股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1896

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (36): 5794-5799.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1896

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股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真

郑利钦¹，陈心敏¹，张彪²，李木生¹，梁子毅¹，郑永泽¹，林梓凌^3，4

¹广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405；²湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南省长沙市 410082；³广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405；⁴广州中医药大学岭南医学研究中心，广东省广州市 510405

出版日期:2019-12-28 发布日期:2019-12-28
通讯作者: 林梓凌，博士，主任医师，教授，硕士生导师，广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405；广州中医药大学岭南医学研究中心，广东省广州市 510405
作者简介:郑利钦，男，1993年生，广东省惠州市人，汉族，广州中医药大学2017级在读硕士，主要从事骨与关节损伤的生物力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81673996)，项目负责人：林梓凌

Finite element simulation of cut-out failure of proximal femoral nail anti-rotation for intertrochanteric fracture

Zheng Liqin¹, Chen Xinmin¹, Zhang Biao², Li Musheng¹, Liang Ziyi¹, Zheng Yongze¹, Lin Ziling^{3, 4}

Online:2019-12-28 Published:2019-12-28
Contact: Lin Ziling, MD, Chief physician, Professor, Master’s supervisor, Department of Traumatic Orthopedics, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; Lingnan Medical Research Center of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Zheng Liqin, Master candidate, First School of Clinical Medicine of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996 (to LZL)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

股骨近端防旋髓内钉：是治疗不稳定型股骨转子间骨折的常用内固定系统，打入股骨头的螺旋刀片表面积大，能对骨质进行填压从而增加锚合力，具有较好的抗旋、抗内翻畸形、手术时间短等优点。

螺旋刀片切割：股骨近端防旋髓内钉主钉在股骨头内固定失效，发生切割，近端骨折块发生内翻甚至主钉穿出股骨头的现象，是股骨近端防旋髓内钉最常见的失效类型。导致切割失效的因素包括骨质量、骨折块形状大小、复位、内固定选材及放入的位置等。

摘要

背景：螺旋刀片切割是股骨近端防旋髓内钉固定失效的主要类型。目前股骨转子间骨折内固定有限元研究主要通过分析静态受力分布(Von Mises 应力云图)预测内固定失效发生的起始部位，但不能直观展示内固定失效的过程。单元删除法可直观展示构件断裂的扩展过程，将此方法应用于内固定失效的有限元研究具有实际意义。

目的：仿真模拟转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定后切割失效的生物力学过程。

方法：选取1名健康志愿者的原始股骨CT数据导入Mimics 19.0中，经过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹、光滑等步骤初步建立三维模型，并在Geomagic Studio进行优化处理，得到股骨的仿真三维模型。在SolidWorks中按照股骨近端防旋髓内钉规格参数构建股骨近端防旋髓内钉三维模型，装配组件，然后导入优化的股骨仿真三维模型，根据临床手术操作技术将股骨近端防旋髓内钉固定到到股骨近端，建立股骨与股骨近端防旋髓内钉装配模型。将装配模型导入Hypermesh对模型进行四面体网格划分，构建AO31-A2.1型骨折，设置材料参数及摩擦系数，导出K文件在LS-DYNA求解。

结果与结论：①股骨颈骨折块向远端骨折块滑移与小转子、股骨干相接触，螺旋刀片周围松质骨开始断裂、压缩，而后股骨头开始内翻、旋转，小转子阳性支撑使得内翻速度大于旋转速度，当小转子失去支撑后股骨颈旋转速度大于内翻速度，最终导致内固定失效；②起始时应力主要集中在外侧壁及转子下，随着载荷增加，小转子骨块的应力逐渐增大，并逐渐分散分布于转子间及转子下；③失效应变主要集中在接触界面，如与螺旋刀片相接触的外侧壁、股骨颈骨折端与小转子接触处、小转子与股骨干接触处；④股骨颈与小转子骨块是主要的不稳定部分，在失效过程中位移最明显，其中股骨头后方位移最大；⑤结果提示，AO31-A2.1型转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定失效是个复合过程，包含了股骨颈短缩、内翻、旋转等失效类型。

ORCID: 0000-0001-5241-1096(郑利钦)

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: 转子间骨折, 股骨近端防旋髓内钉, 内固定失效, 螺旋刀片, 生物力学, 有限元, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Spiral blade cut-out is the main failure in proximal femoral nail anti-rotation. Generally, it is based on Von Mises stress to evaluate the fixation failure risk and the primary zone in finite element analysis with a disadvantage that cannot directly demonstrate the development of failure. Element erosion method is designed to show the crack propagation in component in engineering which will have an important role in studying internal fixation failure.

OBJECTIVE: To simulate biomechanical process of cut-out failure of proximal femoral nail anti-rotation for intertrochanteric fracture.

METHODS: CT data of femur from a healthy volunteer were collected and imported to Mimics 19.0 software. After region growing, editing, smoothing and wrapping, a three-dimensional finite element model of proximal femur was created and polished in Geomagic Studio. Proximal femoral nail anti-rotation model was created in SolidWorks based on the specification and matched with the polished femoral according to the surgical protocol. Component including proximal femoral nail anti-rotation and femur was imported in Hypermesh for tetrahedron meshing and fracture constructing as AO31-A2.1. After setting material content and friction coefficient, K file was finally solved in LS-DYNA.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Femoral neck fragment slid to shaft and lesser trochanter until medial cortical contact, breakdown of cancellous bone surrounding helical blade causing varus and rotational movement of femoral head. The varus was translated faster than rotational movement with a positive support of lesser trochanter, while conversely with a negative support of lesser trochanter. Finally, these led to internal fixation failure. (2) When failure began, stress distributed on the lateral wall and under lesser trochanter, and then stress increased on lesser trochanter and dispersed over intertrochanteric region. (3) Failure strain mainly concentrated on the contact surface between helical blade and lateral wall, femoral neck and lesser trochanter, lesser trochanter and femoral shaft. (4) Femoral neck and lesser trochanter were the unstable part with the most significant displacement, especially on the posterior of femoral head. (5) Results indicate that failure of AO31-A2.1 fracture fixed by proximal femoral nail anti-rotation is compound, including crispation, varus and rotation.

Key words: intertrochanteric fracture, proximal femoral nail anti-rotation, internal fixation failure, spiral blade, biomechanics, finite element, National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R459.9|R318|R445

郑利钦, 陈心敏, 张彪, 李木生, 梁子毅, 郑永泽, 林梓凌. 股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(36): 5794-5799.

Zheng Liqin, Chen Xinmin, Zhang Biao, Li Musheng, Liang Ziyi, Zheng Yongze, Lin Ziling. Finite element simulation of cut-out failure of proximal femoral nail anti-rotation for intertrochanteric fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(36): 5794-5799.

图/表（结果） 5

2.1 单元、节点数 构建的转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定模型包含349 427单元，76 068节点，其中皮质骨单元数105 201，节点数25 668；松质骨单元数50 118，节点数15 278；股骨近端防旋髓内钉模型包含214 899单元，48 063节点。

2.2 股骨颈内翻 股骨颈骨折端先与转子间皮质骨接触，后与小转子骨块相抵触，载荷持续增大，股骨颈与小转子相抵触的皮质骨单元消失，小转子向下滑动与股骨干接触，最终股骨颈内翻，内翻角度约为17.9°，见图2。

2.3 股骨颈旋转 股骨颈骨折端先与转子间皮质骨接触，后与小转子骨块相抵触，后侧转子间皮质骨单元消失、塌陷，股骨颈骨折端向前突出、翻转，小转子下沉，最终形成股骨头向后旋转，旋转角度约为24.5°，见图3。当股骨颈与小转子处于有效支撑时，股骨颈的内翻成角速度大于旋转成角，当小转子无效支撑时股骨颈的旋转成角速度大于内翻成角，见图4。

2.5 Von Mises应力 切割过程的应力主要集中在外侧壁及转子下，随着载荷增加，小转子骨块的应力逐渐增大，应力逐渐分散分布于转子间及转子下。最大Von Mises应力261 MPa，见图6。

2.6 应变 在失效过程中，失效应变主要集中在接触界面，如与螺旋刀片相接触的外侧壁、股骨颈骨折端与小转子接触处、小转子与股骨干接触处。最大应变为1.2%，见图7。

2.7 位移 股骨颈与小转子骨块是主要的不稳定部分，在失效过程中位移最明显。其中股骨头后方位移最大，约42 mm，见图8。

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引言

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2019年1至5月在广州中医药大学岭南医学研究中心数字骨科与生物力学实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 股骨CT数据选择健康男性24岁志愿者1名，身高175 cm，体质量70 kg，志愿者无内外科疾病史，无肢体残疾、外伤史，采用GE64排螺旋CT自髋关节髋臼上缘至胫骨中上段进行扫描得到二维横断图像，以Dicom格式保存影像资料。志愿者对研究方案知情同意。

1.3.2 实验软件 Mimics 19.0、Geomagic studio 2013、SolidWorks 2016、Hypermesh 14.0、LS-DYNA均由广州中医药大学岭南医学研究中心数字骨科与生物力学实验室提供。

1.4 方法

1.4.1 建立股骨近端防旋髓内钉三维模型在SolidWorks中按照厦门大博医疗器械公司股骨近端防旋髓内钉参数构建股骨近端防旋髓内钉三维模型，装配组件，其中主钉长170 mm、近端直径16 mm、远端直径10 mm，螺旋刀片长105 mm、直径10 mm，颈干角130°。

1.4.2 建立股骨三维模型将Dicom格式的CT资料导入Mimics 19.0中，经过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹、光滑等步骤初步建立三维模型^[5]，导出为STL文件。将得到的三维模型资料导入Geomagic Studio进行优化处理，得到股骨的三维模型。

1.4.3 构建股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定模型在SolidWorks导入股骨和股骨近端防旋髓内钉模型，根据临床手术操作技术将股骨近端防旋髓内钉固定到到股骨近端，建立股骨与股骨近端防旋髓内钉装配模型，导出为STEP格式，再导入到Hypermesh对模型进行四面体网格划分，隐藏股骨近端防旋髓内钉后通过Delete工具删除部分转子间单元，构建AO31-A2.1型骨折，骨质缺损面积约为相应水平股骨近端横截面积的45%^[6]，深度约 25 mm。同时删除远端股骨以缩短计算机运算时间。设置骨折端之间接触的摩擦系数0.46，股骨与股骨近端防旋髓内钉摩擦系数0.3^[7]。此次实验主要进行螺旋刀片的切割效应，为保证内固定稳定，将螺旋刀片、尾钉分别与主钉接触设置为rigid固定。

1.4.4 定义材料属性及设置边界条件股骨近端松质骨表观密度范围ρ=0.074 9-1.73 g/cm^3[8]，此次实验设置松质骨密度分别为0.2 g/cm³，则根据松质骨弹性模量与密度关系^[8]：E=0.573ρ-0.009 4(GPa)，0.14 g/cm³≤ρ≤1.4 g/cm³及松质骨屈服压应力与弹性模量关系^[9]：σ=0.006 2E-0.41 MPa，得到松质骨弹性模量E=0.105 2 GPa，屈服压应力σ= 0.24 MPa。皮质骨、股骨近端防旋髓内钉及松质骨的其余材料参数，包括密度、弹性模量、屈服应力、泊松比、切线模量、材料硬化参数、Cowper-Symonds(C-S)模型参数及失效应变均参考自相关研究文献，详见表1。载荷大小设置为 990 N^[10]，加载方式为线性增加，方向与股骨干长轴呈10°，垂直于股骨头球面，边界条件设置为股骨远端固定。设置完成后导出为K文件，见图1。

1.4.5 提交运算及结果记录将生成的K文件导入LS-DYNA求解，结果在Hyperview中记录。主要记录的指标：螺旋刀片切割效果及此过程的Von Mises应力、应变、位移、旋转、内翻成角等。

讨论

目前研究股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折后切割效应的方法主要有X射线片、CT扫描、生物力学测试及有限元模拟。X射线片是判别股骨近端防旋髓内钉是否固定在位的最常用方法，通过X射线片可以最简便地获取骨折块与内固定物、骨折块与骨折块间相对关系，从而预判稳定性及预后。由于X射线片的二维、静态特点，转子间骨折复位后的动态变化，如近端骨折块旋转、骨折块间的接触过程仅依赖于生物力学的推测。相比于X射线片，三维的CT扫描则能提供更详细的骨折块间、骨折块与内固定之间的位置关系，然而由于费用、辐射量等因素，CT扫描评估的方法并不现实^[24]。大体标本的疲劳试验主要通过循环递增的载荷对股骨头进行加载，对股骨近端防旋髓内钉螺旋刀片切出的骨密度阈值进行预测。如有研究显示，不稳定型转子间骨折在2 100 N的循环载荷下，当股骨近端的体积骨密度小于0.25 g/cm³时髓内钉切出发生率明显增高^[25]；当体积骨密度大于0.6 g/cm³便可保证不稳定型转子间骨折(AO31-A2.3型)避免发生螺旋刀片切割^[26]，提示转子间松质骨可能存在某一切割阈值。但上述生物力学研究仅以切割阈值为研究目的，并未涉及完整的切出过程。

目前，已有研究者基于单元删除的方法，模拟出了股骨转子间骨折Grammar钉内固定后螺钉切出股骨头的动态过程^[10]，从有限元模型模拟了螺钉切出过程中近端骨折块向远端滑移、旋转、内翻最终切出股骨头的过程：股骨颈最先发生旋转导致了大量松质骨单元破坏消失，松质骨“桁架结构”破坏后内翻与切出随之发生。在尸体骨实验中，双钉固定的股骨颈比单钉固定的股骨颈发生旋转的角度更小，具有更强的抗旋转能力，表现为松质骨塌陷范围明显缩小，股骨头切出率降低^[27]。上述研究表明，股骨颈骨折块的旋转可能是髓内固定失效的重要始动因素。因此，提高股骨颈骨折块的旋转稳定性亦是研发股骨近端防旋髓内钉的初衷之一^[28]。尽管股骨近端防旋髓内钉具有优越的稳定支撑、加压松质骨和抗旋转的作用，但螺旋刀片切割、切穿等并发症仍然是主要的并发症，发生率为0.6%-3.6%，而在不稳定型股骨转子间骨折中因股骨近端防旋髓内钉失效而翻修的发生率为2.5%-7%^[29-31]。

转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定后的静态有限元分析已见诸报道，但股骨近端防旋髓内钉动态切出的有限元模型尚未见报道。作者所在课题组前期股骨近端骨折的研究显示，骨折裂纹发生处并非处于应力云图(Von-mises)中心，而是应变(strain)中心，表明仅依靠应力云图并不能预测骨折发生确切位置，由此可推论，目前静态载荷下依靠应力云图来判断骨折内固定失效可能存在一定偏差^[32]。因此此次实验所进行的股骨近端防旋髓内钉内固定失效仿真，对研究髋部骨折内固定失效的生物力学机制具有重要的实际意义。此次研究结果提示股骨近端防旋髓内钉螺旋刀片切割的大致过程为：股骨颈骨折块向远端骨折块滑移与小转子、股骨干相接触，螺旋刀片周围松质骨开始断裂、压缩，而后股骨头开始内翻、旋转，小转子阳性支撑使得内翻速度大于旋转速度，当小转子失去支撑后股骨颈旋转速度大于内翻速度，最终导致内固定失效，见图2-4。与上述Grammar螺钉切出失效的过程相似，表明股骨颈在内翻过程中伴有旋转作用，小转子骨块可能对股骨近端防旋髓内钉切割、内翻、旋转等失效有抵抗作用。股骨近端防旋髓内钉内固定后螺旋刀片切割松质骨的过程实际是与螺旋刀片接触的骨小梁在长时间的微损伤积累后出现微骨折的结果，而切穿、内翻则是微骨折形成后，裂纹继续扩展，最终导致骨质断裂的结果。松质骨“桁架结构”局部失稳是股骨近端防旋髓内钉内固定失效的起始力学因素，因此增加其空间稳定性是阻止骨小梁微损伤及微骨折损害进程、预防股骨近端防旋髓内钉失效的重要手段。

骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉是重要的方法。骨水泥强化即在钻孔的股骨颈内首先打入中空带有侧孔的螺旋刀片，然后通过中空导管向螺旋刀片内注射一定量骨水泥，待骨水泥硬化后可形成骨、骨水泥及螺旋刀片这三界面的结合，增大接触面积，从而减少了螺旋刀片直接对骨质疏松骨产生的强大应力，增加其稳定性^[33]。生物力学研究显示，在1 000 N的基础载荷下，以0.1 N/循环的载荷增加速率对股骨头进行加载，骨水泥强化的螺旋刀片切割股骨头所需要的载荷循环次数明显高于非强化螺旋刀片，其中对不稳定型转子间骨折的力学稳定性优势明显^[34-36]。但是由于骨水泥强化股骨近端防旋髓内钉目前在国内外临床研究尚处于起步阶段，相关的生物力学研究较少，而在计算生物力学研究方面更鲜有报道，骨水泥增加股骨近端防旋髓内钉稳定性的生物力学机制仍有待进一步研究。

此次模型的优势在于：①与其他静态有限元相比，此模型的动态效果更直观展示切割过程中的位移、应力变化情况，与实际情况更贴切；②此次研究所采用的C-S模型描述了材料在载荷下强度随应变率增加而增强的动态过程。骨组织在断裂过程中符合C-S模型的特性，即骨质断裂过程存在强度增加的现象。在表观密度及各向异性度一定的情况下，松质骨、皮质骨的应变率随着载荷速率增加而线性增大，从而增加骨的断裂韧性及压缩强度^[37]，因此此次研究结果可能更符合实际结果；③此模型可以进行单一因素的有限元对照实验，以验证股骨近端防旋髓内钉失效的其他危险因素，如骨折分型、尖顶距大小、骨折端的复位(如阳性支撑、阴性支撑)、骨质疏松程度、载荷的大小、方向及速率等。

此次研究的不足及展望：①实验的载荷为线性增加，但实际上人行走过程的应力成正弦曲线，尽管内固定在达到最大载荷前单次加载与循环载荷的应力结果相近^[38]，但仍然有必要研究正弦载荷下股骨与股骨近端防旋髓内钉的应力、位移变化；②此模型仍然以股骨为各向同性的材料基础上进行切割模拟，实际上骨为各向异性材料，在涉及断裂、失效等有限元实验时材料属性会影响失效的结果^[3]，在Hypermesh中尚可设置材料为各向异性，但涉及的相关参数(如X，Y，Z轴各方向上的弹性模量、屈服应力等)目前仍然缺乏相关参考文献，未来需要深入文献研究及实验研究以获取相关数据；③实验主要研究对象为股骨，因而忽略了股骨近端防旋髓内钉在失效过程中的应力、应变过程，未来将调试软件以模拟股骨近端防旋髓内钉断裂、退钉等失效过程，从而为研究内固定失效提供新方法；④研究旨在切割失效的仿真，从而为后续更多失效因素的研究提供方法基础。内侧骨缺损时骨折不稳定，与选用长钉相比，选用超短钉发生切割、切出的可能性更大，符合此次研究的目的；⑤此文所用方法模拟的结果为疲劳结局，而非疲劳的过程，因此得出的结果可能与已有的研究存在一定出入，这是此文所用软件的特点所决定的。疲劳失效涉及到更复杂的工况设置及算法，目前作者所在课题组尚未将Hypermesh应用于内固定疲劳失效的研究当中。疲劳失效会是将来研究的方向。

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

股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真

Finite element simulation of cut-out failure of proximal femoral nail anti-rotation for intertrochanteric fracture

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