三枚与四枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.015

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨颈骨折内固定治疗：目前内固定方式治疗股骨颈骨折主要利用3枚空心拉力螺钉、动力髋螺钉或锁定钢板进行固定，其中3枚空心拉力螺钉固定方式因采用闭合复位经皮置钉，减少了软组织损伤，保护了骨折断端生物学环境而被广泛运用，其中呈倒三角形方式放置3枚空心拉力螺钉固定强度最佳。但对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，采用3枚空心拉力螺钉进行置入治疗，其骨不连、股骨头坏死等并发症发生率较高，有学者认为Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折剪切力较大，3枚空心拉力螺钉固定强度不足，因此提出针对Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折患者，在应用3枚空心拉力螺钉的的基础上，增加1枚水平空心拉力螺钉，实现抗剪切力作用来以增强固定效果。

Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折：Pauwels角分类是股骨颈骨折中一种经典的分类方式，按照骨折线与水平线的夹角将股骨颈骨折分为3类，即< 30°为PauwelsⅠ型，30°-70°之间为PawelsⅡ型，> 70°为Pauwels Ⅲ型。随着Pauwels角度的增大，股骨颈骨折断端所承受的剪切力也呈现出显著增加的趋势，所要求的骨折固定强度也越高，同时出现内固定失败的风险也越大。

摘要

背景：股骨颈骨折的内固定方式主要采用3枚空心螺钉倒三角固定，有学者提出Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折在应用3枚空心拉力螺钉固定的基础上增加1枚抗螺钉，以增强固定效果，但稳定性未得到验证。

目的：研究3枚与4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中的生物力学稳定性及螺钉应力分布。

方法：将第4代人工骨sawbones的CT数据导入Mimics软件中，进行三维重建，将模型导入3-matic软件中，创建股骨颈中段Pauwels Ⅲ型骨折模型，应用UG 8.0软件制作空心螺钉模型，导入到骨折模型中，创建3枚螺钉与4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元模型。在相同条件下，应用abaqus软件中对两模型股骨头顶端施加轴向载荷411 N，比较两模型骨折断端两标志点的位移变化及内固定系统Von Mises应力分布情况。

结果与结论：①3枚钉模型两点间位移为0.42 mm，4枚钉模型两点间位移为0.17 mm，4枚螺钉模型骨折断端移位小于3枚螺钉模型；②两模型Von Mises应力峰值分别为547 MPa、27.8 MPa，4枚螺钉模型的Von Mises峰值小于3枚螺钉模型，两模型的应力集中部位为均为骨折断端处，但4枚螺钉模型的应力范围更广、应力更加分散；③从有限元分析的结果来看，4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折具有更强的抗剪切力效果，具有更强的生物力学稳定性，其临床优势尚需进一步的临床对比研究证实。

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

ORCID: 0000-0001-6373-1992(张浩)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 螺钉置入, 股骨颈骨折, 骨折固定术, 内, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Femoral neck fracture is mainly fixed by three inverted triangle cannulated screws. Scholars have proposed to add a cannulated screw to enhance the fixation strength of femoral neck fracture of Pauwels III type based on three cannulated screw fixation, but the stability is not verified.

OBJECTIVE: To analyze the biomechanical stability and stress of the three and four cannulated screws for the treatment of the Pauwels III femoral neck fractures.

METHODS: The CT imaging results of the fourth generation of artificial bone sawbones were imported into the Mimics software wherein a three-dimensional finite element model of the proximal femur was prepared and introduced in the 3-matic software. Models of middle segment of femoral neck with Pauwels III fractures were established. Cannulated screw models were established with UG 8.0 software and introduced in the fractures models. Finally, finite element models of Pauwels III femoral neck fractures fixed with three and four screws were established. In the same condition, an axial load of 411 N was applied on the femoral head with Abaqus software. The displacement of two markers of the broken ends and internal fixation system Von Mises stress distribution were compared between the two models.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The displacement was 0.42 mm in three screws model, and 0.17 mm in the four screws model. (2) Von Mises stress peak was 547 MPa and 27.8 MPa in both models. The peak value was lower in models of four screws than that of three screws. Stress concentration position was at the fracture site in both models. The stress range of models of four screws was more extensive and scattered. (3) Finite element analysis results demonstrated that four-screw implantation for Pauwels III femoral neck fractures had strong anti-shearing force and biomechanical stability. Clinical advantages need further clinical comparative study.

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

Key words: Femoral Neck Fractures, Fracture Fixation, Internal, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张浩，史雪峰，杨春宝，吕继宏，项毅，孙振军，官敬涛，唐勇，续力民. 三枚与四枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(26): 3897-3902.

Zhang Hao, Shi Xue-feng, Yang Chun-bao, Lv Ji-hong, Xiang Yi, Sun Zhen-jun, Guan Jing-tao, Tang Yong, Xu Li-min. Finite element analysis of the three and four cannulated screws for Pauwels III femoral neck fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(26): 3897-3902.

图/表（结果） 3

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引言

股骨颈骨折是临床上常见的骨折，占全身总骨折的3.6%，随着社会老龄化的加剧，其发病率将不断提高^[1-2]。股骨颈骨折的手术治疗方法较多，临床上主要采用关节置换和内固定治疗两大类^[3]。由于髋关节置换存在假体使用寿命等原因，对于年龄< 65岁的股骨颈骨折患者，一般主张进行内固定治疗，而内固定的治疗方式在临床中尚无统一的意见。Pauwels角分类方式是股骨颈骨折经典的分类方式之一，是以骨折线与水平线所成的角度对股骨颈骨折进行分类^[4]。Pauwels角越大骨折线也越垂直，致使骨折断端所承受的剪切力也越大，其中Pauwels角大于70°为Pauwels Ⅲ型，骨不连和股骨头坏死是其最常见的并发症。目前内固定方式治疗股骨颈骨折主要利用3枚空心拉力螺钉、动力髋螺钉或锁定钢板进行固定，其中3枚空心拉力螺钉固定方式因采用闭合复位经皮置钉，减少了软组织损伤，保护了骨折断端生物学环境而被广泛运用^[5-8]，其中呈倒三角形方式放置3枚空心拉力螺钉固定强度最佳。但对于Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折，采用3枚空心拉力螺钉进行置入治疗，其骨不连、股骨头坏死等并发症发生率较高^[9-10]，有学者认为Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折剪切力较大，3枚空心拉力螺钉固定强度不足，因此提出针对Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折患者，在应用3枚空心拉力螺钉的的基础上，增加1枚水平空心拉力螺钉，实现抗剪切力作用来以增强固定效果。然而，尽管有研究表明这种方法具有一定的优势，但尚未得到临床的一致认可^[11]，缺乏有效的生物力学测试来评估两种固定方式的稳定性。因此，实验拟运用有限元分析方法分别模拟3根与4根空心拉力钉置入固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的情况，比较两种内固定方式的生物力学稳定性及内固定应力分布情况，为临床治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折提供理论依据。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析。

1.2 材料 选用美国Pacific Research Laboratories生产的第4代人工合成Sawbones股骨模型(#3406)，长度为485 mm，髓腔直径为16 mm，中部横径为32 mm。

1.3 实验方法

1.3.1 PauwelsⅢ型股骨颈骨折模型的建立

数据选择：应用64排多层螺旋CT(SOMATOM Sensation Open，Siemens AG，Erlangen，Germany)对第4代人工合成Sawbones股骨模型进行逐层扫描，获得Dicom格式医学数字图像通讯标准CT数据。扫描条件为：电压120 kV，电流300 mA，层厚0.625 mm。

骨折模型的建立：将得到的Dicom数据导入Mimics 14.0软件中，通过阈值设定、区域增长、填充等方法创建图像蒙版，并应用修剪工具逐层对蒙版进行优化并创建图像三维模型，对其进行光滑处理后得到最终stl格式的股骨近端三维模型。应用Mimics划分出皮质骨和松质骨后，导入到3-matic软件。在3-matic软件中在全股骨模型峡部上端出作一水平切面，取股骨近段部分作为研究对象。做股骨颈轴线，过股骨颈轴线中点作一与水平面呈75°的平面，应用Cut工具，创建骨折平面。经过网格划分、去噪以及减少三角面片数量等操作后，建立简化的经股骨颈中点的Pauwels Ⅲ型骨折有限元模型。股骨近段模型材料属性按照松质骨弹性模量155 MPa、皮质骨弹性模量16 000 MPa的标准进行设置，泊松比均为0.3。

1.3.2 三枚与四枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折内固定模型的建立

内固定模型的建立：利用UG8.0软件按照临床上使用的Synthes螺钉数据，制作直径为7.3 mm的空心钉，6.5 mm的抗剪切力螺钉。为了降低运算负荷，螺钉简化为圆柱体，材料为TiAl6V4。

内固定模型的置入：按照文献报道的手术方法，在3-matic软件中将3枚7.3 mm的空心螺钉平行于股骨颈，呈倒三角形置入^[12-13]。螺钉长度标准为螺钉顶部位于股骨头软骨下骨，3枚螺钉尽量分散，以获得更加的稳定效果。4枚螺钉模型是在此基础上，从大转子外侧水平置入1枚6.5 mm抗剪切力螺钉。通过布尔运算创建3枚螺钉和4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折内固定模型。

1.3.3 载荷、边界条件和结果分析

施加载荷：模型施加载荷为70 kg成年人行走时单腿负重情况下股骨所承受的力。在股骨头顶点处施加轴向集中力，固定股骨远端，设置边界条件为全约束。既往文献计算轴向载荷为体重的60%，即411 N。

边界条件：设定骨块处于完全断裂状态，骨块之间的摩擦系数为0.2。固定股骨近端下表面为边界限制条件。拉力螺钉与股骨头侧骨块设为绑定接触，螺钉与股骨干侧骨块设为摩擦，摩擦系数为0.2。

1.4 主要观察指标 ①骨折断端的位移变化，选取两模型骨折断端冠状面顶点相邻两点，测量两点间相对距离的变化，作为内固定生物力学稳定性的评价指标。②两模型内固定应力最大值及应力分布情况。

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讨论

Pauwels角分类是股骨颈骨折中一种经典的分类方式，按照骨折线与水平线的夹角将股骨颈骨折分为3类，即< 30°为PauwelsⅠ型，30°-70°之间为PawelsⅡ型，> 70°为Pauwels Ⅲ型。随着Pauwels角度的增大，股骨颈骨折断端所承受的剪切力也呈现出显著增加的趋势，所要求的骨折固定强度也越高，同时出现内固定失败的风险也越大。临床上采用内固定治疗股骨颈骨折方式较多，但采用3枚空心拉力螺钉呈倒三角模式固定方式运用最为广泛，与动力髋螺钉和锁定钢板相比，该方式可通过闭合复位后经皮置入螺钉进行固定，能减少软组织的损伤，更能保护骨折断端生物学环境，有利于骨折的愈合，但文献报道其并发症发病率可高达33%-52%^{[14-18]。高并发症发生率除与复位质量、骨折类型、术后是否过早下地等因素密切相关外，还与内固定的固定强度存在着一定的相关性。4枚螺钉固定股骨颈骨折是在3枚螺钉的基础上增加1枚抗剪切力螺钉。从理论上来说，对于骨折线更加垂直的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，4枚螺钉置入治疗可以更加有效地对抗增加的剪切力，提高力学稳定性。Gümüstas等^[11]的生物力学研究也证实了这一点，增加的抗剪切力螺钉可以显著提高内固定的力学稳定性。然而，关于两者的临床比较研究尚未见报道。因此，通过有限元模拟方法进一步比较两者生物力学特性，对于临床治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的内固定选择具有一定的指导意义。}

此次研究中，4枚螺钉模型的生物力学效果在有限元分析中方面要显著强于3枚螺钉模型：一是可以提供更强的稳定性，在施加相同的生理载荷条件下，4枚钉模型的断端移动距离小于3枚钉模型的，说明增加的螺钉有效对抗了Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折巨大的剪切力；二是4枚钉模型应力峰值远小于3枚螺钉模型，并且4枚螺钉的应力更加分散，降低了内固定在术后康复过程中发生疲劳失效的风险。尽管两个模型的Mises应力均小于内固定材料的屈服强度，4枚螺钉对于人体反复累积的应力刺激无疑更具有抗疲劳能力。

需要指出的是，尽管4枚钉方式在生物力学模拟中具有一定的优势，但在临床实践中4枚螺钉固定股骨颈骨折也会带来一些问题，首先是增加一枚抗剪切力螺钉螺钉，必然会造成手术时间的延长以及透视次数增加，增加医患双方的放射线暴露；二是3枚7.3 mm的空心钉已占据了股骨颈的绝大部分空间，对于股骨颈较细的女性患者来说，增加1枚螺钉将会增加手术难度，也存在过多螺钉使钻孔处骨头强度减弱，有继发医源性骨折的风险；三是4枚螺钉会增加患者的费用，在基层医院的推广会出现也会带来一些问题。

与既往有限元采用真实的骨骼建立模型不同，本研究在进行有限元模型时采用了人工骨CT数据。人工骨尤其是第4代sawbones在设计时综合了人群数据，其在股骨形态学及骨骼密度方面无疑更加具有代表性，降低了个例真实骨骼出现偏倚的风险，其有效性也已被大量文献证实^[19-38]；但应用人工骨进行有限元模拟同样存在着无法与既往研究数据进行比较的问题，致使无法从结果对比中探索更多意义。

有限元分析最早是在1943年由Courant从数学角度提出，后主要应用于航天航空、汽车制造、土木建筑等领域。医学有限元在近年来发展迅速，由于其具有可以显著节约生物力学研究的成本并且更加直观、可以对生物力学情况进行动态分析等特点，目前已成为了解人体骨骼结构及其力学特征、生物固体力学、运动系统仿真及内外固定器械的力学研究等方面的一种十分有效的工具。研究通过有限元方法对3枚螺钉和4枚螺钉置入治疗Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折的生物力学固定效果，证实4枚螺钉更加具有力学稳定性优势，与既往生物力学的研究结果一致。在研究中，对于骨折模型及内固定细节做出了一定程度的简化，并忽略了周围肌肉及韧带等对于骨折稳定性的影响，因此作者此次研究对于3枚螺钉与4枚螺钉的生物力学比较仅是一个初步探讨，进一步的比较需大样本的临床研究应用证实。

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