三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.011

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (48): 7219-7224.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.011

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三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

虎群盛¹，姜自伟²，黄枫²

¹广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405；²广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405

修回日期:2016-10-14 出版日期:2016-11-25 发布日期:2016-11-25
通讯作者: 姜自伟，博士，副主任中医师，广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405
作者简介:虎群盛，男，1983年生，河南省信阳市人，广州中医药大学第一临床医学院2014级博士研究生，主治中医师，主要从事中西医结合治疗骨与关节损伤研究。
基金资助:
广东省自然科学基金项目(2014A030310379)；广州市科技计划一般项目(201510010005)；国家中医药管理局2013 年全国名老中医药专家传承工作室建设项目-陈基长全国名老中医药专家传承工作室

Finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture fixed with triangle proximal femoral nail

Hu Qun-sheng¹, Jiang Zi-wei², Huang Feng²

¹the First Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; ²Department of Traumatic Bone, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Revised:2016-10-14 Online:2016-11-25 Published:2016-11-25
Contact: Jiang Zi-wei, M.D., Associate chief physician, Department of Traumatic Bone, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Hu Qun-sheng, Studying for doctorate, Attending physician, the First Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Guangdong Province, No. 2014A030310379; the General Project of the Guangzhou Science and Technology Plan, No. 201510010005; the Construction Project of the National Famous Chinese Medicine Expert Inherence Studio of the State Administration of Traditional Chinese Medicine in 2013-Chen Ji-chang National Famous Chinese Medicine Expert Inherence Studio.

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

三角股骨近端髓内钉：已获国家发明专利(授权公告号：CN203763217U)，它是以辛迪斯公司的PFNA-Ⅱ为基础加以设计改进，由主钉、6.5 mm直径上端抗张力螺钉、10.5 mm直径螺旋刀片、4.9 mm直径远端锁定螺钉组成。距离螺旋刀片孔上缘1.6 cm处做一直径6.5 mm抗张力螺钉孔，螺钉孔的纵轴与主钉近端纵轴呈110°。其余参数与 PFNA-Ⅱ相同。

内固定应力分布：是衡量内固定方式优劣的一个标准，理想的内固定物应该使应力尽可能均匀的分布在内固定物上，而不应过度集中在某一部位。

摘要

背景：以防旋型股骨近端髓内钉以及亚洲型防旋型股骨近端髓内钉(PFNA-Ⅱ)为代表的新型髓内钉治疗是目前股骨转子间骨折中最常用的内固定方式，但仍然无法避免应力集中、内固定失败的风险。

目的：通过有限元方法对新研制的三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折后的生物力学性能进行分析，并与PFNA-Ⅱ进行对比，检验其设计的合理性。

方法：利用股骨CT数据建立股骨近端的三维有限元模型，在此基础上制作Evans Ⅳ型股骨转子间骨折的三维有限元模型，对骨折模型分别使用三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ固定。比较2种髓内钉内固定后在同一载荷下的内固定应力分布和生物力学稳定性。

结果与结论：①三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ固定模型的应力集中均位于螺旋刀片与主钉交界部位；②PFNA-Ⅱ的最大应力为214.0 MPa，三角股骨近端髓内钉最大应力为196.2 MPa；PFNA-Ⅱ固定的股骨近端位移明显大于三角股骨近端髓内钉，分别为5.37 mm和5.18 mm；③结果提示，三角股骨近端髓内钉固定Evans Ⅳ型股骨转子间骨折比PFNA-Ⅱ具有优势，固定强度更好，不容易出现内固定断裂，符合股骨转子间骨折治疗的要求。

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: 0000-0001-5277-6757(姜自伟)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 股骨转子间骨折, 亚洲型股骨近端防旋髓内钉, 有限元分析, 生物力学, 广东省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Proximal femoral nail antirotation (PFNA) and Asian PFNA (PFNA-II) are the most common internal fixation methods in the treatment of intertrochanteric fractures. But stress concentration and failure of internal fixation are still inevitable.

OBJECTIVE: To analyze the biomechanical behaviors of the unstable intertrochanteric fracture fixed with the new designed triangle proximal femoral nail and to testify its feasibility by compared with PFNA-II.

METHODS: Three-dimensional finite element model of proximal femur was established by using CT data of femur. Then the Evans IV femoral intertrochanteric fracture was established, followed by fixed with triangle proximal femoral nail and PFNA-II, respectively. The stress distribution and biomechanical stability under the same load were compared between two nails.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress concentration of the two nails was both located at the junction of the screw blade and the main nail. (2) The maximum stress of PFNA-II and proximal femoral nail was 214 and 196.2 MPa, respectively. The displacement of PFNA-II model was significantly larger than that of the triangular proximal femoral nail (5.37 mm versus 5.18 mm). (3) To conclude, for Evans IV intertrochanteric fracture, the triangle proximal femoral nail is superiority to PFNA-II, showing the good fixation stability and low incidence of internal fixation failure, which all meet the treatment standards.

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 fractures, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

虎群盛，姜自伟，黄枫. 三角股骨近端髓内钉固定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, 2016, 20(48): 7219-7224.

Hu Qun-sheng, Jiang Zi-wei, Huang Feng. Finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture fixed with triangle proximal femoral nail[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(48): 7219-7224.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 数字骨科对比观察实验。

1.2 时间及地点 于2015年5月至2016年1月在广州中医药大学骨科实验室完成。

1.3 材料 64排螺旋CT(日本东芝公司)，Mimics 10.0 软件(比利时Materialise公司)，Geomagic Studio 10.0 (美国Raindrop公司)，Solidworks 2010(法国Dassault公司)，Abaqus 12.0(美国达索SIMULIA公司)。

1.4 对象 老年男性志愿者1名，年龄60岁，身高173 cm，体质量70 kg，身体健康，无骨关节疾病及重大创伤史。已签署实验研究知情同意书。

1.5 方法

1.5.1 股骨近端三维有限元模型的构建及验证用螺旋CT对志愿者右侧股骨全段薄层扫描，层厚0.5 mm，所有数据用DICOM格式保存。然后导入Mimics 10.0软件，根据不同组织灰度值的差异，通过阈值化及象素修补、区域增长和消除孤立点等处理，分离皮质骨、松质骨和骨髓腔，利用三维模型生成功能生成股骨中上段三维模型。将股骨中上段三维模型导入逆向工程软件Geomagic Studio 10.0进行光滑处理网格划分。将模型导入Abaqus 12.0进行载荷预实验，按照参考文献[8-9]的方法给予轴向载荷以及边界条件进行计算，得到的股骨接触压力(6.82 MPa)与文献中的压力值5-10 MPa相近，因此可以判定本研究的模型可靠有效。再将模型导入到Solidwork软件中模拟Evans Ⅳ型骨折进行截骨。

1.5.2 Evans Ⅳ型骨折模型构建根据股骨转子间骨折分型系统特点及实验的需要，建立EvansⅤ型不稳定型股骨转子间骨折模型。首先经股骨大小转子间截骨，然后再在后内侧截除包含1/2股骨距的股骨小转子骨折块，完成Evans Ⅳ型骨折的构建。

1.5.3 髓内钉内固定模型的构建在SolidWorks 2010软件中根据PFNA-Ⅱ髓内钉数据尺寸三维重建出PFNA-Ⅱ和三角股骨近端髓内钉得到数字模型。三角股骨近端髓内钉已获国家发明专利(授权公告号：CN203763217U)，它是以辛迪斯公司的PFNA-Ⅱ为基础加以设计改进，由主钉、6.5 mm直径上端抗张力螺钉、10.5 mm直径螺旋刀片、4.9 mm直径远端锁定螺钉组成。距离螺旋刀片孔上缘1.6 cm处做一直径6.5 mm抗张力螺钉孔，螺钉孔的纵轴与主钉近端纵轴呈110°。其余参数与 PFNA-Ⅱ相同。设计构成见图1。螺旋刀片进行了仿真重建，为了简化模型，对远端锁定螺钉和三角股骨近端髓内钉的抗张力螺钉的螺纹对其进行简化处理。将股骨转子间骨折模型及髓内钉模型导入SolidWorks 2010中进行装配，生成三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ内固定后的模型。髓内钉在股骨中的位置以辛迪思所提供手术操作标准为参考，螺旋刀片位于股骨头中下靠后位置^[10](图2)。然后将骨折内固定模型导入到限元分析软件Abaqus 12.0进行处理分析。

1.5.4 材料属性所有模型均采用C3D4线性单元。本研究中内固定及股骨均假设为均质、连续、各向同性的线弹性材料，材料属性赋值参考相关文献[11-13]，见表1。

1.5.5 边界条件和加载在Abaqus中的interaction模块中，首先定义接触面。抗张力螺钉以及螺旋刀片位于股骨头颈内的部分、主钉以及远端锁定螺钉与周围骨质设定为绑定关系，参照文献[14-15]给予骨折端的摩擦系数为0.46，骨与髓内钉的摩擦系数为0.3，内固定之间的摩擦系数为0.23。股骨远端底面作为固定端，施加三向平移和三向旋转约束。加载时，在股骨头上表面的最上端取一个较小的受力面，然后在这个表面上建立一个点集合。模拟人在直立状态下的受力情况，将1 000 N的力平均加到每个点上进行有限元计算。

1.6 主要观察指标 内固定模型的应力分布和位移。

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

讨论

3.1 实验模型的选择及有限元模型的建立股骨转子间骨折是临床常见骨折，而髓内固定是目前股骨转子间骨折治疗的常用方法，日渐受到重视。美国骨科医师协会的一项调查显示，在3 687名完成调查的骨科医生中就有68%的医生会首选使用髓内钉治疗股骨转子间骨折^[16]。PFNA采用1枚螺旋刀片来完成股骨近端头颈部位的抗旋转及稳定支撑。通过敲击方式将螺旋刀片置入股骨头而无需提前钻孔，能够压紧松质骨减少骨质丢失提高固定的稳定性，抗旋转稳定性和抗内翻畸形能力强，是治疗骨质疏松的老年股骨转子间骨折理想的治疗方法^[17-21]。由于PFNA与亚洲人股骨近端形态不匹配，手术中容易导致出现主钉置入困难与股骨外侧壁骨折，增加了手术失败风险^[22-23]，因此改良设计之后亚洲型防旋型股骨近端髓内钉PFNA-Ⅱ开始进入临床并取得较好疗效^[24-25]。Li等^[26]研究发现，与PFNA相比，PFNA-Ⅱ可以明显缩短手术时间、减少失血量和局部并发症。然而，虽然PFNA-Ⅱ属于中心性固定，具有明显的生物力学优势，但是仍然无法避免股骨外侧壁骨折、内固定应力集中和失败的风险^[27-31]。

生物力学研究是骨折内固定器械研究的金标准，三维有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，也逐渐应用于股骨转子间骨折的力学研究^[32]。为了比较三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ的生物力学性能，文章采用CT断层扫描图像逆向生成实体模型，同时区分皮质骨和松质骨，使模型趋于接近真实情况。在Evans Ⅳ型骨折模型造模和内固定模型造模过程中，采用SolidWork建模，其可视化效果好，网格划分均一度较高，单元质量高，模型尺寸精度更好，计算结果更精确。为了使本研究具有更大普适性，作者在截骨过程中截除 1/2股骨距的骨折块，以模拟临床上目前有较大争议的类型进行有限元分析。

本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性。虽然构成人体的骨骼具有各向异性、不均匀性和非线性的特征。但是Mueller等^[33]研究认为将皮质骨与松质骨看作分布均匀的各向同性体材料进行分析，对有限元分析结果影响不大，而且可以明显简化运算。在股骨受力加载方面，由于髋部周围肌肉丰富，骨质实际受力情况为多种载荷的叠加。有限元分析无法完全模拟股骨近端的受力，但是据Eberle等^[14]的研究，在进行髋部骨折有限元分析时是否添加肌肉牵拉载荷并不影响内固定物的应力分布方式。为了简化计算，作者在进行有限元分析时忽略髋关节周围肌肉和韧带的作用，选择了单纯重力加载。

3.2 结果分析骨小梁是载荷传导的主要载体。对于股骨近端的载荷传递来说，主要存在3组骨小梁：主要抗压力骨小梁、主要抗张力骨小梁及次要抗压力骨小梁。姜自伟等^[34]认为三角股骨近端髓内钉头颈部的抗张力螺钉和螺旋刀片类似于重建股骨颈内部主要抗张力骨小梁和主要抗压力骨小梁，可有效抵抗弯曲及剪切应力，改善内固定的抗疲劳性能。股骨颈内双钉固定具有良好抗旋转和抗剪切能力，可以降低内固定局部应力。Lavini等^[35]使用带有2枚会聚结构头颈螺钉的联合交锁钉Veronail治疗111例股骨转子间骨折，取得良好疗效。他们认为联合交锁双钉固定有助于维持复位，会聚结构的双钉交锁避免了Z字效应，增强了旋转和成角稳定性，可以避免负重时股骨头颈短缩、内翻塌陷的发生以及股骨头的切割。

内固定应力分布情况是衡量内固定方式优劣的一个标准，理想的内固定物应该使应力尽可能均匀的分布在内固定物上，而不应过度集中在某一部位^[36-37]。同时，内固定模型的位移体现了结构的稳定性，是评价固定方式优劣的综合依据。

文中2种模型的内固定应力分布均存在应力集中现象，在相同载荷情况下，PFNA-Ⅱ固定模型的应力集中(214.4 MPa)明显高于三角股骨近端髓内钉模型 (196.2 MPa)，说明三角股骨近端髓内钉固定模型内固定的应力集中效应较小，其抗疲劳断裂的生物力学特性优于PFNA-Ⅱ模型。由于增加了抗张力螺钉，螺旋刀片的应力从54.2 MPa下降到47.4 MPa，下降12.5%。三角股骨近端髓内钉的抗张力螺钉的应力峰值为 108.8 MPa，其原因可能是由于所处位置距离受力点较近，承载较多应力有关。在位移云图上，三角股骨近端髓内钉的位移小于PFNA-Ⅱ，分别为5.18 mm和 5.37 mm，这说明三角股骨近端髓内钉的稳定性要优于PFNA-Ⅱ。对于不稳定型股骨转子间骨折，三角股骨近端髓内钉与PFNA-Ⅱ均可取得良好的生物力学稳定性，虽然三角股骨近端髓内钉上方增加的抗张力螺也钉存在应力集中的问题需要解决，但是在总体生物力学稳定性方面更具优势，内固定更不容易出现断裂。

3.3 研究的不足之处首先，临床中股骨转子间骨折的骨折线不规则，本实验建立的骨折模型做了简化处理；其次，有限元模型的单元划分、节点的选择、载荷和边界条件等设置在一定程度上是人为设定不能完全反应临床实际。此次研究仅对三角股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折提供了初步的研究，尸体标本上的生物力学研究和内固定疲劳断裂是下一步的研究内容。

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

三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

Finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture fixed with triangle proximal femoral nail

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