顧? 葉1，王秋霏 1 ，方? 濤1，彭育沁 1 ，薛? 峰1，耿德春 2 ，徐耀增2，張? 文 3?

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文題釋義：

三維有限元分析：有限元方法可以對模型施加不同的負(fù)荷、材料屬性、邊界條件等并進行分析, 解決了傳統(tǒng)的骨科力學(xué)研究的有創(chuàng)性、環(huán) 境影響很大、費用高、耗時長的問題，成為研究骨科力學(xué)分析的重要工具。

股骨頸動力交叉釘系統(tǒng)(Femoral Neck System，F(xiàn)NS)：一種治療股骨頸骨折較新的內(nèi)固定器械，由螺栓、板塊、防旋螺釘和鎖釘螺釘4部件 組成，具有防旋、防滑、抗剪切、實現(xiàn)骨折斷端加壓的作用。

摘要

背景：股骨頸動力交叉釘系統(tǒng)是一種新型的不穩(wěn)定型股骨頸骨折固定器械。
目的：通過有限元方法對比分析3種內(nèi)固定應(yīng)用于Pauwels Ⅲ不穩(wěn)定型股骨頸骨折的力學(xué)穩(wěn)定性。

方法：在已驗證有效性的股骨有限元模型基礎(chǔ)上(生理組)，對模型進行必要的切割，造模成股骨頸Pauwels Ⅲ(70°)不穩(wěn)定型骨折，模擬臨 床手術(shù)植入不同內(nèi)固定模型，分別建立動力交叉螺釘固定(模型A)，倒三角空心螺釘固定(模型B)和菱形4枚空心螺釘固定(模型C)。對3組模 型約束其股骨遠(yuǎn)端下所有節(jié)點，在股骨頭上施加700，1 400和2 100 N的壓縮載荷，通過計算分析，觀察各組模型的Von Mises應(yīng)力分布和變 形量，比較各組模型之間的力學(xué)穩(wěn)定性。?

結(jié)果與結(jié)論：①3組內(nèi)固定模型在各種載荷作用下的最大變形量都發(fā)生在股骨頭，壓縮2 100 N時模型A組的變形2.06 mm小于生理組? 2.17 mm，模型B和模型C的變形均高于生理組模型分別為2.39 mm和2.33 mm；②各種載荷作用下，模型A組的應(yīng)力最小，2 100 N作用時，模 型A應(yīng)力峰值為297.31 MPa，分布于防旋螺釘和鎖緊螺釘連接的位置；而模型B 的應(yīng)力峰值高達(dá)543.18 MPa，分布于倒三角第三個螺釘?shù)墓?折縫位置；模型C的變形量和應(yīng)力介于模型A和模型B中間，最大應(yīng)力峰值分布于最下面一個空心釘骨折縫位置，2 100 N時達(dá)315.61 MPa；? ③3組模型的變形分析和應(yīng)力分析，均呈現(xiàn)模型A < 模型C < 模型B；④結(jié)果說明，股骨頸動力交叉釘系統(tǒng)對股骨頸固定的力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于3 枚和4枚空心螺釘，能有效預(yù)防股骨頸短縮，是不穩(wěn)定型股骨頸骨折值得推薦的內(nèi)固定方式。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??關(guān)鍵詞：動力交叉螺釘；有限元分析；股骨頸不穩(wěn)定型骨折；股骨頸骨折；內(nèi)固定
縮略語：股骨頸動力交叉釘系統(tǒng)：femoral neck system，F(xiàn)NS

引用本文：顧葉，王秋霏，方濤，彭育沁，薛峰，耿德春，徐耀增，張文. 動力交叉螺釘應(yīng)用于不穩(wěn)定型股骨頸骨折的生物力學(xué) 分析[J].中國組織工程研究? ? ?

0? ?引言? ?Introduction

? ? ?股骨頸骨折是臨床常見的骨折類型，好發(fā)于中老年人，在中青年人中發(fā)病率較低，約占全身骨折的3.58%，占髖部骨 折的54%，但其治療是臨床難題[ 1]。近年報道中青年股骨頸骨 折的案例逐漸增多，治療方法主要有空心加壓螺釘、動力髖螺 釘和股骨頭置換等[ 1-2]；對于年輕患者首選復(fù)位內(nèi)固定，目前 使用較多的是置入多枚平行加壓空心螺釘，此方法具有創(chuàng)傷 小、滑動加壓、把持力高等優(yōu)點，可提高骨折愈合率。但有報 道顯示該方法固定不穩(wěn)定型股骨頸骨折不易獲得滿意的生物 力學(xué)穩(wěn)定性[ 3]，雖然傳統(tǒng)3枚空心加壓螺釘能解決骨折斷端旋轉(zhuǎn)移位的問題，并能對骨折斷端進行加壓，但鑒于股骨頸特有 的解剖結(jié)構(gòu)，并不利于應(yīng)力的釋放，可能出現(xiàn)股骨頸短縮[ 4]， 會導(dǎo)致患者髖關(guān)節(jié)外展肌減小、骨折不愈合或股骨頭壞死等并 發(fā)癥，輕者影響患者行走姿勢和速度，重者影響髖關(guān)節(jié)功能。對于中青年患者是否需要使用加壓螺釘，還有待明確。為減少 股骨頸骨折術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，研究者們一直致力于內(nèi)固定方式及器械研究的革新，為兼顧微創(chuàng)和生物力學(xué)兩種優(yōu)勢，AO? 髖部骨折研發(fā)中心設(shè)計了股骨頸動力交叉釘系統(tǒng)(femoral neck? system，F(xiàn)NS)[ 5-7]，由螺栓、板塊、防旋螺釘和鎖釘螺釘4部件組成，具有防旋、防滑、抗剪切、實現(xiàn)骨折斷端加壓的作用， 是一種治療股骨頸骨折較新的內(nèi)固定系統(tǒng)。

? ? ??目前，國內(nèi)外關(guān)于 FNS 臨床應(yīng)用的報道較少，效果仍不明確?；诖耍撜n題通過有限元方法分析不同內(nèi)固定應(yīng)用 于不穩(wěn)定型股骨頸骨折的生物力學(xué)，研究其各種內(nèi)固定的力 學(xué)穩(wěn)定性，為臨床手術(shù)方法選擇提供理論依據(jù)[ 8-9]。

1? ?對象和方法? ?Subjects and methods?

1.1 ?? 設(shè)計? ?有限元分析。

1.2? ?時間及地點???實驗于2021年10月至2022年3月在蘇州大學(xué)骨科研究所完成。

1.3? ?對象? ?在蘇州大學(xué)附屬常熟醫(yī)院(常熟市第一人民醫(yī)院) 選取1名男性志愿者，身高173 cm，體質(zhì)量70 kg。該研究方案的實施符合《赫爾辛基宣言》和蘇州大學(xué)附屬常熟醫(yī)院(常熟市第一人民醫(yī)院)的相關(guān)倫理要求(2021倫審(申報) 批第53號)，受試者自愿參加，對資料的收集完全知情同意，并簽署了“知情同意書”。

1.4? ?方法? ?

1.4.1? ?數(shù)據(jù)采集和建模???應(yīng)用螺旋CT(CT 750 HD，GE)對受試 者髖關(guān)節(jié)至脛骨中段進行薄層連續(xù)掃描，電壓120 kV，電流 150 mA，掃描層厚0.625 mm。在Mimics 19.0軟件中(Materialise 公司，比利時)通過閾值分割、區(qū)域增長和三維重建功能，重 建股骨模型(分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨)。通過Geomagic 12.0軟件 (Raindrop公司，美國)建立股骨的面實體模型，見圖1。

將上述曲面模型導(dǎo)入Creo Parametric 5.0 軟件(PTC公司， 美國)建立三維實體模型。并在Creo軟件中建立的動力交叉釘系統(tǒng)和空心加壓螺釘，將內(nèi)固定與股骨模型裝配并進行布 爾操作，見圖2。

1.4.2? ?體網(wǎng)格劃分???裝配完成的模型導(dǎo)入Hypermesh 2017軟 件(Altair公司，美國)中，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨和內(nèi)固定器分別建立為一個獨立的元件。對每個部分經(jīng)過必要的快速編輯處理后，劃分體網(wǎng)格，選用四面體Solid187單元網(wǎng)格，從而完 成生理組模型的建立，該模型已經(jīng)驗證是科學(xué)有效的[ 10-11]。? 對股骨頸進行必要的切割，模擬股骨頸Pauwels Ⅲ型70°不 穩(wěn)定型骨折，骨折線縫隙0.2 mm，并對3種內(nèi)固定模型分 別建立動力交叉螺釘FNS固定(模型A)，生成761 357單 元，1 211 406節(jié)點；倒三角空心螺釘固定(模型B)，生成 709 929單元，1 136 699節(jié)點；在倒三角基礎(chǔ)上，于頂端植 入1枚空心釘，從而完成4枚空心螺釘菱形固定(模型C)[ 12]， 生成741 352 單元，1 189 299節(jié)點，見圖3。按照文獻(xiàn)要求，對股骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和內(nèi)固定系統(tǒng)，分別分配材料屬? 性[ 13-16]，見表1。

1.4.3? ?邊界條件和載荷? ?將內(nèi)固定與骨質(zhì)模型之間設(shè)置為摩 擦接觸，摩擦系數(shù)0.4[ 17]。股骨的受力是復(fù)雜的，在正常運 動時如一般走路，經(jīng)過髖關(guān)節(jié)的最大載荷為體質(zhì)量的2.6- 4.1倍；隨著步速、步長或體質(zhì)量的提高，髖關(guān)節(jié)的負(fù)荷也 隨之增加。股骨所受肌肉力情況也很復(fù)雜，TAYLOR等[ 18]認(rèn) 為股骨模型在肌肉加載時存在許多不確定性，包括選擇肌肉 的數(shù)量、重力及肌肉力負(fù)荷加載的方向等，特別是在動態(tài)下 要完全精確模擬幾乎不可能。為了簡化分析，凸顯模型的固 定效果，依據(jù)文獻(xiàn)參考，在股骨頭上模擬人體雙腿站立、單腿站立和3倍體質(zhì)量，施加700，1 400和2 100 N的壓縮載? 荷[ 19-20]，對股骨遠(yuǎn)端髁以下的所有節(jié)點施加全約束。

1.5? ?主要觀察指標(biāo)???在Ansys 19.0軟件中進行仿真計算，主 要觀察3組內(nèi)固定模型在700，1400和2100 N載荷作用下 的最大應(yīng)力Von Mises分布和最大變形情況。

2? ?結(jié)果? ?Results?

2.1? ?各組內(nèi)固定模型變形分析? ?3組術(shù)后模型各種載荷作用下的最大變形量都發(fā)生在股骨頭，這與加載載荷的位置相符合。因皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和內(nèi)固定系統(tǒng)的材料屬性為各項同性， 所以結(jié)果顯示隨著載荷增大，模型上的變形量隨著增大，基本呈線性，見圖4；3種內(nèi)固定模型在700 N作用時的變形 圖見圖5。其中各種載荷下模型A組的變形小于生理組模型 約4.9%，2 100 N作用時為2.06 mm；模型B和模型C的變 形量均高于生理組模型分別為10.1%和7.4%，2 100 N作用 時分別為2.39 mm和2.33 mm。變形分布趨勢模型B>模型? C >生理模型>模型A。

2.2? ?各組內(nèi)固定模型應(yīng)力分布???隨著壓縮載荷的增加，模型 上的應(yīng)力峰值也隨著增大，各種載荷作用下，術(shù)后模型上 的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)高于生理組，均集中分布于內(nèi)固定系統(tǒng)上， 說明隨著內(nèi)固定的植入，術(shù)后模型呈現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象。其中模型A組的應(yīng)力峰值最小，2 100 N作用時，應(yīng)力峰值為? 297.31 MPa，分布于防旋螺釘和鎖緊螺釘連接的位置；模型B ?的應(yīng)力最高，應(yīng)力峰值高達(dá)543.18 MPa，分布于倒三角第三 個螺釘?shù)墓钦劭p位置；模型C的應(yīng)力峰值介于模型A和模型 B中間，最大應(yīng)力峰值315.61 MPa分布于最下面一個空心釘 骨折縫位置。應(yīng)力分布趨勢模型B >模型C >模型A，見圖6，7。

2.3? ?骨質(zhì)模型上的應(yīng)力分布??? 因應(yīng)力遮擋效應(yīng)，分布于骨質(zhì) 模型上的應(yīng)力低于內(nèi)固定，其中模型B上應(yīng)力最低，2 100 N 作用時為75.13 MPa，低于模型A的97.19 MPa和模型C組的 126.04 MPa，見圖8。

3組模型應(yīng)力峰值均分布于股骨頸骨折線下側(cè)的皮質(zhì)骨位置，同時在小轉(zhuǎn)子下股骨內(nèi)側(cè)有較大的應(yīng)力分布。3種內(nèi)固定模型在1 400 N作用時骨質(zhì)模型上應(yīng)力? 云圖見圖9。

3? ?討論? ?Discussion

? ?股骨頸骨折的Pauwels分型是針對股骨頸骨折穩(wěn)定性而 言的一種經(jīng)典分型方法[ 21]。Pauwels角是指骨折線與水平線 之間的夾角，隨著Pauwels角的增大，骨折斷端所受到的剪切應(yīng)力則相應(yīng)增大，從而形成不穩(wěn)定型股骨頸骨折。

? ? 近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，交通事故及高處墜落傷頻發(fā)，由于暴力呈高能量性，此類患者的股骨頸骨折多為Pauwels?Ⅲ型。雖然臨床上最廣為認(rèn)可的治療方案是骨折復(fù)位內(nèi)固定，并以傳統(tǒng)的3枚空心加壓螺釘固定居多[ 22]。空心螺釘通過較 大的拉力壓縮骨折端有助于解剖復(fù)位、堅固內(nèi)固定和股骨頸 骨折的愈合，但該方法動態(tài)壓縮特性，無法為股骨頸提供足 夠的支撐，延長術(shù)后愈合時間，也同時易引起骨折不愈合、 股骨頭缺血性壞死及股骨頸縮短等并發(fā)癥[ 9，21，23]。

? ? ?股骨頸骨折的愈合需要保持骨折部位在冠狀面和矢狀面 的穩(wěn)定性以及絕對的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[ 1]。因此，內(nèi)固定裝置應(yīng)能 保持骨折端接觸，保持牢固穩(wěn)定，并能抵抗日常應(yīng)力，以保 證骨折的愈合。理想的內(nèi)固定方式應(yīng)該是兼具內(nèi)固定穩(wěn)定性 的同時有效減少股骨頸的短縮或旋轉(zhuǎn)股骨頭。

? ??為了動態(tài)固定骨折的股骨頸，下肢專家組、內(nèi)固定研究協(xié)會和DePuy Synthes產(chǎn)品開發(fā)了動力交叉螺釘(FNS)，該固 定系統(tǒng)由螺栓、板塊、防旋螺釘和鎖釘螺釘4部件組成，具 有防旋、防滑、抗剪切、實現(xiàn)骨折斷端加壓的作用[ 24]。FNS 能夠在微創(chuàng)手術(shù)中提供角度穩(wěn)定性。同時FNS手術(shù)操作簡便、 創(chuàng)傷小，前期有動力髖螺釘手術(shù)經(jīng)驗者，學(xué)習(xí)曲線更短[ 25]。FNS自帶防旋螺釘增加抗旋力，連接可供選擇的 1 孔或 2 孔 板，具有抗滑移、抗剪切力優(yōu)勢[ 26]。值得注意的是，F(xiàn)NS強調(diào)了骨折愈合的生物學(xué)特征，通過骨折端的壓縮。這種新型 植入物可能是股骨頸骨折治療的一個重大進步。

? ? ? ?國內(nèi)外關(guān)于 FNS 臨床應(yīng)用的報道較少，多集中于體外 生物力學(xué)測試，已有報道顯示FNS治療Pauwels型股骨頸骨 折的生物力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的3枚空心螺釘內(nèi)固定[ 27-28]，如 JUNG等[ 7]通過有限元方法對FNS植入股骨頸不同位置進行了 有限元分析，顯示FNS的優(yōu)益的力學(xué)穩(wěn)定性；范志榮等[ 28]對 股骨頸不同角度骨折，使用FNS和空心螺釘固定(正三角和 倒三角)的力學(xué)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FNS在治療 Pauwels Ⅲ型股骨 頸骨折中顯示出更優(yōu)的生物力學(xué)穩(wěn)定性；STOFFEL等[ 5]通過在 尸體標(biāo)本上對FNS和空心螺釘進行生物力學(xué)測試，結(jié)果顯示 在500 N壓縮作用下FNS的壓縮剛度為(688.8±132.6) N/mm，? 倒三角空心螺釘?shù)膲嚎s剛度為(584.1±156.6) N/mm，F(xiàn)NS的 壓縮剛度是倒三角的1.17倍，得到FNS固定優(yōu)于倒三角空心螺釘。

? ? ? 此次研究通過有限元分析，得到2 100 N壓縮作用下， FNS的壓縮為1 019.42 N/mm，倒三角空心螺釘?shù)膲嚎s剛度 為878.66 N/mm，F(xiàn)NS的壓縮剛度是倒三角空心螺釘?shù)?.16 倍，與STOFFEL等[ 5]的研究結(jié)果非常吻合。同時各種載荷 作用下FNS應(yīng)力峰值均最小，2 100 N作用時，應(yīng)力峰值為 297.31 MPa，分布于防旋螺釘和鎖緊螺釘連接的位置，而倒三角空心螺釘應(yīng)力最高，應(yīng)力峰值高達(dá)543.18 MPa，分布倒 三角第三個螺釘?shù)墓钦劭p位置。4枚空心螺釘菱形固定的變 形量和應(yīng)力峰值FNS和倒三角空心螺釘中間，最大應(yīng)力峰值分布于最下面一個空心釘骨折縫位置。

? ??4枚空心螺釘菱形固定雖不及股骨交叉系統(tǒng)的效果好，但比倒三角效果要好很多，該結(jié)果也在其他研究者中同樣體 現(xiàn)，如任棟等[ 29]研究就發(fā)現(xiàn)，4枚菱形排列的空心拉力螺釘固定，能分散應(yīng)力，對抗剪切力作用會增強，使骨折斷端更 加穩(wěn)定且能提供有效的滑動加壓作用和抗扭力作用。同時有隨訪發(fā)現(xiàn)4枚空心釘固定未增加外側(cè)壁骨折的發(fā)生，但因增加了一枚空心釘固定一定程度上延長手術(shù)時間及術(shù)中透視時 間，增加內(nèi)置物的橫截面積，遠(yuǎn)期是否會增加股骨頭壞死的 發(fā)生率，仍需進一步擴大樣本量，延長隨訪時間[ 12， 29]。

? ? ?通過該課題的研究，結(jié)果顯示3種內(nèi)固定方式，3種不 同的載荷加載，最終的變形和應(yīng)力分布結(jié)果均顯示模型A <? 模型C < 模型B，也即為3種固定方式中，F(xiàn)NS的固定效果優(yōu) 于倒三角空心加壓螺釘和4枚空心螺釘菱形固定。

? ? ?該研究也同時存在一定的局限性。參考前人文獻(xiàn)對骨質(zhì) 和內(nèi)固定材料屬性進行了簡化為各項同性的組成，這與骨質(zhì) 本身的材料屬性分配有一定的出入。研究中的加載方法是單 一的垂直加載，而實際的髖關(guān)節(jié)周圍有肌肉附著，其解剖結(jié) 構(gòu)和力的分布更為復(fù)雜。但研究中的所使用的模型，通過加 載和分析所得到的結(jié)果能準(zhǔn)確重現(xiàn)文獻(xiàn)的結(jié)果[ 30]，說明模型 是科學(xué)有效的。?

? ? ?綜上所述，F(xiàn)NS和空心螺釘均對不穩(wěn)定型股骨頸骨折具 有固定的效果，而FNS的生物力學(xué)性能優(yōu)于空心螺釘固定，是治療股骨頸骨折手術(shù)的優(yōu)良選擇方法。

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