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

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.4014

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (9): 1404-1409.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.4014

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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

陈心敏1，李文标1，熊凯凯1，熊晓燕1，郑利钦2，李木生2，郑永泽2，林梓凌3

1丰城市中医院，江西省丰城市 331100；2广州中医药大学，广东省广州市 510405；3 广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405

收稿日期:2020-04-03 修回日期:2020-04-10 接受日期:2020-05-16 出版日期:2021-03-28 发布日期:2020-12-15
通讯作者: 林梓凌，博士，主任中医师，硕士生导师，广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405
作者简介:陈心敏，男，1992年生，江西省赣州市人，2019年广州中医药大学毕业，硕士，医师，主要从事骨与关节损伤的中西医治疗和生物力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81673996)

Type A3.3 femoral intertrochanteric fracture with augmented proximal femoral nail anti-rotation in the elderly: finite element analysis of the optimal amount of bone cement

Chen Xinmin1, Li Wenbiao1, Xiong Kaikai1, Xiong Xiaoyan1, Zheng Liqin2, Li Musheng2, Zheng Yongze2, Lin Ziling3

1Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine, Fengcheng 331100, Jiangxi Province, China; 2Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 3First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Received:2020-04-03 Revised:2020-04-10 Accepted:2020-05-16 Online:2021-03-28 Published:2020-12-15
Contact: Lin Ziling, MD, Chief TCM physician, Master’s supervisor, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Chen Xinmin, Master, Physician, Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine, Fengcheng 331100, Jiangxi Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
钉道强化股骨近端防旋髓内钉：股骨近端防旋髓内钉是治疗不稳定型股骨转子间骨折较为理想的内固定之一，钉道强化即注入骨水泥包裹螺旋刀片近端，增加螺旋刀片把持力和锚固力，降低内固定失败风险。
有限元分析：具有操作简便、仿真度高、可重复利用等优势，从简单的骨骼应力到手术内固定的选择，以及动态骨折的仿真分析均可应用，在骨科领域蓬勃发展。

背景：骨质疏松和骨折类型是影响股骨近端防旋髓内钉内固定后失效的两个重要原因，而钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折可以有效降低术后失败率，但注入骨水泥的具体数量仍有待商榷。
目的：探讨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最佳骨水泥量。
方法：选取1名志愿者CT资料导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型；运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配，再导入Hypermesh 14.0软件中截骨得到AO31-3.3型股骨转子间骨折模型，将螺旋刀片近端周围松质骨重新定义为骨水泥，分别得到A(2.2 mL)、B(4.2 mL)、C(6.4 mL)3个不同骨水泥注入量的钉道强化股骨近端防旋髓内钉模型，设置材料属性参数、边界条件、施加载荷，分别导入LS-DYNA软件求解。
结果与结论：①3个模型头颈骨块内翻和旋转角度、股骨近端整体应力无明显差异，但B、C模型螺旋刀片切割严重且出现螺旋刀片断裂，A模型螺旋刀片切割轻微无断裂；②骨水泥强大的锚固力能稳定螺旋刀片，但容易导致局部应力集中；③钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折注入的骨水泥量不宜过多，可能不超过3 mL具有最佳的生物力学效果。
https//orcid.org/0000-0002-9519-4797 (陈心敏)

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: 骨, 股骨, 骨折, 骨水泥, 髓内钉, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Osteoporosis and fracture type are two important reasons for the postoperative failure of proximal femoral nail anti-rotation. The treatment of elderly patients with type AO31-A3.3 femoral intertrochanteric fractures by bone cement augmented proximal femoral nail anti-rotation can effectively reduce the failure rate, but the specific amount of bone cement injected remains to be discussed.
OBJECTIVE: To investigate the optimal amount of bone cement in the treatment of type A3.3 intertrochanteric femur fracture with augmented proximal femoral nail anti-rotation in elderly.
METHODS: CT data of one volunteer were imported into Mimics 19.0 and Geomagic studio 2017 to extract and optimize the three-dimensional model of the right femur. Internal fixation model was drawn and assembled with femur model according to the standard operation technology, then imported into Hypermesh 14.0 software to simulate type AO31-3.3 intertrochanteric femur fracture. The spongy bone around the proximal helical blade was redefined as bone cement, obtaining A, B and C models with 2.2 mL, 4.2 mL, and 6.4 mL of bone cement, respectively. The material property parameters, boundary conditions, and applied loads were set and imported into LS-DYNA software for solution.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the inversion and rotation angles of the head and neck fragment and the overall stress in three models, but the blade cutting in model B and model C was severe and the helical blade was broken, while the blade cutting in model A was slight and did not break. (2) The strong anchoring force of bone cement could stabilize the helical blade, but easily led to local stress concentration. (3) The amount of bone cement injected into the proximal femoral nail anti-rotation for the treatment of type A3.3 intertrochanteric femur fracture in elderly should not be too much, and less than 3 mL may have the best biomechanical effect.

Key words: bone, femur, fracture, bone cement, intramedullary nail, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 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.

Chen Xinmin, Li Wenbiao, Xiong Kaikai, Xiong Xiaoyan, Zheng Liqin, Li Musheng, Zheng Yongze, Lin Ziling. Type A3.3 femoral intertrochanteric fracture with augmented proximal femoral nail anti-rotation in the elderly: finite element analysis of the optimal amount of bone cement[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(9): 1404-1409.

图/表（结果） 6

2.1 单元、节点数 3个模型具体的单元、节点数详见表2。

2.2 螺旋刀片切割螺旋刀片的切割主要体现在松质骨单元的消失。股骨头颈骨块受力下压时，应力通过皮质骨、松质骨传导至螺旋刀片，当应力超过松质骨屈服应力时，则出现断裂、消失。A模型松质骨单元消失最少(17 413)，切割最轻微；C模型松质骨单元消失最多(39 808)，切割最严重，且B、C模型转子区域的松质骨亦出现消失，切割程度与骨水泥量呈正比，详见图2。

2.3 股骨颈内翻股骨头颈骨块受力下压，内侧小转子骨块破裂，支撑相对较弱，骨水泥强化螺旋刀片强大的锚固力支撑着头颈骨块，3个模型头颈骨块内翻均较小，分别约为3.1°，1.3°及1.2°，但B、C模型股骨头下方皮质骨有不同程度破裂，详见图3。

2.4 股骨颈旋转股骨头颈骨块与小转子骨块相抵，因股骨颈前倾，受力时后内侧皮质破裂消失导致股骨颈旋转，而3个模型中骨水泥强化螺旋刀片使得头颈骨块旋转移位较小，但B、C模型股骨头后下方皮质骨受损严重，详见图4。

2.5 股骨近端应力骨水泥强化螺旋刀片后，对头颈骨块的锚固力明显增加，股骨近端应力主要集中在内固定和骨水泥。A模型应力最大，约为789.7 MPa；C模型最小，约为767.6 MPa，3个模型整体应力相差不大，详见图5。

2.6 内固定应力 3个模型内固定均承受了最大应力，主要集中于螺旋刀片尖端以及螺旋刀片和主钉连接处，而B、C模型应力集中更为明显，螺旋刀片尖端出现了断裂、移位，详见图6。

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引言

股骨转子间骨折在老年人中较为常见[1-2]，保守治疗容易并发压疮、坠积性肺炎等，而手术治疗预后较好，成为临床治疗的主要方式[3-4]。手术治疗内固定主要分为两种[5]，髓外固定主要包括动力髋螺钉和股骨近端解剖型锁定钢板，髓内固定主要是股骨近端防旋髓内钉(proximal femoral nail anti-rotation，PFNA)。对于不稳定型股骨转子间骨折，PFNA具有更好的生物力学和临床效果[6-7]。
AO31-A3型股骨转子间骨折又称为反转子间骨折，属于不稳定型股骨转子间骨折，其骨折线自近内侧延伸至远外侧，近端骨块受臀中肌和外旋肌群的牵拉外展外旋，小转子骨块受内收肌和髂腰肌的牵拉作用向内侧移位，股骨干常有向内移位趋势。而AO31-A3.3型股骨转子间骨折内外侧壁皆损伤，更增加了其不稳定性和手术复位固定难度，内固定失败风险和并发症概率较AO31-A3.1型和AO31-A3.2型股骨转子间骨折更高，单纯的PFNA内固定预后并不理想。因此，李尧等[8]使用PFNA联合横向小钢板重建外侧壁治疗A3型股骨转子间骨折；姜昊等[9]使用有限切开钛缆捆扎辅助PFNA治疗老年骨质疏松性A3型股骨转子间骨折，但均需更广泛的软组织切开和剥离，手术时间相对较长，手术风险增高。而临床已有众多学者使用骨水泥钉道强化PFNA治疗股骨转子间骨折并行术后随访[10-12]，证实此方法固定可靠，术后可早期负重，并发症少，安全有效，是临床治疗老年股骨转子间骨折的有效术式。
作者前期研究通过有限元法比较钉道强化PFNA和普通PFNA发现，钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折具有更好的生物力学效果[13]，但并未阐述钉道强化PFNA的骨水泥量问题，现有研究认为注入的骨水泥量3-5 mL为适宜，但临床和生物力学证据国内外报道甚少[14-15]。文章旨在通过有限元法研究钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折的最佳骨水泥量，为临床治疗提供参考和依据。

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 设计有限元分析实验。
1.2 时间与地点于2020年3月在丰城市中医院创伤骨科完成。
1.3 对象
1.3.1 病例选取选择1例合适患者作为志愿者并收集CT资料：①基本资料：78岁，女性，身高158 cm，体质量64 kg。②病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限3 h”于2019-12-06入院，X射线片提示左股骨转子间骨折，骨质疏松。既往无手术史，无肿瘤史，无先天骨骼变异，近年未服影响骨代谢药物。③伦理与知情同意：详细告知患者实验过程和实验目的，患者表示理解支持并签署知情同意书，同时取得丰城市中医院伦理委员会批准(医院伦理批件号：NO.Y[2020]009，审批时间：2020-01-09)。
1.3.2 扫描条件 ①地点：丰城市中医院影像科CT室；②体位与部位：志愿者取仰卧位，采用GE 64排螺旋CT同时扫描双侧髋部至小腿中上段并以Dicom格式保存扫描的CT数据，CT数据包含股骨全长；③扫描参数设置：扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，层厚2 mm，层距5 mm，每个扫描层的像素矩阵密度大小为512×512。
1.4 材料 ①计算机：联想Thinkpad P52移动图形工作站；②实验软件：详见表1。

1.5 方法
1.5.1 重建右侧股骨三维模型在Mimics 19.0软件中导入志愿者的CT影像资料，选择“bone”阈值辨别股骨，再通过编辑蒙罩、材料填充、3D提取、光顺等步骤后得到右侧股骨三维模型，并储存为STL格式文件导入Geomagic studio 2017软件，先后予划分网格、构造格栅、拟合曲面等处理后得到更为优化、仿真的右侧股骨三维模型，以STEP格式保存。
1.5.2 建立PFNA模型参照第2代AO PFNA的具体参数，在Solidworks 2017软件中新建零件，通过拉伸、旋转、螺旋线、组合、放样等步骤得到PFNA内固定三维模型，PFNA内固定模型基本参数为：主钉长170 mm，螺旋刀片直径10 mm，长度105 mm，颈干角130°，5°外翻角。
1.5.3 构建不稳定型股骨转子间骨折PFNA模型在Solidworks 2017软件中将右侧股骨三维模型与PFNA内固定模型按照标准手术技术进行装配、组合，确定尖顶距≤25 mm，并储存为STEP格式导入Hypermesh 14.0软件中，内固定直接进行网格划分，骨皮质及骨松质参照何祥鑫等[16]对股骨通过表面网格定义皮质骨、内部网格定义松质骨的方式划分，并检查网格质量均良好，利用Delete命令删除部分单元模拟AO31-A3.3型骨折，形成股骨头颈骨块、小转子骨块和股骨干骨块三部分，同时删除股骨远端以减少运算量，储存为普通AO31-A3.3型股骨转子间骨折PFNA模型。
1.5.4 材料属性与边界条件设置高龄股骨近端松质骨、皮质骨和PFNA内固定的密度、弹性模量、泊松比、屈服应力等参数[17-22]，并选取控制卡片；边界条件设置为股骨远端完全固定，模拟单足站立，在与股骨干长轴呈10°，垂直于股骨头球面，1 s内线性加载大小为990 N的载荷[23]。各部件相互作用设置骨与骨之间摩擦系数为0.46[24]，骨与内固定的摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉设置为0.23。
1.5.5 定义骨水泥与分析王勇等[10]认为骨水泥量在3-5 mL为宜，将骨水泥量分为3组：小于3 mL组、3-5 mL组、大于5 mL组。截取模型中螺旋刀片近端凹槽周围不同数量松质骨重新定义为骨水泥部件，计算其体积约为1 167.536 mm3(约 2.2 mL)另存为A模型；体积约为4 152.510 mm3(约4.2 mL)另存为B模型；体积约为6 523.973 mm3(约6.5 mL)另存为C模型。3个模型骨水泥部件的材料参数：表观密度为1.18 g/cm3，弹性模量为220 000 MPa，泊松比0.2，屈服应力100 MPa[25]，骨水泥与螺旋刀片近端接触关系设置为绑定，分别保存为K文件导出，详见图1。

1.5.6 运算分别将K文件导入LS-DYNA软件中，设置运行内核和内存提交运算，运算结果于Hyperview 14.0软件中查看。
1.6 主要观察指标 3个模型主要对比指标为：①螺旋刀片切割；②股骨颈内翻；③股骨颈旋转；④股骨近端应力；⑤内固定应力。

讨论

骨水泥即骨黏接剂，是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料。在现实中，水泥是用来描述将两种物质结合在一起的物质，然而骨水泥是作为一个空间填充，创造一个紧密的空间容纳内植物紧贴骨头，从而起到“灌浆”的作用。骨水泥没有内在的黏合性能，而是增强不规则骨表面和假体之间紧密、机械的固定[26-27]。骨水泥主要分为聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥、磷酸钙骨水泥及其他复合骨水泥材料。其中聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可以根据周围环境任意塑形，能均匀有效地分散载荷，其生物力学强度大、价格相对低廉，但也存在产热高、生物相容性差、不可生物降解等缺陷，临床使用最为广泛；磷酸钙骨水泥又称自固化磷酸钙人工骨，虽具有良好的生物相容性、骨传导性及生物降解性能，但其存在力学强度较差，无法满足临床应用要求等不足，主要用于颅颌面外科手术；复合骨水泥是通过取长补短、优化骨水泥性能而得到的既能满足使用需求、又能有效减少不良反应的骨水泥材料[28-30]。
骨水泥在骨科临床中应用广泛，如在人工膝关节和髋关节置换术中，通过骨水泥增强假体稳定性，提高术后疗效[31]；骨水泥钉道强化椎弓根螺钉内固定用于治疗重度骨质疏松腰椎退变性疾病，增加螺钉的把持力，明显降低螺钉松动率，取得了较好的效果[32-33]，但骨水泥的注入量并不是越多越好，如使用骨水泥钉道强化椎弓根螺钉内固定，过量的骨水泥容易导致骨水泥渗漏、椎弓根骨折、神经根刺激等并发症[34]。同理，骨水泥钉道强化PFNA是在普通PFNA手术基础上，通过简便易行的方法注入骨水泥，既保留了PFNA内固定创伤小、软组织损伤少、手术时间短等优点，又可靠地增加了骨折端和内固定稳定性，且骨质疏松是PFNA内固定术后失效的一个重要原因[35-36]，而骨水泥的力学强度很好地克服了股骨头颈骨块中脆弱稀疏骨质疏松性松质骨微损伤的后果，减少了螺旋刀片的切割，降低了内固定失败的风险[37]。作者前期研究亦证实骨水泥钉道强化PFNA治疗老年A3.3型股骨转子间骨折具有更好的临床和生物力学效果，值得推广应用，故研究钉道强化PFNA最佳骨水泥量是非常必要的。如果螺旋刀片尖端注入的骨水泥量过多，注入过程中必将产热过剧，有可能损伤股骨头血运环境，且股骨转子间骨折患者多患骨质疏松，过多高强度的骨水泥容易引起应力集中，受力后可能导致周围骨质疏松性骨小梁断裂，引起螺旋刀片失稳；如果注入的骨水泥量过少，则周围骨质疏松性骨小梁间隙未被填充完全，螺旋刀片接触面积偏少，固定效果较差。现有研究注入骨水泥量大多为3-5 mL，但因病例少、随访时间短等原因，注入的最佳骨水泥量尚需进一步研究证实。
此文通过有限元法建立不同骨水泥量钉道强化PFNA模型，结果显示：①使用的骨水泥参数主要是参照聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，其生物力学强度大，密度高，具有强大的抗断裂作用和稳固性，在坚强固定的同时也容易产生应力集中，螺旋刀片包裹的骨水泥越多，所受应力就越难分散、传导，进而集中于螺旋刀片尖端，随着应力的增大，最终使得B、C模型内固定螺旋刀片尖端出现断裂。②股骨近端具有和其他部位不一样的承重和稳定结构：股骨近端包含了大量丰富的松质骨，主要是普通的骨小梁和应力骨小梁，通过抵抗、缓冲弯曲应变而在维持股骨的弹性稳定方面起着重要作用，是股骨近端弹性稳定的重要结构[38]；其中主张力骨小梁是股骨Ward三角区最重要的力学结构之一，横跨了大转子、转子间、股骨颈与股骨头，在正常站立时主要承载弯曲应力，而在发生股骨近端骨折时则主要承载剪切应力[39]。骨水泥注入后，填充于骨小梁的间隙，增加了稳定性和接触面积，却也使骨小梁不能通过弯曲、变形来分散、传导应力；骨水泥注入越多，则失效的骨小梁越多，应力只能通过皮质骨继续传导，故B、C模型的股骨头下方皮质骨因承受、吸收强大应力而断裂受损。③股骨转子间骨折多发生于老年人，故此次研究股骨各部分材料参数均设置为骨质疏松参数，其骨矿化程度增加，骨结构更脆弱[40]。骨质疏松患者脆弱的股骨近端骨小梁受到微小应力时，即可产生微骨折，持续存在的应力导致微骨折范围变大，骨小梁的“桁架结构”遭到破坏，无法提供有效接触和支撑，B、C模型应力集中更为明显，骨小梁破坏愈多，则使螺旋刀片切割愈严重。④B、C模型头颈骨块内翻和旋转角度均要小于A模型，但3个模型内翻和旋转角度均很小，在临床实际中这种微小差距带来的影响微乎其微；而值得注意的是，此次研究只是模拟一次单足站立，在临床中患者需术后早期部分负重，螺旋刀片切割越严重，头颈骨块越不能维持弹性稳定，最终B、C模型头颈骨块内翻和旋转可能较A模型更为严重。
作者认为，运用骨水泥钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折，若注入的骨水泥量过多，容易产生应力集中，破坏股骨近端自身的承重和稳定结构；注入的骨水泥量过少则不能有效增加螺旋刀片的接触面积，临床疗效亦不理想。临床中通过套筒注入骨水泥难免出现骨水泥丢失，再结合此文实验结果，作者认为骨水泥钉道强化PFNA注入的最佳骨水泥量可能不宜超过3 mL，此数量具有较好的生物力学，这与现有文献注入骨水泥量3-5 mL有一定的差异，其原因可能是注入的最佳骨水泥量与骨质疏松程度密切相关，骨质疏松越严重，需要注入的骨水泥则越多，这样才能有效填充间隙、增加接触面积，而两者是否确实具有相关性，则需要更多的临床病例和随访来证实与支撑。
此次研究通过有限元法探讨骨水泥钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间A3.3型骨折的最佳骨水泥量：①创造性地通过计算骨水泥单元总体积来换算注入的骨水泥量，使得骨水泥量数字化，更加客观、真实，实验数据和结果更加科学、更具说服力；②既往螺旋刀片切割程度只能通过观察松质骨单元消失的图片估算，此次研究通过精确计算消失的松质骨单元，具体、客观、简洁地展示了螺旋刀片的切割程度；③实验结果中包裹了骨水泥的螺旋刀片尖端出现断裂，这对术者在临床中使用钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间骨折具有重要的预警作用，严格控制骨水泥量才能取得较好的术后疗效。
此次研究仍存在着一些不足与展望：①此次实验股骨各部分均设置为均质的、各向同性材料，如设置为不均质的各向异性材料，则实验结果将更加精确；②钉道强化椎弓根螺钉骨水泥只分布在尖端，而此次实验骨水泥包裹了螺旋刀片整个螺旋形部分，是否骨水泥注入螺旋刀片尖端具有更好的生物力学效果呢？两个注入位置各有怎样的优缺点呢？③股骨近端骨质疏松程度不同，骨小梁的稀疏、脆性程度亦不同，而骨质疏松越严重，螺旋刀片的把持力就越弱，是否需注入的骨水泥就越多？作者后续将进一步研究解答。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

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

Type A3.3 femoral intertrochanteric fracture with augmented proximal femoral nail anti-rotation in the elderly: finite element analysis of the optimal amount of bone cement

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