股骨转子间骨折不同外侧壁分型髓内钉治疗的有限元分析

doi:10.12307/2023.649

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (29): 4652-4657.doi: 10.12307/2023.649

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

股骨转子间骨折不同外侧壁分型髓内钉治疗的有限元分析

周龙1，王亮1，徐锐2，鲍益东2，何双建1，徐希斌1

1苏州科技城医院，江苏省苏州市 215153；2南京航空航天大学机电工程学院，江苏省南京市 210016

收稿日期:2022-07-06 接受日期:2022-09-02 出版日期:2023-10-18 发布日期:2022-12-01
通讯作者: 徐希斌，副主任医师，苏州科技城医院，江苏省苏州市 215153 何双建，博士，主任医师，苏州科技城医院，江苏省苏州市 215153
作者简介:周龙，男，1988 年生，安徽省铜陵市人，汉族，硕士，主治医师，主要从事3D打印及数字骨科研究。
基金资助:
苏州市临床重点病种诊疗技术专项基金 (LCZX202135)，项目负责人：何双建；院级博士专项基金(Szkjcyy2021015)，项目负责人：何双建

Finite element analysis of femoral intertrochanteric fracture treated with intramedullary nail with different lateral wall classifications

Zhou Long1, Wang Liang1, Xu Rui2, Bao Yidong2, He Shuangjian1, Xu Xibin1

1Suzhou Science & Technology Town Hospital, Suzhou 215153, Jiangsu Province, China; 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China

Received:2022-07-06 Accepted:2022-09-02 Online:2023-10-18 Published:2022-12-01
Contact: Xu Xibin, Associate chief physician, Suzhou Science & Technology Town Hospital, Suzhou 215153, Jiangsu Province, China He Shuangjian, MD, Chief physician, Suzhou Science & Technology Town Hospital, Suzhou 215153, Jiangsu Province, China
About author:Zhou Long, Master, Attending physician, Suzhou Science & Technology Town Hospital, Suzhou 215153, Jiangsu Province, China
Supported by:
Clinical Key Diseases’ Diagnosis and Treatment of Suzhou, No. LCZX202135 (to HSJ); Special Fund for Doctor at the Hospital Level, No. Szkjcyy2021015 (to HSJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

股骨转子间骨折：是关节囊外股骨颈基底至小转子下缘范围内的骨折，常见于老年患者。
外侧壁：为大转子顶点下方股外侧肌嵴水平到小转子中点平面间的股骨近端外侧皮质，外侧壁骨折被认为是导致内固定失败、需要再次手术、影响髋部骨折预后的主要独立预测因素。

背景：目前针对外侧壁破损型股骨转子间骨折的手术内固定方式存在争议，以股骨近端防旋髓内钉固定为主流方案，不同外侧壁分型的股骨转子间骨折髓内固定的生物力学研究较少。
目的：通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉治疗不同外侧壁分型股骨转子间骨折的生物力学特点，探讨外侧壁对股骨转子间骨折内固定的影响。
方法：选择1例健康老年女性患者，根据股骨近端CT扫描数据，应用Mimics 21.0，Geomagic Wrap，Creo 6.0，Abaqus 2020软件建立股骨近端和股骨近端防旋髓内钉的三维有限元模型，模拟外侧壁稳定型、危险型及破裂型股骨转子间骨折，建立股骨近端防旋髓内钉内固定装配模型。观察在静止及行走2种状况下赋予同等载荷时3种骨折内固定模型的等效应力及位移分布云图。
结果与结论：①A3.3型股骨转子间骨折在动态载荷时最大等效应力及位移均最大，最大等效应力约为A2.3型的2倍，A1.3型的2.7倍，最大等效位移约为A2.3型的1.5倍，A1.3型的3倍，静态时各型差别不明显；②动静态载荷时股骨颈、骨折端及主钉处等效应力A3.3型较A1.3和A2.3型增大，以主钉处明显；③动态载荷时股骨头、股骨颈、骨折端、外侧壁、内侧壁、主钉及螺旋刀片各部位等效位移A3.3型均较A1.3和A2.3型增大，静态时变化不明显；④结果表明，外侧壁的完整性可减轻内固定应力，使应力及位移分布更为合理，有利于维持股骨转子间骨折内固定的稳定性。
https://orcid.org/0000-0003-1847-985X (周龙)
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: 股骨转子间骨折, 外侧壁分型, 髓内钉, 等效应力, 有限元分析, 动态载荷

Abstract: BACKGROUND: At present, there is a controversy on the internal fixation for the femoral intertrochanteric fracture with fracture of lateral wall. The main method is the proximal femoral nail antirotation. The biomechanical study of intramedullary fixation for femoral intertrochanteric fracture with different lateral wall classifications is less.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical characteristics of proximal femoral nail antirotation in the treatment of femoral intertrochanteric fracture with different lateral wall classifications by finite element analysis, and to explore the influence of lateral wall on the internal fixation of femoral intertrochanteric fracture.
METHODS: A healthy elderly female patient was selected. A 3D finite element model of proximal femur and proximal femoral nail antirotation was established by using Mimics 21.0, Geomagic Wrap, Creo 6.0 and Abaqus 2020 software according to the CT scanning data of proximal femur. The proximal femoral nail antirotation assembly model was established by simulating lateral wall stable, dangerous and ruptured intertrochanteric fractures. The Von Mises stress and displacement distributions of three models of internal fixation were observed under the same load in static and walking conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum Von Mises stress and displacement of A3.3 type intertrochanteric fracture were the largest under dynamic state; the maximum Von Mises stress was about twice of type A2.3, and 2.7 times of type A1.3; the maximum Von Mises displacement was about 1.5 times of type A2.3 and 3 times of type A1.3, and there was no significant difference among the various types under static state. (2) The Von Mises stress A3.3 at femoral neck, fracture end and main nail was larger than that of A1.3 and A2.3 under dynamic and static states, especially at main nail. (3) The Von Mises displacements of femoral head, femoral neck, fracture end, lateral wall, medial wall, main nail and spiral blade in A3.3 type were larger than that in A1.3 and A2.3 types; the change was not obvious under static state. (4) These results suggest that the integrity of the lateral wall can reduce the internal fixation stress, make the stress and displacement distribution more reasonable, and help to maintain the stability of intertrochanteric fracture.

Key words: femoral intertrochanteric fracture, lateral wall classification, intramedullary nail, Von Mises stress, finite element analysis, dynamic load

中图分类号:

周龙, 王亮, 徐锐, 鲍益东, 何双建, 徐希斌. 股骨转子间骨折不同外侧壁分型髓内钉治疗的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(29): 4652-4657.

Zhou Long, Wang Liang, Xu Rui, Bao Yidong, He Shuangjian, Xu Xibin. Finite element analysis of femoral intertrochanteric fracture treated with intramedullary nail with different lateral wall classifications[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(29): 4652-4657.

图/表（结果） 6

2.1 不同外侧壁分型股骨转子间骨折PFNA内固定模型整体等效应力分布及应力峰值 A3.3，A2.3和A1.3型股骨转子间骨折在动态载荷时内固定模型最大等效应力分别为1 234，583.4和448.9 MPa，A3.3型约为A2.3型的2倍，为A1.3型的2.7倍，A2.3型约为A1.3型的1.3倍，见表1，最大等效应力均位于主钉与螺旋刀片接触处。在静态载荷时，A3.3，A2.3和A1.3型骨折内固定模型最大等效应力分别为295.0，193.3和183.6 MPa，A3.3型约为A2.3型的1.5倍，为A1.3型的1.6倍，A2.3和A1.3型最大等效应力比较接近，见表1，最大等效应力同样均位于主钉与螺旋刀片接触处。深蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、橙色、红色区域代表的等效应力值逐渐增大，从等效应力分布云图上可看出在动静态载荷时外侧壁破裂型(A3.3型)股骨转子间骨折PFNA内固定模型的等效应力不及外侧壁危险型(A2.3)和外侧壁稳定型(A1.3)分布均匀，见图3。

2.2 不同外侧壁分型股骨转子间骨折PFNA内固定模型整体等效位移分布及位移峰值动态载荷时A3.3，A2.3和A1.3型股骨转子间骨折内固定模型的最大等效位移分别为11.27，7.283，3.567 mm，A3.3型约为A2.3型的1.5倍，为A1.3型的3倍，A2.3型约为A1.3型的2倍，见表2，最大等效位移均位于股骨头中心处。在静态载荷时A3.3，A2.3和A1.3型骨折内固定模型最大等效位移分别为1.896，1.95和2.219 mm，见表2，各型差异不明显，股骨头中心处为最大等效位移位置。深蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、橙色、红色区域代表的等效位移值逐渐增大，从等效位移分布云图上可看出在动态载荷时外侧壁破裂型(A3.3型)股骨转子间骨折PFNA内固定模型的等效位移分布变化最为明显，股骨头处为红色集中区域，该处位移增大表明PFNA抗内翻及短缩的能力减弱，见图4。

2.3 不同外侧壁分型股骨转子间骨折PFNA内固定模型各部位等效应力为了进一步直观评价各型股骨转子间骨折内固定模型等效应力情况，选取了股骨头、股骨颈、骨折端、外侧壁、内侧壁代表股骨重要部位，主钉及螺旋刀片代表内固定重要部位。A3.3型加载动静态载荷时股骨颈、骨折端及主钉处等效应力较A1.3和A2.3型增大，以主钉处明显。A3.3，A2.3，A1.3各型骨折内固定模型的主钉等效应力在动态载荷时分别为102.393，47.644，37.610 MPa，静态载荷时分别为23.386，15.079，14.007 MPa。各部位等效应力值的具体比较，见图5。

2.4 不同外侧壁分型股骨转子间骨折PFNA内固定模型各部位等效位移 A1.3，A2.3和A3.3型股骨转子间骨折内固定模型动态时股骨头、股骨颈、骨折端、外侧壁、内侧壁、主钉及螺旋刀片各部位等效位移依次递增，以股骨头处明显，各型具体位移值分别为3.416，7.018，10.949 mm。静态荷载时各型部位之间的等效位移变化不大，具体等效位移值比较见图6。

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引言

股骨转子间骨折为老年人常见的一种髋部骨折类型，具有较高的并发症率和死亡率，治疗以手术为主[1-2]。尽管其骨折的愈合率很高，但术后功能效果往往令人失望，只有40%-60%的老年患者恢复了骨折前的活动能力和日常生活能力，这与患者身体状况、骨折类型及内固定方式等有关[3-4]。
股骨转子间骨折分型主要以骨折稳定性为参考标准，多达十余种，临床上多采用经典的Evans分型及AO分型，外侧壁骨折分类于AO分型中的A3型。随着外侧壁的重要性逐渐被认知，在AO分型的基础上根据外侧壁的完整性将股骨转子间骨折分为外侧壁稳定型(A1型和A2.1型)，外侧壁危险型(A2.2及A2.3型)及外侧壁破裂型(A3型)[5-6]。老年骨质疏松患者外侧壁的生物力学强度极其微弱，术前完整的外侧壁可能被术中操作破坏，而且髓内固定具有特殊的生物力学特性及微创优势，主钉可充当金属外侧壁，因此无论哪种类型的转子间骨折，近年来临床上以股骨近端防旋髓内钉(proximal femoral nail antirotation，PFNA)为代表的髓内固定为主流手术方案[7-9]。但针对外侧壁破损型股骨转子间骨折的手术内固定方式仍存在争议，主要争论于外侧壁是否需要固定及固定方式[10]。目前关于外侧壁分型的转子间骨折髓内固定的生物力学研究文献报道较少，缺乏基础数据的支持。该研究通过有限元构建不同外侧壁分型的股骨转子间骨折内固定模型，分析静止及行走2种不同状态下内固定模型的应力及位移分布，从理论上进一步证实外侧壁的重要性，外侧壁的完整可使PFNA内固定的固定强度更高，应力分布更合理，为不稳定型股骨转子间骨折的临床手术与康复治疗方案提供基础理论支持。
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 设计有限元三维模拟分析实验。
1.2 时间及地点实验于2022年3-6月在南京航空航天大学数字化仿真与制造研究所完成。
1.3 材料
1.3.1 实验设备及软件德国西门子64排螺旋CT由苏州科技城医院提供，PFNA内固定材料参数由苏州欣荣博尔特医疗公司提供，数据分析及图像处理采用实验软件 Mimics Research 21.0，Geomagic Wrap，HyperMesh 2019，Creo 6.0，Abaqus 2020。
1.3.2 实验对象选择1名老年健康女性志愿者，无内外科疾病史，无四肢残疾及外伤史，体质量60 kg，采用64排螺旋CT对双侧股骨上段骨组织窗CT扫描，扫描层厚1 mm，间距1 mm，扫描范围从大转子顶点以上10 cm至膝关节平面，扫描数据以DICOM格式保存。采用右侧股骨数据为标本。实验方案的实施取得志愿者知情同意，符合苏州科技城医院相关伦理要求。
1.4 方法
1.4.1 构建外侧壁稳定型(A1.3型)、外侧壁危险型(A2.3型)及外侧壁破裂型(A3.3型)股骨转子间骨折模型在Mimics Research 21.0软件中导入志愿者的CT影像资料，选择默认阈值集“Bone(CT)”识别股骨，再通过编辑蒙版(Edit Masks)、智能填充(Smart Fill)、计算实体(Calculate Part)、光顺(Smooth)等操作进行右侧股骨三维重建，见图1A，并以STL格式导入Geomagic Wrap软件，通过重划网格、删除、填充孔等步骤构建右侧股骨转子间A1.3，A2.3，A3.3型骨折模型，形成股骨近端骨块、小转子骨块和股骨远端骨块3部分，其中A2.3型粉碎骨块主要为2个或以上的中间骨块，利用拟合曲面等操作优化模型，保存为STEP格式文件。

1.4.2 建立PFNA模型按照参数在Creo 6.0软件中进行三维建模得到PFNA模型，见图1B，通过定义截面获得PFNA内固定的正位截面图，见图1C。PFNA参数如下：主钉长170 mm，螺旋刀片直径10 mm，长度100 mm，颈干角130°，外翻角5°，皮质骨螺钉长度35 mm。

1.4.3 构建PFNA内固定模型在Abaqus 2020软件中将A1.3，A2.3，A3.3型转子间骨折股骨模型与PFNA内固定模型按照手术操作标准进行装配，保证螺旋刀片正位位于股骨颈的中下1/3，侧位位于股骨颈中心，尖顶距小于20 mm，以STEP格式将模型导入至HyperMesh 2019软件中进行网格划分，单元类型选用C3D10M四面体网格，通过网格收敛性验证分析，出于计算时间和计算精度的综合考虑，单元尺寸选择2 mm，A1.3，A2.3，A3.3型内固定模型总节点数分别为248 500，268 683，272 923，单元数分别为157 398，172 505，174 834，以INP格式文件导出，得到外侧壁不同分型股骨转子间骨折PFNA内固定装配模型，见图1D-F。根据既往文献，骨与骨之间的摩擦系数设置为0.46，骨与内固定的摩擦系数为0.3，螺旋刀片与主钉的摩擦系数为0.23[11]。

1.4.4 定义材料属性及边界条件将INP格式股骨转子间骨折A1.3，A2.3，A3.3型股骨网格模型文件导入至Mimics Research 21.0软件中，根据灰度值将模型分成10种材料，按照Mimics提供的经验公式：Density=-13.4+1 017* Grayvalue，Young’s Modulus=-388.8+5 925* Density，泊松比为0.3，完成股骨材料属性赋值，以INP格式文件导入至Abaqus 2020软件中，内固定模型的材料参数设置为：弹性模量为 110 GPa，泊松比0.3[12-13]。边界条件均设置为股骨远端完全固定，在股骨头球面上选取参考点，定义为RP-1，将此点与股骨头球面的部分结点进行耦合，根据志愿者体质量，分别对参考点施加100%体质量(600 N)和285%体质量(1 710 N)的z方向载荷，见图2，分别模拟股骨所受的静态载荷和以4 km/h速度行走时的动态最大载荷，其中动态载荷是施加静载，线性增加至最大载荷[14]。

1.4.5 提交运算及结果分析完成以上处理，选用Abaqus/Standard求解器，设置运行内核和内存，提交求解运算，主要计算不同外侧壁分型股骨转子间骨折内固定模型的等效应力及位移分布情况，运算结果在Abaqus 2020软件中进行查看、分析。

1.5 主要观察指标观察在静止及行走2种状态下赋予同等载荷时3种外侧壁分型转子间骨折内固定模型的等效应力及位移分布云图。

讨论

外侧壁为大转子顶点下方股外侧肌嵴水平到小转子中点平面间的股骨近端外侧皮质，是头颈固定植入物钻孔部位[15]。GOTFRIED等[16-17]认为外侧壁是影响髋部骨折预后的最重要因素，在维持股骨转子间骨折稳定性方面已超越传统意义上的后内侧骨块。该区域可以为头颈碎片和固定提供自然支撑，可对抗骨块的内翻和旋转，同时允许其沿着螺旋刀片的滑动轴向微动促进骨折愈合。作为螺旋刀片的外侧受力点，外侧壁可减轻髓内钉接口处和股骨头内侧的杠杆应力，减少髓内钉的断裂及螺旋刀片切出的风险，降低内固定失败率[18]。外侧壁也是臀中肌、臀小肌的附着点，如果外侧壁破裂及复位不良，髋关节的软组织平衡及稳定性将受到较大影响，目前倾向保护及重建外侧壁[19-20]。该研究发现外侧壁的完整性可减轻内固定应力，使应力及位移分布更为合理，有利于维持股骨转子间骨折内固定的稳定性。
Von RÜDEN等[21]认为主钉与螺旋刀片结合部位为主要的应力集中区域，为头颈型髓内钉的薄弱点。作者也发现在动静态时外侧壁不同分型的转子间骨折内固定模型PFNA固定的最大等效应力均位于主钉与螺旋刀片接触处，A3.3型在动态载荷时最大等效应力为1 234 MPa，约为A2.3型的2倍，为A1.3型的2.7倍，最大等效应力的增加容易造成PFNA主钉与螺旋刀片接触处的应力集中引起内固定失效。施加动态载荷时A3.3型股骨转子间骨折最大等效应力及位移均明显大于A2.3和A1.3型，股骨颈、骨折端及主钉处等效应力及位移也均大于其他两种类型，以主钉处等效应力及股骨头处等效位移最为显著。静态载荷时A3.3型的等效应力及位移与A2.3和A1.3型差别不大，结果表明PFNA固定A3.3型转子间骨折在站立不负重时的稳定性与A2.3和A1.3型相仿，下地负重行走时稳定性明显降低，容易造成内固定失败。这与部分学者提出应用螺钉、钢丝、钢板等固定外侧壁联合PFNA治疗外侧壁损伤的A3型不稳定型转子间骨折有利于患者早期恢复功能锻炼，下地行走，改善髋关节功能，减少并发症的观点相符[22-24]。作者还发现各型转子间骨折内固定模型中股骨等效应力明显小于内固定等效应力，尤其外侧壁和内侧壁，说明PFNA内固定承担了主要应力载荷。
内侧壁的等效应力及位移均明显小于其他部位进一步佐证了PFNA对内侧结构的完整性要求降低，目前临床也不再强调小转子的复位与固定的理念[25]。戴寿旺等[26]通过尸体标本造模、任德新等[27]利用有限元模型论证了外侧壁可增强PFNA内固定的固定强度及稳定性，但均是在A1型转子间骨折的基础上制备外侧壁缺损模型，不能较好地反映临床实际的股骨转子间骨折外侧壁分型。股骨转子间骨折的外侧壁分型一直没有统一的标准，MA等[28]依据外侧壁的完整性分型，顾海伦等[29]按照外侧壁骨折的形态分型，作者考虑到临床分类的简便性和实用性，采用SUN 等[5]在AO分型的基础上将股骨转子间骨折分为外侧壁稳定型(A1型和A2.1型)、外侧壁危险型(A2.2及A2.3型)及外侧壁破裂型(A3型)。该研究参照AO/OTA-2018版股骨转子间骨折分类方法，更加强调外侧壁的价值，弱化了小转子的作用[30]，利用有限元模拟A1.3，A2.3，A3.3型股骨转子间骨折，分别代表外侧壁稳定型、危险型、破裂型转子间骨折，并在站立及行走2种状态下分析比较不同外侧壁分型PFNA内固定模型的稳定性，临床参考意义更大。以往骨骼有限元分析简单的将骨骼区分为皮质骨和松质骨2种均匀材料，通过定义弹性模量和泊松比等材料属性后进行分析，实际上骨骼是由各种不同力学特性的材料构成的复合体，个体差异性较大，异质性分布明显。如果简单的将其定义为皮质骨和松质骨进行有限元分析，结果将与真实情况相差较大，无法满足个性化的骨骼有限元分析[31]。该研究根据CT灰度值赋予股骨10种不同材料属性，最大程度地模拟股骨的真实状况，使后续的实验结果准确性得到进一步保障[32]。目前对于A3类型不稳定型股骨转子间骨折的手术内固定方式、生物力学特点、手术疗效等仍然存在争议，主要在于外侧壁是否需要固定及何种固定方式。该研究以外侧壁3种不同分型股骨转子间骨折为研究对象，通过有限元分析比较PFNA内固定模型在静止及行走2种状况下的等效应力及位移分布，进一步验证外侧壁的重要性，为临床手术及康复治疗方案的选择提供生物力学方面的理论
支撑。
综上所述，外侧壁的完整性可减轻内固定应力，使应力及位移分布更为合理，有利于维持股骨转子间骨折内固定的稳定性，PFNA在治疗外侧壁破损型转子间骨折时不建议早期下地行走及功能锻炼，可视情况重建外侧壁，减少内固定失败率及并发症。
当然，该实验也存在一些不足之处：实验中构建的外侧壁危险型及破裂型转子间骨折模型为有限元简化模型，可能与临床实际情况有所不同。该研究通过施加恒定载荷模拟人体行走时所受的最大载荷，但实际上人体行走的步态是一个十分复杂的过程，呈现步态周期载荷，同时应考虑髋关节反作用力及周围肌肉作用力的影响。后续将进一步优化髋关节行走状态下的有限元分析，收集临床病例分析PFNA治疗不同外侧壁分型转子间骨折的手术时间、出血量、术后髋关节功能评分、下地时间、并发症率等，更好地指导临床治疗股骨转子间骨折合并外侧壁骨折的手术内固定及康复治疗方案。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

股骨转子间骨折不同外侧壁分型髓内钉治疗的有限元分析

Finite element analysis of femoral intertrochanteric fracture treated with intramedullary nail with different lateral wall classifications

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