骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉在不同骨质下治疗不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

doi:10.12307/2023.465

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (21): 3281-3286.doi: 10.12307/2023.465

• 组织工程骨材料 tissue-engineered bone • 下一篇

骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉在不同骨质下治疗不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

郭昊1，陈广新1，陈晓琴1，廉洪宇2，刘鑫伟1，李子涛2

1牡丹江医学院，黑龙江省牡丹江市 157011；2牡丹江医学院附属红旗医院骨外二科，黑龙江省牡丹江市 157011

收稿日期:2022-07-05 接受日期:2022-08-03 出版日期:2023-07-28 发布日期:2022-11-23
通讯作者: 李子涛，教授，主任医师，硕士生导师，牡丹江医学院附属红旗医院骨外二科，黑龙江省牡丹江市 157011
作者简介:郭昊，男，1995年生，黑龙江省牡丹江市人，回族，牡丹江医学院骨外科学在读硕士，主要从事脊柱与骨关节病的临床诊治与生物力学分析研究。
基金资助:
黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目资助(2021-KYYWF-0516)，项目负责人：李子涛

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation for treating unstable femoral intertrochanteric fracture under different bones with bone cement augmentation

Guo Hao1, Chen Guangxin1, Chen Xiaoqin1, Lian Hongyu2, Liu Xinwei1, Li Zitao2

1Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011, Heilongjiang Province, China; 2Second Department of Orthopedics Surgery, Affiliated Hongqi Hospital, Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011, Heilongjiang Province, China

Received:2022-07-05 Accepted:2022-08-03 Online:2023-07-28 Published:2022-11-23
Contact: Li Zitao, Professor, Chief physician, Master’s supervisor, Second Department of Orthopedics Surgery, Affiliated Hongqi Hospital, Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011, Heilongjiang Province, China
About author:Guo Hao, Master candidate, Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011, Heilongjiang Province, China
Supported by:
the Basic Scientific Research Funds of Heilongjiang Provincial Universities, No. 2021-KYYWF-0516 (to LZT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

A3.3型股骨转子间骨折：以骨折线累及股骨外侧壁和股骨内侧小转子为特征的一类型骨折，稳定性较差，在AO/OTA分型中也称为粉碎性骨折，有效恢复患者髋关节力学稳定性是临床中治疗的关键所在。
骨水泥：即骨黏合剂，通过钉道内渗入到周围的骨小梁内来包裹局部骨质，协助股骨近端防旋螺钉提高周围骨质的密度，进而增加其固定强度。但是，使用不慎会导致休克、肺栓塞、心肌梗死及猝死等急性全身反应和感染等局部并发症。

背景：对于A3.3型转子间骨折，股骨近端防旋髓内钉是首选治疗方式，但术后骨折端的稳定性欠佳，而骨水泥钉道强化可以起到很好的稳定作用。
目的：运用有限元分析法模拟不同程度骨质疏松下骨水泥对股骨近端防旋髓内钉治疗不稳定型股骨转子间骨折生物力学的影响。
方法：基于CT图像及有限元分析软件建立右侧正常股骨有限元模型，同时按照AO31-A3.3分型在Solidworks 2017中将股骨分割成股骨近端、小转子及股骨体3个骨块，分别建立普通股骨近端防旋髓内钉固定12种不同骨质疏松程度的股骨模型(实验组)，以及骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉固定12种不同骨质疏松程度的股骨模型(对照组)。股骨头表面模拟单腿站立位的受力情况，在ANSYS中观察各组内固定下股骨最大位移、股骨近端防旋髓内钉最大位移、股骨最大应力及股骨颈内翻角度上的变化。
结果与结论：①相同骨质条件下，对照组股骨头位移、股骨近端防旋髓内钉位移及股骨颈内翻角度均低于实验组，股骨最大应力值高于实验组；②随着股骨骨质疏松程度的增大，以实验组为基础，对照组股骨头位移变化率减少了2.94%-5.89%，股骨近端防旋髓内钉位移变化率减少了3.23%-4.79%，股骨颈内翻角度变化率减少了0.41%-8.51%，股骨部位最大应力变化率从增大了12.2%到仅增大5.74%；③结果显示，在A3.3型股骨转子间骨折中，骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉在应对不同程度骨质疏松时均较普通股骨近端防旋髓内钉有较好的力学稳定性且效果在严重骨质疏松时最显著，但骨水泥加强股骨近端防旋髓内钉并不适用于正常骨质及轻度骨质丢失。

https://orcid.org/0000-0003-4627-0308(郭昊)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 骨质疏松, 骨水泥, 股骨近端防旋髓内钉, 不稳定型股骨转子间骨折, 有限元

Abstract: BACKGROUND: For type A3.3 intertrochanteric fractures, proximal femoral nail anti-rotation is the most commonly used treatment. The stability of the fracture end after common proximal femoral nail anti-rotation surgery is not well, and bone cement can play a good stabilizing role.
OBJECTIVE: To simulate the biomechanical effects of bone cement on the treatment of unstable intertrochanteric fractures with different degrees of osteoporosis after proximal femoral nail anti-rotation using the finite element method.
METHODS: A finite element model of a normal right femur was created from CT images using related finite element analysis software. The femur was divided into the proximal femoral bone, lesser trochanter, and femoral body in SolidWorks 2017 software according to the AO31-A3.3 classification. Totally 12 types of fracture models with different degrees of osteoporosis fixed using proximal femoral nail anti-rotation were established in the experimental group. In the control group, 12 types of osteoporotic fracture models were fixed using bone cement augmented proximal femoral nail anti-rotation. The differences in the maximum displacement of the femur, proximal femoral nail anti-rotation, femoral stress, and varus angle between the two groups were observed in ANSYS software.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the same bone condition, the displacement of the femoral head, the displacement of the proximal femoral nail anti-rotation and the varus angle of the femoral neck in the control group were lower than those in the experimental group, and the maximum femoral stress value was higher in the control group than that in the experimental group. (2) The change rate of femoral head displacement, proximal femoral nail anti-rotation displacement, and varus angle decreased from 2.94% to 5.89%, 3.23% to 4.79%, and 0.41% to 8.51% with increase in the degree of femur osteoporosis. The maximum stress change rate of the femur increased from 12.2% to 5.74%. (3) These results suggest that in dealing with A3.3 femoral intertrochanteric fractures with different degrees of osteoporosis, cement augmented proximal femoral nail anti-rotation had better mechanical stability than ordinary proximal femoral nail anti-rotation, and the effect was most significant in severe osteoporosis. Moreover, the experimental analysis of bone cement augmented proximal femoral nail anti-rotation is not suitable for normal bone and mild bone loss.

Key words: osteoporosis, bone cement, proximal femoral nail anti-rotation, unstable intertrochanteric fracture, finite element

中图分类号:

郭昊, 陈广新, 陈晓琴, 廉洪宇, 刘鑫伟, 李子涛. 骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉在不同骨质下治疗不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(21): 3281-3286.

Guo Hao, Chen Guangxin, Chen Xiaoqin, Lian Hongyu, Liu Xinwei, Li Zitao. Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation for treating unstable femoral intertrochanteric fracture under different bones with bone cement augmentation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3281-3286.

图/表（结果） 7

2.1 各组模型股骨近端应力股骨近端防旋髓内钉对断裂的股骨近端提供主要的支撑作用，通过有限元分析实验模拟计算发现，在对照组与实验组中其股骨近端最大应力部位均在螺旋刀片与主钉的连接处，如图4，并且在相同骨质下对照组股骨近端最大应力值明显高于实验组。实验数据统计将引入变化率的概念，即对照组最大应力值在实验组最大应力值的基础上所发生的变化比例，发现对照组较实验组在最大应力的变化率上随着骨质疏松的程度加重而有所减少，如图5示，从起初对照组较实验组增大了12.2%到最后仅增大了5.74%。

2.2 各组模型股骨近端位移股骨头表面是股骨主要的受力部位，根据图6可见股骨最大位移变化量发生在股骨头与髋臼的连接处。如图7所示，实验组股骨近端位移量随着骨质疏松程度的加重而随之增高，从起初0.34 cm增加到0.51 cm，且后期股骨位移变化量有明显增长的趋势；对照组在12种骨质下所计算出的位移量均小于实验组固定下的模型，而且在前9种骨质下对照组较实验组股骨近端位移减少的变化率均小于3%，随后伴随骨质疏松程度加重位移降低的变化率明显增大，变化率最多降低了5.89%。

2.3 各组模型股骨颈内翻角度在ANSYS workbench软件中，在股骨头表面设立点remote A，股骨底面设立点remote B，由于股骨底面约束固定不动，故观察remote A点在x、y、z轴上的变化角度即为股骨内翻的角度。

rotx代表x轴角度变化，roty代表y轴角度变化，rotz代表z轴角度变化。
统计在12种骨质疏松程度下股骨颈内翻角度，如图8A，可见实验组随着骨质疏松程度的加重，股骨颈内翻的角度随之增大，且内翻角度的变化幅度在后期有明显增大的趋势，实验组模型下的股骨颈内翻角度最大可达5.05°；对照组中除第1组正常骨质外，在其余11种骨质中股骨颈内翻角度都较实验组模型低，且随着骨质疏松程度的加重，两组间股骨颈内翻角度降低的变化率明显增加，如图8B，从减少0.41%到减少8.51%。

2.4 各组模型股骨近端防旋髓内钉位移两组模型股骨近端防旋髓内钉最大位移量发生在螺旋刀片尖顶部位，如图9所示。

随着骨质疏松程度的加重，实验组模型股骨近端防旋髓内钉螺钉尖端的位移也随之增高，最大可达0.46 cm。在12种骨质分析中发现，对照组模型股骨近端防旋髓内钉螺钉尖端的位移量均小于实验组模型，而且位移变化率在前7种骨质中均小于3.5%，但在后5种骨质中位移变化率明显增大，最大可减少到5.13%，如图10所示。

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引言

近年来老年股骨转子间骨折备受关注且其发病率逐年递增，预计全球于2050年髋关节骨折的患者数量可达到450万[1]，
目前仍然是老年人最常见和致残率最高的骨折类型之一[2]。据统计，老年股骨转子间骨折患者采取保守治疗的病死率高达20%[3]，髓内固定是目前最主要的治疗方式，其中股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的效果备受认可[4]，但股骨转子间骨折术后内固定作用失效率仍高达13%[5]，是目前临床治疗中所面临的最主要问题之一[6-7]。AO31-A3.3型股骨转子间骨折属于不稳定型骨折，对于合并骨质疏松症的患者其最佳治疗方式尚有争议，目前骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉已应用在骨质疏松性股骨转子间骨折老年患者的治疗当中，术后效果令人满意，其可在控制失血量和手术创伤的基础上增加内固定的稳定性，术后患髋功能恢复评分的优良率高达94%，且术后下地时间较早，在患者的随访调查中并无与内固定失效相关的并发症发生[8-9]。不过当前在不同骨质疏松程度下，比较分析骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉与普通股骨近端防旋髓内钉治疗A3.3股骨转子间骨折的术后稳定性鲜有报道。
有限元分析法能够基于影像CT图像数据来构建骨骼三维模型，其可对骨折及骨质强度等多方面进行力学模拟分析，尤其在骨质强度的模拟方面，有限元分析法所得到的模型与影像学双能X射线吸收法所检查的人体真实骨密度基本等
效[10-11]。在既往研究中，虽然骨水泥可加强螺旋刀片与周围骨质的接触稳定性[12]，但术后同样伴随骨水泥并发症风险。该文运用有限元分析法来模拟骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉与普通股骨近端防旋髓内钉术式在不同程度骨质疏松中治疗A3.3型股骨转子间骨折，观察二者的力学参数变化并行对比，进而从生物力学角度为治疗选择提供一定参考。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2022年1-4月在牡丹江医学院影像学院人工智能与生物仿真力学实验室完成相关研究。
1.3 材料选择1名45岁男性受试者的影像学资料，身高170 cm，体质量70 kg。受试者对实验知情同意并签署知情同意书。研究得到牡丹江医学院附属红旗医院伦理委员会批准(伦理批件号：Z 202170)。
1.4 方法
1.4.1 股骨模型建立利用64排螺旋CT(GE，USA)扫描受试者右侧正常股骨近端，将影像学资料以dicom格式下载并导入Mimics 21.0(Materialise，Belgium)中，应用阈值分割、降噪、填充等图像处理初步构建三维模型，再将得到的模型资料以STL文件导入逆向工程软件Geomagic Studio(Raindrop Inc.，USA)软件中，进行光滑优化、重构面网格及拟合曲面等处理，进而得到3D光滑右侧股骨模型[13]。
1.4.2 股骨近端防旋髓内钉模型建立股骨近端防旋髓内钉规格包括长钉和短钉，HONG等[14]已验证短钉规格在治疗A3型股骨转子间骨折的效果最佳。根据Double Medical股骨近端防旋髓内钉尺寸参数在Solidworks 2017(Dassault Systemes SolidWorks Corp.，USA)软件中画出内固定草图，通过拉伸、旋转、切割、组合等步骤得到股骨近端防旋髓内钉内固定三维模型，模型主要参数：主钉长170 mm并伴有外翻角5°，近端直径16 mm，远端直径10 mm，螺旋刀片直径10 mm，长度105 mm，主钉与螺旋刀片成角130°。
1.4.3 股骨转子间骨折与内固定装配模型运用Solidworks 2017(Dassault Systemes SolidWorks Corp.，USA)软件，根据AO创伤协会分型中的A3.3型骨折线建立基准面来进行2次分割，从而得到股骨头、小转子和股骨体三部分，并将分割后的骨折模型与普通股骨近端防旋髓内钉进行装配并定义为实验组模型，再将骨折模型与骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉进行装配并定义为对照组模型，两组模型均按照标准手术技术进行装配，如图1所示，在上视图中髓内钉与大转子中后1/3的位置重合，正视图中螺旋刀片应尽量靠近股骨头下部，保持尖顶距在20-25 mm之间[15]，再以“X_T”格式提取保存并导入 ANSYS workbench(ANSYS Inc.，USA)软件中进行力学分析。

1.4.4 材料属性及边界条件将股骨皮质骨、松质骨设定为连续介质各向同性[16]，内固定弹性模量为110 000 MPa，泊松比0.3[17]；骨水泥弹性模量220 000 MPa，泊松比0.2，骨水泥体积约为2 mL[18]。参照POLIKEIT等[19]及朱兴华等[20]的研究，正常股骨皮质骨弹性模量15 100 MPa，泊松比0.3；正常股骨松质骨弹性模量445 MPa，泊松比0.2；将股骨松质骨的弹性模量以6%梯度等比例减少到34%，股骨皮质骨的弹性模量以3%梯度等比例减少到67%，进而分别构建出12种不同程度骨质疏松模型[21]，如表1所示。骨与骨之间的摩擦系数为0.46，螺旋刀片与主钉摩擦系数为0.23，内固定与股骨摩擦系数为0.3，螺旋刀片与骨水泥摩擦系数为0.2，其余接触关系均设置为绑定[22-23]。两组模型均设置12种股骨材料属性赋值。

1.4.5 约束条件及载荷将股骨远端完全约束固定，模拟单足着地站立时股骨表面受力情况如图2，在与股骨干长轴呈10°方向垂直于股骨头表面施加1倍体质量的力约700 N[13]。

1.5 主要观察指标将网格进行了收敛分析convergence，将Max Refinement Loopsshe设置为6，当Allowable Change小于等于2%时，认为实验结果不受网格质量的影响，以股骨近端防旋髓内钉受力情况为例进行收敛如图3。股骨及内固定网格大小设置为2 mm，骨水泥网格大小为1.5 mm，相关单元及节点如表2。实验将从股骨近端应力、股骨近端位移、股骨颈内翻角度及股骨近端防旋髓内钉位移4个维度进行分析讨论。

讨论

髋部骨折常导致老年患者生活质量下降、残疾甚至死亡[24]。由于髋关节置换手术需要较长的手术时间、术中失血较多及伴有较高的假体周围骨折和脱位风险[25]，因此股骨近端防旋髓内钉是目前治疗股骨转子间骨折最主要及常见的治疗方式，与其他器械相比具有更佳的力学稳定性[26]。不过目前临床中发现AO31-A3.3型股骨转子间骨折预后效果较差，术后失败率明显高于其他类型，可能是由于其骨折线累及股骨外侧壁和股骨内侧小转子所导致[27-28]，而且老年患者常伴有不同程度骨质疏松，其骨量降低易使内部骨组织微结构受到损害而导致骨小梁稀松、骨脆性增加，当螺旋刀片进入股骨头松质骨内时，可使周围骨质产生连锁断裂致螺旋刀片的支撑力下降，发生退钉及切割等情况。所以，骨折类型和骨质疏松程度是导致内固定术后失败的直接因素[29]，故探讨伴有骨质疏松症的A3.3型股骨转子间骨折在临床中所采取的最佳治疗方案具有重要意义。
早在腰椎骨折的治疗中，骨水泥对于合并骨质疏松症的患者就已发挥出令人欣喜的效果，同样目前在极其不稳定的A3型股骨转子间骨折合并骨质疏松症患者中其治疗效果也十分理想。在骨水泥植入方法上，王勇等[30]提出骨水泥可通过螺旋钉内部的中空通道注入并经过螺旋刀片上的孔道来填充周围松质骨，其术后髋关节功能恢复较佳且无内固定松动、断裂，螺旋刀片切出以及骨水泥相关并发症。骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉的最大优势在于：通过骨水泥的黏合与弥散作用加强了螺旋刀片与松质骨的接触面积和抗旋防切割能力，并且保留原本股骨近端防旋髓内钉术中创伤小、失血量低的优点[31]。在既往研究中，患者的收集无法仅针对A3.3型股骨转子间骨折，而有限元分析法可通过模型的特征构建对A3.3型股骨转子间骨折进行针对性研究，目前已有学者应用有限元分析法对治疗中骨水泥最佳植入量和不同术式间的力学对比等进行相关讨论和分析 [18]。
此次实验最大的特点在于：通过模拟不同程度骨质疏松来观察对比骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉与普通股骨近端防旋髓内钉在治疗A3.3型股骨转子间骨折的力学稳定性及其变化趋势。在股骨近端位移上，虽然两种固定方式下的股骨位移会随着骨质疏松程度增大而变大，但同比骨水泥加强后的股骨位移变化量较小，并且在图7中发现两种术式在前9种模拟骨质中位移差异较稳定其位移变化率均< 3%，但之后随着骨质疏松程度加大其变化率有明显增大趋势，最大达到5.89%；在股骨近端防旋髓内钉位移方面，骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉组的位移量在不同程度骨质疏松中均小于普通股骨近端防旋髓内钉组，而且与上述股骨近端位移变化趋势有所相似，在前7种骨质中位移变化率较稳定且< 3.5%，之后随着骨质疏松程度加大也有显著增高的趋势，最大差异达到5.13%；针对股骨颈内翻角度，除了正常骨质情况下，其余骨水泥强化组中的股骨颈内翻角度在不同骨质疏松程度下均小于普通股骨近端防旋髓内钉组，并且随着骨质疏松的程度加重其在内翻角度上两者的差异也逐渐加大，变化率从减少了0.4%到8.51%以上，通过观察对比骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉与普通股骨近端防旋髓内钉在股骨近端位移、股骨近端防旋髓内钉位移和股骨颈内翻角度方面上的力学参数及其变化率，可以看出，骨水泥强化后的股骨近端防旋髓内钉在固定治疗A3.3型股骨转子间骨折时其股骨整体的稳定性得到了有效提升，这与HANKE等[32]得出的结论较为一致，并且随着骨质疏松的程度增大，其力学稳定效果越明显。
在股骨近端最大应力实验中发现，虽然两种方式固定下其股骨近端最大应力均发生在主钉与螺旋刀片连接处，但骨水泥强化后股骨近端最大应力要高于普通股骨近端防旋髓内钉固定模型，这也是与上述讨论的3种指标对比变化情况相反的参数，且随着骨质疏松程度加重而其最大应力值也同时增大。在正常骨质中，其二者的最大应力变化率最大且达到12.2%，不过随着骨质疏松程度的加重其应力变化率发生减少趋势，在最后一组实验中应力变化率只有5.74%，也一定程度上证明其集中应力并未超出内固定的最大屈服应力；同时实验发现在正常骨质也就是第1种骨质中，骨水泥强化后的股骨内翻角度大于普通股骨近端防旋髓内钉内固定模型。综上，骨水泥强化后的股骨近端最大应力虽然大于普通股骨近端防旋髓内钉固定模型，但在随着骨质疏松程度增大的同时其二者之间股骨近端最大应力变化率也随之逐渐降低，在最后1种骨质中其变化率达到最小，与此同时，结合骨水泥强化后的股骨内翻角度在正常骨质中大于普通股骨近端防旋髓内钉内固定模型，以及两种模型在股骨近端防旋髓内钉位移、股骨位移和内翻角度方面上，在前期正常骨质以及轻度骨质丢失中二者差异较小且变化率稳定。故此次实验同样得出骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉与普通股骨近端防旋髓内钉相比，在正常骨质或轻度骨质丢失时对模型整体力学稳定性影响较小，这与ERHART等[33]在液压伺服试验机上模拟生物力学实验所得到的结论较为一致。
应用骨水泥存在休克、肺栓塞、心肌梗死及猝死等急性全身反应，也包括感染等局部并发症[34]，结合术后不良反应的风险及此次实验数据分析可得出以下结论：在A3.3型股骨转子间骨折治疗中，正常骨质或轻度骨质丢失时，骨水泥虽然具有较好的稳定性，但力学差异较非骨水泥填入时并不十分明显，建议使用单一股骨近端防旋髓内钉进行固定，这样可以避免骨水泥并发症等相关风险以及减少主钉与螺旋钉连接处的应力，避免断钉的情况发生；对于诊断骨质疏松症患者或者骨质丢失较重患者，基于骨水泥强化后其相较于普通股骨近端防旋髓内钉固定具有绝对的力学稳定性，可以应用少量骨水泥来强化股骨近端防旋髓内钉来恢复股骨正常的支撑功能。
研究同样存在以下不足：①实验中股骨材料属性设置为均质及各向同性；②定量CT所测量的是体积骨密度，也是被国内外所认可的诊断骨质疏松最为准确的方法之一[35]，虽然在椎体骨质疏松症方面有诊断分级标准，但目前尚无股骨方面的定量CT骨质疏松症诊断分级标准，骨质疏松等级分型在临床中大多参考WHO公认的双能X射线诊断标准。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉在不同骨质下治疗不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation for treating unstable femoral intertrochanteric fracture under different bones with bone cement augmentation

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