林臻 陈少坚 高连云 阮康明 刘清平
[關键词] 股骨粗隆间骨折;PFNA固定;静态锁定;滑动加压;有限元分析
[中图分类号] R687.3 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2021）21-0058-04
Mechanical comparison of two locking methods of the proximal femoral anti-rotation intramedullary nail helical blade in the treatment of unstable femoral intertrochanter fracture
LIN Zhen CHEN Shaojian GAO Lianyun RUAN Kangming LIU Qingping
Department of Orthopaedic Trauma，Mindong Hospital Affiliated to Fujian Medical University，Ningde 355000，China
[Abstract] Objective To compare the biomechanical properties of the proximal femoral anti-rotation intramedullary nail helical blade static locking and sliding compression fixation in the treatment of unstable femoral intertrochanter fracture，and to provide a scientific basis for the selection of internal fixation in clinical surgery. Methods The finite element model of the femur was established based on the three-dimensional original CT images of healthy adult males. The internal fixation model was established using Solidworks software. Twenty finite element models of unstable （Evans-Jensen Ⅳ/Ⅴ） femoral intertrochanter fracture internal fixation with different fracture line positions and degrees of displacement were simulated. Two models of the helical blade （static locking and sliding compression） were imported into Abaqus analysis software， and the femoral stress when the single foot was standing was simulated. The same constraint and load were applied. The force distribution and displacement magnitude were observed. Results It was seen from the finite element model diagram that the stress was mainly distributed in the femoral neck，large and small trochanter， middle and lower segment，and the stress at the small site was relatively concentrated. In the two states of standing and walking，the stress and displacement of the helical blade static locking fixation in the PFNA internal fixation model of two different types（type Ⅳ/Ⅴ） of femoral intertrochanter fractures were lower than those of sliding compression fixation，and the differences were statistically significant （P<0.05）. Conclusion Compared with sliding compression locking， helical blade static locking has less mechanical stress and more reasonable distribution in the treatment of unstable femoral fracture with femoral antirotation intramedullary nail，which has better biomechanical advantages for fracture healing.
[Key words] Femoral intertrochanter fracture; PFNA fixation; Static locking; Sliding compression; Finite element analysis
老年股骨粗隆间骨折在临床上日益增多，其常合并较多内科疾病，保守治疗致死、致残率高，随着骨科内固定器械的更新，微创闭合复位内固定已成为临床首选治疗方法[1]。股骨近端抗旋髓内钉（Proximal femoral nail antirotation，PFNA）具有良好的把持力、抗旋转力，固定效果好，允许术后早期康复锻炼，逐渐成为临床首选[2-4]。其根据近端主钉尾帽与螺旋刀片锁定方式，可将PFNA产品进一步分为静态锁定固定和滑动加压固定两类。目前仍没有以上两种不同锁定方式PFNA产品在治疗不稳定股骨粗隆间骨折相关的生物力学性能比较的研究。本研究通过有限元建立Evans-Jensen分型Ⅳ型和Ⅴ型股骨粗隆间骨折和两种固定方式的骨折PFNA内固定模型，了解PFNA 内固定（静态锁定和滑动加压）的力学性能，为骨折手术治疗选择内固定产品和固定方式时提供具有科学依据的参考，现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
临床选取一名30岁，身高172 cm，体重70 kg健康男性志愿者（其知情理解并签署同意书），纳入标准：①髋部及下肢无外伤、骨折、手术史者;②无明显畸形者;③无骨肿瘤、风湿类疾病者。排除标准：①有髋部骨折、手术史者;②先天性髋关节脱位、畸形者[5]。采用美国GE公司的64排螺旋CT进行仰卧位双侧股骨全长薄层扫描+三维重建。并在工作站上进行插值等相关数据处理后，得到层厚1 mm的连续影像资料（Dicom格式）。
1.2 方法
1.2.1 正常股骨三维模型的构建 将上述收集处理的影像资料导入比利时Mimics 软件（17.0）中进行除噪，同时设定骨软组织边界的相关阈值，并进一步处理不需要的肌肉软组织等背景图像，根据正常的股骨解剖结构对获得的相关图像进行合理选择性分割整理，最终建立所需的几何模型（封三图2）。将相关的STL格式文件数据信息通过美国Geomagic Studio 软件（2012）调整优化，最终通过偏移的功能将皮质骨、松质骨进行有效区分。
1.2.2 骨折两种不同锁定方式模型的构建 通过法国Dassault的Solidworks软件，构建以厦门大博科技股份有限公司生产的PFNA髓内钉（直径10 mm、长度170 mm）为原型的内固定模型。将上述构建的股骨模型导入Solidworks，并模拟不同骨折線和移位的各20个Evans-Jensen分型Ⅳ型、Ⅴ型股骨粗隆间骨折模型，并与上述建立的内固定模型模拟临床手术治疗方式的组合装配，建立所需模型（封三图3）。
1.2.3 股骨模型的材料属性 生物组织的材料特性与载荷相关，相同组织在承受不同载荷情况下其材料特性也会存在差异。有限元模型中皮质骨和松质骨（准静态载荷）都认为具有线弹性特性，而且用线弹性材料模拟后也能够在准静态载荷下得到有价值的结果。假设模型中皮质骨与松质骨均为各向同性、均质的线弹性材料，并将其设定为下列数值（表1）。
1.2.4 边界与载荷 假设模型中各骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为0.2，由于两种骨折内固定模型在装配模式上是一致的，区别在于静态锁定固定的螺旋刀片与髓内钉主钉之间的摩擦力设置为1.0 即不可相对滑动，而滑动加压固定的螺旋刀片与髓内钉主钉之间的摩擦力设置为0.2即可相对滑动。而在载荷模拟方向，股骨承受众多载荷（肌肉、关节力等），有限元法模拟较为复杂，同时因骨骼周围有较多的肌肉群，其作用力大小和方向不一致等，要在动态下精确模拟更为困难，借鉴汪金平等[6]的方法对模型简化，进行静态力学有限元分析，分别对各分组研究模型加载1倍体重（相当于单腿站立的载荷）与2.38倍体重（相当于缓步行走时的载荷）模拟对应股骨的载荷大小和分布情况。将股骨头髋臼接触区域外表面设定为施加部位，并将所有节点的6个自由度设为0。
1.3 观察指标
观察两种内固定有限元模型的应力云图与位移云图，同时比较其最大应力与最大位移。
1.4 统计学方法
采用IBM SPSS 24.0统计学软件进行数据处理，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，采用独立样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 不同骨折内固定模型有限元分析应力云图与位移云图
从有限元模型图中可以看出，应力主要分布于股骨颈及大、小粗隆部、中下段，小粗隆处的应力相对集中，与其他研究结论相一致，所建立模型是有效、可靠的。见封三图4。在验证完股骨有限元模型有效性的基础上，对Evans-Jensen Ⅳ型、Evans-Jensen Ⅴ型股骨粗隆间骨折分别用PFNA静态锁定固定和滑动加压固定，并进行单腿站立和缓步行走载荷下结果分析。见封三图5～6。
2.2 不同骨折内固定模型最大应力与最大位移比较
通过对各20个Evans-Jensen Ⅳ/Ⅴ型骨折内固定物有限元模型测试承受压缩负荷时，最大应力和最大位移比较发现，两种不同骨折分型PFNA内固定模型静态锁定固定应力和位移远低于滑动加压固定，差异有统计学意义（P<0.05）。见表2。
3 讨论
随着国家逐渐进入老龄化，股骨粗隆间骨折逐渐成为老年人最常见的骨折之一，由于老年骨质疏松、内科合并症多、保守治疗卧床牵引时间较长、并发症发生率和死亡率都相对较高，手术内固定具有恢复快等优势已成为临床治疗的推荐方案[7]。Evans-Jensen Ⅳ/Ⅴ型股骨粗隆间骨折，由于骨折累及内侧小转子属于复杂不稳定型骨折，并发症发生率和死亡率远比稳定型股骨粗隆间骨折高，临床上大多数医生主张对没有明显手术禁忌证的患者进行积极早期手术治疗[8]。手术主要采用闭合复位微创内固定方式，手术创伤相对小、时间短，固定牢靠更有助于术后支具辅助下进行早期康复锻炼治疗，起到减少并发症、提高骨折的治疗效果[3，9-11]。
随着内固定材料的更新，闭合复位PFNA内固定术具有手术微创、简易，同时内固定有效，是临床上治疗的主要手术方法[12-13]。PFNA的螺旋刀片具有锁定技术，其敲入时能对刀片周围骨质进行很好的填压，同时增强锚合力，可使内固定不易松动。通过PFNA特殊设计的螺旋刀片可实现抗旋转、抗切出和稳定支撑作用。传统的螺旋刀片与长的主钉为静态锁定固定，但在新一代PFNA更新后，其设计为短的主钉尾帽，螺旋刀片具有滑动锁定固定技术，使螺旋刀片具有轻微位移，骨折断端自动加压，促进骨折愈合，得到了临床广泛的应用，在Evans-Jensen分型Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，即内侧壁完整的病例中，螺旋刀片具有滑动加压的PFNA是较好选择。但在Evans-Jensen分型Ⅳ型和Ⅴ型，即内侧壁不完整的病例中，很多仍选择滑动加压的PFNA，但通过我院近几年的临床治疗PFNA病例随访发现，其髓内钉疲劳断裂、近端螺钉退出、骨折不愈合等并发症发生率增加，因此使用滑动加压的PFNA有负性支撑，应首选静态锁定产品[14]，但目前仍没有相关的生物力学理论支持。
生物力学研究是骨折内固定效果评价的金标准试验，三维有限元建模分析是目前热门的生物力学研究手段[15-16]。为了比较Evans-Jensen分型Ⅳ型和Ⅴ型骨折内固定中PFNA主钉和螺旋刀片不同锁定方式的力学特性和固定效果，本研究构建了正常股骨的三维模型，并通过偏移的功能将股骨皮质骨、松质骨区分，使模型趋于接近真实情况。同时通过设置不同骨折线、不同移位构建了各20个Evans-Jensen分型Ⅳ型、V型股骨粗隆间骨折模型，使其尽量覆盖临床常见的骨折移位模型，并与建立的内固定模型进行组合装配，建立PFNA固定股骨骨折的三维有限元模型。
在股骨受力载荷模拟加载方面，由于在正常人体中股骨周围有作用力大小和方向不同的肌肉群，实际受力复杂，常由多种载荷叠加，无法进行股骨粗隆部的受力载荷精准的有限元模拟分析，但有研究显示，是否添加复杂的肌肉牵拉载荷并不影响内固定物的应力分布和分析结果[17-19]。为了简化计算，本研究仅选择了单纯从上至下的重力加载[20]。
有研究发现，有小粗隆骨折无法有效支撑的不稳定型骨折采用DHS固定时，有重要力学支撑作用的股骨距完整性破坏、压应力传导中断，导致DHS产品的钉板结合处承受较小粗隆部完整的稳定骨折时增大1倍的压应力，使其更容易出现钉板疲劳、断裂等内固定失效情况，而对于PFNA固定来说，刀片与主钉结合处有同样的问题。本研究结果显示，采用静态锁定固定方式，不论行走或站立时受载后髓内钉的最大应力或最大位移均小于滑动加压固定方式，差异均有统计学意义（P<0.05），提示主钉静态锁定的髓内钉稳定性优于滑动加压固定，更利于骨折愈合生长。
综上所述，通过有限元分析的结果，建议临床上选择PFNA内固定治疗累及小转子骨折内侧壁不完整的Evans-Jensen Ⅳ型、Ⅴ型不稳定股骨粗隆间骨折时，应优先考虑选择长的主钉尾帽产品，其可与螺旋刀片静态锁定固定，增加力学固定效果，进一步减少螺钉内固定断裂、退钉、骨折不愈合等并发症的发生，特别是对于骨质疏松患者。
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（收稿日期：2021-02-23）
