股骨近端防旋髓内钉联合前外侧重建钢板修复不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

doi:10.12307/2023.722

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
杠杆-支点平衡：人体髋关节解剖结构类似杠杆，其支点位于股骨头中心附近，使股骨近端力臂小可承受较大体质量，当其破坏后，股骨近端的张力侧、压力侧平衡消失，易致术后发生股骨头切出、髋内翻、固定物断裂等问题。
前外侧重建钢板：随着近几年股骨转子间骨折的外侧壁被重视而开始使用，在术中用于重建外侧壁骨块，主要将重建钢板放置在转子间前外侧，以降低因外侧壁破裂引起髓内钉固定失效的发生。

背景：股骨转子间骨折后如何重建外侧壁目前尚无统一方法，在股骨转子前外侧放置重建钢板是目前较为常用的方式，但其生物力学、临床适用如何目前鲜有研究。
目的：探讨股骨近端防旋髓内钉联合前外侧重建钢板用于不同类型不稳定型股骨转子间骨折的生物力学参数变化。
方法：CT扫描1名男性志愿者下肢骨，通过有限元建立股骨三维模型，根据骨折线涉及内侧壁、外侧壁与内外侧壁以及其在侧壁上是否获得稳定支撑，对模型进行分割，建立对应的骨折模型：外侧壁不稳定、内侧壁稳定模型；外侧壁稳定、内侧壁不稳定模型；内外侧壁均不稳定模型，同时进行装配股骨近端防旋髓内钉、前外侧重建钢板，应用普通钉或锁定钉固定，由abaqus进行计算，比较多组模型骨折块、内固定的应力及位移等变化。
结果与结论：①在3种不稳定型股骨转子模型中，前外侧重建钢板可以提升股骨近端的稳定性，并且在一定程度上恢复股骨近端失衡杠杆。在外侧壁不稳定型、内侧壁不稳定型中，锁定钉优于普通钉；在内外侧壁均不稳定型中，锁定钉与普通钉差异性未能探知。②结果说明，前外侧重建钢板的放置可以显著提升不稳定股骨转子间骨折的稳定性，减少退钉以及内固定物的失效可能，并且对恢复股骨近端失衡的杠杆起到一定的作用，锁定钉比普通钉在力学上更佳。
https://orcid.org/0000-0001-7379-169X (李光晟)

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: 外侧壁, 内侧壁, 骨折固定术, 有限元分析, 前外侧重建钢板, 不稳定股骨转子间骨折, 股骨近端防旋髓内钉, 杠杆-支点平衡

Abstract: BACKGROUND: At present, there is no unified method to reconstruct the lateral wall after intertrochanteric fractures of femur. It is a common way to place reconstruction plates on the anterolateral side of the femoral intertrochanteric fracture, but there is little research on its biomechanics and clinical application.
OBJECTIVE: To investigate the changes in biomechanical parameters of proximal femoral nail anti-rotation combined with anterolateral reconstruction plate for different types of unstable intertrochanteric fractures.
METHODS: CT scanning was used to scan the lower limb bone of a male volunteer. A three-dimensional model of the femur was established through the finite element method. According to whether the fracture line involved the medial wall, the lateral wall, the internal and external walls, and whether it was stably supported on the lateral wall, the model was divided to establish the corresponding fracture model: The lateral wall was unstable, and the medial wall was stable. The lateral wall was stable, and the medial wall was unstable. Both the internal and external walls of the model were unstable. Proximal femoral nail anti-rotation and anterolateral reconstruction plates were assembled at the same time. Ordinary nails or locking nails were used for fixation. The stress and displacement of fracture fragments and internal fixation of multiple models were compared and calculated by Abaqus.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the three types of unstable femoral trochanter models, the anterolateral reconstruction plate could improve the stability of the proximal femur, and restore the imbalance lever of the proximal femur to a certain extent. In the unstable type of lateral wall and the unstable type of medial wall, the locking nail is superior to the ordinary nail. In the type of unstable internal and external sidewalls, the difference between the locking nail and the ordinary nail could not be detected. (2) It is concluded that the placement of anterolateral reconstruction plate can significantly improve the stability of unstable intertrochanteric fracture of the femur, reduce the possibility of nail withdrawal and failure of internal fixation, and play a role in restoring the lever of proximal femur imbalance. Locking nail is better in mechanics than the ordinary nail.

Key words: lateral wall, medial wall, fracture fixation, finite element analysis, anterolateral reconstruction plate, unstable intertrochanteric fracture of femur, proximal femoral nail anti-rotation, lever fulcrum balance

中图分类号:

李光晟, 林伟民, 张申申, 林旺, 林成寿. 股骨近端防旋髓内钉联合前外侧重建钢板修复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(36): 5753-5759.

Li Guangsheng, Lin Weimin, Zhang Shenshen, Lin Wang, Lin Chengshou. Finite element analysis of unstable intertrochanteric fractures repaired with proximal femoral nail anti-rotation combined with anterolateral reconstruction plate[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(36): 5753-5759.

图/表（结果） 7

2.1 原始模型最大应力值及位移值比较导出完成计算的ODB文件，在视图中显示最大应力值与位移值。在3组原始模型中，仅1，2类模型完成了收敛计算，第3类原始组模型由于未能完成收敛计算，abaqus报错：由于位移过大导致收敛困难，认定为髓内钉固定出现失败。在1，2类原始模型中，最大应力都位于头颈钉与主钉交界处，最小的应力均处于大转子附着处，最大位移均在头颈部，2类模型在最大应力、最大位移均大于1类模型，见图2。不同方式固定主钉应力云图见图3。

2.2 前外侧重建钢板于不同类型中最大应力与位移比较见表2。

2.2.1 普通螺钉固定对比普通螺钉固定重建钢板组，其中1类、3类最大应力均在主钉上，3类模型(1 152.0 MPa)大于1类模型组(807.1 MPa)，2类模型组最大应力位于钢板的第3枚螺钉位置，1类、2类、3类模型最大位移点均在股骨头部上，其3类(5.316 mm) > 2类(5.017 mm) > 1类(4.840 mm)。
2.2.2 锁定螺钉固定对比锁定重建钢板组，1类、2类最大应力均在钢板第3枚上，1类最大应力值(998.7 MPa)小于2类最大应力值(1 187 MPa)，3类最大应力(1 139.0 MPa)位于主钉位置，1类、2类、3类模型最大位移均在股骨头部，其3类(5.309 mm) > 2类(4.982 mm) > 1类(4.367 mm)。
2.3 不同模型中PFNA最大应力比较进行同类型不同组模型对比，在1，2类中，PFNA最大应力均为锁定组<普通组<原始组。对比3种模型，锁定组<普通组，见表3。

2.4 不同类型以及固定方式对骨折端断面应力值比较见表3。
2.4.1 内侧壁骨折对比内侧壁骨折断面应力，1类普通钉组与1类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)，其均大于1类原始组(P < 0.05)；2类锁定钉组与2类普通钉组无明显差异(P > 0.05)，其均小于2类原始组(P < 0.001)；3类普通钉组与3类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)。
2.4.2 外侧壁骨折对比外侧壁骨折断面应力，1类普通钉组与1类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)，其均大于1类原始组(P < 0.001)；2类锁定钉组大于2类普通钉组(P < 0.05)，其均小于2类原始组(P < 0.001)；3类普通钉组与3类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)。
2.5 不同类型的头颈钉钉尾、主钉帽骨皮质接触应力比较见表3。
2.5.1 头颈钉尾与皮质接触对比同组模型头颈钉尾与皮质接触应力，1类普通钉组与1类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)，其均大于1类原始组(P < 0.001)；2类锁定钉组与2类普通钉组无明显差异(P > 0.05)，其均小于2类原始组(P < 0.001)；3类普通钉组与3类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)。
2.5.2 主钉帽与皮质接触对比同组模型主钉帽与皮质接触应力，1类普通钉组、锁定钉组、原始组两两对比均无明显差异(P > 0.05)；2类锁定钉组与2类普通钉组无明显差异(P > 0.05)，其均小于2类原始组(P < 0.001)；3类普通钉组与3类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)。
2.6 不同类型模型对头颈钉钉尾距离、PFNA最大位移的比较见表4。

2.6.1 头颈钉钉尾距离对比同组模型头颈钉钉尾距离变化，1类普通钉组、锁定钉组、原始组两两对比均有明显差异(P < 0.001)，且锁定组<普通组<原始组；2类锁定钉组与2类普通钉组无明显差异(P > 0.05)，其均小于2类原始组(P < 0.001)；3类普通钉组与3类锁定钉组无明显差异(P > 0.05)。
2.6.2 PFNA最大位移所有模型PFNA最大位移均位于螺旋刀片处，进行同组PFNA最大位移对比。在1，2类中，均为锁定组<普通组<原始组；对比3类，锁定组与普通组无明显差异。
2.7 不同固定螺钉应力值比较见表5。在1，2类模型中，第1枚螺钉(固定在最上端)，其应力均为其固定组中最小，第3枚螺钉(外侧壁骨块下端)其应力为同组最大，其次是第5枚螺钉(固定在最下端)；在3类中，第3枚螺钉其应力最大，其次是第5枚螺钉。

对比不同组，第2，3，5枚螺钉在1类模型中普通钉与锁定钉应力无明显差异(P > 0.05)，第4，5枚钉在3类模型中普通钉与锁定钉应力无明显差异(P > 0.05)；其他同组锁定钉、普通钉应力对比均有明显差异。

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引言

材料方法

1.1 设计有限元分析。运用ANOVA因素分析求取差异值，并进行了同组的LSD两两对比。
1.2 时间及地点该研究于2021年3月至2022年3月在宁德市闽东医院完成。
1.3 材料
1.3.1 设备 CT机(飞利浦 revolution)；计算机工作站为Windows 10操作系统。
1.3.2 软件 Mimics 20.0，Geomagic Wrap 2017，abaqus 2021，Solidworks 2021。
1.3.3 内固定材料 PFNA由大博医疗器械公司提供，通过实际测量，在Solidworks 2021上重建PFNA髓内钉模型，其规格：主钉长200 mm，头端直径15 mm，头颈钉钉尾直径12 mm，头颈钉长85 mm，锁钉直径10 mm。
对于运用于前外侧的重建钢板在临床上并没有统一的使用标准，此次研究中根据股骨模型，在软件上制作重建钢板，其规格：长90 mm，宽12 mm，厚3.5 mm；为避免与髓内钉出现相交，并保证生成的网格质量，固定螺钉的长度在这里分别设计为15，15，13，9，9 mm的锁定螺钉或者普通螺钉，并没有按照3.5 mm重建钢板的最短12 mm的螺钉长度来设计，并且所有螺钉均采用单皮质固定。
1.4 对象选择身体健康的50岁男性志愿者1名，体质量70 kg，身高170 cm，没有创伤和手术史，无重大疾病史。
该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和宁德市闽东医院对研究的相关伦理要求。受试者对试验过程完全知情同意，并签署了“知情同意书”。
1.5 方法
1.5.1 脱模型初步建立通过CT扫描机以0.75 mm的层厚从髋臼上方20 cm处扫描至足跟部，得到厚度为0.75 mm层二维CT图像，以DICOM格式保存并导入Mimics 20.0软件，通过空腔填充、光滑等处理初步制作完整填充的股骨三维模型，以STL格式保存；并且同时设置阈值，仅保留出骨皮质部分的股骨，并以STL格式保存。
1.5.2 建立股骨模型将股骨三维模型导入Geomagic Wrap软件，首先对完整填充的股骨模型进行编辑、空洞填补等处理，生成无骨皮质、骨松质区分的三维模型。通过编辑、光顺仅有骨皮质部分的股骨模型，将两者进行布尔运算，生成仅有骨松质的三维模型，再将两者通过布尔运算组合成完整的具有皮质骨、松质骨的三维模型，并以STL格式保存。
1.5.3 建立股骨转子间骨折外侧壁模型将上述股骨模型导入Solidworks 2021进行切割，参考顾海伦等[11-12]对不稳定外侧壁分型，将股骨三维模型依据骨折线累及内外侧壁，以及其是否在侧壁上获得稳定支撑(由骨折线倾斜角的大小)，分别制作3种模型：
(1)外侧壁不稳定支撑、内侧壁尚有支撑股骨模型：在文中均以1类原始模型名称代替，其根据额外使用前外侧重建钢板，模型中采用普通钉或锁定钉分别命名为1类普通、1类锁定。
(2)外侧壁尚可获得支撑、内侧壁无稳定支撑股骨模型：在该文中均以2类原始模型名称代替，其根据额外使用前外侧重建钢板，模型中采用普通钉或锁定钉分别命名为2类普通、2类锁定。
(3)内侧壁、外侧壁均无法获得稳定支撑股骨模型：在文中均以3类原始模型名称代替，其根据额外使用前外侧重建钢板，模型中采用普通钉或锁定钉分别命名为3类普通、3类锁定。

为了节省计算成本，将股骨三维模型截取至髓内钉末端下方5 cm处，分别建立原始模型作为固定前的对照组，重建钢板普通螺钉组，重建钢板锁定螺钉组，每组都设置了3类模型。在装配体中将钢板、螺钉、PFNA装配到模型上，保证尖顶距TAD < 25 mm，颈干角130°，螺旋刀片位于股骨颈中下 1/3 处[13]。见图1。

1.5.4 建立股骨和转子间骨折的三维有限元分析模型将上述资料导入abaqus 2021软件，这里将骨皮质、骨松质、内固定物、外固定物设置为均质各向同性弹性模量分布的模型，其中根据文献报道[14-15]：
(1)松质骨弹性模量(E)与表观密度(ρ)关系：E=1.310 (GPa)，
0.18 ≤ ρ≤0.95 (g/cm3)；
(2)皮质骨弹性模量与表观密度关系：E=-13.43+14.261ρ，
1.20 ≤ ρ≤1.85(g/cm3)。
将Mimics中测算CT值，取骨皮质密度为1 518.10 kg/m3，杨氏模量为10 551.347 MPa，泊松比为0.3，取骨松质密度为397.75 kg/m3，杨氏模量为1 389.700 MPa，泊松比为0.3；PFNA、钢板、锁定钉、普通螺钉均为Ti-6Al-4V材质，杨氏模量为113 800 MPa，泊松比为0.34。由于此次研究着重于探究前外侧重建钢板对股骨转子骨折以及髓内固定物的力学影响，其骨质等其他因素并不是研究重点，暂不考虑骨质情况对内固定物固定效果的影响。
1.5.5 模型约束条件的设置对于骨折块之间在摩擦，设置为0.46，骨与金属之间摩擦设置法切，摩擦设置为0.34，普通螺钉与钢板之间摩擦设置为0.34(即普通重建钢板)，锁定钉与重建钢板接触设置为绑定(即锁定重建钢板)。为模拟真实情况，PFNA头颈钉与主钉之间接触设置为无摩擦，将头颈钉的钻削部分、锁定钉、普通螺钉与骨接触设置为绑定关系，将螺纹简化。
1.5.6 载荷的施加设置将股骨模型远端固定，髋关节载荷作用于股骨头的中点。对于股骨头负重区设置耦合点，向下角度15°，设置负荷为2 100 N，考虑模型复杂性与实验目的，不将股骨肌肉附着点力量考虑在内，对于远端固定设置为在x，y，z，xy，xz，yz轴上的完全固定。

1.5.7 网划分划为了划分出更细致的网格，运用abaqus的网格合并功能，将模型上非需要部分的网格合并，所有模型网格均采用C3D4Ms网格，具体模型网格数详见表1。

1.6 数据计算由于开启非线性运算与线性大几何运算并无差异，这里未开启非线性运算。
1.7 主要观察指标观察记录不同类型股骨转子间骨折不同部位的骨折端应力大小、应力集中部位、应力最大值以及其位置、最大位移、钉尾位移及重建钢板螺钉应力值，骨折面与螺钉接触面共节点应力。
1.8 统计学分析将不同类型和固定方式模型的应力值及位移数据导入SPSS 27.0，运用ANOVA因素分析求取差异值，并进行了同组的LSD两两对比。P < 0.05为差异有显著性意义意义。(注：由于临床中主要是皮质骨起支撑作用，所以仅将皮质骨骨折面的共节点数据进行导入，忽略对松质骨的接触面)。文章统计学方法已经由福建医科大学附属闽东医院统计学专家审核。

讨论

自从GOTFRIED[15]首先提出了股骨转子间外侧壁对于髓外固定系统的重要性，外侧壁的重要性渐渐引起重视。关于外侧壁的定义，PALM等[16]将外侧壁定为上至与大转子相交，下至小转子中点平面相交的股骨外侧皮质。HAQ等 [17]对其定义为股骨颈上下缘的切线与股骨外侧皮质的交界区。GAO等[3]将外侧壁范围定义为股骨外侧肌嵴至股骨颈下缘骨皮质的切线与股骨外侧皮质的交点，以此区别股骨转子下骨折。早期认为外侧壁的完整性主要影响髓外固定系统，如DHS[16，18]，其对髓内固定系统影响小[19]，并且，PFNA的主钉可以在一定程度上起到外侧壁的作用，对头颈骨折块向外侧移位起到阻挡作用[19-20]。但ABRAM等[21]指出股骨髓内固定系统依靠3点来稳定结构：头钉的TAD、外侧壁的完整性以及大转子插入点的完整性，即指出外侧壁的完整性对于头钉起到了支撑的作用，CIUFO等[22]也指出完整外侧壁可预防髓内钉头颈钉的切出。对于不稳定型股骨转子骨折，其内侧壁破坏使股骨失去正性支撑，而外侧壁破坏使其对抗轴向支撑减弱，可引起股骨不稳定。近年来，国内学者对股骨近端提出了“杠杆-支点平衡”理论，其指出髋关节类似杠杆，在骨折涉及内外侧壁后，张力侧与压力侧失衡，股骨头附近生理支点消失，易导致内固定物在股骨头切出、髋内翻以及固定物断裂等问题[23-24]。髓内固定系统属于弹性中心固定，其头颈力臂小于髓外固定系统力臂，适用于不稳定型转子骨折，但其仍未能很好重建解剖支点，其力臂仍较生理力臂长。在重建内侧壁的同时重建外侧壁，一是提高外侧壁轴向支持作用，二是在一定程度上恢复失衡的杠杆，有利于生理支点的重建。
目前，对于外侧壁的术中复位，部分专家采用钢丝环扎和螺钉来重建外侧壁[25]，部分专家采用在前外侧放置重建钢板来重建外侧壁的策略，其目的在于避免重建钢板影响到头颈钉的植入以及术中软组织的损伤扩大[7，26]。
此次研究全面探讨涉及内外侧壁的不稳定型转子骨折的影响，探究前外侧重建钢板除了重建外侧壁以外，是否能提升股骨整体的稳定性，是否能通过仅重建外侧壁恢复股骨近端失衡的杠杆。研究证实通过重建外侧壁，内侧壁无论是稳定型还是不稳定型，其骨折端的应力均可明显降低，这点在内侧壁不稳定型中相当明显。在1，2类模型中(即外侧壁不稳定、内侧壁稳定型，外侧壁稳定、内侧壁不稳定型)，放置前外侧重建钢板重建外侧壁可明显降低髓内钉的最大应力及位移，降低模型整体的最大位移。通过对比头颈钉钉尾距离，提示重建外侧壁其使钉尾处皮质骨起到支撑作用，降低了头颈钉退钉的风险，此作用在2类中(外侧壁稳定、内侧壁不稳定型)作用明显。
综合分析模型各种接触面应力(头颈钉钉尾接触皮质应力、主钉帽与皮质接触应力、髓内钉最大应力以及重建钢板上5枚螺钉的接触应力)，作者发现前外侧重建钢板起到了分担、调配应力的作用。在1类模型中(即外侧壁不稳定、内侧壁稳定型)，ABRAM等[21]提到的3点固定中两点：外侧壁钉尾处皮质、主钉插入皮质的应力增大，髓内钉的最大应力降低，提示应力分担到了与皮质骨接触上，锁定重建钢板比普通重建钢板效果明显。在2类模型中(外侧壁稳定、内侧壁不稳定型)，外侧壁钉尾处皮质、主钉插入皮质的应力降低，髓内钉最大应力的降低；进一步对比了1，2类螺钉上的应力，发现2类重建钢板的5枚螺钉上的应力明显均较1类重建钢板对应的螺钉应力大，这提示皮质接触的应力、髓内钉的应力被重建钢板分担。结合模型位移变化，此次研究得出运用前外侧重建钢板重建外侧壁，不但可以提升不稳定型股骨转子间骨折固定后的稳定性，降低术后内固定失效的发生，还对恢复股骨近端失衡的杠杆起到了一定的作用，并且，锁定重建钢板重建外侧壁整体要优于普通重建
钢板。
由于此次研究中，3类原始模型(即外侧壁、内侧壁均不稳定型)未能完成收敛计算，所以进行单独分析。由于abaqus软件后台回报模型位移增量过大引起无法收敛计算，结合临床实际可比作PFNA固定失败，在使用前外侧重建钢板重建外侧壁后，模型得到了收敛，可直接提示模型的稳定性得到显著提升，这与作者之前得出的结论相符。但分析头颈钉钉尾距离变化，髓内钉与皮质接触应力，内侧壁、外侧壁皮质接触应力，发现锁定重建钢板与普通重建钢板无明显差异，在对比PFNA最大应力、模型最大位移，锁定组较普通组低，但差异不大，所以针对内外侧壁均不稳定类型，此次研究尚未得出锁定重建钢板与普通重建钢板在该类型的优劣，待后续的研究。
此次研究存在以下不足之处：第一，建立的模型并未设置股骨肌肉附着点的力量，并且为了模拟真实的手术情况，对未能完成收敛的3类原始模型并未做特殊处理，这使3类模型组缺乏相应的对照组，未能进行3类模型组之间的对比，对于应力变化如何未能探知。第二点，此次进行有限元研究，其研究生物效应不如实验动物实体测试，但目前国内外对于股骨转子间前外侧钢板生物实体力学测试鲜有报道，待进一步研究佐证该文章结论。最后，关于研究重建钢板选用的螺钉长度，临床上3.5 mm重建钢板所使用的螺钉最短为12 mm长度，此次研究为了避免螺钉与髓内钉出现相交，并影响网格质量，对螺钉长度的选择根据模型进行单独设置，由于研究所进行的是自身模型的前后对照，其螺钉长度的影响并不是研究重点，但其与实际仍有一定差异。
结论：前外侧重建钢板的放置可以显著提升不稳定股骨转子间骨折的稳定性，减少退钉以及内固定物失效的可能，并对恢复股骨近端失衡的杠杆起到了作用，且锁定钉比普通钉在力学上更佳。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