防旋股骨近端髓内钉Ⅱ和亚洲股骨髓内钉内固定修复老年股骨转子下骨折的生物力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.31.012

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨转子下骨折：自股骨小转子至股骨干中段与近端交界处——即骨髓腔最狭窄处之间的骨折。由于股骨转子下生理应力的分布特点，手术治疗有较高的骨折不愈合及内固定物失用率。股骨转子下骨折的治疗目的是要矫正股骨干的内收、短缩、外旋及股骨头颈外展及后倾、外旋，恢复髋关节内收肌的张力，从而恢复肢体功能。

防旋股骨近端髓内钉(PFNA)：是一种专门为老年患者设计的髓内钉，骨折的愈合率比较高，再次手术率降低，但其是针对欧美人设计的，对于亚洲人不太适合。PFNA-Ⅱ是针对亚洲人设计的，对国内股骨转子下骨折的修复效果比较满意。

摘要

背景：关于老年股骨转子下骨折不同内固定方式的生物力学研究比较多，但关于比较防旋股骨近端髓内钉(Proximal Femoral Nail Antirotation，PFNA)-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉固定老年股骨转子下骨折的研究不多。

目的：探讨两种髓内钉PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉固定老年股骨转子下骨折的生物力学特点。

方法：建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉固定股骨转子下骨折的三维有限元模型，三维有限元法分析股骨转子下骨折PFNA-Ⅱ固定和亚洲股骨髓内钉固定的应力分布和位移情况。

结果与结论：①PFNA-Ⅱ髓内固定系统的整体最大应力、主钉最大应力和髋螺钉或螺旋刀片最大应力值均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的远端锁钉最大应力值和股骨头表面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统；②PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部和股骨头下极，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大轴向分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大矢状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大矢状面分位移；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大冠状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大冠状面分位移；③PFNA-Ⅱ髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙，但差别不太明显；④PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的的骨折断面最大应力值；⑤结果表明，与PFNA-Ⅱ髓内固定系统相比，亚洲股骨髓内钉固定股骨转子下骨折具有更好的生物力学稳定性。

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: 0000-0001-6099-6346(王连净)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 老年, 股骨转子下骨折, 内固定, 髓内钉, PFNA-Ⅱ, 亚洲股骨髓内钉, 三维有限元, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Biomechanical studies on elderly subtrochanteric fracture by different fixation ways were more, but study on relatively proximal femoral nail antirotation-II (PFNA) and Asia 2 femur nail (A2FN) fixation for femoral subtrochanteric fractures in the elderly was less.

OBJECTIVE: To study the biomechanical analysis of intramedullary nail PFNA-II and A2FN fixation for elderly femoral subtrochanteric fractures.

METHODS: Three-dimensional finite element models of femoral subtrochanteric fractures fixed by PFNA-II and A2FN in the elderly were established. Three-dimensional finite element analysis was used to analyze stress distribution and displacement after femoral subtrochanteric fractures by PFNA-II and A2FN fixation. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The overall maximum stress, nail maximum stress and hip screw or spiral blade maximum stress values of PFNA-II intramedullary fixation system were higher than that of A2FN intramedullary fixation system. The distal locking maximum stress value and femoral head surface maximum stress values of PFNA-II intramedullary fixation system were lower than that of A2FN intramedullary fixation system. (2) The maximum displacement of PFNA-II intramedullary fixation system was mainly concentrated in the large trochanter and femoral head pole. The maximum displacement of A2FN intramedullary fixation system was mainly concentrated in the large trochanter. The maximum displacement of PFNA-II intramedullary fixation system was higher than that of A2FN intramedullary fixation system. The maximum axial displacement of PFNA-II intramedullary fixation system was higher than that of A2FN intramedullary fixation system. The maximum sagittal displacement of PFNA-II intramedullary fixation system was higher than that of A2FN intramedullary fixation system. The maximum coronal displacement of PFNA-II intramedullary fixation system was higher than that of A2FN intramedullary fixation system. (3) The lateral fissure, front fissure and rear fissure of PFNA-II intramedullary fixation system were higher than that of A2FN intramedullary fracture fixation system, but the difference was less pronounced. (4) The maximum stress value on fracture section of PFNA-II intramedullary fracture fixation system was lower than that of A2FN intramedullary fixation system. (5) Results showed that A2FN intramedullary fixation system for intertrochanteric fractures has better biomechanical stability than PFNA-II intramedullary fixation system for intertrochanteric fractures.

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Key words: Femoral Fractures, Internal Fixators, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王连净，曾宪铁. 防旋股骨近端髓内钉Ⅱ和亚洲股骨髓内钉内固定修复老年股骨转子下骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(31): 4644-4650.

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图/表（结果） 3

2.1 PFNA-Ⅱ髓内固定系统和亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的各部位的最大应力情况 由表1看出，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的整体最大应力、主钉最大应力和髋螺钉或螺旋刀片最大应力值均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的整体最大应力、主钉最大应力和髋螺钉或螺旋刀片最大应力值，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的远端锁钉最大应力值和股骨头表面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的远端锁钉最大应力值和股骨头表面最大应力值，见图2。

2.2 PFNA-Ⅱ髓内固定系统和亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的位移情况 PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部和股骨头下极，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移。

PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大轴向分位移主要集中在骨折断端部位，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大轴向分位移主要集中在骨折断端部位，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大轴向分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大轴向分位移。

PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大矢状面分位移主要集中在大转子部位，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大矢状面分位移主要集中在大转子部位，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大矢状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大矢状面分位移。

PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大冠状面分位移主要集中在股骨头下极和股骨前方皮质，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大冠状面分位移主要集中在股骨前方皮质，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大冠状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大冠状面分位移(见表2)。

2.3 PFNA-Ⅱ髓内固定系统和亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的不同骨折断面部位裂隙距离比较 由表3看出，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙，但差别不太明显。
2.4 PFNA-Ⅱ髓内固定系统和亚洲股骨髓内钉髓内固定系统骨折断面的应力情况 PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力集中在骨折断面前内侧，最大应力值为8.21 MPa，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力集中在骨折断面前内侧，最大应力值为11.54 MPa，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的的骨折断面最大应力值。

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引言

股骨转子下骨折是髋部骨折的一种，骨折形态因受伤机制不同而不同，股骨转子下骨折好发于两种人群，一种是青壮年，一种是老年人^[1-3]，青壮年一般为高能量损伤，出现粉碎性骨折，老年人骨质条件较青壮年差，并常常合并有骨质疏松，多为低能量损伤，因老年人骨质脆性比较大，也容易出现粉碎性骨折^[4-6]。对于股骨转子下骨折，一般建议尽早手术治疗，内固定可以对骨折进行复位并进行固定^[7-11]，恢复骨骼的解剖结构，为以后功能恢复提高条件。股骨转子下骨折的内固定包括髓内固定和髓外固定，髓内固定有重建钉和防旋股骨近端髓内钉(proximal femoral nail antirotation，PFNA)等，髓外固定有动力髁螺钉、锁钉钢板等。股骨转子下骨折由于股骨转子下股骨髓腔小，骨皮质厚，肌肉附着比较多，且股骨应力主要集中在股骨转子处，因此股骨转子下骨折的复位比较困难。对于股骨转子下骨折，髓内固定较髓外固定更有优势：术后可以尽早下地活动，对骨折端的血运破坏比较少，在生物力学方面具有优势。PFNA是一种专门为老年患者设计的髓内钉^[12-14]，骨折的愈合率比较高，再次手术率降低，但其是针对欧美人设计的，对于亚洲人不太适合。PFNA-Ⅱ是针对亚洲人设计的，对国内股骨转子下骨折的修复效果比较满意。亚洲股骨髓内钉也是根据亚洲人的特点设计的髓内钉^[15-16]，交锁方式有重建交锁和标准交锁。文章对PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉两种髓内钉固定老年股骨转子下骨折进行研究，为临床老年股骨转子下骨折的修复提供依据。

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 三维有限元分析。

1.2 时间及地点 试验于2014年8月至2015年9月在天津市第四医院实验室完成。

1.3 材料

设备：CT扫描机由天津市第四医院放射科提供；计算机工作站为DELL PrecisionT5400工作站。

软件：Mimics 软件(比利时 Materialise 公司)，Catia 软件(法国Dassault公司)，Ansys 12.0 (美国ANSYS公司)，GeoMagic Studio9.0 (美国Raindrop公司)，HyperMesh 软件(美国Altair 公司)。

髓内钉材料：PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉均购自辛迪思公司，PFNA-Ⅱ主钉末端直径为1.0 cm，近端直径为1.6 cm，角度为130°，长度为28 cm，螺旋刀片长9.5 cm，锁钉直径0.49 cm；亚洲股骨髓内钉主钉末端直径为 1.0 cm，近端直径为13.5 cm，角度为135°，长度为28 cm。

1.4 对象 选取1名健康的73岁女性志愿者，身高157 cm，体质量69 kg，该志愿者没有肢体外伤史，没有残疾史，拍片检查及CT扫描髋关节和股骨没有异常。

1.5 方法

1.5.1 志愿者股骨近端影像资料的获得志愿者取仰卧位，CT扫描机以0.6 mm的层厚进行扫描，扫描范围为股骨头上缘1.5 cm至胫骨平台下5.5 cm。扫描的CT图像数据经计算机工作站处理后以DICOM格式进行保存。

1.5.2 建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的三维有限元模型将PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的测量数据输入到Catia软件中，建立PFNA-Ⅱ亚洲股骨髓内钉的三维模型，装配组件，将Catia软件中的PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的三维模型导入HyperMesh软件中进行网络划分，建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的有限元前处理模型，将PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的有限元前处理模型导入Ansys软件中进行优化和改进，建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的三维有限元模型。

1.5.3 建立老年股骨三维模型将DICOM格式保存的CT二维图像导入Mimics软件，并进行三维处理，将股骨和其他部分骨骼分离，对空腔进行填充，对多余部分删除，得到股骨的三维模型，以STL格式保存。将得到的三维模型资料导入GeoMagic Studio软件，进行填补空洞、编辑和打磨等处理，得到老年股骨的三维模型。

1.5.4 建立老年股骨的三维有限元模型对上述老年股骨的三维模型在GeoMagic Studio软件中进行网络优化以及生成曲面等优化处理，然后将相关数据导入ANSYS软件，进行网络划分，然后将其重新导入Mimics软件中赋予材料属性，建立老年股骨的三维有限元模型(见图1)。

1.5.5 建立老年股骨转子下骨折的三维有限元模型确定股骨转子下缘下2.5 cm处为骨折线位置，建立32-A3.1型骨折模型，在ANSYS软件中设计裂隙宽为 2 cm，股骨纵轴和骨折裂隙的夹角为0°。

1.5.6 建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉固定的股骨转子下骨折三维有限元模型在ANSYS软件中，将PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的模型根据临床手术操作技术固定到老年股骨转子下骨折三维有限元模型中，建立PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉固定的股骨转子下骨折三维有限元模型。

1.5.7 机械特性设置 PFNA-Ⅱ和亚洲股骨髓内钉的弹性模量均为108 000 MPa，泊松比均设置为0.32。

1.5.8 边界和载荷的施加设置 X轴为水平面和冠状面的相交线，Y轴为水平面和矢状面的相交线，Z轴为矢状面和冠状面的相交线，将股骨远端在X轴、Y轴和Z轴3个轴向上的位移均设置为0，即股骨远端完全固定。在股骨头上表面上施加350 N的载荷。

1.6 主要观察指标 三维有限元法分析股骨转子下骨折PFNA-Ⅱ固定和亚洲股骨髓内钉固定的应力分布和位移情况。

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讨论

股骨转子下骨折是老年患者比较常见的骨折类型，由直接或者间接暴力引起^[17]，骨折特点以粉碎性骨折比较多见^[18]。股骨转子下骨折的治疗主要有保守治疗和手术治疗。保守治疗一般用于有手术禁忌证，没有办法耐受手术，基础状况比较差的患者，但保守治疗发生髋内翻的可能性比较大，死亡率比较高^[19]。手术治疗有多种方式：①外固定支架治疗，外固定支架治疗比较适合不能耐受内固定手术者，合并有基础疾病者，外固定支架治疗能够提高患者的生活治疗和生存率，但是钢针外露，固定针容易出现松动或退出，患者屈膝受到限制^[20]。②髓外钉-板内固定系统：包括动力髋螺钉、加压空心螺纹钉、动力髁螺钉、股骨近端锁定钢板和经皮微创加压钢板等。动力髋螺钉目前应用广泛，治疗效果比较显著^[21]。加压空心螺纹钉手术时间短、创伤比较小、出血比较少。动力髁螺钉比较符合股骨的解剖特点^[22]，骨折端不容易发生变形，适合不稳定型股骨转子间骨折。股骨近端锁定钢板能够对骨折进行支撑^[23]，稳定性比较好，能够避免螺丝钉松动，具有抗压、抗张、抗剪切以及抗弯优势，对不稳定型转子间骨折和逆转子间骨折的治疗效果比较好^[24]。经皮微创加压钢板的突出优点为创伤小，术中出血少^[25-26]。③髓内内固定系统：包括有Gamma钉以及防旋型股骨近端髓内钉等，髓内内固定有发生隐性出血的风险^[27]。④股骨近端髓内钉和PFNA：股骨近端髓内钉具有滑动加压、钉力臂短、抗拉、防旋以及抗压的能力，但对手术要求高，对血运破坏大^[28]，PFNA是针对股骨近端髓内钉的不足研发的^[29]，采用螺旋刀片锁定代替螺钉固定，利于患者早日负重，比较适合于不稳定骨折、骨质疏松以及转子间粉碎性骨折^[30]。⑤联合交锁髓内钉：联合交锁髓内钉是治疗股骨转子下骨折比较有效的治疗方法，治疗效果比较显著。⑥股骨头置换或者全髋关节置换：股骨头置换或者全髋关节置换比较适合年龄比较大的患者^[31]。每种治疗方法各具优缺点，具体应根据每位患者的具体情况，选择合适的治疗方案，在多种治疗方法中，髓内固定治疗是一种比较常用的治疗方法。

髓内内固定是股骨转子下骨折比较常用的治疗方法。其中髓内钉损伤小，手术比较简单，出血少，但髓内钉比较容易退出，固定强度不足，容易出现骨折移位，增加髋内翻的发生率，临床应用不多。Gamma钉治疗股骨转子间骨折取得了一定效果，具有抗弯性强，力臂短等优点，具有抗旋转和防止髋内翻的作用，可以用于各种类型的股骨转子间骨折^[32]，但术后并发症比价多^[33]。股骨近端髓内钉是针对Gamma钉的缺点而设计的，由1枚防旋螺钉、1枚髓内主钉、1枚拉力螺钉以及2枚锁定螺钉组成，提高了近端的抗旋能力，加强近端的稳定性，降低了远端疲劳骨折的发生率^[34]，对软组织以及血运的破坏小，便于骨折的愈合^[35]，适合于各种类型的股骨转子下骨折^[36]，但不适合严重骨质疏松的患者^[37]。PFNA对股骨近端髓内钉进行了改良，PFNA主钉设计成6°外翻角，将股骨近端髓内钉2枚近端螺钉换成1枚螺旋刀片，其设计更符合人体股骨的解剖结构，使受力面积增加，减少骨松质丢失，能够使比较疏松的骨质变得比较结实，能够防止旋转，增加了稳定性^[38]，能够避免“Z”字效应，降低术后并发症的发生，降低内固定的失败率，适合于各种类型的股骨转子间骨质疏松^[39]，其缺点是有发生刀片切出股骨头的现象发生^[40]。亚洲股骨髓内钉是一种股骨顺行髓内钉，根据亚洲人的股骨特点进行设计的，有重建交锁和标准交锁两种方式，对于股骨转子下骨折的髓内固定采用重建交锁的方式，重建钉由2枚实心髋螺钉增加内固定后的抗切出以及抗旋转能力，能够提供股骨大部分的旋转强度，能够承受的载荷比较大，亚洲股骨髓内钉的重建交锁方式是重建钉的1种，在股骨转子下骨折的髓内固定治疗中疗效比价显著。

三维有限元法是一种采用几何单元解决平面问题的一种方法，在骨科有着广泛的应用，三维有限元可以用于研究骨骼的生物力学特点，研究骨折的各种内固定的生物力学比较，为不同内固定方式的研发以及改进提供依据。随着计算机技术以及图像处理技术的不断发展，以及医疗设备的不断进步，使人体的骨骼数据能够通过CT机扫描得到，并且能够转化为三维有限元软件能够兼容的形式，有利于三维有限元建立高度仿真的骨骼的三维有限元模型，因此，三维有限元分析法是目前骨骼以及骨折的生物力学研究的主要方法。文章通过建立PFNA-Ⅱ髓内钉和亚洲股骨髓内钉固定的股骨转子下骨折三维有限元模型，对两种模型的应力分布和位移情况进行分析，结果发现，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的整体最大应力、主钉最大应力和髋螺钉或螺旋刀片最大应力值均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的远端锁钉最大应力值和股骨头表面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的远端锁钉最大应力值和股骨头表面最大应力值。PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部和股骨头下极，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移主要集中在大转子部，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大位移；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大轴向分位移主要集中在骨折断端部位，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大轴向分位移主要集中在骨折断端部位，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大轴向分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大矢状面分位移主要集中在大转子部位，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大矢状面分位移主要集中在大转子部位，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大矢状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大矢状面分位移；PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大冠状面分位移主要集中在股骨头下极和股骨前方皮质，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大冠状面分位移主要集中在股骨前方皮质，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的最大冠状面分位移高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的最大冠状面分位移。PFNA-Ⅱ髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙均高于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的外侧裂隙、前方裂隙和后方裂隙，但差别不太明显。PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力集中在骨折断面前内侧，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力集中在骨折断面前内侧，PFNA-Ⅱ髓内固定系统的骨折断面最大应力值低于亚洲股骨髓内钉髓内固定系统的的骨折断面最大应力值。由此可见，亚洲股骨髓内钉髓内固定系统固定股骨转子下骨折比PFNA-Ⅱ髓内固定系统固定股骨转子下骨折具有更好的生物力学稳定性。

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