股骨转子间骨折不同固定方式影响股骨近端应力的有限元分析
姜自伟，黄 枫，郑晓辉，虎群盛，庞智晖，周广全，李 悦(广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405)
文题释义：骨近端防旋髓内钉：该髓内钉是在股骨近端髓内钉的基础上改良设计的新型髓内钉，该钉集中了微创、 中心固定、防旋的优点，其同时克服了股骨近端髓内钉多技术上的缺陷。头颈钉的螺旋刀设计，在打入 的过程中刀片的宽大表面可以旋转进入，从而尽可能地挤压骨质，在松质骨中具有很好的把持力。 动力髋螺钉：该钉板系统是为治疗股骨转子间骨折依据股骨近端解剖而设计的由股骨近端外侧钢板及头 颈螺钉组合成的内固定系统，属于偏心固定装置。骨折固定后随着折端的加压和骨吸收，头颈钉会向后 滑动，从而促进骨折接触，减少因应力集中出现的头切割现象。
摘要
背景：股骨转子间骨折髓内与髓外固定方式的力学特点一直是有限元研究的热点，但国内对于股骨近端 张力及压力侧对比研究较少。课题组研究发现，股骨近端应力带的分布是研究骨折及内固定设计与使用 的重要依据。
目的：探讨股骨转子间骨折采用髓内及髓外固定对股骨近端压力侧及张力侧的应力影响。
方法：通过对志愿者股骨 CT 扫描，Mimics 建模，模拟 EvansⅠ型股骨转子间骨折，分别采用股骨近 端防旋髓内钉及动力髋螺钉固定，模拟双下肢负重时股骨近端的应力状况，运用 Abaqus 6.13 有限元 分析软件进行计算，并对不同固定方式下股骨近端、固定器械压力侧及张力侧的应力进行分析。
结果与结论：①股骨近端防旋髓内钉组压力侧及张力侧的应力均小于动力髋螺钉组，股骨近端防旋髓内 钉固定后股骨近端的应力更加趋向于生理状态；②结果提示，股骨转子间骨折髓内固定较髓外固定具有 更好的力学优势，髓内固定有利于股骨近端压力侧及张力侧的保护。
关键词： 骨科植入物；骨植入物；股骨转子间骨折；张应力；压应力；有限元；广东省自然科学基金
主题词： 股骨；骨折；应力，物理；有限元分析；组织工程
引言 Introduction
股骨转子间骨折的内固定治疗理念不断发展及器 械的革新使该病的疗效逐步提高，除关节置换外[1]，髓 内及髓外固定是主要的固定方式[2-3]，其代表固定器械是 股骨近端防旋髓内钉及动力髋螺钉。有关髓内与髓外内 固定系统相关的临床研究及生物力学研究比较多，也存 在较多的争议。单纯从生物力学角度分析，髓内固定器 械可以缩短头颈钉顶点到主钉之间的力臂，减少骨折局 部，特别是股骨近端内侧的剪切力，有利于骨折的愈 合[4]，其力学优势明显。因此髓内固定成为众多医生的 首选。然而一项多中心Meta研究显示，髓内和髓外固定 在头颈钉切割等方面差异无显著性意义[5]，髓外固定也 显示了良好的力学性能[6]，没有充分证据表明其失败率 低于髓外固定，因此固定方式的选择是有争议的[7]。文 章运用有限元的方法，从力学角度分析不同固定方式对 股骨近端主要应力带的影响，以期为临床固定器材的选 择提供力学参考。
1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 有限元分析，对比观察试验。
1.2 时间及地点 于2012年8月至2013年2月在广州 中医药大学骨科实验室完成。
1.3 材料 股骨CT扫描数据来源于社会1名老年女性 志愿者，所用股骨近端防旋髓内钉及动力髋螺钉数据来 源辛迪斯公司，建模及分析软件为Mimics和Abaqus 6.13。
1.4 对象 老年女性志愿者1名，年龄60岁，身高163 cm， 体质量60 kg，身体健康，无骨关节疾病及重大创伤史， 轻度骨质疏松，签署CT扫描知情同意书。
1.5 方法
1.5.1 股骨近端三维有限元模型的建立及验证 用东 芝64排螺旋CT对志愿者双侧股骨全段及及骨盆进行薄 层扫描，层厚0.5 mm，所有数据用DICOM格式保存。 应用Mimics 14.0软件和局部解剖特点半自动分离皮质 骨、松质骨和骨髓腔，确定股骨及骨盆图像。得到的三维模型利用rapixform软件进行实体化，并进行网格划 分，得到理想的有限元模型(图1)，皮质骨和松质骨被赋 予相应的材料属性[8-11]。在模型中，将骨盆定义为一个 整体，600 N的作用力垂直施加到与股骨髁平面上。根 据文献中肌肉力量及站立中期人体活动分析进行因素 估算[12]，股骨近端7条主要肌肉被赋予相应的肌力，分 别是臀大肌(550 N)、臀中肌(700 N)、臀小肌(300 N)、 阔筋膜张肌(300 N)、长收肌(560 N)、大收肌(600 N)和 梨状肌(500 N)。
预实验中所建立的有限元模型按照上述条件给予的 边界条件时算得的关节软骨接触压力(6.82 MPa)，与文献 中同类研究的压力值5-10 MPa相近[13-15]。尽管有一些可 能是由股骨尺寸和边界条件所造成的偏差，本研究预实验 所建立的模型模拟计算的接触压力与这些数据基本相符 合，因此可以判定建立的模型是可靠和有效的。
1.5.2 骨折模型建立 根据股骨转子间骨折分型系统 特点及实验的需要，建立EvansⅠ型稳定型骨折模型。 骨折线由大转子斜向小转子下劈裂，采用平面截骨，在 不影响主要力学趋势的情况下减少计算量，提高分析的 准确性。
1.5.3 器械建模与手术模拟 根据辛迪思公司提供的 动力髋螺钉与股骨近端防旋髓内钉器械，根据实际大小 采用Solidworks软件进行建模，两种器械的头颈钉均建为螺旋刀(图2，3)。在手术模拟时，将股骨系统和内固 定系统导入到同一坐标系下，在各自手术操作标准的指 导下，对内固定各器械部件在骨骼内进行可视化调整， 完成二者标准的空间组配。
1.5.4 有限元分析 将模型各部件导入有限元分析软 件 Abaqus 6.13 中，用节点融合法模拟骨与固定器械 的相互作用，并进行网格化[16]。依据前述方法分别设定 各骨块的材料参数，载荷添加方式为模拟髋关节施加沿股 骨干竖直向下600 N的压力及7组不同方向及大小的肌肉 力量。结合临床实际，作者在骨接触面间采用了非线性化 的接触分析，设定摩擦系数0.2，进行有限元分析。
1.6 主要观察指标 ①正常股骨近端模型的应力；② 骨折模型进行股骨近端防旋髓内钉固定后的应力；③骨 折模型进行动力髋螺钉固定后的应力；④股骨近端防旋 髓内钉及动力髋螺钉的应力。
2 结果 Results
在加载各方向应力下，经有限元运算，得到有限元 分析 Mises 应力云图显示：①股骨近端防旋髓内钉及 动力髋螺钉内固定组都可以明显减少股骨内侧压应力， 但股骨近端防旋髓内钉组对内侧皮质特别是骨折端的 压应力减小更明显(图4A-C)；②股骨近端防旋髓内钉及 动力髋螺钉均为压应力及张应力的主要承担着，但股骨近端防旋髓内钉承担的力量更小，分布更加均匀，而动 力髋螺钉可见较多的应力集中区域(图4D，E)；③股骨 近端防旋髓内钉在减少骨折端应力的同时，对正常骨质 应力的传导的影响要小于动力髋螺钉，其力学传导图更 接近于正常股骨(图4A-C)；④对于大转子外侧壁来说， 股骨近端防旋髓内钉组外侧壁承受的张力小于动力髋 螺钉组，其张力主要集中在螺旋刀尾以下的股骨皮质(图 4A-C)。
作者采用在不同状态下股骨及固定器械压力及 张力集中的相同区域分别计算压应力、张应力均值来确 定相应的应力改变，具体数值见表1 。
3 讨论 Discussion
3.1 股骨近端稳定结构的研究 股骨转子间骨折内固 定稳定性的影响因素的相关临床研究比较多。Evans[17] 研究发现股骨近端后内侧骨皮质的稳定程度与骨折的 稳定密切相关。股骨转子间骨折应该以恢复并维持股骨 后内侧皮质的解剖对位为治疗目标。而 Jensen[18]却认 为维持前内侧骨皮质完整性对预防骨折的再移位有重 要意义。也有学者发现股骨转子间骨折复位后，股骨 干相对于骨折近端的内移与骨折的失败有明显的相关 性[19]。1995 年 Baumgaertner 提出尖顶距的概念，认 为尖顶距的控制是预防头颈钉切割的重要方法。尖顶距 的概念在髓外固定的评估中中应用较多[20-22]，近年股骨 近端髓内钉治疗也参考应用了这一概念。
21 世纪初 Gotfried[22]指出股骨近端外侧壁的概念， 并认为外侧壁的完整与否对股骨转子间骨折稳定性的 预测价值高于尖顶距离，特别是对于髓外固定，对外 侧壁完整的依赖程度更高，这在本试验中也得到了证 实。股骨转子外侧壁是指上至股外侧肌嵴与大转子相 接部位(图 5)，下至小转子中点相对应的股骨近端外侧 皮质[23]。在股骨转子间骨折进行固定时，髓外和髓内固 定的头颈螺钉或螺旋刀片都需要经过股骨外侧壁置入， 外侧壁的完整对股骨转子间骨折内固定的稳定有重要 意义，完整的外侧壁可以防止头颈骨块的向内翻转及股 骨干的内移、进而减少螺钉的切割[24-28]。
传统的动力髋螺钉在外侧壁稳定的骨折使用时，可 以取得良好的效果，但对于外侧壁破裂的骨折，内固定 失败的概率是比较大的[29]。但髓内钉在治疗外侧壁不稳 的骨折时，有较大的优越性[30]，主要是因为髓内钉的固 定作用对外侧壁的张力辅助要求较低，这在有限元的研 究中也得到了证实。
3.2 股骨近端防旋髓内钉与动力髋螺钉力学特点 在 股骨转子间骨折的诸位多的固定方案中，内固定治疗占 有绝对的优势，而内固定又主要分为的髓外固定和髓内 髓内。两者目前在临床上最为医生所认可的固定物分别 是动力髋螺钉内固定和股骨近端防旋髓内钉.
股骨近端防旋髓内钉是在股骨近端髓内钉的基础 上改良设计的。股骨近端防旋髓内钉集中了微创、中心 固定、防旋的优点，其同时克服了股骨近端髓内钉多技 术上的缺陷。头颈钉的螺旋刀设计，在打入的过程中刀 片的宽大表面可以旋转进入，从而尽可能地挤压骨质， 在松质骨中具有很好的把持力。螺旋刀片在打压进入股 骨头颈，骨量丢失很少，比单枚螺纹形螺钉有更大的抗 拔出抗及防止头塌陷能力。股骨近端防旋髓内钉的这个 特点克服了传统内植物较多、取钉后容易造成头颈再骨 折的缺点[31]。生物力学实验已证实，和传统的螺钉相比， 股骨近端防旋髓内钉螺旋刀片能有效提高头颈部稳定 性，防止骨折近端旋转及塌陷，其抗切出力显著增加， 提高内植物的锚合力作用确切[31]。本研究将股骨近端防 旋髓内钉作为研究对象主要因其可靠的力学性能，在临 床应用较多，且其单头颈螺旋刀的设计，在进行中心固 定时更能显示出对股骨近端张力和压力的影响作用。
动力髋螺钉是股骨近端偏心固定的钢板螺钉系统。 其治疗稳定型股骨转子间骨折的疗效是肯定的，但对于 不稳定型转子间骨折，由于股骨内后侧皮质的缺损，压 应力不能有效通过股骨距进行传导，从而导致内固定物 上的应力增大，钢板外侧容易产生疲劳断裂，进而发生 头颈钉的切割，因此运用动力髋螺钉固定是，骨折畸形 愈合及不愈合的发生率可达 6%-19%[32]。但股骨转子间 骨折大转子粉碎及粉碎型转子下骨折，或者骨折线位于 动力髋螺钉进针点时，动力髋螺钉不能使用。对于高龄 并且伴有严重骨质疏松的不稳定型骨折患者，动力髋螺 钉的选择需格外慎重，在严重骨质疏松患者中，骨强度 较弱，螺钉把持力低，动力髋螺钉治疗极易失败[33]。生 物力学研究测试证实，对于不稳定的转子间骨折，髓内 固定的抗压和抗旋性能均强于髓外固定[34]。随着骨折稳 定性的降低，尤其是对于内后侧骨质缺损患者，髓内固定能承担大部分股骨近端尤其是经股骨矩的应力，有利 于骨折的稳定，促进骨折的早期愈合。
关于髓内与髓外内固定治疗股骨转子间及转子下 骨折的临床及生物力学对比研究是当前的一个研究热 点。实体生物力学研究发现[35-36]，两种内固定方式在没 有缺损的股骨模型上与骨复合体的刚度差异无显著性 意义，而在伴有股骨内侧缺损的模型上，髓内固定抗循 环载荷能力远高于髓外固定。可见髓内钉在进行股骨近 端压力带重建时具有明显的力学优势，而这与本有限元 研究的结果也是一致的。 3.3 股骨近端两组主要应力带的意义及重建 股骨近 端的受力结构中最主要的就是主要抗压力带和主要抗 张力带，骨折后破坏最大的也是这 2 组应力带，移位 的转子骨块代表引力带的断裂，对骨折稳定性影响较 大[37]，因此固定的目的就是重建两组骨性力学结构。无 论是钉板还是髓内钉系统，其本质都是重建骨骼的三角 稳定。头颈钉需要同时重建主要抗压力骨小梁和主要抗 张力骨小梁的结构，所以理论上需要同时兼顾。大多数 学者都认可股骨近端后内侧力学性能的重要性，因此头 颈钉的置入以偏中下标准位置，这也是目前该手术的一 个指导原则。
股骨转子间骨折固定的目的之一是重建早期局部 的三角稳定，对于稳定型的转子间骨折，动力髋螺钉头 颈钉上部的张力带是断裂的，在骨折的早期内固定承担 了主要的张力，随着骨折的愈合，骨性张力带逐渐建立， 逐步分担内固定的张力，其发生疲劳断裂的机会逐步减 少。但对于大转子外侧壁碎裂的不稳定型骨折，由于骨 折无法早期顺利愈合，骨性张力带不能及时重建的话，较 容易发生内固定的疲劳断裂，所以外侧壁的劈裂骨折应用 动力髋螺钉是不合适的，这与许多临床研究也是相符的。 而对于其承担压应力的作用来说，动力髋螺钉属于偏心固 定，力臂较长，局部压应力较大，由于压应力与张应力相 辅相成，任何一种应力的增大都会导致另一种力量的增 大。若外侧壁劈裂合并股骨距碎裂的骨折采用动力髋螺钉 固定，失败的概率会显著增加。
但这些情况对于髓内固定来说就不同了，如图 6 所 示，髓内钉有利于重建股骨近端闭合的三角稳定结构， 早期在髓内钉的力学稳定区内，骨性张力带是完整的， 大转子外侧壁劈裂与否对局部力学稳定影响较小，局部 张力增加不大，这与临床观察和研究也是相符的[38]。同 时中心固定的特点也让其内侧压应力远小于动力髋螺 钉，因此更加稳定可靠。
3.4 新型髓内钉的设计思路 文章结果表明，内固定 物的空间构型及置入位置对于股骨近端的应力的传导 影响较大。作者设想：如果内固定物可以更好的传导股 骨近端的应力，能否减少髋内翻、头切割等不良状况的 发生。股骨近端的主要抗压力，主要抗张力及次要抗压 力骨小梁是应力传导的主要骨性结构，构成生理性的三 角形载荷传导。骨折发生后，各组骨小梁受到不同程度 的破坏，内固定早期的目的是重建这种生理应力的传 导。临床常用的伽马形髓内钉中，头颈钉需要同时承担 张力及压力两种载荷，由于钉与骨的弹性模量的差异， 两者接触区会出现应力集中，而钉头的应力集中现象最 为明显，在身体垂直载荷下，钉头会产生向外上方向的 切出力，进而发生切割(见图 7)。作者设计的三角固定 髓内钉[39](见图 8)，尽可能模仿生理状态下的应力传导， 将固定物的承力结构由线变成面，钉头的承力结构由点 变成线，从理论上分析发生头颈钉切割的风险会减少。 同时由于抗张力钉和抗压力钉的保护作用，外侧壁的受 到张力可以减少，有利于外侧壁骨折的愈合，从而减少 了骨折的再移位。
3.5 课题的局限性和改进方向 文章在建模方面没有 实现个体化正交各向异性非匀质材料有限元建模。股骨 近端的材料属性除了正交各向异性外，还有一个突出的 特点，就是非匀质分布，目前大部分的模型材料属性都 是匀质材料属性，因此有必要进一步比较匀质材料和非 匀质材料属性赋值对有限元研究结果的影响。同时在应 力加载的过程中，实验未能准确模拟行走等基本功能的 应力特点，也影响了实验结果。且在骨折模型的设计上 相对单一，对不同骨折类型的力学特点不能详细描述。 根据实验结果，研究者提出了一些理论的假设和器械模 型的设计，正处于实验研究过程，结果还有待进一步验 证。
