股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与否的有限元分析

doi:10.12307/2024.624

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (30): 4770-4776.doi: 10.12307/2024.624

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

股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与否的有限元分析

刘泽民，王栋，李岩，刘旻，陈斌，王钞崎，吕欣，张永红

山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001

收稿日期:2023-07-05 接受日期:2023-08-16 出版日期:2024-10-28 发布日期:2023-12-23
通讯作者: 张永红，博士，主任医师，山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001
作者简介:刘泽民，男，1995年生，山西省吕梁市人，汉族，在读博士，医师，主要从事创伤骨科及肢体矫形外科的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(82172439)，项目负责人：张永红

Finite element analysis of reamed versus undreamed proximal femoral nail antirotation-II in treatment of 31-A3 intertrochanteric femur fracture

Liu Zemin, Wang Dong, Li Yan, Liu Min, Chen Bin, Wang Caoqi, Lyu Xin, Zhang Yonghong

Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China

Received:2023-07-05 Accepted:2023-08-16 Online:2024-10-28 Published:2023-12-23
Contact: Zhang Yonghong, MD, Chief physician, Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
About author:Liu Zemin, Doctoral candidate, Physician, Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 82172439 (to ZYH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

有限元分析：是一种利用数值计算方法求解连续介质力学问题的技术。它将复杂的物理问题转化为有限数量的简单子域，并在每个子域上建立适当的数学模型，通过数值计算得到问题的近似解。
PFNA-Ⅱ：是一种骨科内植物，广泛用于治疗股骨转子间骨折。它属于髓内钉系统，用于在股骨髓腔内固定骨折，提供牢固的内部支撑。

背景：针对股骨转子间骨折是否需要扩髓的问题尚有争议，一些人认为不扩髓缩短手术时间、减少出血、降低高龄患者术中风险，但此举是否会降低髓内钉支撑效果，尚无依据。另一些人认为扩髓可选择直径更粗的髓内钉，获得更好的力学支撑，但基础研究显示此方法存在脂肪栓塞、破坏骨质(尤其高龄骨质疏松患者)等风险。

目的：通过有限元分析股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折时扩髓与不扩髓的力学分布特点。
方法：纳入一名健康志愿者，CT扫描其股骨获取DICOM格式文件，顺序导入Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks、Hypermesh、Ansys软件处理文件，得到A3.1型、A3.2型及A3.3型股骨转子间骨折模型，分别与9，11 mm直径、170 mm长度的股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ进行装配，赋予材料属性，设定各接触面相互作用关系及定义载荷及边界条件，之后进行求解。观察不同模型中股骨应力分布、内固定应力分布、股骨位移及内固定位移情况。

结果与结论：①各型骨折采用扩髓髓内钉固定时股骨应力均小于非扩髓髓内钉固定，A3.3型骨折股骨最大应力值大于A3.1型和A3.2型；②各型骨折采用扩髓髓内钉固定时内固定应力均大于非扩髓髓内钉固定，A3.3型骨折内固定最大应力值大于A3.1型；③扩髓与非扩髓对股骨及内固定位移影响较小，应力影响较大；④提示采用扩髓髓内钉固定可使股骨应力减小，内固定整体承担应力增大，远端锁钉承担应力减小；与非扩髓髓内钉固定相比，采用扩髓髓内钉固定可能会提供更好的治疗效果。

https://orcid.org/0000-0003-4810-9200 (刘泽民)

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: 股骨转子间骨折, 扩髓髓内钉, 非扩髓髓内钉, 股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ, 有限元分析, PFNA-Ⅱ

Abstract: BACKGROUND: There is controversy regarding the need for marrow reaming in intertrochanteric fractures of the femur. Some believe that unreaming shortens operative time, reduces bleeding, and decreases intraoperative risk in elderly patients, but there is no basis for whether this move reduces the effectiveness of intramedullary nail support. Others believe that reaming allows for the selection of thicker diameter intramedullary nails for better mechanical support, but basic studies have shown that this approach carries risks such as fat embolism and destruction of bone (especially in elderly patients with osteoporosis).
OBJECTIVE: To analyze the mechanical distribution characteristics of reamed and unreamed proximal femoral nail antirotation-II in the treatment of type 31-A3 intertrochanteric fractures by finite element analysis.
METHODS: A healthy volunteer was included, and CT scans of his femur were obtained in DICOM format, and the files were sequentially imported into Mimics, Geomagic Wrap, SolidWorks, Hypermesh, and Ansys software for processing. The A3.1, A3.2, and A3.3 intertrochanteric fracture models were obtained and assembled with 9 mm, 11 mm diameter, and 170 mm length intramedullary nails, respectively, followed by assigning material properties, setting the interaction relationship of each contact surface and defining the load and boundary conditions, and then solved. The femoral stress distribution, internal fixation stress distribution, femoral displacement, and internal fixation displacement were observed in different models.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The femoral stress was less than that of unreamed intramedullary nail fixation for each type of fracture, and the maximum stress value of the femur for A3.3 fracture was greater than that of A3.1 and A3.2. (2) The internal fixation stress was greater than that of unreamed intramedullary nail fixation for each type of fracture, and the maximum stress value of internal fixation for A3.3 fracture was greater than that of A3.1. (3) Reamed versus unreamed intramedullary nailing has less effect on femoral and internal fixation displacement and more effect on stress. (4) It is indicated that the use of reamed intramedullary nail fixation results in a reduction in femoral stress, an increase in the stress borne by the internal fixation as a whole, and a reduction in the stress borne by the distal locking nail. The use of reamed intramedullary nail fixation may provide better treatment results compared to unreamed intramedullary nail fixation.

Key words: femoral intertrochanteric fracture, reamed intramedullary nail, unreamed intramedullary nail, proximal femoral nail antirotation-II, finite element analysis, PFNA-II

中图分类号:

刘泽民, 王栋, 李岩, 刘旻, 陈斌, 王钞崎, 吕欣, 张永红. 股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与否的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(30): 4770-4776.

Liu Zemin, Wang Dong, Li Yan, Liu Min, Chen Bin, Wang Caoqi, Lyu Xin, Zhang Yonghong. Finite element analysis of reamed versus undreamed proximal femoral nail antirotation-II in treatment of 31-A3 intertrochanteric femur fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(30): 4770-4776.

图/表（结果） 7

2.1 思路可行性及模型验证此次研究扩髓与不扩髓通过不同直径髓内钉的置入来体现，这与临床上扩髓是为了置入更粗直径的髓内钉的观点相符。为了验证这种思路的可行性，对导入Mimics的CT图像进行分析，选取股骨髓腔峡部及附近的髓腔内径进行测量。结果发现髓腔内径在10 mm左右，见图5，而此次研究髓内钉直径为9，11 mm，理论上可顺利置入9 mm髓内钉模拟非扩髓状态(不影响骨皮质厚度)，置入11 mm髓内钉可模拟扩髓状态(Solidworks挖除钉道时会使骨皮质变薄)。

采用此次研究提取的完整股骨模型，赋予表2的材料参数，相同的位置施加载荷，观察股骨的应力分布，见图6。观察到其应力分布与现有的生物力学研究的结果相似[31]，证明此次研究建立的有限元模型稳定、准确、可靠，可使用该模型进行有限元分析。

2.2 股骨的von Mises应力分布 3组不同骨折分型的股骨-内固定模型中，股骨最大应力值出现的位置各有不同，见图7。不论采用9 mm或11 mm髓内钉固定，A3.1型股骨应力集中均出现于股骨近端外侧壁与内固定接触处，9 mm髓内钉固定股骨最大应力值66.39 MPa，大于11 mm髓内钉固定时的42 MPa。A3.2型股骨应力集中部位与固定的髓内钉直径无关，均出现在远端锁钉与股骨外侧皮质接触处，9 mm髓内钉固定时股骨最大应力值41.37 MPa，大于11 mm髓内钉固定时股骨的30.88 MPa。A3.3型股骨应力集中部位与髓内钉固定直径有关，9 mm髓内钉固定时股骨最大应力值为88.28 MPa，位于股骨近端外侧壁与内固定接触处；11 mm髓内钉固定时股骨最大应力值位于远端锁钉与股骨外侧皮质接触处，其值61.89 MPa小于9 mm髓内钉固定时股骨最大应力值。

2.3 内固定的von Mises应力分布 3组不同骨折分型的股骨-内固定模型中，9 mm髓内钉固定时内固定应力主要集中于远端锁钉，11 mm髓内钉固定时内固定应力主要集中于近端锁钉与主钉接触处，见图8。A3.1型骨折采用9 mm髓内钉固定时内固定的最大应力值108.74 MPa小于11 mm髓内钉固定时的138.59 MPa。A3.2型骨折采用9 mm髓内钉固定时内固定的最大应力值130.48 MPa小于11 mm髓内钉固定时的163.04 MPa。A3.3型骨折采用9 mm髓内钉固定时内固定的最大应力值288.54 MPa小于11 mm髓内钉固定时的421.45 MPa。6个模型内固定不同部位最大应力值，见表3，可见A3.1到A3.3型，内固定各部位最大应力值呈现增大趋势。同一分型内，随着髓内钉直径增大，主钉和近端锁钉最大应力值增大，远端锁钉最大应力值减小。

2.4 股骨的位移情况 3组股骨转子间骨折的9 mm及11 mm髓内钉固定模型股骨位移组内差异均较小。位移与骨折分型关系更大，A3.3型股骨最大位移值2.42-2.55 mm，大于A3.2型的1.33-1.36 mm；A3.2型股骨最大位移值大于A3.1型的0.17 mm，见图9。

2.5 内固定的位移情况 3组股骨转子间骨折的9 mm及11 mm髓内钉固定模型内固定组内位移变化相似。位移变化与骨折分型关系更大，A3.3型内固定最大位移值2.30-2.38 mm，大于A3.2型的1.24-1.29 mm；A3.2型内固定最大位移值大于A3.1型的0.16 mm，见图10。比较股骨与内固定位移最大值发现，各模型内固定位移最大值均小于股骨。

参考文献

[1] BRAUER CA, COCA-PERRAILLON M, CUTLER DM, et al. Incidence and mortality of hip fractures in the United States. JAMA. 2009;302(14): 1573-1579.
[2] 王璞. 老年髋部骨折流行病学特征及致伤因素分析[D].西安:中国人民解放军空军军医大学,2022.
[3] 葛迅, 陈小虎, 吴成玉, 等. 股骨转子间骨折的治疗进展[J]. 锦州医科大学学报,2019,40(4):109-112.
[4] 冯俊超,高明暄,骆文远.股骨转子间骨折外侧壁与内侧壁的意义[J].中国矫形外科杂志,2023,31(5):436-440.
[5] HAN L, LIU JJ, HU YG, et al. Controlled Study On Gamma Nail and Proximal Femoral Locking Plate for Unstable Intertrochanteric Femoral Fractures with Broken Lateral Wall. Sci Rep. 2018;8(1):11114.
[6] 吴钟汉,王景坤,李涛,等.股骨近端防旋髓内钉治疗外侧壁完整型和外侧壁危险型股骨转子间骨折[J].中国组织工程研究,2024, 28(6):911-916.
[7] 陈心敏, 罗斯嘉, 夏卓伟, 等. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2020,24(27):4265-4271.
[8] 杨大威. 股骨转子间骨折的研究进展[J]. 创伤外科杂志,2020, 22(12):959-961.
[9] AUDIGÉ L, HANSON B, SWIONTKOWSKI MF. Implant-Related Complications in the Treatment of Unstable Intertrochanteric Fractures: Meta-Analysis of Dynamic Screw-Plate Versus Dynamic Screw-Intramedullary Nail Devices. Int Orthop. 2003;27(4):197-203.
[10] 刘泽民, 吕欣, 刘晋元, 等. 髋部骨折2342例流行病学分布特点的单中心分析[J]. 中国组织工程研究,2020,24(32):5085-5091.
[11] 罗先正, 张薇. 髓内钉的生物力学设计[J]. 中华骨科杂志,1997, 10(4):272-276.
[12] ROSA N, MARTA M, VAZ M, et al. Intramedullary Nailing Biomechanics: Evolution and Challenges. Proc Inst Mech Eng H. 2019;233(3):295-308.
[13] YANG S, YANG Y, HUO Y, et al. Effect of the degree of displacement of the third fragment on healing of femoral shaft fracture treated by intramedullary nailing. J Orthop Surg Res. 2022;17(1):380.
[14] JUNG O, LINDNER C, PANTERMEHL S, et al. Heat Development During Medical Drilling: Influencing Factors and Examination Methods - Overview and First Results. In Vivo. 2021;35(6):3011-3017.
[15] GIANNOUDIS PV, SNOWDEN S, MATTHEWS SJ, et al. Temperature rise during reamed tibial nailing. Clin Orthop Relat Res. 2002;(395):255-261.
[16] OCHSNER PE, BAUMGART F, KOHLER G. Heat-induced segmental necrosis after reaming of one humeral and two tibial fractures with a narrow medullary canal. Injury. 1998;29(Suppl S2):B1-B10.
[17] ROMAN PFEIFER MD, BARKATALI BM, PETER GIANNOUDIS MD, et al. Physiologic Effects Associated with Intramedullary Reaming. Springer London, 2015.
[18] BREKELMANS WAM, POORT HW, SLOOFF TJJH. A New Method to Analyse the Mechanical Behaviour of Skeletal Parts. Acta Orthop Scand. 1972;43(5):301-317.
[19] GHOSH R, CHANDA S, CHAKRABORTY D. Application of finite element analysis to tissue differentiation and bone remodelling approaches and their use in design optimization of orthopaedic implants: A review. Int J Numer Method Biomed Eng. 2022;38(10):e3637.
[20] 冯卫. 三种股骨近端髓内固定系统(PFNA、PFNA-II、InterTan)与中国人股骨近端形态学匹配性研究及其固定股骨转子间骨折的有限元分析[D]. 广州:南方医科大学,2012.
[21] 乔文, 吕欣, 刘晋元, 等. 有限元评估尖顶距与股距尖顶距对股骨转子间骨折髓内钉内固定术后稳定性的影响[J]. 中国组织工程研究,2020,24(36):5755-5763.
[22] 张世民, 余斌. Ao/Ota-2018版股骨转子间骨折分类的解读与讨论[J]. 中华创伤骨科杂志,2018,20(7):583-587.
[23] 袁高翔, 张伟滨. 有限元分析在骨骼肌肉系统模型材料特性研究中的应用[J]. 国际骨科学杂志,2011,32(6):352-355.
[24] 张国栋, 廖维靖, 陶圣祥, 等. 股骨颈有限元分析的赋材料属性方法探讨及有效性验证[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2009, 13(52):10263-10268.
[25] 徐锴, 李开南. 三种内固定固定股骨转子间六部分骨折各分型稳定性的有限元分析[J]. 中华创伤骨科杂志,2019,21(4):345-352.
[26] 蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 等. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021,25(6):831-836.
[27] 武建超. 内外侧壁损伤及小转子骨折模式对股骨粗隆间骨折生物力学影响的有限元分析[D]. 兰州:兰州大学,2020.
[28] 虎群盛. 改良股骨近端髓内钉固定Evans ⅳ型股骨转子间骨折的有限元分析[D]. 广州:广州中医药大学,2017.
[29] KEYAK JH, KANEKO TS, TEHRANZADEH J, et al. Predicting Proximal Femoral Strength Using Structural Engineering Models. Clin Orthop Relat Res. 2005;(437):219-228.
[30] 杜育任. 股骨转子间骨折形态特点对内固定效果的影响[D]. 天津:天津医科大学,2019.
[31] 胡慧婷. 股骨有限元建模及相应的生物力学分析[D]. 太原:太原理工大学,2014.
[32] HELLER MO. Finite element analysis in orthopedic biomechanics[M].Human orthopaedic biomechanics. Academic Press, 2022:637-658.
[33] MISHRA RN, SINGH MK, KUMAR V. Biomechanical analysis of human femur using finite element method: A review study. Mater Today Proc. 2022;56:384-389.
[34] GOTFRIED Y. The lateral trochanteric wall: a key element in the reconstruction of unstable pertrochanteric hip fractures. Clin Orthop Relat Res. 2004;(425):82-86.
[35] MUSTAFA MA, LI S, BANO S, et al. Advances in the Restoration and Fixation of Lateral Femoral Wall Fracture. Proc Ant Res. 2023;7(1):30-40.
[36] 林荣侯, 刘勇, 隋丽娟, 等. InterTAN、PFNA、DHS治疗不稳定性股骨粗隆间骨折的比较[J]. 中国矫形外科杂志,2020,28(6):507-511.
[37] HUANG C, WU X. Surgical Selection of Unstable Intertrochanteric Fractures: PFNA Combined with or without Cerclage Cable. Biomed Res Int. 2021;1:1-12.
[38] TIAN Z, CHEN J, ZHANG Y, et al. A Retrospective Study of 98 Elderly Patients with High-Risk Lateral Femoral Wall Intertrochanteric Hip Fractures to Compare Outcomes Following Surgery with Proximal Femoral Nail Antirotation (PFNA) Versus Dynamic Hip Screw (DHS). Med Sci Monit. 2022;28:e936923.
[39] MUKHERJEE K, PRASHANTH KR, KUMAR RD. Mismatch of short straight proximal femur nails with anterior bow of femur in Indian population- A radiological and functional analysis. J Orthop. 2022;29:65-70.
[40] BONG MR, KOVAL KJ, EGOL KA. The history of intramedullary nailing. Bull NYU Hosp Jt Dis. 2006;64(3-4):94-97.
[41] TUCKER SM, WEE H, FOX E, et al. Parametric Finite Element Analysis of Intramedullary Nail Fixation of Proximal Femur Fractures. J Orthop Res. 2019;37(11):2358-2366.
[42] 徐绍勇. 交锁髓内钉扩髓与否在治疗胫骨骨折中的临床比较研究[D]. 福州:福建中医药大学,2010.
[43] CLAES L. Improvement of clinical fracture healing-What can be learned from mechano-biological research? J Biomech. 2021;115:110148.
[44] 何祥鑫, 林梓凌, 李鹏飞, 等. 基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究,2018, 22(11):1725-1730.
[45] 陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 等. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折:最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究,2021,25(9):1404-1409.
[46] 何祥鑫. 内收肌主动响应对脾虚型老年髋部骨折断裂行为影响的有限元研究[D]. 广州:广州中医药大学,2018.

引言

股骨转子间骨折是发生于股骨颈基底至小转子水平之间的骨折，是老年人常见的低能量损伤[1]。随着国内老年人口比例的迅速增长，股骨转子间骨折引起的社会、经济以及医疗负担愈发不可忽视[2]。2018年推出的最新修订的AO分型将股骨转子间骨折分为A1型单纯转子间骨折、A2型外侧壁受损的粉碎性骨折及A3型逆转子间线骨折，A3型又细分为A3.1型单纯反斜骨折、A3.2型单纯横行骨折及A3.3型楔形或粉碎性的反转子间骨折[3]。A3型股骨转子间骨折常累及股骨外侧壁，会增加骨折端的不稳定性，发生内固定失败和术后并发症的概率上升[4-6]。故研究AO31-A3型股骨转子间骨折的治疗方案具有代表性和重要的临床意义[7]。
股骨转子间骨折主要采用手术治疗，治疗方式分为髓内固定与髓外固定[8]。研究表明，髓外系统固定A3型股骨转子间骨折时常出现髋内翻、内固定失效等并发症，发生率24%-53%[9]。相比于髓外固定，髓内固定具有创伤小、能有效保护骨折断端周围血运、术中出血少、能有效抗旋转、术后早期负重以及更好的生物力学特性等优点，目前是临床上固定股骨转子间骨折的主要治疗方式。髓内固定方式主要包括股骨近端防旋髓内钉(proximal femoral nail antirotation，PFNA)、InterTan髓内钉、Zimmer中立钉及γ-Ⅲ型髓内钉内固定，其中PFNA在股骨转子间骨折患者中使用率达到66.29%[10]。PFNA-Ⅱ是对标准的PFNA进行改进后生产的，目的是使PFNA-Ⅱ更贴合股骨近端的解剖结构，减少术后不良反应的出现，PFNA-Ⅱ在临床上使用逐渐增多。
髓内钉使用过程中，扩髓与不扩髓是一个具有争议的问题。扩髓有其优点：①扩髓使髓腔形成类圆柱形空间，增加了钉与骨接触面积，提高了骨折固定的稳定性；②扩髓后可插入直径更大、强度更高的髓内钉；③扩髓在骨折端产生的骨碎屑具有成骨作用，相当于髓内植骨，可促进骨折的愈合[11-12]。但扩髓的缺点也是显而易见的：①扩髓本身可破坏髓内血供[13]，导致骨内膜血运减少，影响骨折愈合；②扩髓时钻头产生的高温容易造成髓腔内壁的高温灼伤[14-15]，导致骨坏死，并由此引发髓内感染[16]；③扩髓使骨皮质厚度下降，导致骨的强度下降；④扩髓可导致髓内压升高，脂肪栓子形成，脂肪通过破裂的静脉窦进入血液循环，可引起脂肪栓塞综合征[17]。目前，针对扩髓与不扩髓的基础研究较多见，但力学实验少见。
有限元分析是工程物理学中常用的分析方法，原理是利用较简单的问题代替复杂问题后再求解。早在20世纪70年代，有限元分析即在骨科研究中开始应用[18]，因其简化了骨科复杂的临床问题，且模拟真实性高，近些年来在骨科力学研究的应用日趋增多[19]。A3型股骨转子间骨折力学传导复杂，采用传统生物力学研究需要破坏大量标本，成本较高，而有限元分析以数学形式对股骨的各种参数、条件进行设定，模拟真实情况的同时节约了实验成本，可用于A3型股骨转子间骨折的力学分析[20]。
目前尚无PFNA-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与不扩髓有限元分析的文献报道。通过此次研究可明确扩髓是否必要，以期降低应力集中引起的术后内固定失效及应力性骨折风险，为临床医师的手术操作提供指导，帮助患者获得更好的治疗效果。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

材料方法

1.1 设计针对A3.1、A3.2、A3.3型股骨转子间骨折模型，分别与9，11 mm直径、170 mm长度的髓内钉装配，分为3组6个模型，进行有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2020年6月至2021年3月在山西医科大学第二医院骨科完成。
1.3 对象选择健康成年男性志愿者1名并收集其股骨全长CT资料，30岁，身高170 cm，体质量70 kg，既往体健，无骨骼系统疾病史。行股骨正侧位X射线片检查，排除骨质疏松、股骨畸形、骨折等疾病。此次研究经山西医科大学第二医院伦理委员会批准，志愿者知情同意并自愿参与此次研究。
1.4 材料
1.4.1 实验设备山西医科大学第二医院64排螺旋 CT(Discovery CT750HD，宝石能谱，GE公司，美国)。
个人计算机工作站：神舟K680E-G6E3笔记本电脑，操作系统：Windows 10.0(Micro Soft公司，美国)；处理器：Intel Core i5-8400六核心；内存：DDR4 2400，8 GB；硬盘：256GB SSD；显卡：NVDIA GTX1050Ti 4G GDDR5独立显卡。
1.4.2 主要实验软件 ①图像处理软件Mimics Medical 20.0(Materialise公司，比利时)；②模型优化软件Geomagic Wrap 2017(Raindrop公司，美国)；③三维建模软件Solidworks 18.0(Solidworks公司，美国)；④有限元分析软件Ansys 19.0软件(ANSYS公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 获取图像 ①地点：山西医科大学第二医院影像科CT室；②体位与部位：志愿者取仰卧位，扫描部位为双侧髂前上棘至胫骨近端，检查CT数据是否包含股骨全长；③扫描参数：扫描电压120 kV，扫描电流65-150 mA，扫描层厚0.625 mm。

1.5.2 建立股骨三维模型将获取的DIOCM格式的CT资料导入Mimics软件，参考冯卫[20]、乔文等[21]报道的股骨建模方法进行阈值选择、图像分割、区域增长、人工腔隙填充等操作，经三维实体计算得到粗糙股骨模型，进一步经Wrap、Smooth操作得到光滑的股骨三维仿真模型，见图1。

以stl文件格式导出股骨模型，将该文件导入到Geomagic Wrap 2017中，先对得到的表面模型进行多边形处理，包括网格医生诊断、删除钉状物、减少噪声等操作，进一步再对其进行曲线绘制、精确曲面、探测曲率、升级约束、构造曲面片、构造格栅、拟合曲面、合并曲面等操作，得到股骨实体模型，见图2。将股骨实体模型以stp格式保存。

1.5.3 建立PFNA-Ⅱ三维模型根据威高公司提供的PFNA-Ⅱ型髓内钉尺寸数据，在SolidWorks软件中进行三维重建。首先画出内植物草图，再通过拉伸、旋转、切割螺旋线、删除多余部分、放样等步骤得到髓内钉主钉、近端螺旋刀片及远端锁钉模型，最后装配获得PFNA-Ⅱ型髓内钉三维模型，见图3，保存为part格式文件。此课题共重建2个型号髓内钉，分别为：①直径9 mm，长度170 mm；②直径11 mm，长度170 mm。

1.5.4 构建股骨转子间骨折髓内钉内固定模型将stp格式的股骨模型导入SolidWorks软件中，根据张世民等[22]对股骨转子间骨折AO分型的解读，画出不同分型对应的骨折线，并进行分割。得到A3.1型、A3.2型及A3.3型股骨转子间骨折模型，见图4。将得到的3个分型的股骨转子间骨折模型分别与不同直径的髓内钉进行装配，操作步骤按文献介绍进行，调整尖顶距≤25 mm。最后得到3组6个模型，见表1，并保存为stp格式文件。

1.5.5 材料属性设置将stp格式文件导入Hypermesh软件中，导出为inp格式文件。再将其导入Mimics软件中，通过软件内的有限元分析模块，基于CT的灰度值对模型中股骨部分进行材料赋值，见表2。参考相关文献将材料种类分为10种[23-24]，采用均分法对材料进行赋值，即将CT的灰度值分为10等分，每一等分使用该区间中心灰度值代表一种材料，然后根据股骨的密度及弹性模量计算公式设定材料参数，Density=-13.4+1 017×Gray value，E-Modulus=-388.8+5 925×Density (Density为材料密度，单位kg/m3；E-Modulus为弹性模量，单位Pa)。

将股骨赋值后的文件导出为Ansys Preprocessor files文件，进一步导入Ansys软件中，进行髓内钉材料赋值。此次研究中涉及的髓内钉系统各组成部分的材料均假设为各向同性、线性、均质、连续的材料。髓内钉材料力学参数设置参考相关文献[25]，弹性模量为110 000 MPa，泊松比为0.33。
1.5.6 网格划分设置网格类型为标准的四面体网格，将股骨皮质骨、松质骨及髓内钉网格Body Sizing设置为2 mm。A模型节点数484 333，单元数322 546；B模型节点数487 939，单元数325 534；C模型节点数510 150，单元数340 585；D模型节点数492 619，单元数328 284；E模型节点数496 666，单元数331 002；F模型节点数485 272，单元数323 213。股骨骨折及髓内钉模型网格划分，见图4。
1.5.7 接触条件及载荷设置参考相关文献对接触条件及载荷进行设置：①接触条件设置，设置骨折断面处的接触关系为摩擦，摩擦系数0.46，内固定之间的接触关系为摩擦，摩擦系数为0.23，设置髓内钉与股骨之间的接触关系为绑定[26-28]；②载荷设置，出于减少模型运算量的考虑，此次研究删除股骨远端，保留至髁上部位，然后约束模型远端自由度为0(即完全约束股骨远端在X、Y、Z三个方向的旋转及位移)，选择完全固定，类型Fixed Support[26，29]。模拟70 kg成年人站立时股骨头的负重，受力大小设置为700 N。生理载荷下，髋关节施加给股骨头的剪切力可忽略不计，因而此次研究给予为垂直方向的股骨头的应力[30]。
1.6 主要观察指标 ①通过应力云图观察股骨模型的应力分布及最大应力值；②通过应力云图观察PFNA-Ⅱ型内固定模型的应力分布及最大应力值；③通过位移云图观察股骨的位移情况；④通过位移云图观察PFNA-Ⅱ型内固定的位移情况。

讨论

3.1 有限元分析在医学中的应用有限元分析是指利用数学模拟的方法，通过简化问题，用有限未知量的求解反映包含无限未知量的真实系统的求解。有限元分析的原理是将拥有无限个质点的实体对象分割为有限数量的小单元，小单元通过节点的衔接，将作用力进行传导，继而赋予不同单元以不同的材料属性，再施加合适的载荷，即可计算出每个单元的刚度矩阵，最后综合刚度矩阵用数字表达出来。近些年，随着计算机软件的不断研发与更新，有限元分析软件的应用得到了广泛普及，其在骨科研究中的应用愈加广泛[32]。人体骨骼系统力学环境复杂，传统的生物力学研究方法很难准确反映不同骨折状态下力学观测指标变化的趋势，有限元分析则具有控制变量、准确反映力学指标数值及可重复性强等优点，逐渐在医学工程力学研究领域发挥重要的作用[33]。
3.2 股骨转子间骨折的治疗自从2004年GOFFRIED [34]提出股骨转子间外侧壁的概念后，越来越多的学者发现，完整的股骨外侧壁是股骨转子间骨折术后取得良好疗效的重要因素[35]。冯卫[20]通过有限元分析方法研究股骨转子间骨折中内侧壁完整、内侧壁骨折但外侧壁完整以及外侧壁骨折3种情况下，置入髓内钉固定的模型应力分布情况，结果发现当内侧壁完整时，股骨近端内侧应力集中，内固定应力集中于头钉与主钉连接的下方；当内侧壁骨折但外侧壁完整时，股骨内侧皮质应力分布减小，外侧壁应力分布增加，股骨中段与内固定远端锁钉接触点成为应力集中的部位；当股骨外侧壁不完整时，股骨应力集中于远端锁钉与股骨外侧皮质接触点，内固定应力集中于髓内钉与远端锁钉接触点。PFNA主钉可提供部分外侧壁功能，可对抗股骨近端的内翻，生物力学稳定性较好，近端螺旋刀片对骨质疏松性骨折患者具有较强的锚定力[36]，因而用于治疗股骨转子间骨折可获得良好的临床效果[37-38]，但在治疗股骨前弓半径较大的患者时，由于PFNA与股骨近端解剖形态不匹配，会导致术后出现大腿近端疼痛、主钉远端应力性骨折等问题[39]。170 mm短钉的PFNA-Ⅱ研发应用有效降低了股骨转子间骨折术后不良反应的发生，目前在临床应用广泛。
3.3 扩髓与不扩髓的研究髓腔扩髓首先是由KUNTSCHER提出的，目的是使髓内钉与骨的接触面积增大，提高其稳定
性[40]。TUCKER等[41]通过研究发现，骨折类型是对股骨近端骨折固定稳定性影响较大的因素之一。骨折的复杂程度和骨折块之间的运动趋势呈负相关，稳定的骨折类型能减少骨折断端的剪切和轴向运动。他还发现，随着髓内钉直径的增加，股骨的应力集中会有效降低，这与此次研究结果一致。此次研究发现，A3.1型股骨转子间骨折模型位移最大值明显小于A3.3型，A3.2型也明显小于A3.3型，随着骨折复杂程度增加，股骨近端骨折块位移逐渐增大。
此次研究发现，施加同样载荷的情况下，A3.3型骨折股骨的应力集中最大值大于A3.1型和A3.2型，A3.3型骨折内固定的应力集中最大值也大于A3.2型及A3.1型。说明除髓内钉直径外，骨折类型也是影响股骨及内固定应力分布的重要因素。研究发现，股骨应力集中最大值主要分布在与近端锁钉及远端锁钉接触处。与股骨应力集中部位相似，内固定应力也集中于近端锁钉和远端锁钉处。出现这种现象的原因可能是，股骨皮质骨与内固定直接接触处和主钉与近端锁钉、远端锁钉接触处，会传导较大的应力，且这些部位接触面积较小，导致相对于股骨及内固定其他部位，更容易造成应力集中。研究发现，3型骨折中髓内钉直径增加会使股骨应力降低，内固定应力升高，这说明直径更粗的髓内钉可以提供更强的支撑作用，使分布于股骨的应力转移到髓内钉上，降低股骨因应力集中出现再骨折的可能性。研究还发现，采用11 mm髓内钉固定时，各型骨折远端锁钉处最大应力值低于9 mm髓内钉固定。可能的原因是，直径更粗的髓内钉会提供更高的钉骨接触面积，使远端锁钉处应力值减小，进一步可能避免内固定术后远端锁钉固定失效的可能。需要注意的是扩髓也导致了内固定近端锁钉与主钉接触处的应力集中，但考虑到近端锁钉直径(10.5 mm)大于远端锁钉直径(5 mm)，近端锁钉可提供更好的力学强度。同时根据临床报道，PFNA髓内钉失效一般发生于远端锁钉[42-43]，故此次研究重点对远端锁钉处应力集中可能导致的并发症进行讨论。
作者认为扩髓(11 mm髓内钉模拟)与非扩髓(9 mm髓内钉模拟)对股骨及内固定位移影响较小，对股骨及内固定应力影响较大。采用扩髓操作可使股骨应力减小，内固定整体承担应力增大，远端锁钉承担应力减小，扩髓可能有利于避免术后远期应力集中导致的股骨再骨折及远端锁钉断裂的出现。
3.4 不足与展望此次研究仍存在一些不足与展望：①依据相关文献报道[44-45]，此次研究将股骨各部分材料设置为均质、各向同性，严格意义上说，皮质骨、松质骨、骨小梁等骨材料应为不均质、各向异性[23]，作者将在后续研究中对模型进行修改、提高；②此次研究未对股骨周围肌肉韧带等组织进行建模，这些股骨平衡因素的缺失加重了骨折端的位移[46]，后续还需要进行添加肌肉韧带组织的研究，使结果更加贴合实际情况；③股骨转子间骨折多见于老年人[10]，老年股骨近端骨质疏松会引起骨皮质变薄、骨小梁稀疏等改变，骨的各项参数应随之变化[27]，得到的结果将更有临床指导意义，后续研究中将对此进行深入研究；④此次研究只对PFNA-Ⅱ在A3型股骨转子间骨折中扩髓与不扩髓的问题进行了研究，而临床上Zimmer中立钉和Intertan髓内钉也常被用于此型骨折的治疗，后续有待进一步开展其他类型髓内钉是否扩髓问题的研究。
3.5 结论从力学角度考虑，扩髓髓内钉固定可提供更好的治疗效果。通过扩髓选择大直径的髓内钉提高钉-骨接触面积，在避免股骨应力集中的同时，还可减小内固定远端锁钉处的应力，理论上可降低术后远期远端锁钉失效及股骨干应力性骨折发生的风险，具体疗效有待于进一步开展临床前瞻性随机对照研究验证。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

股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与否的有限元分析

Finite element analysis of reamed versus undreamed proximal femoral nail antirotation-II in treatment of 31-A3 intertrochanteric femur fracture

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[1]	李智斐, 杨尹, 陈华龙, 梁钦秋, 钟远鸣, 张翼升. 颈椎前路椎体次全切除减压融合钛笼倾斜角度与术后钛笼下沉的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1313-1319.
[2]	梁成, 张麟麒, 王冠, 李文, 段可, 李忠, 鲁晓波, 卓乃强. 不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1336-1341.
[3]	杨骏良, 路坦, 徐彪, 姜亚琼, 王富成. 前交叉韧带部分断裂对膝关节应力影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1347-1353.
[4]	霞黑达·依拉尔江, 尼加提·吐尔逊, 热依拉·库尔班, 白布加甫·叶力思, 陈欣. 三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1277-1282.
[5]	王强, 李世芸, 熊鹰, 李甜甜. 不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 821-826.
[6]	魏源标, 林展, 陈燕梅, 杨腾辉, 赵晓, 陈扬声, 周燕辉, 杨敏超, 黄飞麒. 颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 827-832.
[7]	张瑞, 王琨, 沈子聪, 毛路, 吴小涛. 内镜下椎间孔成形和椎板间成形对椎间盘、椎体峡部生物力学特性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 833-839.
[8]	康志杰, 曹振华, 许阳阳, 张云凤, 金凤, 苏宝科, 王利东, 仝铃, 刘清华, 方源, 沙丽蓉, 亮亮, 李濛濛, 杜奕霏, 林琳, 王海燕, 李筱贺, 李志军. 强直性脊柱炎腰椎-骶骨椎间盘有限元模型建立及应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 840-846.
[9]	黄培镇, 董航, 蔡群斌, 林梓凌, 黄枫. 顺行和逆行髓内钉治疗不同部位股骨干骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 868-872.
[10]	王明明, 张中, 孙建华, 赵刚, 宋华, 颜华东, 吕彬. 胫骨远端骨折伴软组织损伤3种不同微创固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 879-885.
[11]	宁天亮, 王坤, 王领彪, 韩鹏飞. 基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 891-899.
[12]	吴钟汉, 王景坤, 李涛, 许新忠, 余水生, 程里, 田大胜, 汤健, 荆珏华. 股骨近端防旋髓内钉治疗外侧壁完整型和外侧壁危险型股骨转子间骨折[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 911-916.
[13]	季贵柱, 郑秋, 汪武祥, 王冠, 李文, 鲁晓波, 段可, 李忠, 杨洪彬, 梁成. 原生喙锁韧带及柔性重建后有限元仿真和实验测试[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 706-711.
[14]	汪嘉琪, 唐江安, 黄国华, 孔德策, 赵一丁, 龚璐璐, 潘红元, 孔德伟, 刘粤, 杨铁毅. 腓骨近端骨折对伸直状态下膝关节应力影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(30): 4757-4762.
[15]	齐远博, 李建涛, 刘道宏, 陶笙, 王道峰, 吴杰. 三种内固定装置应用于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(30): 4763-4769.