有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2383

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (6): 831-836.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2383

• 骨与关节生物力学Bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系

蔡群斌1，邹霞2，胡剑涛2，陈心敏3，郑利钦3，黄培镇1，林梓凌1，姜自伟1

1广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405；2丰城市中医院，江西省丰城市 331100；3广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405

收稿日期:2020-03-12 修回日期:2020-03-18 接受日期:2020-04-15 出版日期:2021-02-28 发布日期:2020-12-02
通讯作者: 姜自伟，博士，副主任中医师，硕士生导师，广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405
作者简介:蔡群斌，男，1985年生，广东省潮州市人，汉族，广州中医药大学毕业，硕士，主治医师，主要从事骨与关节损伤的诊治与研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81673996)；广州中医药大学第一附属医院“创新强院”临床研究专项项目(2019IIT11)

Relationship between tip-apex distance and stability of intertrochanteric femoral fractures with proximal femoral anti-rotation nail: a finite element analysis

Cai Qunbin1, Zou Xia2, Hu Jiantao2, Chen Xinmin3, Zheng Liqin3, Huang Peizhen1, Lin Ziling1, Jiang Ziwei1

1First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine, Fengcheng 331100, Jiangxi Province, China; 3First Clinical Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Received:2020-03-12 Revised:2020-03-18 Accepted:2020-04-15 Online:2021-02-28 Published:2020-12-02
Contact: Jiang Ziwei, MD, Associate chief TCM physician, Master’s supervisor, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Cai Qunbin, Master, Attending physician, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996; the Special Clinical Research Project Named “Innovation and Strengthening Hospital” of the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, No. 2019IIT11

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
尖顶距：是指正侧位X射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头顶点距离的总和，现大多数学者认为保证头髓钉尖顶距≤25 mm预后较好。
股骨转子间骨折：是临床的常见病症，现普遍认为应手术治疗，股骨近端防旋髓内钉是手术治疗应用最广泛的内固定。股骨转子间骨折内固定术后失效时有发生，其原因可能与尖顶距、骨密度、骨折类型、复位质量等密切相关。

背景：股骨近端防旋髓内钉是治疗股骨转子间骨折较为理想的一种内固定方式，但仍有6%-21%的内固定失败率，而尖顶距被认为是股骨近端防旋髓内钉术后失效的一个重要原因。尖顶距是指正侧位X射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头顶点距离的总和，现大多数学者认为保证头髓钉尖顶距≤25 mm预后较好，但仍存在较多争议。
目的：探讨不同尖顶距影响股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的生物力学差异，为临床治疗转子间骨折提供新思路和实验基础。
方法：选取1例左侧股骨转子间骨折患者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切割为AO2.1型骨折的股骨模型按照标准手术技术装配，分别得到尖顶距为15，20，25，30 mm的4个模型，导入Hypermesh 14.0软件中划分网格，再以inp格式导入Abaqus 2016中，设置材料属性参数、边界条件、施加载荷后提交求解，在可视化模块中查看运算结果。
结果与结论：①尖顶距值过大(30 mm)或过小(15 mm)时，股骨近端应力虽减小，但股骨头颈骨块和小转子骨块位移较大，内翻较严重；尖顶距值居中(20，25 mm)时，股骨头颈骨块位移和内翻较小，小转子骨块基本无移位；②股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折应调整尖顶距值于20-25 mm之间，骨折端稳定、移位小，具有较好的生物力学效果。

https://orcid.org/0000-0002-8247-8598 (蔡群斌)

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: 骨, 骨折, 尖顶距, 股骨, 转子间骨折, 髓内钉, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The proximal femur anti-rotation intramedullary nail is an ideal internal fixation method for the treatment of intertrochanteric fractures, but there is still a 6% to 21% failure rate of internal fixation. Tip-apex distance is considered as an important cause of postoperative proximal femur anti-rotation intramedullary nail failure. Tip-apex distance is the sum of the distance from the tip of lag screw to the vertex of femoral head measured on anteroposterior and lateral X-ray films. Most scholars now believe that the tip-apex distance of head pulp nail ≤ 25 mm has a good prognosis, but there is still a lot of controversy.

OBJECTIVE: To investigate the biomechanical differences of the treatment of intertrochanteric femoral fractures by proximal femoral anti-rotation intramedullary nail with different tip-apex distances and provide a new idea and experimental basis for the clinical treatment of intertrochanteric fractures.

METHODS: CT data of one volunteer were imported 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 AO2.1 type fracture femur model in different tip-apex distance according to the standard operation technology. Totally four models with tip-apex distance of 15, 20, 25, and 30 mm were obtained and imported into HyperMesh 14.0 software to mesh. The four models were imported into Abaqus 2016 software in inp format to set up with material property parameters, boundary conditions and applied loads. Finally, operation results were viewed in the visualization module.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) When tip-apex distance was too large (30 mm) or too small (15 mm), the stress at the proximal femur was reduced, but the displacement of the femur head and neck fragment and the lesser trochanter fragment was larger and the inversion was more serious. When tip-apex distance was in the middle (20, 25 mm), the displacement and varus of femoral head and neck fragment were small, and the lesser trochanteric fragment was basically unshifted. (2) In the treatment of intertrochanteric femur fractures, tip-apex distance should be adjusted to 20-25 mm to reduce displacement and obtain a better biomechanical effect.

Key words: bone, fracture, tip-apex distance, femur, intertrochanteric fracture, proximal femoral nail anti-rotation, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.

Cai Qunbin, Zou Xia, Hu Jiantao, Chen Xinmin, Zheng Liqin, Huang Peizhen, Lin Ziling, Jiang Ziwei. Relationship between tip-apex distance and stability of intertrochanteric femoral fractures with proximal femoral anti-rotation nail: a finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(6): 831-836.

图/表（结果） 7

2.1 模型单元、节点数构建完成后，A、B、C、D共4个模型的单元节点数详见表2。

2.2 股骨近端应力当股骨头受力后，因小转子破裂，股骨矩不完整，股骨头颈骨块下压、内翻，与小转子骨块相抵，同时置入的螺旋刀片和完整的股骨外侧壁支撑着头颈骨块，维持骨折端稳定。A、B、C、D模型应力依次为448.9，501.3，498.9，464.3 MPa，B模型应力最大，A模型应力最小，详见图2。

2.3 骨折端应力骨折端应力主要集中于提供支撑的小转子骨块与头颈骨块相抵的断端，并向股骨干内侧皮质延伸，完整的外侧壁将内固定传导的应力向股骨远端分散。A模型骨折端应力最大，为163.1 MPa；D模型骨折端应力最小，为82.7 MPa，详见图3。

2.4 内固定应力当股骨头受压时，置入股骨头中心的螺旋刀片是有力的支撑，A、B、C、D模型内固定均为主要的受力结构，最大应力均集中于螺旋刀片和主钉的连接处，而A、D模型应力不仅在连接处，且向螺旋刀片近端延伸，详见图4。

2.5 股骨头颈骨块位移内固定、外侧壁和内侧的小转子骨块均对头颈骨块起着支撑作用，但置入的螺旋刀片位置不同，支撑效果亦不同。A、D模型头颈骨块移位明显较大，且小转子骨块远端向上、向内移位，B、C模型头颈骨块移位相对较小，小转子基本无移位，详见图5。

2.6 股骨头颈骨块内翻当螺旋刀片对头颈骨块的锚固力不够时，容易产生切割进而内翻。在未变形的模型上，测量股骨颈长轴与水平线相汇的交角α0；在变形的模型上，测量股骨颈长轴与水平线相汇的交角α1，则头颈骨块内翻角α=α0-α1。A、D模型头颈骨块的内翻角度明显大于B、C模型，详见图6，7。

参考文献

[1] GUO Y, YANG HP, DOU QJ, et al. Efficacy of femoral nail anti-rotation of helical blade in unstable intertrochanteric fracture. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2017;21(3 Suppl):6-11.
[2] WANG J, MA JX, LU B, et al. Comparative finite element analysis of three implants fixing stable and unstable subtrochanteric femoral fractures: Proximal Femoral Nail Antirotation (PFNA), Proximal Femoral Locking Plate (PFLP), and Reverse Less Invasive Stabilization System (LISS). Orthop Traumatol Surg Res. 2020;106(1):95-101.
[3] VÉLEZ M, PALACIOS-BARAHONA U, ARANGO-POSADA MM, et al. Functional results and complications of the use of the proximal femoral nail in the treatment of intertrochanteric hip fractures. Acta Ortop Mex. 2018;32(3): 126-130.
[4] XU R, RU J, JI F, et al. Comparison of efficacy, complications and TGF-β2 expression between DHS and PFNA in elderly patients with osteoporotic femoral intertrochanteric fracture. Exp Ther Med. 2018; 16(1): 394-399.
[5] BUYUKDOGAN K, CAGLAR O, ISIK S, et al. Risk factors for cut-out of double lag screw fixation in proximal femoral fractures. Injury. 2017; 48(2): 414-418.
[6] FUJII T, NAKAYAMA S, HARA M, et al. Tip-Apex Distance Is Most Important of Six Predictors of Screw Cutout After Internal Fixation of Intertrochanteric Fractures in Women. JBJS Open Access. 2017;2(4): e0022.
[7] 武政,刘向栋,常宝生. PFNA治疗高龄不稳定性股骨转子间骨折内固定失败的危险因素分析[J]. 局解手术学杂志, 2017, 26(8): 616-619.
[8] 段志斌. 股骨近端防旋髓内钉术后螺旋刀片穿出股骨头的影响因素分析[D].南昌:南昌大学,2018.
[9] BAUMGAERTNER MR, CURTIN SL, LINDSKOG DM, et al. The value of the tip-apex distance in predicting failure of fixation of peritrochanteric fractures of the hip. J Bone Joint Surg Am. 1995;77(7):1058-1064.
[10] NIKOLOSKI AN, OSBROUGH AL, YATES PJ. Should the tip-apex distance (TAD) rule be modified for the proximal femoral nail antirotation (PFNA)? A retrospective study. J Orthop Surg Res. 2013;8:35.
[11] ZHOU JQ, CHANG SM. Failure of PFNA: helical blade perforation and tip-apex distance. Injury. 2012; 43(7): 1227-1228.
[12] 李海丰, 王华, 张英琪, 等. 头髓钉治疗高龄股骨转子间骨折的尖顶距与螺旋刀片移位的关系[J]. 中国修复重建外科杂志, 2019, 33(10): 1234-1238.
[13] 郭团茂, 翟红兵, 陈文恒, 等. 采用三种手术方法治疗老年骨质疏松性股骨粗隆间骨折疗效比较[J]. 中国临床医生杂志, 2020, 48(2): 205-207.
[14] 张扬宁, 陈文杰, 陈海南. 动力髋螺钉与股骨近端防旋髓内钉治疗老年股骨近端骨折的疗效比较[J]. 山西医药杂志, 2020, 49(4): 436-438.
[15] 任德新. 股骨近端防旋髓内钉固定治疗累及外侧壁的股骨转子间骨折有限元分析[D].沈阳:中国医科大学,2018.
[16] 郑利钦, 陈心敏, 张彪, 等. 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.
[17] ADIB HAJBAGHERY M, ABBASINIA M. Quality of life of the elderly after hip fracture surgery: a case-control study. J Caring Sci. 2013; 2(1): 53-59.
[18] CLOSE JD, SWARTZ K, DEU R. Hip fracture in older patients: tips and tools to speed recovery. J Fam Pract. 2013; 62(9): 484-492.
[19] 张世民, 马卓, 杜守超. 股骨近端外侧壁的解剖学研究及其对转子间骨折内固定的意义[J]. 中国临床解剖学杂志, 2016, 34(1):39-42.
[20] 李鹏飞, 吕扬, 周方. 合并内侧壁骨折块的股骨粗隆间骨折的研究进展[J]. 中国微创外科杂志, 2020, 20(1):70-73.
[21] 杨林, 杨浩, 谭科, 等. PFLCP与PFNA治疗老年不稳定型粗隆间骨折在不同时期的疗效对比分析[J]. 四川医学, 2019, 40(12): 1227-1231.
[22] KUZYK PR, LOBO J, WHELAN D, et al. Biomechanical evaluation of extramedullary versus intramedullary fixation for reverse obliquity intertrochanteric fractures. J Orthop Trauma. 2009;23(1): 31-38.
[23] KOKOROGHIANNIS C, AKTSELIS I, DELIGEORGIS A, et al. Evolving concepts of stability and intramedullary fixation of intertrochanteric fractures--a review. Injury. 2012;43(6): 686-693.
[24] 徐杨俊, 郑卫平, 刘又生, 等. 3种内固定治疗老年骨质疏松性股骨转子间骨折的疗效比较[J]. 临床骨科杂志,2019,22(6):727-730.
[25] BREKELMANS WA, POORT HW, SLOOFF TJ. A new method to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts. Acta Orthop Scand. 1972; 43(5): 301-317.
[26] 何祥鑫, 李鹏飞, 林梓凌, 等. 基于有限元分析法的老年粗隆间骨折建模仿真[J]. 中国医药导报,2017,14(24): 88-91+195.
[27] 孙文涛, 李鹏飞, 林梓凌, 等. 基于断裂力学模拟3种不同跌倒状态下股骨近端骨折的有限元分析[J]. 新疆医科大学学报,2017, 40(12):1529-1532.
[28] 孙文涛, 林梓凌, 李凡, 等. 基于Hypermesh/LS-DYNA仿真股骨干中上1/3骨折的断裂分析[J]. 广东医学,2017,38(16): 2481-2483.
[29] 郑利钦, 林梓凌, 何祥鑫, 等. 动态载荷下股骨转子间区域皮质骨厚度对骨折类型影响的有限元分析[J]. 医学研究生学报, 2018, 31(10):1043-1046.
[30] 李辰, 李建涛, 周坚锋, 等. 短与长髓内钉治疗不稳定粗隆下骨折的有限元分析[J]. 中国矫形外科杂志, 2019, 27(4): 361-366.
[31] 杜守超, 张世民, 张英琪, 等. 不稳定股骨转子间骨折前内侧皮质支撑复位的影像学研究[J]. 中国矫形外科杂志, 2018, 26(18): 1633-1638.
[32] THOMAS CD, MAYHEW PM, POWER J, et al. Femoral neck trabecular bone: loss with aging and role in preventing fracture. J Bone Miner Res. 2009;24(11):1808-1818.
[33] BORN CT, KARICH B, BAUER C, et al. Hip screw migration testing: first results for hip screws and helical blades utilizing a new oscillating test method. J Orthop Res. 2011;29(5):760-766.
[34] FLORES SA, WOOLRIDGE A, CAROOM C, et al. The utility of the tip-apex distance in predicting axial migration and cutout with the trochanteric fixation nail system helical blade. J Orthop Trauma. 2016;30(6): e207-211.
[35] LENZ M, SCHWINN J, HOFMANN-FLIRI L, et al. Influence of reduced tip-apex distance on helical blade fixation-a biomechanical study. J Orthop Res. 2019;37(3): 649-654.
[36] 付豪. 非均匀材料股骨骨折有限元分析[C]. 中国力学学会、浙江大学.中国力学大会论文集(CCTAM 2019).中国力学学会、浙江大学:中国力学学会,2019:2497-2502.
[37] 何祥鑫. 内收肌主动响应对脾虚型老年髋部骨折断裂行为影响的有限元研究[D].广州:广州中医药大学,2018.
[38] 孙文涛. 臀中肌主动响应对脾肾阳虚型老年股骨颈骨折的有限元断裂力学分析[D].广州:广州中医药大学,2018.
[39] 王炜昌, 王荣生, 石裕明, 等. 股骨近端防旋髓内钉治疗老年股骨转子间不稳定骨折内固定失效的危险因素[J]. 临床骨科杂志, 2019, 22(4): 477-481.

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2020年1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 资料获取选取1例左股骨转子间骨折患者作为志愿者并收集CT资料：①基本资料：56岁，男性，身高175 cm，体质量70 kg，体质量指数22.9 kg/m2；②病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限2 h”于2019-01-16入院，X射线片提示左股骨转子间骨折，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实验目的，患者表示知情理解并签署知情同意书，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：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。
1.3.3 实验设备 ①计算机：联想Thinkpad P52移动图形工作站；②实验软件：Mimics 19.0 软件(Materialise 公司，比利时)，Geomagic studio 2017软件(Geomagic公司，美国)，Solidworks 2017 软件(Dassault Systemes 公司，美国)，Hypermesh 14.0软件(Altair公司，美国)，有限元运算软件Abaqus 2016软件(LSTC 公司，美国)，以上软件均由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供。
1.4 方法
1.4.1 重建右侧股骨三维模型将保存为Dicom格式的CT影像资料导入Mimics 19.0软件中，进行阈值选择、区域增长、腔隙填充、三维重建等处理，建立右侧股骨三维模型，导出为stl格式文件。
1.4.2 网格划分和初步处理将stl格式的右侧股骨三维模型导入Geomagic studio 2017软件中，进行去除特征、划分网格、优化平滑、拟合曲面等步骤后得到优化后右侧股骨三维模型，并导出生成step文件。
1.4.3 建立股骨近端防旋髓内钉模型参照第二代AO股骨近端防旋髓内钉的具体参数，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：主钉长170 mm，颈干角130°，5°外翻角，螺旋刀片直径10 mm，长度分别为105，107.5，110，112.5 mm(临床中螺旋刀片无107.5和112.5 mm规格，作者为实验需求设置)。

1.4.4 构建不同尖顶距股骨转子间骨折PFNA模型 ①A031-A2.1型股骨转子间骨折在临床中较为常见，属于稳定型股骨转子间骨折，使用PFNA治疗取得较好疗效[13-14]，故此次研究在Solidworks 2017软件中将右侧股骨三维模型进行切割模拟A031-A2.1型骨折，股骨模型分为头颈骨块、小转子骨块和股骨干3个部分。②将切割完成的股骨模型与PFNA内固定模型按照标准手术技术进行装配，现尖顶距值争议的主要是3个不同范围：15-20 mm，20-25 mm，20-30 mm，作者因此构建尖顶距值分别为15，20，25，30 mm的模型，比较各个范围尖顶距值的生物力学效果。首先装配最长螺旋刀片PFNA模型和股骨模型为A 模型，根据公式

，

其中Xap为正位片尖顶距，Xlat为侧位片尖顶距，Dap为正位片直径，Dlat为侧位片直径，Dtrue为真实直径。通过测量距离命令测得此模型尖顶距值为15.4 mm；保持股骨模型和PFNA模型的配合关系，替换112.5 mm螺旋刀片为110 mm螺旋刀片得到模型B，测量尖顶距值为20.4 mm；同样的方法装配107.5 mm螺旋刀片得到模型C，测量尖顶距值为25.4 mm；装配105 mm螺旋刀片得到模型D，测量尖顶距值为30.4 mm，详见图1。③分别将3个模型储存为step格式并导入Hypermesh 14.0软件中进行网格划分，所有部件均划分为为1.5 mm 大小的C3D4类型网格，检查网格质量良好，分别以inp格式储存导出。

1.4.5 材料属性、边界条件与分析分别将各个模型导入Abaqus 2016软件中，进行重命名、装配后赋予材料属性。材料属性与边界条件参照任德新[15]的研究，假设各材料均为均质、各向同性，赋予皮质骨、松质骨、内固定材料属性，见表1。参照团队郑利钦等[16]设置的相互作用，骨折端设置为摩擦系数为0.46的有限滑移，PFNA模型设置螺旋刀片与股骨摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉、远端钉与主钉、螺旋刀片与股骨摩擦系数均为0.23；为减少模型运算量，删除股骨中下段后约束远端，选择完全固定，6个自由度皆为0；选择股骨头顶部一点为BP点，与周围结合区域进行耦合，模拟单足站立，患者体质量为 70 kg，股骨头上方垂直加载集中力700 N，提交运算得出静力分析结果。

1.5 主要观察指标在Abaqus 软件可视化模块分别对比A、B、C、D四个模型：①股骨近端整体应力；②骨折端应力；③内固定应力；④股骨头颈骨块位移；⑤股骨头颈骨块内翻。

讨论

股骨转子间骨折是临床中的常见病症，而手术治疗被证实比保守治疗具有更好的预后[17-18]。对于股骨转子间骨折的治疗，目前主要是以动力髋螺钉、股骨近端解剖锁定钢板等为代表的侧方钢板系统和以PFNA为代表的髓内钉系统为主[2, 19]。使用动力髋螺钉治疗股骨转子间骨折，因其偏心性固定，头颈拉力螺钉滑动加压作用后对外侧钢板产生强大的剪切力，极大地增加了退钉及钢板断裂的风险[20]；股骨近端解剖锁定钢板术中需切开复位，广泛剥离股骨近端外侧肌群，创伤大失血多，软组织损伤严重，且髓外固定力矩大，接骨板断裂风险大[21]；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，螺旋刀片在术中可直接打入股骨头颈骨折块，这提高了抗旋转和抗内翻能力，同时减少了松质骨丢失，并压缩螺旋刀片周围松质骨，增强了把持力，尤其对于骨质疏松患者临床疗效更佳，同时软组织剥离少、手术时间短，是治疗股骨转子间骨折较为理想的内固定方式[22-24]。
生物力学研究作为探讨尖顶距值临床研究的补充和佐证，对PFNA治疗股骨转子间骨折具有重要的指导作用，但标本生物力学费用昂贵，对硬件设施要求高，因此以有限元为代表的计算机生物力学蓬勃发展。有限元分析法是由BREKELMANS等[25]首次应用于骨科的生物力学研究，原理是将模型细分为数量庞大并由节点连接的细小单元，具有操作简便、仿真度高、可重复利用等优势，经过几十年的发展，从简单的骨骼应力到手术内固定的选择，及动态骨折的仿真分析均可应用[26-29]。此次研究基于志愿者真实CT数据重建模型，内固定亦是根据临床使用器械具体参数构建，且过程中少有人工操作，避免了人为因素的干扰，实验结果可靠客观。
此次研究根据不同尖顶距值(15，20，25，30 mm)构建了A、B、C、D四个模型，其实验结果表明：当螺旋刀片尖顶距值过大(30 mm)或过小(15 mm)时，虽股骨近端整体应力减小，但头颈骨块移位大，内翻严重，不利于骨折愈合。作者认为其原因可能是：①当尖顶距值过大时(D模型)，螺旋刀片置入股骨头位置相对较浅，力臂亦较短，短力臂支撑强度大，但所能提供支撑的有效区域相对减小，简言之，螺旋刀片对受力的股骨头近端支撑不够，加之内侧壁破裂，使得头颈骨块下压、内翻、旋转，进而导致内固定失效；②而A模型中尖顶距值过小时，螺旋刀片尖端已到达股骨头软骨下骨，支撑范围包含了整个头颈骨块，但也间接地增长了力臂；同等条件下，力臂越长，提供的支撑强度越弱，故股骨头所受应力直接传导至螺旋刀片时，头颈骨块亦出现下压、内翻；③此次实验结果中A、D模型内固定应力不仅集中于螺旋刀片和主钉连接处，且向螺旋刀片近端延伸，更是作者分析之佐证；④A、D模型应力及其分布较B、C模型更小、更分散，但4个模型应力差异并不悬殊，且最大应力距离内固定的屈服应力甚远，断钉概率极低；而判定骨折愈合的最重要的标准之一就是骨折线区域的裂隙，裂隙的大小直接决定着骨折线周围骨质的连接、骨折部位愈合的微环境，对预后有着决定性的意义[30]，此次实验可看出A、D模型头颈骨块位移和内翻角度远远大于B、C模型，提示骨折端间隙大，内翻严重，这必将不利于骨折愈合，影响术后疗效。
另一方面，当螺旋刀片尖顶距值居中(20，25 mm)时即B、C模型，股骨近端整体应力稍大，但头颈骨块移位小，骨折端稳定，生物力学效果最好，其原因可能是：①B、C模型中螺旋刀片置入的位置适中，力臂较A模型短，较D模型长，支撑范围亦包括股骨头，使得支撑力度和支撑范围达到相对完美的契合与平衡，换言之，就是股骨头受力时，螺旋刀片能有效地传导应力，且支撑头颈骨块，防止内翻。②基于微观辨证层面，皮质骨致密坚硬，当骨折端皮质骨相抵时，可对头颈骨块提供支撑，创造相对稳定的愈合环境[31]；股骨近端海绵状的丰厚骨小梁，通过抵抗、缓冲弯曲应变而在维持股骨的弹性稳定方面起着重要作用，是股骨近端弹性稳定的重要结构[32]。因此当尖顶距值过小时，螺旋刀片尖端少量的松质骨抵抗不了锋利尖端的切割，其“桁架结构”遭到破坏，进而局部失稳[16]；当尖顶距值居中时，够量的松质骨可以通过弯曲应变抵抗锋利的尖端，维持弹性稳定，这可能也是导致模型结果迥然不同的重要原因之一。③探讨尖顶距值的目的就是获取螺旋刀片最强的锚固力，所以必须将内植物打入骨小梁最密集的区域，即打入股骨头的正中且深，所以尖顶距值>25 mm必然增加失效风险；而尖顶距值介于15-20 mm，因术中螺旋刀片靠术者敲击进入股骨头，太小的尖顶距值难以精确操控，恐伤及软骨下骨的血供，造成其他并发症，且患者术后早期康复中，尖顶距值太小极大地增加了螺旋刀片向内切出的风险。
作者研究结果表明，当尖顶距值处于20-25 mm时，PFNA治疗股骨转子间骨折生物力学效果最佳，这与其他学者的研究结果是一致的。BORN等[33-35]的研究表明，当螺旋刀片置入过深，太接近软骨下骨时，螺旋刀片发生轴向移位的风险反而增加，原因可能是螺旋刀片尖端不规则且锐利，更容易破坏脆弱的松质骨，加之螺旋刀片尖端的骨质在术中敲击时并未填压变实，受力后螺旋刀片周围的松质骨破裂，裂纹继续扩展导致切割，而此文A模型头颈骨块移位亦较大；当螺旋刀片置入太浅，离股骨头中心太远时，螺旋刀片的把持力不够，切割风险明显增大。ZHOU等[11]也认为尖顶距值处于20-25 mm时，既能有效避免螺旋刀片距离软骨下骨过远导致锚固力不足，又能降低因距软骨下骨过近导致的螺旋刀片切割、穿出风险。
但此次研究仍有一些不足之处及后续展望：①股骨近端包括皮质骨、松质骨属于非均质各向异性材料[36]，但由于各向异性材料参数的缺失以及硬件设施的限制，此次实验均设置为均质的各向同性材料，作者将在后续的实验中进行补充和提升；②此次建模并未添加肌肉，但小转子骨块受到内收肌和髂腰肌的牵拉作用向内侧移位，这无疑加剧了骨折端的不稳定性，后续研究中如能添加仿真的主动响应肌肉进行分析[37-38]，则更贴近临床实际；③股骨转子间骨折多发生于老年人，骨质疏松亦是影响PFNA术后失效的一个重要原因[39]，李海丰等[12]通过临床回顾性分析发现，高龄患者螺旋刀片尖顶距值介于15-20 mm更具稳定性，这不禁引人深思：是否PFNA治疗不同Singh指数分级的高龄股骨转子间骨折需适配不同的尖顶距值？故此次研究并未着重考虑骨质疏松的影响，留待后续跟进；④影响PFNA术后疗效的因素不仅包括尖顶距值，还包括骨折类型、复位质量等，而稳定型股骨转子间骨折和不稳定型股骨转子间骨折的最佳尖顶距值是否相同？难以满意复位的股骨转子间骨折能否通过调整尖顶距值增加骨折端稳定性来避免切开复位？作者团队将继续深入研究解答。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

有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系

Relationship between tip-apex distance and stability of intertrochanteric femoral fractures with proximal femoral anti-rotation nail: a finite element analysis

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[3]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[4]	张宇, 田少奇, 曾国波, 胡川. 初次下肢全关节置换后发生心肌梗死的危险因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1340-1345.
[5]	韦玮, 李剑, 黄林海, 兰敏东, 卢显威, 黄绍东. 全膝或全髋关节置换后老年人首次活动时跌倒恐惧的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1351-1355.
[6]	王金军, 邓增发, 刘康, 何智勇, 余新平, 梁建基, 李晨, 郭洲洋. 全膝关节置换静脉滴注氨甲环酸联合含氨甲环酸鸡尾酒局部应用的止血效果及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1356-1361.
[7]	肖国庆, 刘选泽, 严钰皓, 钟喜红. 后交叉韧带替代型假体全膝关节置换术后屈曲受限的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1362-1367.
[8]	彭智浩, 冯宗权, 邹勇根, 牛国庆, 吴峰. 活动平台单髁置换后下肢力线与外侧间室骨关节炎进展的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1368-1374.
[9]	黄泽晓, 杨妹, 林诗炜, 何和与. 血清n-3多不饱和脂肪酸水平与全膝关节置换早期股四头肌肌力变化的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1375-1380.
[10]	张冲, 刘志昂, 姚帅辉, 高军胜, 姜岩, 张陆. 局部应用氨甲环酸减少老年股骨颈骨折全髋关节置换后引流的安全和有效性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1381-1386.
[11]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[12]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[13]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[14]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 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：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[15]	杜秀鹏, 杨朝晖. 65岁以下嵌插型股骨颈骨折初始畸形程度对颈缩短的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1410-1416.