钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2795

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (27): 4265-4271.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2795

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 下一篇

钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

陈心敏1，罗斯嘉2，夏卓伟2，林梓凌3，郑利钦1，李木生1

1广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405；2丰城市中医院骨科，江西省丰城市 331100；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

收稿日期:2019-12-23 修回日期:2019-12-28 接受日期:2020-02-26 出版日期:2020-09-28 发布日期:2020-09-05
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
作者简介:陈心敏，男，1992年生，江西省赣州市人，汉族，2019年广州中医药大学毕业，硕士，主要从事骨与关节损伤的生物力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81673996)

Bone cement augmented proximal femoral nail antirotation for type A3.3 intertrochanteric femoral fractures in elderly: a finite element analysis

Chen Xinmin1, Luo Sijia2, Xia Zhuowei2, Lin Ziling3, Zheng Liqin1, Li Musheng1

1First Clinical School of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine, Fengcheng 331100, Jiangxi Province, China; 3Department of Orthopedic Trauma, the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Received:2019-12-23 Revised:2019-12-28 Accepted:2020-02-26 Online:2020-09-28 Published:2020-09-05
Contact: Lin Ziling, MD, Chief physician, Professor, Master’s supervisor, Department of Orthopedic Trauma, the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Chen Xinmin, Master, First Clinical School of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

钉道强化股骨近端防旋髓内钉：股骨近端防旋髓内钉是治疗不稳定型股骨转子间骨折较为理想的内固定之一，钉道强化即注入骨水泥包裹螺旋刀片近端4条凹槽，增加螺旋刀片把持力和锚固力，降低内固定失败风险。
老年A3.3型股骨转子间骨折：因其骨折累及内外侧壁，极大地增加了骨折不稳定性，加之老年人多为骨质疏松患者，使得老年A3.3型股骨转子间骨折内固定失败和术后并发症风险较高。

背景：骨质疏松和骨折类型是影响股骨近端防旋髓内钉内固定后失效的两个重要原因。AO31-A3.3型股骨转子间骨折因其骨折累及内外侧壁，极大地增加了骨折不稳定性，加之老年人多为骨质疏松患者，故老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定失败和术后并发症概率较高。
目的：探讨钉道强化和普通股骨近端防旋髓内钉治疗AO31-A3.3型股骨转子间骨折的生物力学差异。
方法：选取1例75岁女性AO31-A3.3型股骨转子间骨折志愿者的CT资料，导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化，得到右侧股骨三维模型。运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配，以STEP格式导入Hypermesh14.0软件中截骨得到AO31-3.3型普通股骨近端防旋髓内钉股骨转子间骨折模型，将螺旋刀片近端周围松质骨重新定义为骨水泥，得到钉道强化股骨近端防旋髓内钉模型。设置材料属性参数、边界条件、施加载荷，分别储存为K文件导入LS-DYNA软件求解。
结果与结论：①与普通股骨近端防旋髓内钉相比，骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折的螺旋刀片切割程度更轻，股骨头颈骨块内翻和旋转角度、位移均更小，具有更好的生物力学效果；②完整的外侧壁可以有效支撑股骨头颈骨块，对抗头颈骨块的内翻和旋转倾向，并作为三点支撑的外侧作用点，有效防止头颈螺钉退出；③骨水泥强大的锚固力能稳定螺旋刀片，增强三点支撑的内侧作用点，并能传导、分散压力。

ORCID: 0000-0002-9519-4797(陈心敏)

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: 钉道强化, 股骨近端防旋髓内钉, 骨质疏松, AO31-A3.3型股骨转子间骨折, 内固定, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Osteoporosis and fracture type are two important reasons for the failure of internal fixation of proximal femoral nail antirotation. Type AO31-A3.3 intertrochanteric fracture, because of its involvement in the lateral wall, greatly increased the instability of the fracture. In addition, the elderly are mostly osteoporosis patients, so failure and postoperative complications of internal fixation of proximal femoral nail antirotation in the elderly with type AO31-A3.3 intertrochanteric fracture are higher.

OBJECTIVE: To explore the difference of biomechanics between bone cement augmented and common proximal femoral nail antirotation in the treatment of type AO31-A3.3 intertrochanteric fracture.

METHODS: CT data of one 75-year-old volunteer with intertrochanteric fracture were selected to import into Mimics 19.0 and Geomagic studio 2017 software to extract and optimize the three-dimensional model of the right femur. SolidWorks 2017 software was used to draw the internal fixation model and assemble it with the femur model according to the standard operation technology. The model was imported into Hypermesh 14.0 software to cut the bone to obtain the type AO31-A3.3 model with common proximal femoral nail antirotation. The cancellous bone around the proximal end of the screw blade was redefined as bone cement, which is the model of bone cement augmented proximal femoral nail antirotation. The material property parameters, boundary conditions and applied loads were set up and stored as K files respectively and imported into LS-DYNA software for solution.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the common proximal femoral nail antirotation, the treatment of the elderly type AO31-A3.3 intertrochanteric fracture with the bone cement augmented proximal femoral nail antirotation has the advantages of lighter cutting degree of the screw blade, smaller varus, rotation angle and displacement of the femoral head and neck bone block, and better biomechanical effect. (2) The complete lateral wall can effectively support the femoral head and neck bone block and resist the skull and neck bone block as the lateral action point of three-point support. The pronation and rotation tendency can effectively prevent the head and neck screws from withdrawing. (3) The strong anchoring force of bone cement can stabilize the screw blade, enhance the internal action point of three-point support, and conduct and disperse the pressure.

Key words: bone cement augmented, proximal femoral nail antirotation, osteoporosis, type AO31-A3.3 intertrochanteric femoral fracture, internal fixation, finite element analysis

中图分类号:

陈心敏, 罗斯嘉, 夏卓伟, 林梓凌, 郑利钦, 李木生. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(27): 4265-4271.

Chen Xinmin, Luo Sijia, Xia Zhuowei, Lin Ziling, Zheng Liqin, Li Musheng.

Bone cement augmented proximal femoral nail antirotation for type A3.3 intertrochanteric femoral fractures in elderly: a finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(27): 4265-4271.

图/表（结果） 8

1.4 材料 ①计算机：联想Thinkpad P53移动图形工作站；②实验软件：详见表1。

1.5.2 建立PFNA模型参照第2代AO PFNA的具体参数，在Solidworks 2017软件中新建零件，通过拉伸、旋转、螺旋线、组合、放样等步骤得到PFNA内固定三维模型，PFNA内固定模型基本参数为：主钉长170 mm，螺旋刀片直径 10 mm，长度105 mm，颈干角130°，5°外翻角，见图1。

1.5.4 材料属性、边界条件与分析参照郑利钦等^[19]关于高龄股骨近端松质骨、皮质骨和PFNA内固定的密度、弹性模量、泊松比、屈服应力等参数设置2个模型^[20-32]。B模型骨水泥材料参数设置为：表观密度为1.18 g/cm³，弹性模量为220 000 MPa，泊松比0.2，屈服应力100 MPa^[33]，边界条件均设置为股骨远端完全固定，根据志愿者体质量，在与股骨干长轴呈10°，垂直于股骨头球面，线性加载大小为630 N的载荷。各部件相互作用设置骨与骨之间摩擦系数为0.46^[34]，骨与内固定的摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉设置为0.23，设置完成后均以K文件保存，见图2。

2.1 螺旋刀片切割 A模型首先在螺旋刀片近端周围产生切割，随着股骨头颈骨块的内翻和旋转，与主钉接触的松质骨单元受力后开始变形、消失，与螺旋刀片接触的外侧壁皮质骨随着应力增大出现变形、消失；B模型螺旋刀片骨水泥周围和股骨头颈骨块与主钉接触的部分松质骨单元消失，但消失的松质骨单元减少，切割程度较A模型明显减轻，见图3。

2.2 股骨颈内翻 A模型股骨头颈骨块受力后下沉，与小转子骨块相抵，随着载荷增大，螺旋刀片切割，小转子相接触的皮质骨变形、消失，股骨头颈骨块内翻，内翻角度达13.5°；B模型股骨头颈骨块受力后，骨水泥钉道强化螺旋刀片，其周围松质骨仅部分消失，切割程度较轻，内固定为股骨头颈骨块提供有效支撑，内翻角度仅1.5°，见图4。

2.3 股骨颈旋转 A模型股骨头颈骨块随着载荷增大，出现螺旋刀片切割和内翻，由于相抵触的小转子骨块无法提供有效支撑，股骨头颈骨块向后旋转，但骨块受主钉阻挡，向后旋转角度为5.6°；B模型股骨头颈骨块螺旋刀片切割程度轻，内翻角度小，骨块相对稳定，向后旋转角度仅0.3°，见图5。

2.4 股骨近端应力 A模型股骨头颈骨块内翻严重，应力主要集中于螺旋刀片和主钉连接处和螺旋刀片外侧壁处；B模型骨水泥钉道强化后，股骨头颈骨块主要靠内固定支撑，应力主要分布在螺旋刀片和主钉连接处。A模型最大应力达682.1 MPa，B模型最大应力达768.4 MPa，见图6。

2.5 股骨近端位移 A模型股骨头颈骨块受力下沉内翻，与之相抵的小转子骨块亦下沉，移位主要是股骨头颈骨块和小转子骨块两个部分，最大位移达20.3 mm；B模型移位主要是股骨头颈骨块，小转子骨块基本无移位，最大位移仅6.7 mm。A、B模型最大位移均是股骨头，见图7。

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引言

材料方法

1.1 设计有限元分析实验。

1.2 时间及地点于2019年11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 对象

1.3.1 病例选取选取1例合适患者作为志愿者并收集CT资料：①基本资料：75岁，女性，身高157 cm，体质量 63 kg；②病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限2 h”于2019-01-07入院，X射线提示左股骨转子间骨折、骨质疏松。既往无手术史，无肿瘤史，无先天骨骼变异，近年未服影响骨代谢药物；③伦理与知情同意：详细告知患者实验过程和目的，患者表示理解支持并签署知情同意书，同时取得广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准(医院伦理批件号：NO.Y[2019]164，审批时间：2019-03-14)。

1.3.2 扫描条件 ①地点：广州中医药大学第一附属医院影像科CT室；②体位与部位：志愿者取仰卧位，采用GE 64排螺旋CT同时扫描双侧髋部至小腿中上段并以Dicom格式保存扫描的CT数据，CT数据包含股骨全长；③扫描参数设置：扫描电压120 kV，扫描电流250 mA，层厚 2 mm，层距5 mm，每个扫描层的像素矩阵密度大小为512×512。

1.4 材料 ①计算机：联想Thinkpad P53移动图形工作站；②实验软件：详见表1。

1.5 方法

1.5.1 重建右侧股骨三维模型在Mimics 19.0软件中导入志愿者的CT影像资料，选择“bone”阈值辨别股骨，再通过编辑蒙罩、材料填充、3D提取、光顺等步骤后得到右侧股骨三维模型，并储存为STL格式文件导入Geomagic studio 2017软件，先后予划分网格、构造格栅、拟合曲面等处理后得到更为优化、仿真的右侧股骨三维模型，以STEP格式保存。

1.5.3 构建不稳定型股骨转子间骨折PFNA模型在Solidworks 2017软件中将右侧股骨三维模型与PFNA内固定模型按照标准手术技术进行装配、组合，确定尖顶距≤25 mm，并储存为STEP格式导入Hypermesh 14.0软件中，内固定直接进行网格划分。骨皮质及骨松质参照何祥鑫等^[18]对股骨通过表面网格定义皮质骨、内部网格定义松质骨的方式划分，并检查网格质量均良好。

利用Delete命令删除部分单元模拟AO31-A3.3型骨折，形成股骨头颈骨块、小转子骨块和股骨干骨块三部分，同时删除股骨远端以减少运算量，储存为普通AO31-A3.3型股骨转子间骨折PFNA模型(A模型)；截取A模型中螺旋刀片近端凹槽表面部分松质骨重新定义为骨水泥部件，储存为骨水泥钉道强化AO31-A3.3型股骨转子间骨折PFNA模型(B模型)。

1.5.5 运算及对比指标分别将K文件导入LS-DYNA软件中，设置运行内核和内存提交运算，运算结果于Hyperview中查看。

1.6 主要观察指标 ①螺旋刀片切割；②股骨颈内翻；③股骨颈旋转；④股骨近端应力；⑤股骨近端位移。

讨论

股骨转子间骨折被称为“人生的最后一次骨折”，老年人为高发人群，跌倒是其最主要的原因。AO31-A3型股骨转子间骨折不同于A1和A2型骨折，其骨折累及股骨外侧壁，股骨外侧壁的损伤会增加骨折端的不稳定性，发生内固定失败和术后并发症的概率上升^[35-38]。而AO31-A3.3型股骨转子间骨折不仅股骨外侧壁损伤，股骨内侧小转子亦破裂，更增加了其不稳定性和手术复位固定难度，内固定失败风险和并发症概率较AO31-A3.1型和AO31-A3.2型股骨转子间骨折更高，故探讨AO31-A3.3型股骨转子间骨折创新的、可行的治疗方案具有代表性和重要的临床意义。

对于高龄股骨转子间骨折的治疗，目前主要是包括动力髋螺钉、经皮加压钢板等的侧方钢板系统和包括PFNA等的髓内钉系统^[39]。如果使用动力髋螺钉内固定，本就破损的股骨外侧壁在头颈拉力螺钉钻入时可能进一步劈裂，导致整个外侧壁的破碎，头颈拉力螺钉滑动加压作用后对外侧钢板产生剪切力，极大地增加了退钉及钢板断裂的风险，手术失败率高达56%^[40]；经皮加压钢板在股骨近端置入2枚股骨颈螺钉，具有旋转稳定性，在骨折端复位良好的情况下取得较好的临床疗效，但A3型本身具有骨折难复位、复位难维持等特点，一旦术中骨折复位不良，使用经皮加压钢板内固定容易并发疼痛、髋内翻、塌陷等症状^[41]。PFNA因其中心性固定具有更短的力臂，能有效地进行负荷传递，主钉具有部分外侧壁功能，能对抗近端骨块内翻，具有更好的生物力学稳定性^[42]，螺旋刀片设计对骨质疏松患者具有更好的锚固力，且创伤小、软组织剥离少、手术时间短，是治疗AO31-A3.3型股骨转子间骨折较为理想的内固定方式，临床取得了较好的疗效^[43]。

从此文A模型结果可看出，普通PFNA治疗AO31-A3.3型股骨转子间骨折时，当股骨近端受力后，股骨头颈骨块发生内翻、旋转，进而螺旋刀片切割，最终导致PFNA内固定失效。这与现有的研究结果是一致的：作为三点支撑“外侧作用点”的股骨外侧壁破裂，无法为头颈骨块提供稳定的外侧支撑，亦不能对抗头颈骨块的旋转^[44]；同时内侧壁破裂，股骨头颈骨块与小转子骨块相接触时，破碎的小转子不能提供有效内侧支撑，头颈骨块内翻^[45-46]；加之老年人大多骨质疏松，骨小梁稀松，脆性增加，和螺旋刀片的接触面积少，把持力减弱，当应力超过骨小梁所能承受的最大应力时，骨小梁的“桁架结构”遭到破坏，螺旋刀片周围的骨小梁断裂，随着头颈骨块的内翻继而造成螺旋刀片的切割，甚至穿出股骨头。

股骨转子间AO31-A3.3型骨折PFNA内固定失败率较高，其异于其他骨折类型的解剖和生物力学特点是重要原因之一：骨折线自近内侧延伸至远外侧，近端骨块由于臀中肌和外旋肌群的牵拉外展外旋，小转子骨块受到内收肌和髂腰肌的牵拉作用向内侧移位，股骨干常有向内移位趋势，单纯的PFNA内固定术后失效率和并发症风险较高。基于此，李尧等^[47]使用PFNA联合横向小钢板重建外侧壁治疗AO31-A3.3型股骨转子间骨折；姜昊等^[48]使用有限切开钛缆捆扎辅助PFNA治疗老年骨质疏松性AO31-A3.3型股骨转子间骨折，但均需更广泛的软组织切开和剥离，手术时间相对较长，手术风险增高。

临床已有学者尝试术中打入带孔螺旋刀片后插入套管^[16，49]，于套管中注入骨水泥3-5 mL，再将骨水泥注射器与套管相连，不断旋转套管并缓慢推注骨水泥，使骨水泥均匀分布在带孔螺旋刀片的四周，术中多次透视确保骨水泥位置正确、分布均匀，推注结束后撤出套管，其余操作同普通PFNA。此方法操作简便易行，骨水泥注入耗时短，不需更广泛的软组织剥离。且在1年的随访中，骨水泥钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间骨折的42例患者均取得良好的临床疗效。但纳入的AO31-A3.3型骨折病例较少，且缺乏生物力学研究支撑。

此文作者基于计算机有限元模拟骨水泥钉道强化PFNA治疗老年股骨转子间AO31-A3.3型骨折，与普通PFNA内固定结果相比，骨水泥钉道强化PFNA模型螺旋刀片切割程度更轻，股骨头颈骨块内翻和旋转角度、位移均更小，骨折端更稳定，具有更好的生物力学效果，其原因可能是：①此次实验所用骨水泥主要是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，具有良好的力学强度，可有效增加内固定的稳定性且分散、传导应力，降低内固定失败风险^[50]；②螺旋刀片的切割实质上是螺旋刀片受力后，包绕其周围的松质骨，特别是骨质疏松的脆弱稀松骨小梁，出现微骨折，损伤累积后周围大片骨小梁断裂，失去支撑的螺旋刀片局部失稳、移动而造成的，而骨水泥注入后填充于松质骨间隙，凝固后使螺旋刀片、松质骨和骨水泥成为一个整体，其生物力学强度为螺旋刀片提供了稳定的支撑环境，有效地减轻了螺旋刀片的切割；③作为“三点支撑”外侧作用点的外侧壁损伤，无法对抗股骨头颈骨块的内翻和旋转，但骨水泥牢固地将螺旋刀片、松质骨和骨水泥锚固在一起，相当于增强了“内侧作用点”，减弱了外侧壁破裂的不利影响，增加了内固定的稳定性，且其强大的锚固力支撑着股骨头颈骨块，极大地削弱了内侧股骨矩和小转子损伤增加的外侧壁张力，减少了内固定失败的风险。但骨水泥钉道强化PFNA较普通PFNA亦有不利之处，骨水泥钉道强化后螺旋刀片和股骨头颈骨块成为相对固定的一个整体，股骨头颈骨块所受应力均传导集中于主钉和螺旋刀片连接处，所承受应力稍大且相对集中，但所受应力并未超出内固定的屈服应力，而骨折端的愈合亦能有效减轻内固定所受应力。

作者认为骨水泥钉道强化PFNA治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折是可行的：①临床研究和生物力学实验均表明，骨水泥钉道强化PFNA具有更好的临床疗效和生物力学效果；②骨水泥钉道强化PFNA是在普通PFNA手术基础上，通过简便易行的方法注入骨水泥，即保留了PFNA内固定创伤小、软组织损伤少、手术时间短等优点，又可靠地增加了骨折端和内固定稳定性；③术中注入骨水泥操作简单，不增加手术难度，且骨水泥价格便宜，患者具有更高的接受度；④骨质疏松是PFNA内固定术后失效的一个重要原因，而骨水泥的力学强度很好地克服了股骨头颈骨块中脆弱稀疏骨质疏松性松质骨微损伤的后果，减少了螺旋刀片的切割，降低了内固定失败的风险。

然而骨水泥钉道强化PFNA治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折仍有待解决之难题：①骨水泥注入量多少为宜。若注入量过少，则骨水泥锚固力不够，术后效果差；若注入量过多，容易产生应力集中，增加内固定失败风险，且注入量过多产生的热量可能会对周围骨质有不利影响。②骨水泥注入位置何处最佳。现骨水泥主要是包绕螺旋刀片4条凹槽周围，是否包绕螺旋刀片最近端具有更好的生物力学效果呢？抑或包绕螺旋刀片4条凹槽一半长度更佳？尚不清楚。③骨水泥的分布。此次实验设置骨水泥均匀地分布螺旋刀片近端，但在临床中，如何使注入的骨水泥均匀分布，避免应力集中，仍是一个有待研究的问题。④取除内固定装置问题。骨水泥钉道强化PFNA固定牢固，如何安全、微创地取除骨折内固定装置将会是临床医生的一个难题。

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

钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

Bone cement augmented proximal femoral nail antirotation for type A3.3 intertrochanteric femoral fractures in elderly: a finite element analysis

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