防旋髓内钉和InterTan固定A3型股骨转子间骨折：生物力学变化的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.26.027

摘要/Abstract

摘要：

背景：股骨转子间骨折是髋部常见骨折之一，伴随着老年骨质疏松以及高能量伤，骨折线常常下移导致A3型股骨转子间骨折，治疗困难。常见的髓内固定包括股骨近端防旋髓内钉和InterTan等，由于其具有较高的稳定性和微创性，得到了广泛的应用。
目的：通过有限元分析的方法比较股骨近端防旋髓内钉和InterTan修复股骨转子间A3型骨折的生物力学稳定性。
方法：分别建立AO3.1，3.2，3.3型股骨转子间骨折及股骨近端防旋髓内钉和InterTan两种内固定的三维有限元模型，按骨科要求予以固定，观察不同模型股骨、内固定的应力分布，比较股骨及内固定模型不同区域的应力峰值，分析其生物力学稳定性。
结果与结论：AO3.1型骨折股骨近端防旋髓内钉组股骨侧应力集中在股骨近端外侧，InterTan组股骨侧应力集中在股骨近端内侧；AO3.2型骨折两种内固定系统股骨侧各个区域均无明显应力集中；AO3.3型骨折股骨近端防旋髓内钉组股骨侧应力集中在股骨近端内侧及内固定远端内侧，InterTan组股骨侧无明显应力集中。6种模型内固定远端应力均集中在内侧，其中股骨近端防旋髓内钉组应力大于InterTan组；内固定远端内外侧应力差值股骨近端防旋髓内钉组大于InterTan组；除股骨近端防旋髓内钉固定AO3.3型骨折外，其余5种模型应力峰值均位于头钉与主钉交叉处内侧。提示AO3.1和AO3.3型骨折中，InterTan比股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性，AO3.2型骨折中，二者稳定性无明显差异；采用InterTan修复股骨转子间骨折时股骨端应力分布更加合理。

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: 植入物, 骨植入物, 股骨转子间骨折, 股骨近端防旋髓内钉, InterTan, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Intertrochanteric fracture is one of the common fracture, and accompanied by osteoporosis and high energy injury. The fracture line often descended, and induced A3 intertrochanteric fracture. This type of fracture is difficult to treat. Common intramedullary fixation includes proximal femoral nail anti-rotation and InterTan, which have high stability, are minimally invasive, and have been extensively used.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical stability of A3 intertrochanteric fracture fixed with proximal femoral nail anti-rotation and InterTan by finite element analysis.
METHODS: Three three-dimensional finite element models of the AO3.1, AO3.2 and AO3.3 intertrochanteric fracture fixed with proximal femoral nail anti-rotation and InterTan were established. Fixation was completed according to the requirement of Department of Orthopedics. Stress distribution of femur and fixator of different models was observed. Stress peak at different areas was compared in femur and fixation models. Biomechanical stability was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The maximum pressure concentration area in AO3.1 intertrochanteric fracture with proximal femoral nail anti-rotation was located in the lateral proximal femur, and with Intertan was located in the medial proximal femur. The AO3.2 had little differences between two types of nails. The AO3.3 intertrochanteric fracture with proximal femoral nail anti-rotation was located in the medial proximal femur and the medial distal implant. There was no significant pressure concentration with InterTan. The von Mises pressure of six models was concentrated in the medial distal implant, and higher maximum von Mises pressure was found in the proximal femoral nail anti-rotation. There was significant difference of von Mises distribution between the lateral and medial implant with proximal femoral nail anti-rotation. Except the AO3.3 intertrochanteric fracture with proximal femoral nail anti-rotation, the maximum pressures of remaining models were located in the main nail and interlocking nail infall. These results concluded that the fracture fixed with InterTan exhibited fine fixation stability in the AO3.1 and AO3.3 intertrochanteric fracture. There was no significant difference of fixation stability between proximal femoral nail anti-rotation and InterTan in AO3.2. The von Mises distribution of InterTan for intertrochanteric fracture is more reasonable.

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Key words: Femoral Fractures, Fracture Fixation, Intramedullary, Finite Element Analysis

中图分类号:

R318

刘建斌，刘敏，马林，崔忠宁，刘明，郭惠康. 防旋髓内钉和InterTan固定A3型股骨转子间骨折：生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(26): 4242-4246.

Liu Jian-bin, Liu Min, Ma Lin, Cui Zhong-ning, Liu Ming, Guo Hui-kang. Liu Jian-bin, Studying for master’s degree, First Clinical Medical College, Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(26): 4242-4246.

图/表（结果） 4

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引言

材料方法

设计：有限元分析，对比观察试验。
时间及地点：于2014年6至11月在山西省晋城煤业集团总医院骨四科完成。
对象：选择健康男性志愿者1名，26岁，体质量75 kg，经X射线检查无髋关节及股骨疾病或损伤，对试验方案知情同意。
方法：
有限元模型的建立：健康男性志愿者双侧髋关节做螺旋CT平扫(64排螺旋CT，GE公司，美国)，电压120 kV，电流500 mA，每旋转1周时间为0.5 s，选择骨组织窗扫描，扫描层厚为0.625 mm，扫描长度为髋关节至膝关节胫骨结节平面，所得影像学资料以DICOM格式保存，共929张图片，采用右侧股骨影像学资料作为样本。将DICOM格式保存的影像学资料导入mimics 15.0软件，设定灰度阈值为226-3 071 Gv，对三维图像进行处理、分割，提取出硬组织骨模型，导出为STL格式文件，导入Geomagic Studio 12.0中进行修补、降噪及曲面化，导出STP格式，在Pro/E5.0中组装模型；最后整体导出IGES格式。
根据辛迪思(Synthes)公司提供的股骨近端防旋髓内钉内固定系统，做螺旋CT平扫，电压120 kV，电流500 mA，每旋转1周时间为0.5 s，层厚0.625 mm，得出影像学资料，导入mimics 15.0软件，对三维图像进行处理，导出为STL格式文件，导入Geomagic Studio 12.0中进行修补、降噪及曲面化，建立股骨近端防旋髓内钉三维模型，导出为IGES格式。根据施乐辉(Smith Nephew)公司所提供的髓内钉数据，应用绘图软件对其进行三维模拟重建，重建InterTan三维模型，忽略螺纹影响，对其进行简化处理，所得结果以Iges文件输出。将股骨及内固定的几何模型导入有限元分析前处理软件Pro/E 5.0进行装配，根据股骨转子间骨折A3型的3种不同亚型及两种内固定方式，生成6种不同固定的有限元模型[6]。内固定导入股骨中的位置参考辛迪思与施乐辉所提供的手术操作标准，头钉位于股骨头中下靠后位置。所有模型均采用solid 185单元，所得节点与单元数见表1，后导入有限元分析软件ANSYS进行处理分析。

材料属性：本研究中内固定与骨的相关材料为均质、各向同性的，材料属性参考相关文献(表2)^[7-9]。

边界条件及加载：股骨远端全部节点的自由度约束为0作为边界条件，假设骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为0.2^[10]。采用目前常用的简化模型，即考虑骨盆髋臼窝作用在股骨头上的力和作用在大转子附近的外展肌力和股外侧肌力。本试验中将模拟70 kg正常人单足着地时的应力分布，计算此状态下股骨的应力分布。
有限元模型的可靠性验证：完整股骨有限元模型模拟生理状态下受力情况进行加载，股骨的应力分布图见图1，其应力分布情况与已知标本实验力学获得的结果较吻合^[11]，证明本试验建立的有限元模型是准确可靠的，可以用该模型进行模拟数值计算。

主要观察指标：①股骨的应力分布、应力峰值及位置。②内固定的应力分布、应力峰值及位置。③股骨及内固定内外侧6个区域的应力峰值(图2)。A点为股骨近端内侧最大应力点，在小转子下缘；B点为股骨近端外侧最大应力点，在螺旋刀片或联合防旋钉外侧的下缘；C点为内固定远端股骨内侧最大应力点，位于远端防旋钉下缘内侧；D点为内固定远端股骨外侧最大应力点，位于远端防旋钉下缘外侧；E点为内固定近端内侧最大应力点，位于螺旋刀片或联合钉与主钉交叉处内侧；F点为内固定近端外侧最大应力点，位于螺旋刀片或联合钉与主钉交叉处外侧。

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

股骨转子间骨折的治疗一直是热点问题，而A3型转子间骨折骨折线方向从近端小转子内上方向大转子外下方，外侧壁断裂，常波及股骨上段，内侧皮质压缩力很高而外侧皮质牵张力很高，骨折近端由于附着于大转子的臀中肌及臀小肌而外展，小转子由于骼腰肌而屈曲、外旋，骨折远端则由于内收肌群及腘绳肌而出现内收，是一种极不稳定的骨折，易发生髋内翻畸形、内固定失效、骨折不愈合等，而高能量损伤多为粉碎性骨折，使骨折的复位以及生物力学稳定性成为难题。股骨近端防旋髓内钉作为股骨近端髓内钉的改进髓内钉具备的优势包括：①直接打入1枚螺旋刀片，手术时间短，创伤小。②螺旋刀片打入后，对股骨头内的松质骨造成挤压，使其变得更加紧密，结实，增加了锚合力和抗旋转能力。③主钉远端可屈性凹槽设计，远端锁定孔距钉尖距离较长，使股骨干应力分散，降低了主钉末端股骨干骨折的风险^[12]。InterTan是新一代交锁髓内钉，其设计特点包括[13]：①双钉系统抗股骨头旋转作用更强，对骨折的加压稳定作用也更强。②组合钉的相互扣锁螺纹在后期负重过程中有效防止负重产生的“Z”效应。③主钉的近端采用梯形横截面设计，加强髓腔内的旋转稳定性。④主钉近端具有4°外翻角有利于大转子顶点的微创入路。⑤主钉远端采用发夹分叉开槽设计，减少远端截面的刚性，避免远端周围应力骨折，减轻术后大腿疼痛。目前，有学者通过临床研究认为，在治疗股骨转子间骨折时，Intertan较股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性[14-15]，也有国内外学者单独就股骨转子间骨折的不同修复方案进行力学分析，但同时比较这两种髓内固定系统固定A3型下3种亚型股骨转子间骨折的生物力学分析尚属于空白，而有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，也逐渐应用于医学领域的各种力学分析。

通过研究结果，对比6种有限元模型股骨所承受的应力，在AO3.1型骨折中，股骨近端防旋髓内钉内固定系统应力峰值最大处位于股骨近端外侧(B点)，InterTan内固定系统应力峰值最大处位于股骨近端内侧(A点)，在AO3.2、AO3.3型骨折中，应力峰值最大处均位于内固定远端股骨内侧(C点)。对比6种模型内固定远端内外侧(C点及D点)应力，可见6种模型内固定远端应力均集中在内侧(C点)，而且股骨近端防旋髓内钉固定的3种模型应力峰值要大于InterTan固定的3种模型，结合既往临床经验，运用股骨近端防旋髓内钉治疗后部分患者大腿中段内侧疼痛的原因考虑为内固定远端股骨内侧出现应力集中。对比6种模型内固定远端内外侧应力差值(C点与D点应力峰值差值)，可见股骨近端防旋髓内钉固定的3种模型差值大于InterTan固定的3种模型，InterTan 3种模型股骨远端应力更加分散，考虑是InterTan主钉远端采用发夹分叉开槽设计分散了股骨远端应力。对比6种模型内固定所承受的应力，2种内固定均存在应力集中现象，均位于螺旋刀片或联合钉与主钉交叉处内侧(E点)，InterTan 3种模型应力值要大于股骨近端防旋髓内钉3种模型，但未达到其屈服强度。

对于AO3.1型骨折，股骨近端防旋髓内钉组股骨近端应力集中在外侧(B点)，应力峰值为8.486 4 MPa，InterTan组股骨近端应力集中在内侧(A点)，应力峰值为7.456 4 MPa。AO3.1型骨折为斜形骨折，小转子完整，大转子外侧壁断裂，两种内固定系统固定后股骨近端防旋髓内钉组应力集中在不稳定的股骨近端外侧，InterTan组应力集中在相对稳定的股骨近端内侧，故作者认为对于AO3.1型骨折，InterTan比股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性。

对于AO3.2型骨折，股骨近端防旋髓内钉组股骨近端两侧应力及远端两侧应力较为平均，InterTan组股骨近端内侧应力峰值(A点，3.681 0 MPa)要大于外侧应力峰值(B点，0.799 2 MPa)。AO3.2型骨折为横行骨折，小转子完整，大转子外侧壁断裂，两种内固定系统各个区域应力峰值未见明显差异，故作者认为对于AO3.2型骨折，二者稳定性无明显差异。

对于AO3.3型骨折，股骨近端防旋髓内钉组股骨近端内侧(A点)应力峰值为7.301 9 MPa，外侧(B点)应力峰值为0.977 03 MPa，InterTan组股骨近端内侧(A点)应力峰值为2.976 6 MPa，外侧(B点)应力峰值为1.713 7 MPa。由此可知，股骨近端防旋髓内钉组股骨近端出现应力集中，位于股骨近端内侧(A点)，而InterTan组股骨近端未出现应力集中。AO3.3型骨折为粉碎性骨折，小转子骨折，大转子外侧壁断裂，内外侧均不稳定，而股骨近端防旋髓内钉组股骨近端内侧出现的应力集中在股骨内侧，故作者认为对于AO3.3型骨折，InterTan比股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性。

单就此研究而言，在AO3.1及AO3.3型骨折时，InterTan比股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性，而AO3.2型骨折时，二者差异无显著性意义。但本研究依旧存在以下不足：①在实际中股骨转子间周边涉及的肌肉及关节合力较多，而本研究对象为单足站立的静力分析，仅作简化处理，不能完全体现实际发生的情况，但已能满足实验需求。②InterTan主钉横截面为梯形设计，较股骨近端防旋髓内钉具备更好的防旋性，而InterTan特有的联合交锁头钉不仅具有更好的稳定性，还能防止“Z”效应，对此，本研究尚未涉及。③InterTan头钉的设计较股骨近端防旋髓内钉的螺旋刀片会造成更多的骨质丢失。④股骨近端防旋髓内钉的螺旋刀片在打入股骨头时能够填充骨质，尤其适用于老年骨质疏松患者。

随着时代的发展、各种材料技术的成熟，内固定材料的变化也多种多样。在把握治疗原则的基础上，手术技术和操作细节决定了治疗效果。在实际应用当中，应根据不同的骨折类型及患者自身情况选择最适宜患者的治疗方法，以便获得最佳疗效。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