陳心敏 劉舒暢 張宇迪 范文科 陳盼 郭志 袁丁 羅石 周帥 黃濤 周勇*

股骨轉子下骨折通常是指股骨小轉子以下5 cm內的骨折，骨折線可累及小轉子和梨狀窩，占股骨近端骨折的10%～ 15%[1]。髓內釘為中心性固定，具有較好的生物力學效果，為臨床治療股骨轉子下骨折最常用的固定方式[2-3]，但由于轉子下區(qū)域其自身解剖結構及受眾多肌肉牽拉作用，導致骨折端不穩(wěn)定，尤其是Seinsheimer Ⅴ型轉子下骨折，轉子間合并轉子下骨折，單純髓內釘固定常并發(fā)無菌性骨不連及內固定失效，術后預期較差[4]。臨床中嘗試使用股骨近端鎖定鋼板、有限切開復位鈦纜捆扎聯(lián)合加長髓內釘、鋼板聯(lián)合髓內釘等方法治療Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折，但手術切口大、時間長、術中出血量多等缺點限制了其廣泛應用[5-8]。故研究一種簡單快捷有效的手術方式治療Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折具有重要意義，而骨水泥釘道強化股骨近端防旋髓內釘具有操作簡便、損傷小、生物力學效果好等優(yōu)點[9]，若能有效治療SeinsheimerⅤ型股骨轉子下骨折，對醫(yī)生和患者均是很好的手術方式之一。此次實驗旨在通過有限元模擬骨水泥釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折，觀察其生物力學結果及評估臨床使用的可行性，為臨床提供新的思路與方法。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 病例選取

選取1 名志愿者收集CT 資料，條件為：①基本資料：男，72 歲，身高170 cm，體質量74 kg；②病史：既往無手術史、無重大內科疾病史及其他影響骨骼代謝的內科疾病史，無先天骨骼變異；③倫理與知情同意：詳細告知患者實驗過程和實驗目的，患者表示理解支持并簽署知情同意書，同時取得鐘祥市人民醫(yī)院倫理委員會批準（醫(yī)院倫理批件號：Y［2022］061）。

1.1.2 掃描條件

①地點：鐘祥市人民醫(yī)院影像科1號CT室；②體位與部位：患者取仰臥位，采用GE 128 排螺旋CT 對股骨進行掃描，將Dicom格式的影像數據保存并拷貝（包含股骨全長）；③掃描參數設置[9]：掃描電壓120 kV，掃描電流250 mA，層厚2 mm，層距5 mm，每個掃描層的像素矩陣密度大小為512×512。

1.2 主要儀器與設備

本次有限元實驗于鐘祥市人民醫(yī)院骨科完成。①實驗設備：聯(lián)想Thinkpad P52，Windows 11專業(yè)版；②實驗軟件：Mimics 19.0 軟件（比利時Materialise 公司），Geomagic studio 2017 軟件（美國Geomagic 公司），Solidworks 2017軟件（美國Dassault Systemes 公司），Hypermesh 14.0 軟件（美國Altair公司），LS-DYNA軟件（美國LSTC公司）。以上設備及軟件均由廣州中醫(yī)藥大學國家重點學科中醫(yī)骨傷科學數字骨科與生物力學實驗室提供。

1.3 方法

1.3.1 重建右側股骨三維模型

在Mimics 19.0 軟件中導入志愿者的CT 影像資料，選擇“bone”閾值辨別股骨，再通過編輯蒙罩、材料填充、3D提取、光順等步驟后得到右側股骨三維模型，并儲存為STL格式文件導入Geomagic studio 2017軟件，先后予劃分網格、構造格柵、擬合曲面等處理后得到更為優(yōu)化、仿真的右側股骨三維模型，以STEP格式保存。

1.3.2 建立股骨近端防旋髓內釘模型

參照第2 代AO 股骨近端防旋髓內釘的具體參數，在Solidworks 2017 軟件中新建零件，通過拉伸、旋轉、螺旋線、組合、放樣、配合、刪減等步驟得到PFNA 內固定三維模型，PFNA 內固定模型基本參數為：主釘長340 mm，直徑為11 mm，5°外翻角；螺旋刀片直徑10 mm，長度105 mm，遠端鎖定釘長度40 mm。

1.3.3 構建Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折PFNPFNA模型

在Solidworks 2017 軟件中將右側股骨三維模型與PFNA 內固定模型按照標準手術技術進行裝配、組合，并儲存為STEP格式導入Hypermesh 14.0軟件中，對所有部件進行體網格劃分，再將股骨劃分為皮質骨和松質骨，并檢查網格質量均良好，利用Delete 命令刪除部分單元模擬Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折，即轉子下骨折同時伴有轉子間骨折，儲存為普通Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折PFNA模型（以下簡稱為PFNA模型）。

1.3.4 材料屬性與邊界條件

設置高齡股骨近端松質骨、皮質骨和PFNA 內固定的密度、彈性模量、泊松比、屈服應力等參數[9]，并選取控制卡片；邊界條件設置為股骨遠端完全固定，模擬單足站立，在與股骨干長軸呈10°，垂直于股骨頭球面，1 s 內線性加載大小為740 N 的載荷，各部件相互作用設置骨與骨之間摩擦系數為0.46，骨與內固定的摩擦系數為0.3，螺旋刀片與主釘設置為0.23[10]。

1.3.5 定義骨水泥與分析

參照筆者的前期研究[9]，截取模型中螺旋刀片近端凹槽周圍一定數量的松質骨重新定義為骨水泥部件，計算其體積約為2.5 mL，另存為骨水泥釘道強化Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折PFNPFNA 模型（以下簡稱為C-PFNA 模型）；骨水泥部件為聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，其材料參數[9]：表觀密度為1.18 g/cm3，彈性模量為220 000 MPa，泊松比0.2，屈服應力100 MPa，骨水泥與螺旋刀片近端接觸關系設置為綁定，分別保存為K文件導出，詳見圖1。

圖1 A.PFNA模型；B.C-PFNA模型；C.C-PFNA模型局部剖視圖

1.3.6 運算

分別將K 文件導入LS-DYNA 軟件中，設置運行內核和內存提交運算，運算結果于Hyperview 14.0軟件中查看。

1.4 主要對比指標

對比2 個模型：①螺旋刀片切割；②頭頸骨塊內翻與旋轉；③近端骨塊位移；④股骨與內固定應力。

2 結果

2.1 螺旋刀片切割

在PFNA模型中，螺旋刀片周圍可見明顯松質骨單元消失，尖端松質骨消失最多，螺旋刀片切割上移；C-PFNA模型中螺旋刀片周圍無明顯松質骨單元消失，螺旋刀片位置基本無移動。統(tǒng)計得出，PFNA 模型中頭頸骨塊松質骨單元消失為256 個，C-PFNA 模型松質骨單元消失為28 個，約為PFNA模型的1/9，見圖2。

圖2 各模型螺旋刀片切割：A、B.PFNA模型受力前后剖視圖；C、D.C-PFNA模型受力前后剖視圖

2.2 頭頸骨塊內翻與旋轉

隨著螺旋刀片的切割，頭頸骨塊隨之產生內翻和旋轉，取相同的點分別測量兩個模型加載最大應力時頸干角和旋轉角度的變化，可見C-PFNA 模型頭頸骨塊內翻和旋轉角度明顯小于PFNA模型，見圖3。

圖3 各模型頭頸骨塊內翻與旋轉：A.PFNA 模型頭頸骨塊內翻角度；B.C-PFNA 模型內翻角度；C.PFNA 模型頭頸骨塊旋轉角度；D.CPFNA模型旋轉角度，可見C-PFNA模型頭頸骨塊內翻和旋轉角度明顯小于PFNA模型

2.3 近端骨塊位移

頭頸骨塊的內翻和旋轉必然導致骨折端周圍骨塊的受壓、移位：在PFNA模型中，小轉子骨塊往上移位，內側骨塊向上翻轉，大轉子骨塊亦有輕微移位，最大位移10.6 mm；反觀C-PFNA模型，只有頭頸骨塊稍移位，最大位移2.5 mm，骨折端更穩(wěn)定，更有利于骨折愈合，見圖4。

圖4 各模型股骨近端位移：A.PFNA 模型頭頸骨塊位移云圖；B.C-PFNA 模型頭頸骨塊位移云圖，可見PFNA 模型位移明顯大于C-PFNA模型，C-PFNA模型更趨穩(wěn)定

2.4 股骨與內固定應力

兩個模型最大應力均在內固定，PFNA 模型中應力主要集中于主釘和螺旋刀片連接處，C-PFNA 模型中不僅連接處應力大，螺旋刀片和骨水泥接觸段亦出現應力集中，且C-PFNA模型整體應力大于PFNA模型，見圖5。

3 討論

臨床治療股骨轉子下骨折內固定主要分為兩種：髓內固定和髓外固定，髓內固定具有創(chuàng)傷小、手術時間短、出血量少等優(yōu)點，生物力學也更趨穩(wěn)定，成為臨床治療股骨轉子下骨折的主流固定方式[11-14]。洪意俠等[15]認為，股骨轉子下骨折患者為高能量損傷導致的年輕人，其骨質量較好，骨折多為劈裂骨塊，可選擇鈦纜或鋼絲捆扎結合股骨近端聯(lián)合交鎖髓內釘內固定。若患者年齡較大、骨質條件差、患有骨質疏松、骨塊多粉碎且伴有基礎病，一般選擇股骨近端防旋髓內釘內固定，但術后仍出現股骨無菌性骨不連[16]，其原因可能包括：①股骨轉子下區(qū)域連接著寬大的股骨近端和狹窄的股骨干，此處以皮質骨為主，為應力集中區(qū)域，外側承受張應力，內側承受壓應力，尤其是后內側皮質可以承受高達自身多倍應力，骨折后支撐和應力傳導不利，骨折端不穩(wěn)定[17]；②轉子下區(qū)域受眾多肌肉牽拉：髂腰肌、髖短展肌等內收肌群附著于股骨近端，常導致骨塊屈曲、外旋、外展；而股四頭肌肌腱和內收肌附著于股骨干，常導致內收和短縮。術前肌肉牽拉導致骨折移位，術后若固定強度不夠，功能鍛煉時容易引起骨塊再次移位，影響骨折愈合[18]。而Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折具有與Seinsheimer Ⅰ-Ⅳ型的不同特點：股骨轉子下骨折合并轉子間骨折，涉及關鍵為內側壁和外側壁同時損傷。完整的內側壁是影響股骨轉子下骨折治療和預后的關鍵因素，后內側縱行骨板是支撐近端骨塊和向下傳導應力的關鍵部位，內側壁受損必將極大增加治療難度；外側壁可承受自身4 倍的張應力，完整的外側壁可以有效對抗頭頸骨塊的旋轉和內翻，防止內固定失效[19]。故對于極不穩(wěn)定的Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折，探求一種簡單、有效、便捷的內固定方式具有重要意義。

此次實驗PFNA 模型為單純股骨近端髓內釘治療Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折，骨折塊粉碎無法捆扎，查看其運算結果可發(fā)現：當頭頸骨塊受力后，應力向下傳導，內側皮質粉碎，骨折端多個骨塊未能有效固定，受力后即出現翻轉，不能提供強有力的支撐和有效傳導應力，頭頸骨塊缺乏內側支撐后出現內翻、旋轉，同時股骨外側壁的破碎導致無法對抗頭頸骨塊的移位，此時股骨近端防旋髓內釘起到主要支撐作用，但患者為高齡骨質疏松患者，骨質量稍差，螺旋刀片在對抗頭頸骨塊移位的過程中承受較大應力，其周圍的松質骨較為稀松脆弱，擠壓后出現斷裂，隨著應力加大，斷裂的松質骨增多，在螺旋刀片周圍形成空缺，進而螺旋刀片切割，頭頸骨塊移位，內固定失效。王鄭浩等[20]研究表明，轉子下骨折髓內釘術后髖內翻、髓內釘固定失效為骨折不愈合的危險因素，術后復位內側皮質為其保護因素，這與本次實驗結果完全吻合；而眾多臨床研究也表明單純髓內釘治療股骨轉子下骨折，特別是復雜股骨轉子下骨折療效較差[21-23]。

對比之下，實驗C-PFNA 模型螺旋刀片基本無切割，頭頸骨塊的內翻和旋轉角度較小，雖局部應力稍大，但整體更趨穩(wěn)定，其原因可能是：①骨水泥即骨黏固劑，常用的有聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥、磷酸鈣骨水泥及其他復合骨水泥材料三種，此次實驗使用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥不僅可塑性高，而且力學強度優(yōu)良，在增加內固定穩(wěn)定性的同時可以有效分散、傳導應力，降低內固定失敗風險[24]；②骨水泥填充、擠壓螺旋刀片周圍稀松的松質骨后，松質骨和螺旋刀片連接形成一個穩(wěn)定的整體結構，大大提升了松質骨的強度，并將應力傳導至螺旋刀片，減少松質骨受力、斷裂，保證了螺旋刀片與周圍松質骨的接觸面積，進而避免螺旋刀片切割，本次實驗中可以看到注入骨水泥后，頭頸骨塊周圍松質骨斷裂消失甚少，基本無切割；③螺旋刀片注入骨水泥后，螺旋刀片的錨固力增加，傳導應力效果更佳，能承受更大作用力，相當于重建內側壁，極大地增強了“三點支撐”的內側作用點，減少了內側皮質的壓力，增加了外側皮質的張力，有效地抵抗了外側壁和內側壁破裂的不利影響，減少了內固定失敗的風險。而在本次實驗結果中也可以看到，在骨水泥釘道強化后，所有骨塊移位均較小，骨折端更加穩(wěn)定，能有效減少術后無菌性骨不連的發(fā)生率，但骨水泥周圍出現應力最集中。這與黃培鎮(zhèn)等[19]使用釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療轉子間骨折得出的實驗結果一致，骨水泥的錨固力可有效抵抗內外側壁破裂帶來的不穩(wěn)定，但同時會導致應力集中。

此次實驗結果表明，釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折具有較好的生物力學效果，相較于其他內固定方式，具有如下優(yōu)點：①骨水泥注入簡單便捷，等待骨水泥冷卻時間也較短，不會大幅度增加手術時長，對于老年患者尤為適用；②無需增加手術切口，仍能保留髓內釘的微創(chuàng)特點，減少術中出血，降低血運破壞，避免額外損傷周圍神經、血管的可能，有利于患者術后恢復；③附加鋼板可以重建外側壁，但高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折多為骨質疏松患者，螺釘拔出風險增加，且近端螺釘只有單皮質固定，固定牢固性欠佳，不如骨水泥強有力的錨固：④整體穩(wěn)定性增加，有利于患者術后功能鍛煉，患者可早期拄拐下地，減少壓瘡、肺炎、深靜脈血栓等并發(fā)癥。

當然，釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折仍具有一定的局限性：①鋼板集采之后價格便宜，而骨水泥價格較鋼板稍貴，不可避免地增加了患者負擔；②骨水泥強大的錨固力導致內固定取出困難，內固定可能需永久留存體內，若患者并發(fā)術后感染或排斥反應需去除內固定，這將是骨科醫(yī)生的難題；③骨水泥不同分布將造成迥異的生物力學效果，怎樣分布具有最佳的生物力學效果，還需進一步探討研究；④釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折臨床研究報道甚少，對于術后并發(fā)癥及患者的功能恢復情況無從得知，今后將收集更多的臨床病例來支撐實驗結果，進一步改進和完善術式。

綜上，釘道強化股骨近端防旋髓內釘治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折具有較好的生物力學效果，兼具操作簡單、損傷小、手術時間短等優(yōu)點，且能有效預防螺旋刀片切割，是臨床治療高齡Seinsheimer Ⅴ型股骨轉子下骨折的一個新思路、新方法，關于其相關問題將在后續(xù)進一步深入研究。