三種股骨近端髓內(nèi)釘固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折的有限元分析
馮 衛(wèi)1、2 ，郝 廷2 ，郝增濤2 ，余 斌1*
( 1． 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，廣州 510515; 2． 內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨科，呼和浩特 010030)
?摘 要:
［目的］?通過三維有限元法對 PFNA、PFNA-Ⅱ和 InterTan 3 種股骨近端髓內(nèi)固定系統(tǒng)固定股骨轉(zhuǎn)子間 骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性進行對比，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。
［方法］?建立 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ、Ⅴ型股骨轉(zhuǎn)子間骨 折內(nèi)固定三維有限元模型，研究不同內(nèi)固定的 von Mises 應(yīng)力分布、股骨的 von Mises 應(yīng)力分布并比較股骨及內(nèi)固定 模型內(nèi)外側(cè)應(yīng)力峰值，分析骨折固定后生物力學(xué)穩(wěn)定性。
［結(jié)果］?股骨近端應(yīng)力分布與骨折類型有關(guān); Tronzo-Evans Ⅰ型骨折 3 種內(nèi)固定的固定效果無差異; Tronzo-Evans Ⅳ和Ⅴ型骨折使用 InterTan 固定 von Mises 應(yīng)力分布均勻，生 物力學(xué)穩(wěn)定型較其他兩者更具優(yōu)勢; 內(nèi)固定應(yīng)力集中區(qū)域位于主釘與頭釘接觸點下方，其中 InterTan von Mises 應(yīng)力 分布最大效應(yīng)值最大，其次為 PFNA-Ⅱ、PFNA; PFNA 近端廣泛呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域現(xiàn)象。
［結(jié)論］?InterTan 治療股骨 轉(zhuǎn)子間骨折時股骨端應(yīng)力分布合理，尤其對 Tronzo-EvansⅤ型骨折較 PFNA 及 PFNA-Ⅱ更具優(yōu)勢; PFNA 固定模型應(yīng) 力分布不均，可能為與亞洲人髓腔不匹配所致。?
關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)子間骨折， 有限元分析， 股骨近端防旋髓內(nèi)釘
? ? ?股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療方式日新月異，其治療方 式仍主要為髓內(nèi)與髓外 2 種，髓內(nèi)固定系統(tǒng)中，目前使用較多的有第 3 代 Gamma 釘、股骨近端防旋髓內(nèi)釘 ( proximal femoral nail-antirotation，PFNA) 等，自 2009 年以來國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)報道了 InterTan 在治療股骨轉(zhuǎn) 子間骨折的經(jīng)驗及應(yīng)用范圍［1］。PFNA 由于與亞洲人 群較小的骨骼不相符合因此引發(fā)了亞洲型 PFNA ( PFNA － Ⅱ) 的研發(fā)及應(yīng)用［2］，前面的工作已經(jīng)對 PFNA、PFNA － Ⅱ和 InterTan 與亞洲人股骨近端的形學(xué)匹配性進行了分析，本研究采用有限元分析的方 法，對 3 種內(nèi)固定的力學(xué)性能進行分析。
1 材料與方法?
1 有限元模型的建立
? ? ? 選取健康志愿者 1 名，男，28 歲，體重 75 kg， 經(jīng)過 X 線檢查排除髖關(guān)節(jié)損傷或疾病。雙側(cè)髖關(guān)節(jié)作 螺旋 CT 平掃 ( 16 排螺旋 CT，GE 公司，美國) ，球管 電壓 120 kv，電流 65 ～ 150 mA，暴露時間 0. 5 ～ 1 s， 選擇骨組織窗掃描，掃描層厚0. 625 mm，掃描長度為 大轉(zhuǎn)子頂點至膝關(guān)節(jié)平面，所得數(shù)據(jù)以 DICOM 格式 保存，共 421 張圖片。采用右側(cè)近端股骨數(shù)據(jù)作為樣 本。將二維 DICOM 格式保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics 13. 0 軟件，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，對圖像進行分割，輸出 為 STL 格式文件，導(dǎo)入 Geomagic10. 0 軟件進行光滑處 理，并模擬 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ、Ⅴ型骨折進行截骨， 其中 Tronzo-Evan Ⅳ型、Ⅴ型去除小轉(zhuǎn)子，擬合曲面， 以 Iges 文件輸出。
? ? ? ?根據(jù)辛迪斯公司及施樂輝公司所提供的髓內(nèi)釘數(shù) 據(jù)，應(yīng)用 proE 4. 0 三維繪圖軟件對其進行三維虛擬重建，重建出 PFNA、PFNA － Ⅱ和 InterTan 三維模型。其中 PFNA 與 PFNA － Ⅱ螺旋刀片進行了仿真重建， InterTan 則忽略螺紋影響，對其進行簡化處理，所得 結(jié)果以 IGES 輸出。再將股骨及內(nèi)固定的幾何模型導(dǎo) 入有限元分析前處理軟件 Hypermesh 10. 0 中進行裝 配，根據(jù)轉(zhuǎn)子間骨折不同骨折類型及固定方式，生成 9 種不同固定的有限元模型 ( 圖 1) 。導(dǎo)入股骨中的位 置以辛迪思與施樂輝所提供手術(shù)操作標準為參考，頭 釘位于股骨頭中下靠后位置［3］ ( 圖 2) 。所有模型均 采用 solid185 單元，所得節(jié)點與單元數(shù)見表 1。后導(dǎo) 入有限元分析軟件 Abaqus 6. 9 后處理分析。
1. 2 材料屬性
? ? ? 本研究中內(nèi)固定及骨的相關(guān)材料為均質(zhì)、各向同 性的，材料屬性參考相關(guān)文獻［4 ～ 6］ ( 表 2) 。
1. 3 邊界條件及加載
? ? ? ?假設(shè)為骨折面完全斷裂并處于接觸狀態(tài)，摩擦系數(shù) 為 0. 2 ［7］。將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁下緣全部節(jié)點 的自由度約束為零作為邊界條件，即遠端各節(jié)點在 X、 Y、Z 軸上的位移為 0。采用目前常用的簡化的模型，對于肌肉力，僅取大轉(zhuǎn)子附近的外展肌力和股外側(cè)肌力 外展肌作為有限元分析的外載荷，即僅考慮骨盆髖臼窩 作用在股骨頭上的力，以及作用在大轉(zhuǎn)子附近的外展肌 力和股外側(cè)肌力。計算該狀態(tài)下股骨的應(yīng)力分布。假定 人體重為 70 kg 下此狀態(tài)下的應(yīng)力分布。
1. 4 評價指標
? ? ?( 1) 內(nèi)固定的應(yīng)力分布，應(yīng)力峰值及位置; ( 2) 股骨的應(yīng)力分布，應(yīng)力峰值及位置; ( 3) 股骨及內(nèi)固 定內(nèi)外側(cè)四個區(qū)域的應(yīng)力峰值 ( 圖 3) 。
2 結(jié) 果
2. 1 股骨的 von Mises 應(yīng)力分布
? ? ??對于 Tronzo-EvansⅠ、Ⅳ型骨折，3 種內(nèi)固定的應(yīng)力 分布均隨著骨折類型的不同，股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力值逐漸降 低，外側(cè)應(yīng)力值逐漸增加; 對 Tronzo-Evans Ⅴ型骨折， 3 種內(nèi)固定應(yīng)力最集中點均為內(nèi)固定與股骨接觸的遠 端，股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力較前兩種骨折小 ( 表 3、圖 4) 。
2. 2 內(nèi)固定的 von Mises 應(yīng)力分布
3 種骨折類型中應(yīng)力峰值位于主釘與頭釘接觸點 下方，其中應(yīng)力峰值 InterTan 最大，其次為 PFNA － Ⅱ、PFNA; PFNA 近端應(yīng)力集中區(qū)域較廣，可能與其和亞洲人股骨髓腔形態(tài)不匹配有關(guān); PFNA 螺旋刀片 處應(yīng) 力 集 中，最 大 值 114. 4 MPa，大 于 PFNA － Ⅱ ( 65. 98 MPa) 和 InterTan ( 69. 12 MPa) ( 圖5、表4) 。
2. 3 股骨及內(nèi)固定內(nèi)外側(cè)四個區(qū)域的應(yīng)力峰值
? ? ??通過對每種模型的 6 個區(qū)域的應(yīng)力峰值進行總 結(jié)，得出結(jié)果 ( 表 4) 。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，股骨近端內(nèi)側(cè) 應(yīng)力分布與骨折類型有關(guān)，Tronzo-EvansⅠ型骨折內(nèi)側(cè) 皮質(zhì)壓力大于Ⅳ、Ⅴ型; Tronzo-Evans Ⅴ型骨折內(nèi)固 定遠端股骨側(cè)應(yīng)力大于Ⅰ型和Ⅳ型。
3 討 論
? ? ??股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療一直是臨床醫(yī)生爭論的熱 點話題之一，髓內(nèi)固定系統(tǒng)可適用于任何類型的轉(zhuǎn)子 間骨折，逐漸呈現(xiàn)取代髓外固定的趨勢。PFNA 是一 種針對骨質(zhì)疏松患者設(shè)計的髓內(nèi)固定系統(tǒng)，螺旋刀片 的使用使得股骨頭的旋轉(zhuǎn)、切割、塌陷率顯著降低， 對于合并骨質(zhì)疏松的不穩(wěn)定型股骨轉(zhuǎn)子間骨折具有良 好療效［8］。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的 PFNA － Ⅱ更加符合亞 洲人股骨近端解剖學(xué)特點，目前在中國報道均得到良 好的臨床療效［2］。然而，PFNA 的螺旋刀片設(shè)計對于 骨折端的加壓作用較弱，術(shù)中可能導(dǎo)致骨折端分離而 致骨不愈合。InterTan 為一種新型的髓內(nèi)釘，其置入 股骨頭內(nèi)的螺釘采用雙枚交鎖加壓螺釘，能有效避免 ‘Z’字效應(yīng)的發(fā)生，其縱向截面為近似橢圓形，長徑 達 15 mm，抗軸向負荷壓力強，具有較好的生物力學(xué) 性能［1］。目前，比較這 3 種髓內(nèi)固定系統(tǒng)固定股骨轉(zhuǎn) 子間骨折的力學(xué)分析尚屬于空白，生物力學(xué)研究是力 學(xué)研究的金標準，三維有限元分析作為一種較新的生 物力學(xué)研究手段，也逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種力學(xué) 研究。為研究每種內(nèi)固定系統(tǒng)生物力學(xué)特點，作者分 別選用 了 穩(wěn) 定 型 Tronzo-Evans Ⅰ 型 骨 折、不 穩(wěn) 定 型 Tronzo-Evans Ⅳ型骨折以及逆轉(zhuǎn)子間 Tronzo-Evans Ⅴ 型骨折 3 種類型骨折進行有限元分析。
? ? ? ?通過研究結(jié)果可見，對于Ⅰ型骨折，股骨近端內(nèi) 側(cè)為應(yīng)力集中部位，使用 InterTan 固定的應(yīng)力峰值小 于其他兩者; 而內(nèi)固定方面，3 種內(nèi)固定均存在應(yīng)力 集中現(xiàn)象，均位于頭釘與主釘連接的下方，分別為 PFNA: 136. 2 MPa; PFNA － Ⅱ: 158. 3 MPa; InterTan: 162. 8 MPa。筆者認為，雖然 InterTan 模型的內(nèi) 固定應(yīng)力值較大，但是遠未達到其屈服強度［9 ～ 19］，可 不予考慮此方面的影響; 就固定的穩(wěn)定性而言，InterTan 優(yōu)于其他兩者。因此，筆者認為，治療復(fù)位較好 的穩(wěn)定型 Tronzo-EvansⅠ型骨折三種內(nèi)固定均可選用， 而 InterTan 合并較多骨量丟失，對骨質(zhì)疏松患者不推 薦采用。
? ? ?結(jié)果同時顯示，Tronzo-Evans Ⅳ型骨折模型，大 轉(zhuǎn)子、小轉(zhuǎn)子均發(fā)生骨折，股骨內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力分布減 小，股骨外側(cè)壁應(yīng)力分布增加，PFNA 固定的股骨大 轉(zhuǎn)子處應(yīng)力峰值高于 InterTan，而股骨近端內(nèi)側(cè)結(jié)果 相反，InterTan 固定模型中股骨中段與內(nèi)固定遠端接 觸點成為應(yīng)力集中部位，可能導(dǎo)致術(shù)后股骨中段骨折 的發(fā)生。通過實驗結(jié)果證明了對于股骨內(nèi)側(cè)壁缺乏骨 質(zhì)支撐的Ⅳ型骨折患者，采用 InterTan 治療可獲得較 好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，但發(fā)生股骨中段骨折的概率卻 高于其他 2 種內(nèi)固定; 而嚴重骨質(zhì)疏松，對術(shù)后活動 要求不高的患者可采用 PFNA 治療。在 Tronzo-Evans Ⅴ型骨折情況下，此時股骨外側(cè)壁已不完整，股骨應(yīng) 力集中部位主要位于內(nèi)固定與股骨髓腔接觸的股骨外 側(cè)中下段及與內(nèi)固定遠端接觸點，如髓內(nèi)釘主釘與髓 腔不匹配，容易導(dǎo)致此處應(yīng)力集中從而引起股骨干骨 折的發(fā)生，PFNA － Ⅱ與 InterTan 的遠端設(shè)計均降低了 股骨遠端的應(yīng)力集中，PFNA 固定模型中股骨遠端的 應(yīng)力最大值較大，發(fā)生股骨干骨折的概率高于其他二 者。近年來，隨著第 3 代 Gamma 釘與 PFN 的問世， 使用髓內(nèi)釘固定轉(zhuǎn)子間骨折發(fā)生股骨中段骨折的概率 已顯著下降。PFNA 繼續(xù)沿用 PFN 遠端設(shè)計，近年來 股骨中段骨折報道較少，而 InterTan 遠端音叉樣設(shè)計， 有效的避免了對股骨干的應(yīng)力集中［1］。因此，此 3 種 髓內(nèi)固定系統(tǒng)發(fā)生股骨中段骨折的概率均不高。
? ? ?PFNA 固定模型中內(nèi)固定近端應(yīng)力集中區(qū)域較廣， 且股骨干中段應(yīng)力過度集中，主要可能由于其形態(tài)學(xué) 設(shè)計與亞洲人群髓腔不匹配所致，從而增加了其在亞 洲人群使用時股骨干骨折發(fā)生的概率。其螺旋刀片處 應(yīng)力 集 中，最 大 值 114. 4 MPa，大 于 PFNA － Ⅱ ( 65. 98 MPa) 和 InterTan ( 69. 12 MPa) ，可能與其在 髓腔內(nèi)受力不均從而導(dǎo)致螺旋刀片承載較多應(yīng)力有 關(guān)。InterTan 固定模型中，股骨應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力 峰值較其他 2 種內(nèi)固定小，可能是其形態(tài)與股骨髓腔 更匹配有關(guān)，此外，其截面為近似三角形設(shè)計，力學(xué) 穩(wěn)定型優(yōu)于 PFNA 的圓形截面設(shè)計。早年就有學(xué)者證 明，股骨內(nèi)側(cè)壁缺損的患者，使用內(nèi)固定時骨質(zhì)內(nèi)側(cè) 所承受的應(yīng)力較小，而對鋼板的張力更大，說明對于 內(nèi)側(cè)壁不完整的轉(zhuǎn)子間骨折采用髓內(nèi)固定時股骨內(nèi)側(cè) 所承受的應(yīng)力分布較小，而內(nèi)固定相應(yīng)位置所承受的 應(yīng)力較大［12］，因此，對于此種類型的骨折需要選用更 為堅固的髓內(nèi)固定系統(tǒng)才能達到堅強的穩(wěn)定固定效 果。結(jié)合作者的研究，對于 Tronzo-Evans Ⅳ型與Ⅴ型 患者，有理由推薦使用 InterTan 治療。如患者合并骨質(zhì)疏松則可選用 PFNA 或 PFNA － Ⅱ。
? ? ?本研究存在一些不足之處，首先，研究對象主要 為單足站立的靜力分析，涉及的肌肉及關(guān)節(jié)合力較 多，本研究僅對此進行簡化處理，不能完全體現(xiàn)出實 際發(fā)生的情況，但已能滿足實驗需要; 其次，InterTan 及 PFNA 的優(yōu)點在于其具備較高的防旋性，本研究中 尚未涉及，對此本課題組將在下面的研究中結(jié)合生物 力學(xué)實驗對二者的防旋性及抗股骨頭切割能力進行進 一步比較; 第三，內(nèi)固定疲勞斷裂也是下一步的研究 方向。
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