三种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元分析

doi:10.12307/2025.195

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (27): 5721-5727.doi: 10.12307/2025.195

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三种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元分析

木塔力普·斯拉木江1，2，玉苏甫·热合曼1，2，任政1，2，阿里木江·玉素甫1，2，冉建1，2，王建1，2

1新疆医科大学第六临床医学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002；2新疆医科大学第六临床医学院创伤骨一科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002

收稿日期:2024-03-18 接受日期:2024-06-03 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-02-26
通讯作者: 王建，副主任医师，新疆医科大学第六临床医学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:木塔力普·斯拉木江，男，1986年生，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人，医师，主要从事四肢骨创伤的诊治。共同第一作者：玉苏甫·热合曼，男，1999年生，新疆维吾尔自治区库尔勒市人，新疆医科大学第六临床医学院创伤骨一科在读硕士，主要从事四肢骨创伤的诊治。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金(2021D01C454)，项目参与人：任政；新疆维吾尔自治区研究生创新项目 (XJ2023G186)，项目负责人：阿里木江·玉素甫

Finite element analysis of three internal fixation methods for treating Pauwels III femoral neck fractures with anterior medial bone defects

Mutalipu·Silamujiang1, 2, Yusufu·Reheman1, 2, Ren Zheng1, 2, Alimujiang·Yusufu1, 2, Ran Jian1, 2, Wang Jian1, 2

1Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; 2First Department of Traumatic Orthopedics, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China

Received:2024-03-18 Accepted:2024-06-03 Online:2025-09-28 Published:2025-02-26
Contact: Wang Jian, Associate chief physician, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; First Department of Traumatic Orthopedics, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China
About author:Mutalipu·Silamujiang, Physician, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; First Department of Traumatic Orthopedics, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China Yusufu·Reheman, Master candidate, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; First Department of Traumatic Orthopedics, Sixth Clinical Medical College of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous region, China Mutalipu·Silamujiang and Yusufu·Reheman contributed equally to this article.
Supported by:
Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2021D01C454 (to RZ); Graduate Innovation Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. XJ2023G186 (to AY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

股骨颈内侧骨缺损：股骨颈内侧皮质是维持股骨近端结构完整性的不可或缺的解剖成分，在促进载荷传递和旋转稳定性方面起着关键作用。当股骨内收暴力时，可表现为长尖刺形或横断形粉碎性骨块。
Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折：根据骨折线与水平线的夹角分型，角度越大，垂直剪切力越大，Ⅲ型多为不稳定型骨折，需要手术治疗。

摘要

背景：不稳定型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损是非常少见且难以处理的，治疗此种骨折的最佳内固定方案一直是骨科医生中持续争论的话题。
目的：通过有限元分析评估不同内固定方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧缺损的生物力学性能，以期为临床手术决策提供实验支撑。
方法：利用Mimics 21.0、Geomagic和Solidworks软件构建伴有前内侧缺损且Pauwels角为70°的股骨颈骨折模型，模拟3种内固定方法：A组(3枚空心钉+内侧钢板)、B组(股骨颈动力交叉钉+1枚空心钉)和C组(4枚空心钉“菱形固定”)。在3倍体质量2 100 N的载荷下分析3组模型股骨、内固定以及股骨头的应力和位移变化。
结果与结论：①A组模型的股骨整体应力最小，且受力更加均匀且分散；B组内固定模型的应力较小，说明其具有更好的应力分散和抗剪切的作用；A组股骨应力侧的应力明显小于其余两组，且未发生应力集中现象；②A组无论是整体股骨模型、内固定或是股骨头的位移均小于其余两组，说明空心钉联合内侧钢板能够起到更好的稳定作用，可减少髋内翻的发生；③3枚螺钉联合内侧支撑钢板应用于垂直、不稳定且前内侧骨缺损的股骨颈骨折，可显著提高骨折的稳定性，提高对变形力的抵抗力，是治疗该类型骨折的不错选择。

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, 骨缺损, 内固定, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Unstable femoral neck fracture with anterior medial bone defect is very rare and difficult to manage. The best internal fixation scheme for the treatment of this kind of fracture has been a controversial topic among orthopedic surgeons.
OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical properties of different internal fixation in the treatment of Pauwels III femoral neck fracture with anterior medial defect by finite element analysis in order to provide experimental support for clinical operation decision.
METHODS: The models of femoral neck fracture with anterior medial defect and Pauwels angle of 70° were constructed by Mimics 21.0, Geomagic, and Solidworks software. Three internal fixation methods were simulated: group A (3 hollow nails+medial plate), group B (femoral neck dynamic crossover nail+1 hollow nail), and group C (4 hollow nails “diamond fixation”). The stress and displacement changes of femur, internal fixation, and femoral head were analyzed under 2 100 N load of 3 times body weight.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The overall stress of the femur in group A was the smallest, and the force was more uniform and dispersed. The stress of the internal fixation model in group B was smaller, indicating that it had a better effect of stress dispersion and shear resistance. The stress on the stress side of the femur in group A was significantly lower than that in the other two groups, and there was no stress concentration. (2) The displacement of the whole femoral model, internal fixation or femoral head in group A was less than that in the other two groups, indicating that “hollow nail combined with medial plate” could play a better stabilizing role and could better reduce the occurrence of hip varus. (3) The application of three screws combined with medial supporting plate in vertical, unstable and anteromedial bone defect of femoral neck fracture can significantly improve the stability of fracture and resistance to deformation. It is a good choice for the treatment of this type of fracture.

Key words: femoral neck fracture, bone defect, internal fixation, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R459.9|R318|R683.42

木塔力普·斯拉木江, 玉苏甫·热合曼, 任政, 阿里木江·玉素甫, 冉建, 王建. 三种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(27): 5721-5727.

Mutalipu·Silamujiang, Yusufu·Reheman, Ren Zheng, Alimujiang·Yusufu, Ran Jian, Wang Jian. Finite element analysis of three internal fixation methods for treating Pauwels III femoral neck fractures with anterior medial bone defects[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(27): 5721-5727.

图/表（结果） 5

2.1 模型应力分布
2.1.1 股骨模型应力分布在骨折愈合早期，考虑股骨整体压力的影响，压力越大导致骨折断端不愈合的可能性越大，且越容易导致股骨颈短缩。根据应力分析云图可知，A组的应力最低，当3倍体质量2 100 N载荷时的应力为77.252 MPa，低于B组的109.01 MPa和C组的81.154 MPa。
A、C组的最大等效应力位于股骨颈前内侧骨缺损处，而B组最大等效应力位于股骨颈外侧靠近内固定置入处，整体股骨应力分布较均匀(图6及表3)。

2.1.2 内固定模型应力分布根据应力云图可知，内固定上的应力明显大于股骨模型上的应力，这能在骨折早期更好地分散股骨应力，有利于促进骨折愈合。A组内固定的应力主要集中于内侧钢板，沿着内侧钢板向两侧均匀分散；B组内固定的应力主要集中在股骨颈动力交叉钉主钉中央；C组内固定模型的应力主要集中在最靠近骨缺损处的螺钉上。从应力峰值来看，B组的应力峰值最小，为316.91 MPa；而A、C组的应力峰值分别为520.16，334.68 MPa(图7及表3)。

2.1.3 压力侧应力分布通过分析股骨近端骨缺损处的应力分析云图，可知股骨近端的最大应力均位于骨缺损处，且存在着应力集中的现象，以C组模型最为明显。A、B、C组模型的应力峰值分别为35.189，55.974，70.772 MPa(图8及表3)。

2.2 模型位移情况分析
2.2.1 股骨模型位移情况分析根据位移云图可知，3组模型股骨的最大位移均集中在股骨头顶部，由股骨头向远端逐渐递减，A、B、C组模型的最大位移为1.122 5，1.823 5，1.707 1 mm。说明内侧支撑板模型能够更好地支撑股骨内侧的应力，防止髋内翻的发生(图9及表3)。
2.2.2 内固定模型位移情况分析根据位移云图可知，3组模型的最大位移均在螺钉顶部，从头部向钉尾呈同心圆式减小。A、B、C组内固定模型的最大位移分别为1.219 7，1.278 3，1.409 9 mm(图10及表3)。

2.2.3 股骨头位移情况分析根据位移云图可知，3组模型股骨的最大位移均集中在股骨头顶部，由股骨头向远端逐渐递减，A组模型具有最小的股骨头位移，这表明内侧支撑板联合正三角空心钉固定具有更好的生物力学稳定性，可更好地防止髋内翻的出现。3组模型股骨头的最大位移分别为1.242 0，1.449 5，2.425 5 mm，见图11及表3。

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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 实验于2023年12月至2024年3月新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市新疆医科大学第六附属医院骨科实验中心完成。
1.3 对象 选择一名健康成年男性，身高175 cm，体质量70 kg，实验前经X射线片和CT检查无任何异常，提取股骨原始CT数据，该志愿者签署“知情同意书”且对此次实验完全知情。此次研究已通过新疆医科大学第六临床医学院伦理委员会批准(伦理审批号：LFYLLSC20240424-01)，志愿者对此次实验知情同意并签署“知情同意书”。
1.4 设备及软件 64排螺旋CT扫描仪(德国，Siemens公司)；3.0T核磁共振扫描仪(德国，Siemens公司)；Geomagic studio 2014逆向工程软件(3D Systems公司，美国)；Ansys workbench 2019分析软件(ANSYS公司，美国)； Mimics 21.0建模软件(Materialise公司，比利时)。
1.5 方法
1.5.1 Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧缺损模型的建立将原始CT数据以“DICOM”格式导入至Mimics 21.0软件，通过“调整阈值”“区域增长”和“光滑”等指令获取“STL”三维模型(图1)。再将其导入至Geomagic Wrap软件进行降噪、光顺和布尔减运算等处理，复制该模型，第一个模型设置为“皮质骨”，第二个模型向内偏移整体
3.64 mm[15]，获得“松质骨”模型，建立并拟合曲面，并将处理后的数据保存为“STEP”格式(图2)。将该文件导入至Solidworks软件中，通过构建平面，建立一个与水平线夹角70°的角度，切割骨折线，构建一个
Pauwels Ⅲ型的股骨颈骨折；为了减少计算量，在股骨远端选择一个平面，画一条水平线，通过“切割”命令切除股骨远端[3]。在股骨下前方沿骨折线周围制作骨缺损模型，缺损模型深度1 cm、宽度0.5 cm、长度1.5 cm[16](图3)。

1.5.2 种内固定模型的建立通过Solidworks 2021软件建立了3种符合临床尺寸的内固定模型，并应用布尔运算删除空心拉力螺钉处骨骼，具体如下：
A组(3枚空心钉+内侧钢板)：导入内侧支撑钢板及配套螺钉，将内侧支撑钢板跨越骨折线固定于股骨颈内侧断端尖角处，近端骨折块固定1枚小螺钉，骨折远端靠近骨折线处固定另一枚小螺钉，之后于钢板最后一孔置入第3枚小螺钉[17]；再使用3枚“正三角”形排列的空心拉力螺钉固定，2枚螺钉平行置入小转子上方，近端螺钉平行置于股骨颈中央，所有螺钉顶端彼此相对分散并尽量贴近股骨头顶端(图4A)。
B组(股骨颈动力交叉钉+1枚空心钉)：股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈正中央偏后侧，再与该主钉平行放置1枚空心螺钉偏前侧靠近骨缺损处(图4B)。
C组(4枚空心钉“菱形固定”)：在“倒三角形”的基础上，避开股骨头后上方区域(外侧颈升动脉穿入处)，于顶端置入1枚空心拉力螺钉，所有螺钉顶端彼此相对分散并尽量贴近股骨头顶端[18](图4C)。

1.5.3 网格划分和材料赋值
(1)材料属性及边界条件：由于此次实验着重探究人体在站立情况下骨质和内固定模型的应力结果，因此不同材料仅仅考虑骨骼和内固定2种，肌肉和其余软组织不予考虑。选择弹性模量和泊松比作为材料赋值的参数，详情见表1。将内固定和骨、内固定之间设为绑定接触，骨折表面上使用摩擦接触，摩擦系数设定为0.46[3，19-20]。参考相关文献，在股骨头上模拟了人体单腿站立后3倍体质量的压力，施加了2 100 N的压缩载荷，对股骨远端分割面节点施加全约束，约束X，Y，Z 三个方向的自由度，以防止刚体运动[3，21-22]，即底面固定不产生位移，详情见图5。

(2)网格划分：分别将3种模型导入至Ansys应力分析软件，构建的股骨模型的网格平均尺寸采用2 mm，在股骨与螺钉之间的接触面周围对网格进行细化，最小尺寸控制在1 mm以上，网格与节点总数的详细信息见表2。

1.5.4 有限元模型的验证通过寻找相似的模型、相似的材料属性、载荷及边界条件的有限元模型，与对应模型的运算结果进行比对，结果显示与文献结果近似[23]，符合现实中人体站立时股骨应力分布规律情况，证明此方法建立的有限元模型有效。
1.6 主要观察指标 通过有限元分析计算伴有骨缺损的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型、股骨头以及不同内固定物的von-Mises应力分布及位移变化。

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

讨论

随着交通事故的频发，高能量创伤引起的股骨颈骨折也越来越常见[24-27]。这种类型的骨折大多为骨折线角
度> 50°的Pauwels Ⅲ型不稳定股骨颈骨折，角度越大，骨折断端受到的剪应力越大，术后出现并发症的风险也越高[24，28-29]。临床上发现，在多达70% 的不稳定性移位股骨颈骨折中可观察到股骨后内侧粉碎和(或)骨缺
损[6，30]。而股骨颈前内侧皮质由于皮质骨较厚，是股骨颈的重要支撑结构，很少在骨折后发生骨缺损[31]。COLLINGE等[32]对136例青壮年股骨颈骨折特征进行分析，发现96%患者的骨折为粉碎性且伴骨缺损，游离骨块多位于股骨颈后侧(84%)，而有一小部分位于前侧(16%)。文献中一般都强调股骨后内侧皮质缺损对整体股骨稳定性的影响，忽视了前内侧骨缺损对整体骨折的负面影响[33]。
因此，此文通过有限元分析的方法，构建了Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元模型，探讨当前内侧坚硬的股骨距粉碎时对内固定模型生物力学稳定性的影响。
此次实验通过有限元法对比了3种不同内固定的力学性能，结果发现，正三角空心螺钉联合内侧支撑板具有更小的股骨应力和压力侧应力，这说明此类型的内固定具有更好的应力分散和传导作用，且能够更好地抵抗剪切力，防止内固定的失效。3组股骨近端模型的应力峰值均位于骨缺损处，这说明在这3种内固定模型下股骨距承担了较大的力，股骨颈应力的传导并不是传统认为的位于中轴上，而位于小转子和股骨颈内边缘一个特殊的解剖结构——股骨距，是股骨重力传导的主要结构，与髋内翻发生有很大关系[24]。由此可知，“螺钉+内侧钢板”的固定方式具有更强的支撑作用；而4枚空心钉“菱形固定”发生髋内翻的概率最大，容易导致髋内翻发生从而引起内固定失效。这与以往的实验类似，YE等[34]发现与单独使用空心螺钉治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折相比，螺钉联合内侧钢板愈合率更高，且具有独特的力学优势，很大程度上分担了股骨距的压力，稳定性更强且降低了内固定失败的风险。AMINIAN 等[35]使用新鲜尸体标本研究了松质骨螺钉、滑动髋螺钉、动力髁螺钉和股骨近端锁定板在垂直型股骨颈骨折的固定强度，发现股骨近端锁定板是稳定股骨颈垂直剪切骨折的最坚固结构，其次是动力髁螺钉、滑动髋螺钉以及3个松质骨螺钉[36]。以往的研究称，4 枚菱形排列的空心拉力螺钉固定，能分散应力，对抗剪切力作用会增强，使骨折断端更加稳定且能提供有效的滑动加压作用和抗扭力作用[37-38]。然而在此次实验高剪切力切伴有前内侧骨缺损的模型中，4枚螺钉的固定方式生物力学稳定性最弱，这与近期的一篇生物力学实验结果一致，3 枚空心钉结合支撑钢板相较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[39]。
以往的研究都认为股骨颈前内侧的皮质很厚，很少在骨折后发生骨缺损，因此很少有人考虑前内侧骨皮质的不稳定是否会对手术疗效产生不利影响。股骨前内侧皮质一般起到支撑的作用，在维持股骨头位置时有着非常重要的意义。“前内侧皮质阳性支撑”这个理论一般被用于股骨转子间骨折，而股骨颈骨折的皮质对位理论也与其有着相同的概念，都提到了股骨颈前内侧皮质在维持整体股骨的解剖位置时起到了重要作用[40]。应力分析结果提示，内固定、股骨头和整体股骨位移方面，3组模型位移峰值均主要集中于顶端，向下逐渐递减，证明了模型的有效性。而正三角空心螺钉联合内侧支撑板组内固定、股骨头以及股骨位移峰值均小于其余两组，由于位移大小在一定程度上可以反映骨折的固定情况，表明3枚空心钉联合内侧钢板组构型可有效降低骨折端移位和髋内翻风险。
此次研究具有一些优势：首先，采用了先进的参数化建模方法，建立伴有前内侧骨缺损的不稳定型股骨颈骨折模型，模型新颖、建模科学；此外，与以往类似有限元研究相比，此次实验充分考虑了不同内固定模型，分析了3种不同内固定的应力和应变情况。
然而此次实验也有一些局限性：①构建的骨缺损形状规则，较为理想化，然而现实中的骨折块一般为蝶形或其余不规则形状，这可能会影响实验的结果；②此次研究并没有模拟肌肉、关节囊和韧带等软组织，而这对髋关节的稳定和功能至关重要；③仅分析了垂直位静态载荷下的应力应变情况，未进行动态模拟；④该实验为数字模拟实验，所提示的结果只是表达了“理想状态”下的股骨应力，然而在临床实际应用中结果可能会与之有所出入，A组内固定方式虽然稳定性强，可在临床操作中存在需要切开关节囊放置股骨颈内侧钢板、螺钉可能损伤股骨颈血供、增加创伤等风险，因此不能一味的根据实验结果去指导实际情况，后续应该增加尸体标本的应力分析。
综上所述，此次实验表明3枚螺钉联合内侧支撑钢板应用于垂直、不稳定且前内侧骨缺损的股骨颈骨折，可显著提高骨折的稳定性，提高对变形力的抵抗力。

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

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随着交通的发展和老龄化的加重，髋部骨折的发生越来越常见，其中股骨颈骨折是个“未被解决的骨折”。股骨颈骨折常有高能量损伤引起，高能量暴力往往或导致骨折较为粉碎，会引起股骨颈内侧的粉碎，最终导致股骨颈不稳定型骨折。不稳定型股骨颈骨折常常会在术后发生股骨颈短缩、骨不连以及股骨头坏死等并发症，大大降低了手术的疗效，给患者带来了心理和物质上的双重负担。股骨颈内侧支撑板联合空心钉治疗不稳定型股骨颈骨折以往取得了不错的效果，然而该手术操作创伤较大，需要联合从股骨颈内侧入路植入内植物，往往会导致手术时间延长、术中剥离较多以及出血量增加，显著损害患者的血运和身体健康，因此我们计划寻找不同的内固定方式。FNS(股骨颈动力交叉钉系统)治疗单纯的股骨颈骨折取得了较好的疗效，然而有学者认为 FNS 对骨折断端的固定属于单平面稳定，单平面稳定的FNS不能为不稳定型股骨颈骨折提供完整、有效的力学支持，可能有一部分病例术后会出现髋内翻、螺钉切出及骨折复位丢失等情况，因此我们采取了“FNS＋空心钉”的内固定方式进行治疗该类型不稳定型股骨颈骨折。此外，以往的研究认为空心钉治疗股骨颈骨折具有微创、创伤小及手术时间短等优点，然而3枚空心钉治疗本实验中Pauwels III型股骨颈骨折时往往会疗效较差，因为3枚钉的结构抗垂直剪切力的能力一般，因此采用了“4枚空心钉菱形固定”来治疗Pauwels III型伴前内侧缺损的股骨颈骨折。股骨颈骨折发生骨缺损的位置绝大部分都在后内侧，国内外的文献一般都强调股后侧皮质缺损对骨折端稳定性的影响，而忽略了前内侧的皮质粉碎或松质骨骨压缩所产生的骨缺损同样会对骨折端稳定性产生影响，这也许就是现在临床上使用的任何内固定方法，都不能解决所有股骨颈骨折稳定性问题的关键原因。因此本实验小组通过探讨股骨近端前内侧骨缺损在不同内固定术后的生物力学稳定性,以期为临床手术决策提供理论支撑。#br#

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

三种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元分析

Finite element analysis of three internal fixation methods for treating Pauwels III femoral neck fractures with anterior medial bone defects

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