王 磊，陸 欽，王黎明，黃 艷

近年來，防旋股骨近端髓內(nèi)釘（proximal femoral nail antirotation，PFNA） 治療股骨粗隆間骨折方面取得了非?？捎^的療效[1-2]，已被公認為治療股骨粗隆間骨折的最佳內(nèi)固定材料[3-4]，但是近端拉力及防旋釘切割股骨頭[5]、髓內(nèi)釘疲勞斷裂[6]、近端螺釘退出[7]、骨折不愈合[8]等并發(fā)癥時有報道。 本研究通過有限元分析方法，比較相同生理載荷下，相同骨折類型不同規(guī)格螺旋刀片的股骨粗隆間骨折防旋股骨近端髓內(nèi)釘（PFNA）內(nèi)固定模型的生物力學差異，為臨床診療提供生物力學參考。

1 對象與方法

1.1 志愿者和實驗材料 選擇1 名成年男性志愿者，年齡30 歲，身高175 cm，體重70 kg，排除全身疾患及外傷史， 體檢除外運動系統(tǒng)損傷和疾病。PFNA 內(nèi)固定材料由天津正天公司提供。

1.2 建立PFNA 數(shù)字化三維模型 將PFNA 各部件數(shù)據(jù)（主釘長度180 mm，角度135°，螺旋刀片直徑10.5 mm，長度90 mm）輸入Pro/E 軟件，建立內(nèi)固定的模型(圖1)，以.STL 格式文件保存。

1.3 建立股骨粗隆間骨折內(nèi)固定數(shù)字化三維模型志愿者仰臥于CT 掃描床上，左下肢靜止、伸直、中立位，對其髖臼上緣到股骨髁行CT 掃描，數(shù)據(jù)存儲為dicom 格式，導入Mimics13.0 軟件，得到軟組織和骨骼的三維模型。 經(jīng)大、小粗隆以斜45°裁剪得到骨折模型，骨折遠、近兩部分分別用灰、綠兩色區(qū)分(圖2)。 將骨折模型和PFNA 模型進行裝配，用重調(diào)（Rescale）功能以5 mm 為進度，分別制作螺旋刀片長度為80～105 mm 的6 種骨折內(nèi)固定模型（圖3）。

圖1 PFNA 內(nèi)固定材料的三維數(shù)字化模型

圖2 股骨粗隆間骨折的三維數(shù)字化模型

圖3 裝配完成的三維數(shù)字化股骨粗隆間骨折PFNA 內(nèi)固定模型

1.4 股骨粗隆間骨折內(nèi)固定數(shù)字化三維模型的網(wǎng)格優(yōu)化 在Mimics13.0 軟件FEA 模塊中，對6 種內(nèi)固定模型進行面網(wǎng)格重畫，導入ANSYS 軟件。

1.5 材料賦值和條件設(shè)定 在Mimics 軟件中，運用FEA 模塊的materia 功能， 將CT 灰度值(Gray Value) 轉(zhuǎn)化成密度值(Density)(公式1：Density= -13.4+1017×Gray Value[9])，接著為每一種物質(zhì)定義彈性模量(E.Modulus)(公式2：E.Modulus= -388.8+5925×Density[10])，分配給相應的體網(wǎng)格。 在ANSYS軟件中， 將股骨粗隆間骨折斷裂面之間的接觸和PFNA 螺旋刀片與主釘之間的接觸設(shè)為摩擦系數(shù)為0.3 的有限滑移[11]，其他部件間設(shè)為完全固定。 模擬體重700 N 成人步態(tài)周期中關(guān)節(jié)承載峰值，加載于6 種三維有限元模型上， 分別在螺旋刀片螺紋處均勻取10 點求解每點上的應力值、6 種模型近折端均勻取10 點求解每點處最大軸向位移值。

1.6 統(tǒng)計學方法 使用SPSS 16.0 軟件進行統(tǒng)計分析，計量資料用表示，齊性檢驗顯示各組方差齊，多組間差異比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t 檢驗，P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 螺旋刀片螺紋處應力比較 從表1 數(shù)據(jù)可見，在正常的生理載荷下，各模型間螺紋釘螺紋處應力有所差異，A、B 和C 的應力小于D、E 和F（P ＜0.05)， 而A、B 和C 間及D、E 和F 間比較應力差異無統(tǒng)計學意義（P ＞0.05)。

2.2 近折端最大軸向位移值比較 模擬加載情況下， 計算股骨粗隆間骨折PFNA 內(nèi)固定模型近端最大軸向位移值，結(jié)果如表2 所示，在正常的生理載荷下，各模型間股骨粗隆間骨折近端最大軸向位移值有所差異，A、B 和C 的最大軸向位移值小于D、E和F（P ＜0.05)，而A、B 和C 間及D、E 和F 間的最大軸向位移值差異無統(tǒng)計學意義（P ＞0.05)。

表1 螺旋刀片螺紋處應力比較

表2 股骨粗隆間骨折近端最大軸向位移值比較(mm)

3 討論

3.1 各模型加載結(jié)果分析 本實驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計學分析后發(fā)現(xiàn)，模型A、B、C 間PFNA 螺旋刀片螺紋處平均應力值和骨折近端最大軸向位移值無明顯統(tǒng)計學差異， 模型D、E、F 間也無明顯統(tǒng)計學差異，但模型A、B、C 與模型D、E、F 間比較有統(tǒng)計學差異，說明雖然骨折內(nèi)固定穩(wěn)定性與刀片長短有關(guān)，置入較短的螺旋刀片比較長的穩(wěn)定，但也不是越短越穩(wěn)定。 建議臨床操作中使用中等略短規(guī)格的螺旋刀片即可。

3.2 本研究的局限性和展望 有限元分析的方法經(jīng)濟、實用、限制條件少，可對每一例患者采用三維模擬技術(shù)預手術(shù)，并分析確定最佳內(nèi)固定材料[12]，甚至設(shè)計內(nèi)固定材料，達到個性化治療的目的。 本研究只是對6 種PFNA 內(nèi)固定模型的應力、 軸向位移進行了靜態(tài)分析， 進行了大膽的假設(shè)和必要的簡化，尚不能對整個骨折的愈合過程進行動態(tài)、實時的監(jiān)測，將在今后的研究中進一步完善。

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