要选用更 为坚固的髓内固定系统才能达到坚强的稳定固定效 果。结合作者的研究，对于 Tronzo-Evans Ⅳ型与Ⅴ型 患者，有理由推荐使用 InterTan 治疗。如患者合并骨质疏松则可选用 PFNA 或 PFNA － Ⅱ。

        本研究存在一些不足之处，首先，研究对象主要 为单足站立的静力分析，涉及的肌肉及关节合力较 多，本研究仅对此进行简化处理，不能完全体现出实 际发生的情况，但已能满足实验需要; 其次，InterTan 及 PFNA 的优点在于其具备较高的防旋性，本研究中 尚未涉及，对此本课题组将在下面的研究中结合生物 力学实验对二者的防旋性及抗股骨头切割能力进行进 一步比较; 第三，内固定疲劳断裂也是下一步的研究 方向。

   
   

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