宋丹丹 蔡震海 陳剛 尹海波 何曉君

股骨頸骨折是常見的髖部骨折之一，而Pauwels分型對骨折愈合的生物力學評價具有重要意義［1］。此類骨折術后骨不愈合及骨壞死發(fā)生率分別達到16%~59%及11%~86%［2］。內(nèi)固定治療是股骨頸骨折的治療方式之一。傳統(tǒng)內(nèi)固定方式有多枚空心螺釘、動力髖螺釘（DHS）以及股骨近端鎖定鋼板等。其中，多枚空心釘固定存在固定不牢靠缺乏角穩(wěn)定特性、抗剪切力差的缺點［3］；動力髖螺釘雖然為角穩(wěn)定裝置但抗旋轉力差，且其植入股骨頸內(nèi)的螺釘直徑過大對股骨頭血運破壞嚴重，易發(fā)生股骨頭缺血壞死［4］；而鎖定鋼板目前臨床應用結果也不理想，應力較集中，發(fā)生骨不愈合及股骨頭切割的現(xiàn)象較多等［5-6］。本研究通過結合原內(nèi)固定物的優(yōu)點，設計一種新型內(nèi)固定裝置，并通過三維有限元分析該新型內(nèi)固定裝置固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學模型與原有內(nèi)固定方法（三枚空心釘、DHS、股骨近端鎖定鋼板）進行比較，評估新型內(nèi)固定器固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學穩(wěn)定性。

1 材料和方法

1.1 材料 （1）內(nèi)固定物：空心螺釘、角度器、鎖定板、滑動加壓釘、拉力螺釘。4種內(nèi)固定方式：三枚空心螺釘、DHS、股骨近端鎖定板、髓內(nèi)動力髖螺釘。（2）器材：硬件：GE螺旋CT、個人PC（聯(lián)想）。軟件：Mimics 21（Materialise公司），Geomagic studio X 2016（Geomagic公司），Solidworks 2018（SolidWorks公司），Ansys workbench 18.2（ANSYS公司）。

1.2 實驗方法 （1）三維模型重建及有限元模型建立：對志愿者股骨進行CT掃描，將CT掃描得到的DICOM源文件導入Mimics軟件中重建股骨上段的三維模型，導出STL文件。將STL文件導入Geomagic軟件進行優(yōu)化及光滑操作，導出STP文件并導入Solidworks軟件，在Solidworks軟件中以股骨頸處與水平面成75°模擬Pauwels Ⅲ型骨折進行截骨處理。在Solidworks軟件中根據(jù)相關參數(shù)（廠家提供）重建4種內(nèi)固定裝置的三維模型，并按照各自手術操作標準，裝配4種內(nèi)固定模型（見圖1），各內(nèi)固定植入物主要尺寸見表1。將模型導入Ansys workbench軟件進行有限元分析。網(wǎng)格劃分的原則是在保證計算精度的基礎上，最大限度的降低網(wǎng)格數(shù)量，從而降低計算時間。本次模擬中，使用的單元共包括以下4種：三維10節(jié)點二次四面體單元（Solid187）、三維20節(jié)點二次六面體單元（Solid186）、接觸單元（目標面，Targe170）、接觸單元（接觸面，Contact174）（見圖2）。（2）材料賦值、邊界設定及添加載荷：賦予各個部件材料屬性（所有內(nèi)固定結構均采用TC4材料），見表2。設定股骨底部為固定端，無任何方向的位移和旋轉。內(nèi)固定與股骨之間為綁定接觸，股骨頸骨折斷面間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設定為0.23［7］。然后在股骨頭上表面施加580N載荷，方向豎直向下［8］（見圖3）。（3）評價方法：經(jīng)過有限元分析，將4中內(nèi)固定方式模型中，股骨位移、最大應力值及應力分布匯總分析。

圖1 4種內(nèi)固定方式模型：股骨近端鎖定板（A）、DHS（B）、三枚空心螺釘（C）、髓內(nèi)動力髖螺釘（D）

表1 各內(nèi)固定植入物的主要尺寸

表2 有限元計算中各種材料的屬性

圖2 網(wǎng)格（單元）劃分

圖3 載荷和固定邊界條件

2 結果

在相同載荷下，在pauwelss Ⅲ型骨折中，在相同的載荷580N下，股骨位移峰值：髓內(nèi)動力髖螺釘<股骨端鎖定鋼板

表3 不同內(nèi)固定方式下股骨應力峰值和位移峰值

3 討論

Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折多發(fā)生于中老年患者，占所有髖部骨折的3%左右，多因高能量損傷導致［9］。此類患者骨折端具有較大的剪切力和張力，且此剪切力和張力對骨折產(chǎn)生極為不利影響，術后骨不連，骨壞死及內(nèi)固定失敗等發(fā)生率較高。據(jù)最近一項Meta分析指出：該類患者再手術率近18%，骨不連率9%，缺血性壞死率達14%，內(nèi)固定失敗率約10%［10］。而既往研究多圍繞解剖復位，減少創(chuàng)傷，堅強內(nèi)固定等方面展開，忽視骨折本身生物力學特性，進而導致較高的并發(fā)癥及內(nèi)固定失敗發(fā)生。因此，相關學者［11］及AO協(xié)會［12］指出此類骨折內(nèi)固定應盡量滿足以下條件：①抵抗骨折端的剪切力及彎應力；②增加軸向加壓力；③盡可能減少對股骨頭等組織的創(chuàng)傷。

關于股骨頸骨折的最優(yōu)內(nèi)固定，目前尚無定論。臨床上較常見的傳統(tǒng)內(nèi)固定方式有：多枚空心螺釘、DHS（動力髖螺釘）以及股骨近端鎖定鋼板等，且各具優(yōu)缺點。其中，三枚空心螺釘“倒三角”置入是目前臨床上應用較為廣泛的一種固定方式。該固定方式具有一定的抗剪切力及抗旋轉力，并提供軸向加壓［13］。但臨床研究顯示，因為空心釘置釘方向并不完全與此型骨折線垂直，骨折端的軸向加壓力僅為壓縮力的分力，另一分力則加大骨折端的剪切力，導致把持力不夠，后期易出現(xiàn)骨折移位、退釘、髖內(nèi)翻等穩(wěn)定性差的表現(xiàn)發(fā)生。本研究得出類似結果：相同載荷條件下，與其他三類內(nèi)固定方式相比，雖然骨折端產(chǎn)生較大應力，但部分轉化為剪切力，導致股骨位移最大，且峰值均位于股骨頭處，顯示空心螺釘置入的穩(wěn)定性較另外三種內(nèi)固定器差。DHS雖具有較好的生物力學穩(wěn)定性，其股骨位移較空心螺釘顯著減小，但臨床應用上因其對股骨頭血供破壞較大，同時單枚拉力螺釘抗旋轉能力較差，術后骨壞死的發(fā)生率較其他內(nèi)固定方式高，臨床隨訪結果也證明如此［4］。股骨近端鎖定鋼板近年來已逐漸開展使用，具有較強的加壓、抗旋轉作用，且位移較小，穩(wěn)定性也較空心螺釘及DHS兩種內(nèi)固定物強。但有限元分析顯示該方式固定應力較集中，在臨床使用時易導致骨小梁微骨折、股骨頭塌陷，增加股骨頭壞死幾率，同時易發(fā)生鋼板斷裂等不良后果。相比以上三種內(nèi)固定器，髓內(nèi)動力髖螺釘顯示出生物力學上的優(yōu)勢。髓內(nèi)動力髖螺釘在四種內(nèi)固定器中位移最小，穩(wěn)定性最好，且具有較強應力，對骨折端產(chǎn)生較強的軸向應力，持續(xù)加壓，利于骨折的愈合；同時應力相對分散，理論上降低骨壞死發(fā)生率。但尚需臨床的應用及隨訪結果進一步驗證。

近年來，關于Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折內(nèi)固定方式研究主要圍繞生物力學展開。相關研究已經(jīng)顯示；DHS 在骨折端的持續(xù)加壓作用方面較有優(yōu)勢［14］。但其應力分布相對集中且抗旋作用不足。FREITAS［15］及SAMSAMI等［16］提出以動力髖螺釘聯(lián)合空心釘固定治療股骨頸骨折，可起到防旋作用，且得到比較好的臨床隨訪結果。也有報道指出，髓內(nèi)釘固定遠期較動力髖螺釘固定更優(yōu)良，且顯著增強髖關節(jié)軸向負荷，具有較好的力學穩(wěn)定性，適用于中青年不穩(wěn)定型股骨頸骨折患者［17］。本資料結果表明，髓內(nèi)動力髖螺釘具有理論上的軸向加壓、防旋穩(wěn)定性及對血供破壞較少的優(yōu)點。

綜上所述，Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折是一種對內(nèi)固定生物力學要求較高的骨折類型，三枚空心螺釘在防旋作用上具有優(yōu)勢，但穩(wěn)定性較差；DHS和股骨近端鎖定鋼板穩(wěn)定性較好，但應力相對集中；髓內(nèi)動力髖螺釘在生物力學及損傷程度上均證明是一種較佳的固定方式。但仍需臨床應用隨訪驗證。