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内收型股骨颈骨折多根空心螺钉固定的三维有限元分析
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【预防中医学论文】作者：杨成伟，李全，孙伟，张治宇，蔡郑东【摘要】 [目的]通过三维有限元法对内收型股骨颈骨折的不同多根空心螺钉内固定方式进行对比评价，比较3根螺钉固定和2根螺钉固定的优缺点，为临床应用提供理论依据。[方法]以内收型股骨颈骨折为研究对象建立模型，根据人正常行走时的3种步态情况，给予股骨头不同的关节压力和肌肉拉力，分别进行有限元计算。[结果]脚跟着地和中立位时，2根螺钉和3根螺钉固定后各项指标无明显差别;而脚尖离地时，2根螺钉固定较3根螺钉固定模型的抗张力和抗扭转指标差。按倒三角方式三钉固定模型的各指标在3种受力情况下均比较好。[结论]2根螺钉固定的效果与受力方向有关，3根螺钉固定的方式更可靠更安全，临床上建议尽量采取三钉固定的方式。
【关键词】 股骨颈骨折; 内固定; 生物力学; 有限元分析
Abstract：[Objective]To explore the biomechanical stability of fixation with two and three cannulated compression screws in treatment of the adductive femoral neck fractures by the threedimensional finite element analysis(FEA).[Method]Two FEA models of two screws and three screws for adductive femoral neck facture fixations were set up to investigate the simulated loading of three different conditions.[Result]At the condition of the heel touching the ground and the middle position,there was no difference in the biomechanical stabilities of the two models.However,at the condition of the tiptoe departing from the groud,the model of three screws fixation was better in torsion resistance and stretching resistance.[Conclusion]The biomechanical stability of fixation with two screws is determined by the direction of loading.Three cannulated compression screws fixation provides better biomechanical stability.
Key words：adductive femoral neck fracture; internal fixation; biomechanical stability; threedimensional finite element analysis
股骨颈骨折是一种在老年患者中常见的骨折，该骨折由Astley Cooper[1]于1823年首次与其他髋部骨折区分开来。随着现代社会人类平均寿命的延长，股骨颈骨折的发生率也会进一步增高[2～4]。Pauwels针对股骨颈骨折的骨折线倾斜角度进行了分型，其中内收型股骨颈骨折骨折线受到的剪力大，骨折端极不稳定，手术复位和内固定几乎是惟一有效的治疗方案。目前，空心加压螺钉内固定技术以创伤小、有利于骨折愈合的特点，已经成为股骨颈骨折的主要治疗手段。但是对于使用空心螺钉的数目方面临床一直存在着一些争议，一些学者提出，使用2根螺钉固定和3根螺钉固定在治疗效果方面没有差异[5～8]，而另外一些学者[9～11]则认为应该使用3根螺钉固定股骨颈骨折。本文以Pauwels角为70°的内收型股骨颈骨折为例，用三维有限元分析的方法来研究不同数目螺钉固定钉方式的生物力学稳定性，以此分析二种固定方式的优缺点，为临床应用提供可靠的理论依据。
1 材料和方法
1.1 有限元的模型建立
1.1.1 建立几何模型 对成人正常股骨进行CT扫描(使用西门子螺旋CT，层厚2 mm)，最终得到132幅DICOM格式的CT图像。利用Mimics软件读取DICOM格式图像，根据骨组织灰度值的差异，通过阈值化及相应的擦除操作，分别提取股骨皮质骨和松质骨相关信息，构建得到股骨上段三维模型，将模型输出为点云文件，再经过逆向工程软件Geomagic进行光滑处理后生成几何实体，输出为Iges文件。然后将各部分的几何模型导入有限元分析软件ABAQUS中。
根据临床上AO/ASIF空心加压螺钉的尺寸确定螺纹部分直径为7.3 mm，无螺纹部分直径为4.8 mm，长度根据临床需要的不同而调整。由于本研究的重点与螺纹关系不大，因此为简化模型，忽略螺纹的细节，以直径7.3 mm的圆柱体代替螺纹部分。
1.1.2 建立有限元模型 根据临床股骨颈骨折的常见情况，确定骨折线位于股骨颈中部，假设对最不稳定的骨折进行固定，设定Pauwels角为70°。假设骨折已经复位，骨折面完全断裂，定义两骨折面之间接触并取摩擦系数为0.2。
根据Bout[14]等股骨颈螺钉固定原则，2根螺钉固定时应1枚嵌入股骨距皮质，另1枚紧贴股骨颈后上侧皮质，2枚螺钉保持平行;3枚螺钉固定时应1枚嵌入股骨距皮质，另2枚分别紧贴股骨颈后上和前上侧皮质，3枚螺钉保持平行。据此利用ABAQUS CAE中的实体移动以及布尔操作等功能，建立以下2组模型进行比较。设定螺钉螺纹部分和骨之间为Tie连接，无相互错动，无螺纹部分与钉道之间接触，取摩擦系数为0.15。
对照：完整的股骨近端模型作为对照，2种螺钉固定的模型和该对照进行对比分析。
模型A：平行股骨颈轴线方向进钉，第1枚螺钉在大转子嵴下方4.0 cm处进钉，紧贴股骨距，部分嵌入其中，其余2枚分别在大转子嵴下2.5 cm处进钉，两钉间距1.5 cm均紧贴前侧和后侧骨皮质。3枚螺钉置钉角度均与股骨干纵轴成135°(图1)。
模型B：平行股骨颈轴线方向进钉，第1枚螺钉在大转子嵴下方4 cm处进钉，紧贴股骨距，部分嵌入其中，另外1枚分别在大转子嵴下2.5 cm处进钉，紧贴股骨颈后侧皮质。2枚螺钉置钉角度均与股骨干纵轴成135°(图2)。
图1 3根螺钉固定内收型股骨颈骨折模型即模型A 图2 2根螺钉固定内收型股骨颈骨折模型即模型B
1.1.3 单元划分 本文将各种材料近似看作均质、各向同性材料，材料属性的设置[2]见表1。采用C3D10M单元(10节点四面体单元)划分网格(对股骨头进行局部网格细化)后得到股骨颈骨折螺钉内固定的模型。股骨近端模型的节点数为61 012，单元数为40 807;每根螺钉的节点数为8 944，单元数为5 423。
表1 股骨颈骨折螺钉内固定模型中材料属性的设定皮质骨松质骨加压螺钉弹性模量(MPa)12 000100110 000 泊松比0.30.20.3
1.1.4 边界条件及载荷 根据人正常行走步态下的三种情况进行分析。分别模拟脚跟着地、行走单脚中立位时、脚尖离地时三种情况，假设总体重为75 kg，根据Cheal等[13]对行走时股骨头受到的关节作用力进行分析;对股骨近端下端的面进行约束，限制矢状面、轴向、冠状面三个方向的位移。三种情况下股骨头受力(表2)。
1.1.5 评价指标 对于不同螺钉固定后模型的稳定性是评价固定方式优劣的主要依据。因此确定以指标作为评价标准：
①股骨头的最大矢状面位移(UX)，矢状面位移从侧面反映了固定后模型的抗扭转能力。
表2 3种步态下股骨近端所受到的关节作用力和周围肌肉拉力(N)XYZ脚跟着地关节应力-1 228-3 172341长收肌6924128大收肌110-1097臀大肌499169781臀中肌349238323臀小肌306167191中立位关节应力-903-2 400-129臀中肌394106423臀小肌17246130髂腰肌96698650脚尖离地关节应力-987-3 024318长收肌9557192大收肌17051130臀中肌6160607臀小肌35931265髂腰肌1911 3951 299梨状肌144-257
(假设总体重为75 kg(735 N))
②股骨头的最大轴向位移(UY)，轴向位移体现了固定后模型的稳定和抗压能力，位移越小稳定性越好，抗形变能力越大。
③股骨头的最大冠状面位移(UZ)，冠状面位移体现了固定后模型的抗张力性能和骨折面结合的牢固程度。
④股骨头的总位移(UM)，为股骨头三个方向的位移之和，从另一个角度评判模型的整体稳定性。
⑤骨折面的最大裂缝距离(S),由于骨折面的完全断裂，载荷作用下骨折接合面的上端会产生微小的裂缝，如果裂缝过大将延迟骨折的愈合，严重者可能造成骨折的愈合困难。
2 结 果
在股骨头不同受力情况下，3根螺钉和2根螺钉固定的模型生物力学稳定性相关参数的结果见图3～6。
图3显示了2种模型在脚跟着地时股骨头受力的情况下各相位移的情况。可见2种模型和对照模型相，比在各方向位移变化趋势相同，而且位移差别都非常小。
图4显示了2种模型在全脚掌着地中立位时股骨头受力后股骨头的各方向位移情况。可见2种模型和对照模型相，比在各方向位移变化趋势相同，而且位移差别都非常小。
图5显示了2种模型在脚尖离地时股骨头受力后股骨头的各方向位移情况。可见模型A的各向位移和对照相比都要比模型B小，尤其是在UY、UZ方向，模型A的总位移大小也明显低于模型B，可见在此种受力情况下模型A的整体稳定性要好于模型B。
图6单独显示了2种模型在不同行走状态下螺钉固定后骨折面最大裂缝距离的情况。可见在脚跟着地和中立位时，模型A和模型B的骨折面最大位移差别不大。而在脚尖离地时，模型B的骨折面最大位移较模型A明显增加，可见此种受力情况下，模型B可能不利于骨折的愈合。
图6 不同行走状态下二种模型骨折面最大位移情况 (位移大小由颜色如图中标识所示，颜色越偏红代表位移越大，越偏蓝代表位移越小)
3 讨 论
本实验讨论了内收型(Pauwel分型)股骨颈骨折不同数目螺钉按照目前比较公认的股骨颈骨折空心螺钉固定原则进行固定后的生物力学情况。内收型股骨颈骨折作为临床常见的股骨颈骨折类型，骨折端受到的剪切力大，骨折不稳定，能够将不同数目螺钉固定后的优缺点较好地展示出来。由于股骨颈有其特殊的骨质结构，Bout[14]等提出了股骨颈骨折治疗的固定原则，该原则得到了许多研究者的认可[9,16]。对于螺钉置入的构型，许多研究者已经做了一些工作。Booth等[17]在尸体上进行的生物力学研究证明2根螺钉固定时，螺钉在紧贴股骨颈皮质时有更好的生物力学稳定性。这种构型和Bout等提出的临床治疗原则相一致，并广泛应用于临床实践中。在股骨颈骨折的3根螺钉固定研究中[18,19]已经证实了倒三角结构有更好的生物力学稳定性。目前对于使用固定螺钉的数目，很多学者[5～11]的意见还是存在分歧。本实验建立了2根螺钉固定和3根螺钉固定的三维有限元模型，并对模型在行走的不同状态下进行了初步分析。
目前的大部分关于股骨颈骨折的生物力学研究仅分析股骨头受到单一方向大小外力作用的情况。考虑到临床实际工作中，股骨颈骨折患者经过螺钉内固定治疗后要下地行走，在行走过程中，股骨头受到的关节作用力和周围肌肉拉力是不断动态变化的，因而，本实验设计了在正常步态的3种状态下对股骨颈骨折螺钉固定模型进行了有限元分析。这种分析方法更贴近于临床，能更好地反映2种固定方式在髋关节运动的生物稳定性。本文主要对比2种不同固定方式的优劣，模型设定螺钉和股骨头紧密结合，因此对螺钉螺纹对股骨头的切割作用没有进行深入探讨。考虑到股骨颈骨折螺钉固定后的应力主要集中于螺钉，因此本文评估固定后模型稳定性的主要指标采用了股骨头的位移和骨折面的位移情况，显然，骨折面的位移更值得关注。
根据本试验结果，在模拟行走脚跟着地和中立位时，2个模型的各项数据差别都不大，可见在步行时的2种受力情况下，2根螺钉按照Bout等[14]提出的“螺钉固定三原则”进行固定后，其生物力学稳定性与3根螺钉固定的效果相似。这一结果和许多单腿站立受力后的生物力学研究结果相一致[5,15]，并且该固定方式也得到了一些学者的认可并应用于临床实践中[8,14]。
本研究中，在脚尖离地时，2个模型的股骨头位移出现了比较大的变化。其中最明显的是在UZ即冠状面方向上，模型B中股骨头的位移明显大于模型A;在UX即矢状面方向也可以观察到相似的结果;同时，模型B的骨折面位移也比模型A大很多，可见，模型B的抗扭转和抗张力性能较模型A差，并且固定不牢靠，不利于骨折的愈合。产生这一结果的原因可能是由于2根螺钉固定时，2根螺钉只能在一个平面上形成固定支架，当该固定平面和股骨上段受力的方向成角较小的时候，固定模型的整体稳定性就要好一些;但是当固定平面和受力方向成角偏大的时候，固定模型的整体稳定强度就要明显减弱。而模型A中，3根螺钉固定后在股骨颈内部形成了一个稳定的三角框架结构，无论股骨上段受力如何变化，对于模型稳定性的影响都不会很大。
综上，从生物力学的角度来看，在运动状态下3根螺钉固定要比2根螺钉固定更加可靠，更安全。而2根螺钉固定在临床上取得的一定效果，可能与患者术后卧床制动的时间较长有关。
4 结 论
根据“螺钉固定三原则”对内收型股骨颈骨折进行螺钉固定后，在行走的脚跟着地和中立位2种情况下2根螺钉固定与3根螺钉固定的效果相似。可见，临床应用2根螺钉固定是有其生物力学依据的，这和许多股骨头单一受力情况下的生物力学分析是相吻合的。但是，在本研究中，脚尖离地的情况下，2根螺钉固定的抗扭转、抗张力能力以及控制骨折面位移方面都比3根螺钉固定效果差。可见，2根螺钉固定的效果是和股骨头受力方向相关的，而3根螺钉固定在行走时不同受力情况下都保持了良好的生物力学稳定性，因此，3根螺钉固定的方式要比2根螺钉固定更具可靠性和安全性。综上，从临床应用的安全性和临床效果考虑对于股骨颈骨折的治疗建议尽量采用3根螺钉固定，如采取2根螺钉固定，患者术后可能需卧床制动较长时间，不宜过早下床负重活动。
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