4枚空心钉与3枚空心钉结合支持钢板内固定治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1479

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨颈骨折内固定：目前内固定方式治疗股骨颈骨折主要有3枚空心拉力螺钉、动力髋螺钉或股骨近段锁定钢板进行固定，其中3枚空心拉力螺钉固定方式因采用闭合复位平行股骨颈长轴经皮置入，手术简单，创伤小，螺钉可持续加压骨折端，固定牢靠，在临床上被广泛应用。但对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，因骨折端极端不稳定，3枚空心拉力螺钉固定后骨折端骨不连、股骨头坏死等并发症发生率较高。

4枚空心拉力螺钉固定：有学者认为Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折断端剪切力较大，3枚空心拉力螺钉固定强度不足，因此提出在应用3枚空心拉力螺钉的基础上，增加1枚水平空心拉力螺钉垂直骨折线固定，对抗剪切力作用以增强稳定性。

3枚空心拉力螺钉结合股骨颈内侧支持钢板固定：采用切开复位，3枚空心拉力螺钉平行股骨颈长轴固定骨折端，另外增加一块小锁定钢板置于股骨颈内侧，起到支持作用。

Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折：Pauwels 角分类是股骨颈骨折中一种经典的分类方式，按照骨折线与水平线的夹角将股骨颈骨折分为3类，即< 30°为 PauwelsⅠ型，30°-50°之间为 PawelsⅡ型，> 50°为Pauwels Ⅲ型。随着 Pauwels 角度的增大，股骨颈骨折断端所承受的剪切力也呈现出显著增加的趋势，所要求的骨折内固定强度也越高，同时出现内固定失败的概率也越大。

摘要

背景：股骨颈骨折的内固定方式主要采用 3 枚空心螺钉固定，有学者提出Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折在应用3枚空心拉力螺钉固定的基础上增加1枚抗旋螺钉，以增强固定效果，收到较好的临床疗效。也有作者提出行切开复位治疗Pauwels Ⅲ型骨折，采用3枚空心钉附加股骨颈内侧支持钢板，认为切开复位能使骨折端达到解剖复位，减轻关节囊压力，且不增加股骨头血供的破坏，目前也在临床推广使用。对2种内固定方法的生物力学效果优劣未见报道。

目的：通过建立4枚空心钉与3枚空心钉结合支持钢板2种内固定治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的三维有限元模型进行生物力学比较，为临床应用提供参考。

方法：利用逆向建模技术，将25岁男性青年健康股骨CT数据及内固定数据导入相关软件，志愿者知情同意，实验方案得到医院伦理委员会批准。分别建立Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的4枚空心钉与3枚空心钉结合支持钢板三维有限元模型。模拟单腿站立进行加载，比较2组骨折端最大位移、内固定最大Von Mises 应力及应力分布等指标。

结果与结论：①4枚空心钉、3枚空心钉结合支持钢板三维有限元模型的骨折端最大位移分别为0.71 mm和0.43 mm；②4枚空心钉、3枚空心钉结合支持钢板三维有限元模型Von Mises 应力分别为436.6 MPa和227.2 MPa，3枚螺钉结合支持钢板组应力分布更加均匀，更符合正常股骨生物力学特点；③表明2种内固定方式均能提供良好的固定强度，但3枚空心钉结合支持钢板相较4枚空心钉固定稳定性更好，应力分布更均匀，是治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的较好选择。

ORCID: 0000-0003-1181-0490(殷浩)

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: 股骨颈骨折, 内固定, 空心钉, 支持钢板, 位移, 应力, 生物力学, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Femoral neck fracture was mainly fixed by three cannulated screws. Some scholars have proposed that Pauwels III femoral neck fracture should be fixed with three cannulated screws and one antiwhirl screw to enhance the stability of fracture ends. Others suggested that open reduction should be used to treat Pauwels III fracture. Three cannulated screws combined with buttress plate of medial femoral neck is another treatment option. It was believed that open reduction could achieve anatomical reduction of the fracture end, reduce the pressure of the articular capsule, and not increase the destruction of the blood supply of the femoral head. The biomechanical effects of the two internal fixation methods have not been reported.

OBJECTIVE: To compare the biomechanical stability and stress of the four cannulated screws and three cannulated screws combined with buttress plate fixation for the treatment of the Pauwels III femoral neck fractures.

METHODS: The CT imaging results and internal fixation data of a 25-year-old healthy male volunteer were imported into the Mimics software using reverse modeling technique. The participant signed the informed consent. The protocol was approved by the Hospital Ethics Committee. Finally, finite element models of Pauwels III femoral neck fractures fixed with four cannulated screws and three screws cannulated screws combined with buttress plate were established respectively. An axial load of 500 N was applied on the femoral head to simulate one leg standing in Abaqus software. The maximum displacement, maximum Von Mises stress and stress distribution were compared between the two models.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum displacement was 0.71 mm in four screws model, and 0.43 mm in the three screws combined with buttress plate model. (2) Von Mises stress peak was 436.6 MPa and 227.2 MPa in four and three screws combined with buttress plate models respectively. The stress distribution of the three screws combined with the plate group was more uniform, and more in line with the biomechanical characteristics of the normal femur. (3) Both two kinds of internal fixation methods demonstrate good fixation effect. The three cannulated screws combined with buttress plate model provide better stability and uniform stress distribution compared with four cannulated screws. The three cannulated screws combined with buttress plate is a good choice for the treatment of Pauwels III femoral neck fracture.

Key words: femoral neck fractures, internal fixators, hollow screws, buttress plate, displacement, stress, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

R445|R459.9|R687.3+2

殷浩，周恩昌，潘政军，陈光，江华. 4枚空心钉与3枚空心钉结合支持钢板内固定治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(32): 5133-5137.

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图/表（结果） 3

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引言

股骨颈骨折是临床上常见的髋部骨折，占全身骨折的3.58%，不仅见于老年人，也常见于青壮年，可由车祸等直接暴力或跌伤等间接暴力导致^[1-3]。其中，PauwelsⅢ型股骨颈骨折是不稳定型骨折，多见于青壮年，通常是高能量创伤、垂直剪式应力作用下的一种极不稳定的骨折，骨折不愈合和股骨头坏死是其治疗难题^[4-5]。Liporace等^[6]研究显示垂直型股骨颈骨折骨不连和头坏死分别为16%和11%，而Jo等^[7]也发现股骨颈骨折术后骨不连和头坏死发生的概率与Pauwels分型密切相关。临床常用固定方法有3枚空心钉内固定、动力髋螺钉、股骨近端外侧钢板等。虽然3枚空心钉固定创伤小，简单方便，价格低廉，但因骨折线过于垂直，空心钉固定抗剪切力及抗旋能力差，内固定失败风险较大。股骨近端外侧钢板为锁定型，只能起到内支架作用，对骨折端无滑动加压及复位作用，钢板断裂较为常见。而动力髋螺钉虽然固定效果较前改善，但需要切开复位，内植物体积大，对骨质破坏及血供影响较大，尤其对于女性及骨质疏松老人固定稳定性差，创伤大^[8-10]。

近年来，有学者采用4枚空心钉固定骨折端，其中3枚常规平行于股骨颈长轴，1枚垂直于骨折线，收到了较好的临床效果^[11]。而采用3枚空心钉结合股骨颈内侧支持钢板是一种新颖的固定方式，该固定牢靠，复位理想，且并不增加骨不连和头坏死的概率^[12-14]。但哪种固定方式更适合于临床及2种固定方式的生物力学特点并未见诸报道。

文章通过建立Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的三维有限元模型，模拟置入4枚空心钉或3枚空心钉结合内侧支持钢板，试比较2种内固定方式的稳定性及内固定应力分布情况，为临床应用提供参考。

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 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2018年1至11月在安徽医科大学第三附属医院实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 设备 GE 128排CT机由安徽医科大学第三附属医院影像科提供；联想笔记本电脑1台，计算机工作站为Windows 10 Home操作系统。

1.3.2 软件 Mimics 14.0 软件(比利时 Materialise公司)，Geomagic Studio 12(美国Geomagic公司)，交互式计算机辅助设计与计算机辅助制造软件Solidworks2013 (法国Dassault Systemes S.A公司)，Hypermesh 10.0 (美国Altair公司)，Abaqus 6.14(美国Dassault公司)。

1.3.3 内固定材料空心拉力螺钉、锁定重建钢板等由江苏华森公司提供。

1.4 对象 健康男性志愿者1名，25岁，身高175 cm，体质量75 kg。无遗传病及慢性病史，无手术史，CT扫描及拍片检查无髋部骨骼无异常，患者签订知情书。GE公司128排螺旋CT沿胫骨平台面向上至股骨头扫描，层厚0.625 mm，图像资料以DICOM格式保存。

1.5 方法

1.5.1 建立正常股骨全长实体模型将DICOM文件导入 Mimics 14.0，构建股骨全长模型并光滑处理后，输出为 STL格式文件。将STL文件导入 Geomagic Studio12.0 软件(RaindropGeomagic 公司，美国) 进行图像光顺、优化、拟合曲面，以Iges格式文件输出。将松质骨与皮质骨模型进行装配获得完整股骨模型，模拟截骨法建立PauwelsⅢ型股骨颈骨折模型，骨折线位于股骨颈中部，Pauwels角70°。

1.5.2 骨折内固定模型的建立

空心拉力螺钉：设计空心拉力螺钉长90-100 mm，螺杆直径6.0 mm，螺纹直径7.3 mm，螺纹长2.0 mm，位于螺钉远端。将数据进行全真模拟并计算，以.iges格式保存输出。

锁定重建钢板：4孔直行重建锁定钢板长度50 mm，锁定螺钉4枚：长35 mm，直径3.5 mm。

1.5.3 建立4枚拉力螺钉模型将骨折用4枚空心钉固定，其中3枚螺钉位置按照坎贝尔骨科手术学AO手术方法^[15]，沿股骨颈长轴呈正三角型排列，另外1枚垂直骨折线，建立拉力螺钉模型。

1.5.4 建立3枚拉力螺钉加内侧支持钢板模型其中3枚沿股骨颈长轴呈正三角型排列，一块4孔重建钢板塑形后紧贴股骨颈内侧支持固定。

1.5.5 建立股骨颈骨折内固定模型将股骨模型和2种内固定模型导入到Hypermesh软件，进行装配，然后导入有限元分析软件Abaqus 6.14进行处理分析，建立股骨颈骨折内固定的三维有限元模型。

1.5.6 机械特性设置所有模型均采用C3D4结构实体单元进行网格划分。材料属性参数：皮质骨弹性模量17 GPa，泊松比0.3；松质骨弹性模量1.3 GPa，泊松比为0.3，钢板、螺钉定义为钛合金，弹性模量200 GPa，泊松比为0.3^[16]。

1.5.7 载荷和边界条件模拟75 kg成年人行走时单腿负重情况下股骨承载力，固定股骨远端，设置边界条件为全约束，在股骨头顶点处施加载荷，按文献[17-18]计算轴向载荷约为500 N。

1.6 主要观察指标 ①骨折断端的位移变化：记录骨折断端相邻两点间相对距离的变化最大值；②2个模型上内固定应力峰值及应力分布情况。

讨论

3.1 PauwelsⅢ型股骨颈骨折内固定方式 Garden分型是股骨颈骨折最常见的分型方法，但对于移位关节内骨折分类较模糊。股骨颈骨折的Pauwels分型另一种经典分型方法。Pauwels角度的增大，意味着骨折断端所承受的剪切力显著增加，骨折端移位趋势加大，所需求的内固定强度也越高，同时出现内固定失败的风险也提高^[19]。因该型骨折多见于青壮年，早期关节置换并不适宜，因此选择合适的内固定方式至关重要。目前采用内固定治疗股骨颈骨折方式较多，以3枚空心拉力螺钉平行股骨长轴固定模式最常见，与动力髋螺钉和锁定钢板相比，该固定方式创伤小，骨折端滑动加压，有利于骨折的愈合，但存在难以解剖复位，骨折端稳定性欠佳特点，其并发症发病率可高达30%-50%^[20-21]。新采用的4枚螺钉固定方式是在3枚螺钉的基础上增加1枚垂直于骨折线的抗剪切力螺钉^[22]。另一种固定方式在3枚螺钉的基础上附加内侧支撑钢板从理论上能更好传递载荷，分散应力，符合骨折治疗的生物力学原理，较3枚空心钉固定骨折复位质量高，骨不连及内固定失效减少，而骨坏死无明显差异^[5，12]。但缺乏有效的实验研究，为此作者通过有限元方法来比较两者生物力学特性，以期指导Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的治疗。有限元法是一种高效能、常用的计算方法。其基本原理是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，以求解连续体力学问题的数值方法。随着计算机技术的发展，目前广泛用于航空航天、汽车制造、工程机械及生物力学等领域。近年来，有限元分析方法也广泛应用于骨科领域，检测骨折愈合及内固定物的性能，收到较好效果^[23-27]。

3.2 不同固定方法下的应力分布及稳定性 在骨折正常愈合过程中，可分为一期愈合和二期愈合。在对骨折进行坚强内固定与外固定时，骨折可发生一期愈合；一期愈合过程中，一般无内外骨痂的生成。而在对骨折进行非坚强内固定时，即骨折断端存在相对移动，导致以骨折二期愈合局部则形成外骨痂、内骨痂为主要模式，目前普遍认为微动能刺激机体分泌骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子，更有利于骨折修复愈合^[28-30]。此次实验证明，2种内固定方式在模拟加载时，骨折端的位移都比较小，都小于1 mm，说明骨折端稳定性较好。实际上，骨折愈合是一个极其复杂的生物学过程，血供好和坚强固定可导致骨折一期愈合；而相对稳定也能促进骨折愈合，应力、微动与骨折愈合关系密切，应力能产生微动，同时微动又能改变应力^[31]。所谓“微动”，即骨折端控制性细微运动；可通过内外固定装置联合微动动力装置、电流刺激以及自身的功能锻炼实现微动。研究表明轴向应力所产生的微动对骨折愈合有利，微动的量即骨折端轴向微动的距离，以0.2-1.0 mm为宜，超过2 mm则对骨折愈合有害^[32]。强度是材料在不发生形变的情况下对抗外负荷的能力，决定了内植物所能承受的负荷大小，2种内固定上应力200-400 MPa远大于周围骨骼的应力，且远大于股骨的疲劳强度(80-120 MPa)，而小于内固定物的疲劳强度 (100 MPa)^[33]，说明2种固定方式均牢靠有效。

4枚螺钉模型的单钉应力峰值，横行螺钉较大，其他3枚相差不大，且应力分布较为分散，载荷下骨折端的位移小，说明内固定对抗骨折剪力时稳定性强。而3枚钉结合内侧支持钢板的应力分布更加符合正常的股骨近段应力分布，骨折端的位移峰值对4枚钉组小(0.43 mm<0.71 mm)，内固定上应力峰值相对4枚钉组小(227.2 MPa<436.6 MPa)，减少骨折端微动，说明稳定性强，螺钉和钢板的应力分布都较平均，内侧钢板部分替代了股骨矩作用，支撑力强，有效分散了骨折端的剪切力，3枚螺钉共担了股骨颈内的张应力和压应力。Kunapuli等^[34]的生物力学研究证实附加内侧钢板的空心钉固定强度优于动力髋螺钉方法，附加内侧支撑钢板可以更加有效地对抗增加的剪切力，提高力学稳定性。张浩等^[17]通过有限元模型分析，也发现4枚钉固定相较3枚螺钉时骨折端位移减小，应力分布更为均匀。由于有限元分析方法建立的模型与实际临床情况仍有较大差异，所以其实验结果应是为临床上该类股骨颈骨折内固定方式选择提供生物力学证据。

3.3 临床意义 此次实验初步证实，2种固定方式均能较好地承担Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折端的剪切应力，内固定应力分散均匀，能有效固定骨折，避免内固定松动和折断，良好的稳定内环境能促进骨折愈合。多篇文献也表明3枚空心钉结合内侧支持钢板固定较单纯3枚螺钉固定骨折复位质量高^[12，35-36]，骨不连及内固定失效减少(P < 0.05)，而骨坏死无明显差异。而4枚空心钉内固定治疗青壮年股骨颈骨折，与采用3枚空心钉或动力髋螺钉结合防旋螺钉内固定比较，具有手术时间短、手术创伤小、出血量少及住院时间短，内固定失败少等优点^[11，37-38]。但Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折术中闭合复位较为困难，行4枚螺钉固定必然增加了射线摄入及手术时间，且对于矮小及老年人群，可能存在螺钉置入空间不足，相互影响，骨质损伤大，螺钉把持力不够的情况。3枚螺钉附加钢板组虽属切开复位术，但行髋关节前侧入路，并不明显加重股骨头血供的破坏^[39-40]，能直视下达到解剖复位，内固定位置佳，能对关节腔减压，是一种比较值得推荐的手术方案，但手术费用稍高。该2种固定方法均要求较高的手术技巧，并不建议用于所有Pauwels分型股骨颈骨折。

3.4 研究的不足之处有限元分析是骨生物力学测试中较简单、经济、理想化的方法，与临床实际存在一定差异。现实股骨颈骨折移位个性化差异大，术中很难达到解剖复位，内固定的位置难以统一，内固定在体内的生物学环境及应力的传递极为复杂。此次实验模型采用健康人体建模材料理想化为均质、各向同性；同时还忽略了人体各种运动状态下，周围软组织的应力，故实验结果仍需大量的生物力学实验和临床实践来验证。对于不同骨质量、不同股骨几何构造和附加行走、跑步的等不同工况下，内固定及股骨生物力学性能的改变是下一步研究目标。

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