三种空心钉构型固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.12307/2022.685

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (18): 2807-2811.doi: 10.12307/2022.685

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

三种空心钉构型固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

严坤，牟利民，杨晓辉，王建，冉建

新疆医科大学第六附属医院创伤骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002

收稿日期:2021-09-13 接受日期:2021-10-13 出版日期:2022-06-28 发布日期:2022-01-29
通讯作者: 冉建，主任医师，新疆医科大学第六附属医院创伤骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:严坤，男，1986年生，新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州人，汉族，2013年新疆医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事四肢骨生物力学、四肢骨创伤、骨关节炎等研究。
基金资助:
新疆医科大学第六临床医学院(第六附属医院)科研专项基金(LFYKJ2020011)，项目负责人：严坤

Finite element analysis of Pauwels type III femoral neck fracture fixed with three configurations of cannulated screws

Yan Kun, Mou Limin, Yang Xiaohui, Wang Jian, Ran Jian

Department of Trauma Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2021-09-13 Accepted:2021-10-13 Online:2022-06-28 Published:2022-01-29
Contact: Ran Jian, Chief physician, Department of Trauma Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Yan Kun, Master, Attending physician, Department of Trauma Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Scientific Research Special Fund of the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, No. LFYKJ2020011 (to YK)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折：是指骨折线与水平线夹角大于50°的股骨颈骨折，因其骨折断端剪切应力较大，内固定失效率高，在临床上治疗较为棘手。
空心钉固定构型：常用的固定方式有空心钉固定、动力髋固定、钢板固定等。空心钉治疗由于其操作简单、创伤较小，在临床中特别是基层单位应用较多。由于传统的倒三角空心钉构型失效率较高，有学者提出了使用“F”构型及偏轴构型的空心钉内固定方式，在临床中使用效果较好。

背景：临床中广泛使用空心钉治疗股骨颈骨折，传统的倒三角构型治疗Pauwels Ⅲ股骨颈骨折失效率较高，有学者提出使用“F”构型及偏轴构型能获得较好的治疗效果。从生物力学角度对以上3种构型的比较分析目前鲜有报道。
目的：使用三维有限元法比较倒三角构型、“F”构型、偏轴构型3种空心钉置入方法对于Pauwels Ⅲ股骨颈骨折固定的生物力学性能。
方法：选取1名35岁健康的男性志愿者，体质量70 kg，CT扫描获取其右侧股骨近端.dicom格式影像数据，导入mimics 15.0软件重建股骨近端三维图像，使用Solidworks 2017软件构建倒三角构型、“F”构型、偏轴构型固定Pauwels Ⅲ股骨颈骨折模型；加载应力，比较3组模型骨折断端在X、Y、Z轴上的最大移位、在内固定上的最大应力、股骨近端的总体位移以及股骨近端的最大应力分布。
结果与结论：①倒三角构型、“F”构型、偏轴构型在螺钉上的最大应力分别为71.896，66.792，59.071 MPa；②倒三角构型、“F”构型、偏轴构型在股骨近端最大应力分别为12.791，11.886，11.949 MPa；③倒三角构型、“F”构型、偏轴构型在骨折断端X轴上的最大位移为0.844，0.587，0.538 mm；在Y轴上的最大位移为0.491，0.295，0.340 mm；在Z轴上的最大位移为0.832，0.752，0.741 mm；④倒三角构型、“F”构型、偏轴构型在股骨近端总体最大位移为1.707，1.396，1.325 mm；⑤偏轴构型和“F”构型的应力更为分散，骨折断端的位移较小，是治疗Pauwels Ⅲ股骨颈骨折较好的选择，其中偏轴构型在抗内翻应力和纵向剪切应力中略优于“F”构型。

https://orcid.org/0000-0001-6321-2770 (严坤)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 内固定构型, 股骨颈骨折, 有限元, 空心钉, 生物力学, F构型, 倒三角构型, 偏轴构型

Abstract: BACKGROUND: Cannulated screw is widely used in the clinical treatment of femoral neck fracture, while the traditional inverted triangle configuration has a high failure rate in the treatment of Pauwels III femoral neck fracture. Some scholars have proposed to use “F” configuration and off-axis configuration to obtain better therapeutic effects. However, there are few reports on the comparative analysis of the above-mentioned three configurations from the perspective of biomechanics.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical properties of Pauwels type III femoral neck fracture with three cannulated screw placement methods of inverted triangle configuration, “F" configuration, and off-axis configuration by three-dimensional finite element method.
METHODS: A healthy male volunteer aged 35 years old with a body mass of 70 kg was recruited in this study. Image data (.dicom format) of his right proximal femur were obtained by computed tomography scanning. The three-dimensional images of the proximal femur was reconstructed using mimics 15.0 software. Solidworks 2017 software was used to construct the models of Pauwels type III femoral neck fracture fixed with inverted triangle configuration, “F” configuration, and off-axis configuration. The maximum displacement of the broken end of the fracture in the X, Y, and Z axes, the maximum stress in internal fixation, the total displacement of the proximal femur and the maximum stress distribution of the proximal femur in the three groups were compared under loading stress.
RESULTS AND CONCLUSION: The maximum stresses of inverted triangle configuration, “F” configuration, and off-axis configuration on the screw were 71.896, 66.792, and 59.071 MPa, respectively. The maximum stresses of inverted triangle configuration, “F” configuration, and off-axis configuration in the proximal femur were 12.791, 11.886, and 11.949 MPa, respectively. The maximum displacements of inverted triangle configuration, “F” configuration, and off-axis configuration at the fracture end were 0.844, 0.587, 0.538 mm on the X axis, 0.491, 0.295, 0.340 mm on the Y axis, and were 0.832, 0.752, 0.741 mm on the Z axis, respectively. The overall maximum displacements of inverted triangle configuration, “F” configuration, and off-axis configuration in the proximal femur were 1.707, 1.396, and 1.325 mm, respectively. To conclude, the stress of off-axis configuration and “F” configuration are more dispersed, and the displacement of fracture end is smaller, which is a better choice for the treatment of Pauwels type III femoral neck fracture. The off-axis configuration is slightly better than the “F” configuration in anti-inversion stress and longitudinal shear stress.

Key words: internal fixation configuration, femoral neck fracture, finite element, cannulated screw, biomechanics, F configuration, inverted triangle configuration, off-axis configuration

中图分类号:

严坤, 牟利民, 杨晓辉, 王建, 冉建. 三种空心钉构型固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(18): 2807-2811.

Yan Kun, Mou Limin, Yang Xiaohui, Wang Jian, Ran Jian. Finite element analysis of Pauwels type III femoral neck fracture fixed with three configurations of cannulated screws[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(18): 2807-2811.

图/表（结果） 6

2.1 股骨的应力分布情况 3种固定模型股骨的最大应力区域集中在股骨远端约束区域，该区域为人为固定区域，不作为该研究讨论内容。3种模型在股骨近端应力集中区域均位于股骨颈骨折区域下方偏后侧，压应力在骨小梁附近，其中倒三角构型固定股骨应力峰值为12.791 MPa，“F”构型的应力峰值为11.866 MPa，偏轴构型的应力峰值为11.949 MPa。3种模型骨折区域股骨应力最大的为倒三角构型固定，“F”构型的应力峰值略小于偏轴构型，见图3。

2.2 螺钉应力分布情况观察3种模型螺钉总体应力分布，其应力集中区域均在骨折断端附近。相比较股骨应力峰值，螺钉的应力值更为集中，为股骨应力峰值的6倍左右，这与骨折愈合早期内固定承担大多数应力这一预期相符合。倒三角构型内固定应力集中于股骨近端腹侧螺钉中段，大小为71.896 MPa；“F”构型固定应力集中在最近端螺钉中段，大小为66.792 MPa；偏轴构型螺钉的应力集中在远端背侧螺钉中段，大小为59.071 MPa。3种模型中倒三角构型螺钉应力最大，其次为“F”型固定，应力最小的为偏轴构型，见图4。

2.3 股骨近端骨折截面在X轴上的位移由3种模型骨折截面在X轴上的移位分布图可以发现，均呈现为自前上至后下逐渐减小的趋势，最大的移位均位于截面的前上侧，倒三角构型固定位移最大，为0.844 mm；“F”构型固定次之，最大位移为0.587 mm；偏轴构型的移位最小，为0.538 mm，见图5。

2.4 股骨近端骨折截面在Y轴上的位移 3种模型骨折截面在Y轴上的移位分布均呈现为自后下至前上逐渐减小的趋势，最大位移位于截面后下区域。倒三角构型固定位移最大，为0.491 mm；偏轴构型固定次之，最大位移为0.340 mm；“F”构型位移最小，为0.295 mm，见图6。

2.5 股骨近端截面在Z轴上的位移 3种固定模式在骨折截面Z轴上的位移分布均为自上至下逐渐减小的趋势。位移最大的为倒三角构型固定，为0.832 mm；其次为“F”构型固定，为0.752 mm；最小的为偏轴构型固定，为0.741 mm，见图7。

2.6 股骨近端总体位移 3种固定模型股骨近端总体位移均为股骨头应力加载区域。倒三角构型位移最大，为1.707 mm；其次为“F”型固定，为1.396 mm；最小的为偏轴构型固定，为1.325 mm，见图8。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析法。
1.2 时间及地点实验于2021-08-20在新疆医科大学第六附属医院骨科实验中心完成。
1.3 对象选取1名35岁健康青年男性，体质量70 kg，排除慢性病及相关手术病史，实验前签署知情同意书。该实验经过新疆医科大学第六附属医院伦理委员会审批通过。
1.4 方法
1.4.1 股骨全长三维模型的建立使用GE公司128排双源CT从股骨头至股骨远端全长行薄层扫描，扫描层厚1 mm，将所得图像以.dicom格式保存。将.dicom格式文件导入mimics 15.0软件(Materialise公司，比利时)，重建股骨全长模型，并进行预处理。将所得文件以.stl格式导入Geomagic Studio 12.0 (Raindrop Geomagic公司，美国)进行消噪、平滑处理，同时进行网格划分和曲面处理，区分并构建皮质骨及松质骨3D模型。将最终模型文件以.step格式导入Solidworks 2017软件(Dassault Systemes公司，法国)，组配皮质骨及松质骨模型。

1.4.2 股骨颈PauwelsⅢ型骨折的建立以股骨干中心线为参照做一条垂线，股骨颈的骨折线与其呈70°夹角[6]，从而构建PauwelsⅢ型股骨颈骨折模型，见图1。

1.4.3 股骨颈空心钉内固定模型的建立依据临床中常用的3种空心钉固定构型，在Solidworks 2017软件中模拟构建，它们分别是倒三角空心钉构型、“F”固定构型、近端1枚垂直骨折线加压螺钉的交叉构型。①倒三角构型采用临床中经典的模式，3枚空心钉均平行于股骨颈轴线，下方螺钉紧贴股骨距，上方2枚空心钉分散平行置入，其中远端1枚螺钉长度为93 mm，近端2枚螺钉长度为88 mm。②“F”构型3枚螺钉非平行置入，最远端螺钉进针点位于大转子下约5.5 cm处，与股骨干成150°角置入，中间螺钉进针点位于远端螺钉近端2 cm，偏股骨干后侧与股骨干成130°角置入，近端螺钉与中间螺钉平行，进针点位于中位螺钉近端1 cm，这样3枚螺钉形成2个平面，其中最远端1枚螺钉长度为100 mm，近端2枚螺钉分别为88，90 mm。③偏轴构型近端1枚空心钉垂直于骨折线固定，远端2枚空心钉平行于股骨颈长轴并紧贴股骨距固定，其中近端1枚横行钉长度为92 mm，远端2枚钉长度分别为94，96 mm，见图1。以上3种固定方式螺钉与股骨头关节面的距离均为5 mm。将构建的3种螺钉固定方式与股骨模型进行装配，并将装配模型导入Ansys 12.1软件(ANSYS公司，美国)，建立有限元模型，其中倒三角构型获得242 476个节点，“F”构型获得131 481个节点，偏轴构型获得134 735个节点。然后在ANSYS workbench (ANSYS公司，美国)软件中进行网格划分，合理优化网格，在受力特别需要关注的区域，网格划分更为细致，其中倒三角构型获得网格数152 875个，“F”构型获得网格数78 769个，偏轴构型获得网格数80 857个。
1.4.4 材料赋值参数假设实验模型均为理想的均质、连续、各向同性的线弹性体[7]，具体赋值参数见表1[8-10]。

1.4.5 约束条件的力学加载将股骨颈骨折处定义为完全断裂，复位良好，骨折断端的摩擦系数设置为0.46，将螺钉与股骨接触区域设置为绑定。在股骨头负重区加载600 N的载荷[11]，其方向在冠状面上与股骨轴成13°夹角，在矢状面上与股骨干轴成8°夹角[12]。股骨远端约束各向自由度。
1.5 主要观察指标观察并评估3组模型股骨和内固定物的最大应力峰值，分析股骨的最大位移。细化骨折截面在X、Y、Z轴上3种模型股骨的最大位移。3个轴的方向图，见图2。

讨论

股骨颈骨折的Pauwels分型是针对股骨颈骨折稳定性而言的一种经典分型方法。Pauwels角是指骨折线与水平线之间的夹角，随着Pauwels角的增大，骨折断端所受到的剪切应力则相应增大。当Pauwels角大于50°(PauwelsⅢ型)，骨折内固定的失败率及股骨头坏死的风险显著增加[13]。由于该类型的骨折常好发于年轻患者的高能量损伤，患者的预期寿命较长，对活动要求较高，骨折的首选方案仍然是保髋内固定为主，关节置换并不作为首选[14]。目前对于PauwelsⅢ型骨折内固定方式众多，传统的3枚平行螺钉固定效果不佳，其力学稳定性较差，失败率较高。理想的内固定方式应该是兼具内固定稳定性的同时有效减少股骨颈的短缩[1]。近些年来文献报道有使用动力髋螺钉固定、“F”构型的螺钉固定、内侧支撑钢板固定、髓内钉固定、偏轴螺钉固定等[15-18]。以上报道结果各具优势，但仍缺乏可靠的循证学依据[19]。有学者对20例年轻的PauwelsⅢ型股骨颈骨折患者使用偏轴螺钉构型固定进行了一项前瞻性研究，随访24个月获得了80%的骨折愈合率[20]。FREITAS等[21]研究了动力髋螺钉、动力髋螺钉联合抗旋螺钉、倒三角空心螺钉3种内固定方式对于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的固定效果，其结论是动力髋螺钉联合抗旋螺钉的固定效果最佳。LI将[22]半螺纹拉力螺钉(PTS)和全螺纹钉(FTS)进行了10种固定组合构型的力学研究，认为使用1枚半螺纹拉力螺钉和2枚全螺纹钉的倒三角构型力学优势更为明显。TIANYE等[3]对比研究了“F”构型螺钉固定、“F”构型螺钉固定加内侧支撑钢板固定、倒三角螺钉构型固定、倒三角螺钉加内侧支撑钢板固定4种固定方式用于PauwelsⅢ型股骨颈骨折，结果表明“F”构型螺钉固定加内侧支撑钢板固定最能有效抵抗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的剪切应力。虽然动力髋加抗旋螺钉固定强度较好，但手术造成的股骨头骨量丢失较大，对血供影响也较大。内侧支撑钢板的固定则意味着关节囊的切开，手术更为复杂，剥离过程中破坏股骨头血供的可能增大。多枚空心钉固定由于操作简便，损伤及出血较少，同时经济有效，成为了很多医生的选择。采用何种空心钉构型稳定性最好，成为了多数学者研究的对象[23-24]。该研究选取了具有代表性的“F”构型固定和偏轴构型固定作为研究对象，并且将传统的倒三角构型固定作为对照观察对象。
PauwelsⅢ型股骨颈骨折的愈合需要较为稳定的力学环境，骨折断端的内翻应力及较大的剪切应力均会影响骨折的愈合。该研究分别测量了骨折截面在600 N应力载荷下在X轴、Y轴、Z轴上的位移。X轴代表了骨折断端的内翻应力水平，其中偏轴固定构型在X轴上的位移最小(0.538 mm)，其次为“F”构型(0.587 mm)，可以认为偏轴固定构型抗内翻应力较强。Y轴表示骨折断端垂直剪切力方向，该研究的3种内固定构型抗垂直剪切力由大到小依次为“F”构型(0.295 mm)、偏轴固定构型(0.340 mm)、倒三角固定构型(0.491 mm)，“F”构型抗垂直剪切力较强，原因可能和“F”构型是多平面固定有关。Z轴表示骨折断端水平剪切力方向，移位越小，抗水平剪切力越高，偏轴固定构型(0.741 mm)与“F”构型 (0.752 mm)抗水平剪切能力接近，均好于倒三角固定构型(0.832 mm)，偏轴固定构型和“F”固定构型在3个轴上均表现出了不错的稳定性，其中在抗内翻和抗水平剪切力方面偏轴固定构型略有优势，这与该研究中股骨近端整体的位移水平结果接近。股骨近端的整体位移水平反映了内固定抗失稳和变形的能力，位移越小，整体稳定性越好。该研究的3个模型稳定性依次为偏轴固定构型(1.325 mm)、“F”固定构型(1.396 mm)、倒三角构型固定(1.707 mm)。ZHANG等[25]研究表明PauwelsⅢ型骨折手术方式的选择和最终发生股骨颈短缩、股骨头坏死有一定的相关性。据此作者认为偏轴构型固定和“F”构型固定可以有效减少早期股骨颈短缩的发生，从而减少股骨头坏死发生的概率。
该研究发现，3种空心钉构型内固定应力集中区域均位于骨折断端附近，相比较股骨近端的应力峰值，螺钉上承载了更多的应力，其中倒三角构型的螺钉应力峰值最大(71.896 MPa)，偏轴交叉构型的螺钉应力峰值较小(59.071 MPa)，说明偏轴构型近端的1枚加压螺钉分散了一部分剪切应力，使螺钉的应力分布较为分散，不容易出现1枚螺钉应力过于集中、内固定失效的情况，这一结果与KUAN等[26]的研究结果类似。“F”构型固定同样也表现出了优于倒三角构型的优势 (66.792 MPa < 71.896 MPa)，其原因可能是低切迹置入的下方螺钉可以是纵向的应力沿螺钉分散传导，同时该螺钉紧贴股骨距置入，形成了有效的内侧支撑固定[27]。同样在股骨近端总体应力云图中可以看出，股骨近端的应力均集中于股骨颈骨折区域内后侧，说明PauwelsⅢ型骨折固定后内翻应力及剪切应力较大。“F”构型固定及偏轴交叉构型固定的股骨应力峰值接近，均小于倒三角构型，说明这两种内固定构型均在一定程度上分散了股骨近端的内翻及剪切应力。
该研究存在一定的局限性：首先，有限元分析是假设研究对象是统一、均质的，材料是以相同弹性模量和泊松比进行赋值，这和实际的股骨内固定研究对象的材料属性势必不同；其次，力学加载仅设定了垂直向1种应力模式，实际由于髋关节周围肌肉韧带的附着，其解剖结构和应力模式均更为复杂，特别是在动态行走过程中，这种应力模式会发生更大的改变，后期仍需实体生物力学研究进行验证；最后，仅选用较为常用的3种空心钉构型进行应力分析，实际临床用于PauwelsⅢ股骨颈骨折的固定类型众多，该研究无法一一囊括。新研发的新型股骨颈内固定系统[28]，由于该内固定系统并未在基层广泛普及，所以该研究并未纳入。
结论：通过三维有限元分析研究了3种空心钉构型治疗PauwelsⅢ股骨颈骨折的力学效应。偏轴构型和“F”构型在各项指标中均优于传统的倒三角构型，其中偏轴构型在抗内翻应力和纵向剪切应力中略优于“F”构型。但实际诊疗过程中股骨颈的骨折断端并非是该研究设定的平整断面，可能存在粉碎及内侧骨性支撑不足。“F”构型及偏轴构型固定均不利于骨折断端的滑动加压机制，所以对骨折断端的复位及初始稳定性要求较高。特别是对于骨折断端粉碎、预期股骨颈会发生短缩滑动的病例，临床应用需酌情选择。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

三种空心钉构型固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

Finite element analysis of Pauwels type III femoral neck fracture fixed with three configurations of cannulated screws

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