三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析.doc

www.CRTER.org虎群盛，等. 三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析虎群盛1，姜自伟2，黄 枫2(1广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405；2广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405)引用本文：虎群盛，姜自伟，黄枫. 三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析J.中国组织工程研究，2016，20(48):7219-7224.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.011 ORCID: 0000-0001-5277-6757(姜自伟)文章快速阅读：三维有限元分析不稳定型股骨转子间骨折不同内固定方式的生物力学性能虎群盛，男，1983年生，河南省信阳市人，广州中医药大学第一临床医学院2014级博士研究生，主治中医师，主要从事中西医结合治疗骨与关节损伤研究。通讯作者：姜自伟，博士，副主任中医师，广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)48-07219-06稿件接受：2016-10-14利用Mimics 10.0、Geomagic Studio 10.0、Solidworks软件，制作Evans 型骨折模型。PFNA-II固定Evans 型骨折数字模型。三角股骨近端髓内钉固定Evans 型骨折数字模型。使用Abaqus 12.0软件分析2种内固定方式在同样条件下的应力分布以及位移情况。三角股骨近端髓内钉固定时，内固定上的应力集中较PFNA-明显减少，模型的位移也相对减小。文题释义：三角股骨近端髓内钉：已获国家发明专利(授权公告号：CN203763217U)，它是以辛迪斯公司的PFNA-为基础加以设计改进，由主钉、6.5 mm直径上端抗张力螺钉、10.5 mm直径螺旋刀片、4.9 mm直径远端锁定螺钉组成。距离螺旋刀片孔上缘1.6 cm处做一直径6.5 mm抗张力螺钉孔，螺钉孔的纵轴与主钉近端纵轴呈110。其余参数与 PFNA-相同。内固定应力分布：是衡量内固定方式优劣的一个标准，理想的内固定物应该使应力尽可能均匀的分布在内固定物上，而不应过度集中在某一部位。摘要背景：以防旋型股骨近端髓内钉以及亚洲型防旋型股骨近端髓内钉(PFNA-)为代表的新型髓内钉治疗是目前股骨转子间骨折中最常用的内固定方式，但仍然无法避免应力集中、内固定失败的风险。目的：通过有限元方法对新研制的三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折后的生物力学性能进行分析，并与PFNA-进行对比，检验其设计的合理性。方法：利用股骨CT数据建立股骨近端的三维有限元模型，在此基础上制作Evans 型股骨转子间骨折的三维有限元模型，对骨折模型分别使用三角股骨近端髓内钉和PFNA-固定。比较2种髓内钉内固定后在同一载荷下的内固定应力分布和生物力学稳定性。结果与结论：三角股骨近端髓内钉和PFNA-固定模型的应力集中均位于螺旋刀片与主钉交界部位；PFNA-的最大应力为214.0 MPa，三角股骨近端髓内钉最大应力为196.2 MPa；PFNA-固定的股骨近端位移明显大于三角股骨近端髓内钉，分别为5.37 mm和5.18 mm；结果提示，三角股骨近端髓内钉固定Evans 型股骨转子间骨折比PFNA-具有优势，固定强度更好，不容易出现内固定断裂，符合股骨转子间骨折治疗的要求。关键词：骨科植入物；数字化骨科；股骨转子间骨折；亚洲型股骨近端防旋髓内钉；有限元分析；生物力学；广东省自然科学基金主题词：股骨骨折；有限元分析；生物力学；组织工程基金资助：广东省自然科学基金项目(2014A030310379)；广州市科技计划一般项目(201510010005)；国家中医药管理局2013 年全国名老中医药专家传承工作室建设项目-陈基长全国名老中医药专家传承工作室缩略语：亚洲型防旋型股骨近端髓内钉：proximal femoral nail antirotation，PFNA3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture fixed with triangle proximal femoral nailHu Qun-sheng1, Jiang Zi-wei2, Huang Feng2 (1the First Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Department of Traumatic Bone, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China)AbstractBACKGROUND: Proximal femoral nail antirotation (PFNA) and Asian PFNA (PFNA-II) are the most common internal fixation methods in the treatment of intertrochanteric fractures. But stress concentration and failure of internal fixation are still inevitable. OBJECTIVE: To analyze the biomechanical behaviors of the unstable intertrochanteric fracture fixed with the new designed triangle proximal femoral nail and to testify its feasibility by compared with PFNA-II. METHODS: Three-dimensional finite element model of proximal femur was established by using CT data of femur. Then the Evans IV femoral intertrochanteric fracture was established, followed by fixed with triangle proximal femoral nail and PFNA-II, respectively. The stress distribution and biomechanical stability under the same load were compared between two nails. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress concentration of the two nails was both located at the junction of the screw blade and the main nail. (2) The maximum stress of PFNA-II and proximal femoral nail was 214 and 196.2 MPa, respectively. The displacement of PFNA-II model was significantly larger than that of the triangular proximal femoral nail (5.37 mm versus 5.18 mm). (3) To conclude, for Evans IV intertrochanteric fracture, the triangle proximal femoral nail is superiority to PFNA-II, showing the good fixation stability and low incidence of internal fixation failure, which all meet the treatment standards.Subject headings: Femoral fractures; Finite Element Analysis; Biomechanics; Tissue Engineering Funding: the Natural Science Foundation of Guangdong Province, No. 2014A030310379; the General Project of the Guangzhou Science and Technology Plan, No. 201510010005; the Construction Project of the National Famous Chinese Medicine Expert Inherence Studio of the State Administration of Traditional Chinese Medicine in 2013-Chen Ji-chang National Famous Chinese Medicine Expert Inherence Studio.Cite this article: Hu QS, Jiang ZW, Huang F. Finite element analysis of unstable intertrochanteric fracture fixed with triangle proximal femoral nail. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(48):7219-7224.Hu Qun-sheng, Studying for doctorate, Attending physician, the First Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, ChinaCorresponding author: Jiang Zi-wei, M.D., Associate chief physician, Department of Traumatic Bone, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China5ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction人口老龄化的发展使得股骨转子间骨折日渐成为社会和医疗的沉重负担1-2。以防旋型股骨近端髓内钉(proximal femoral nail antirotation，PFNA)以及亚洲型PFNA(PFNA-)为代表的新型髓内钉治疗是目前股骨转子间骨折中最常用的内固定方式，取得了良好疗效3-5。但是由于骨质疏松等原因，在临床上仍然会出现内固定松动、断裂等多种并发症6-7。文章结合股骨近端的骨小梁生物力学特点，通过在PFNA-基础上增加1枚近端抗张力螺钉研制三角股骨近端髓内钉，期望通过增加抗张力螺钉、交叉锁定的方式来减少内固定的应力集中提高内固定的稳定性。文章通过计算机模拟同一载荷下三角股骨近端髓内钉和PFNA-固定不稳定性Evens 型股骨转子间骨折后的生物力学性能，为临床应用提供基础理论依据。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 数字骨科对比观察实验。1.2 时间及地点 于2015年5月至2016年1月在广州中医药大学骨科实验室完成。1.3 材料 64排螺旋CT(日本东芝公司)，Mimics 10.0 软件(比利时Materialise公司)，Geomagic Studio 10.0 (美国Raindrop公司)，Solidworks 2010(法国Dassault公司)，Abaqus 12.0(美国达索SIMULIA公司)。1.4 对象 老年男性志愿者1名，年龄60岁，身高173 cm，体质量70 kg，身体健康，无骨关节疾病及重大创伤史。已签署实验研究知情同意书。1.5 方法1.5.1 股骨近端三维有限元模型的构建及验证 用螺旋CT对志愿者右侧股骨全段薄层扫描，层厚0.5 mm，所有数据用DICOM格式保存。然后导入Mimics 10.0软件，根据不同组织灰度值的差异，通过阈值化及象素修补、区域增长和消除孤立点等处理，分离皮质骨、松质骨和骨髓腔，利用三维模型生成功能生成股骨中上段三维模型。将股骨中上段三维模型导入逆向工程软件Geomagic Studio 10.0进行光滑处理网格划分。将模型导入Abaqus 12.0进行载荷预实验，按照参考文献8-9的方法给予轴向载荷以及边界条件进行计算，得到的股骨接触压力(6.82 MPa)与文献中的压力值5-10 MPa相近，因此可以判定本研究的模型可靠有效。再将模型导入到Solidwork软件中模拟Evans 型骨折进行截骨。1.5.2 Evans 型骨折模型构建 根据股骨转子间骨折分型系统特点及实验的需要，建立Evans型不稳定型股骨转子间骨折模型。首先经股骨大小转子间截骨，然后再在后内侧截除包含1/2股骨距的股骨小转子骨折块，完成Evans 型骨折的构建。1.5.3 髓内钉内固定模型的构建 在SolidWorks 2010软件中根据PFNA-髓内钉数据尺寸三维重建出PFNA-和三角股骨近端髓内钉得到数字模型。三角股骨近端髓内钉已获国家发明专利(授权公告号：CN203763217U)，它是以辛迪斯公司的PFNA-为基础加以设计改进，由主钉、6.5 mm直径上端抗张力螺钉、10.5 mm直径螺旋刀片、4.9 mm直径远端锁定螺钉组成。距离螺旋刀片孔上缘1.6 cm处做一直径6.5 mm抗张力螺钉孔，螺钉孔的纵轴与主钉近端纵轴呈110。其余参数与 PFNA-相同。设计构成见图1。螺旋刀片进行了仿真重建，为了简化模型，对远端锁定螺钉和三角股骨近端髓内钉的抗张力螺钉的螺纹对其进行简化处理。将股骨转子间骨折模型及髓内钉模型导入SolidWorks 2010中进行装配，生成三角股骨近端髓内钉和PFNA-内固定后的模型。髓内钉在股骨中的位置以辛迪思所提供手术操作标准为参考，螺旋刀片位于股骨头中下靠后位置10(图2)。然后将骨折内固定模型导入到限元分析软件Abaqus 12.0进行处理分析。图1 三角股骨近端髓内钉Figure 1 Triangular proximal femoral nail图注：a为抗张力螺钉，b为螺旋刀片，c为主钉，d为远端锁定螺钉。图2 按照辛迪思手术操作标准入路导入后的正、侧位图，螺旋刀片位于股骨头中央靠后内侧位置Figure 2 Anteroposterior and lateral position picture of the femur after internal fixation in accordance with the Synthes standard surgical approach with the screw blade in the middle and posterior medial position of the femoral head 1.5.4 材料属性 所有模型均采用C3D4线性单元。本研究中内固定及股骨均假设为均质、连续、各向同性的线弹性材料，材料属性赋值参考相关文献11-13，见表1。表1 模型材料属性Table 1 Properties of the model materials材料名称弹性模量(MPa)泊松比股骨松质骨8400.20股骨皮质骨16 800 0.30钛合金(Ti-6Al-7Nb)110 0000.331.5.5 边界条件和加载 在Abaqus中的interaction模块中，首先定义接触面。抗张力螺钉以及螺旋刀片位于股骨头颈内的部分、主钉以及远端锁定螺钉与周围骨质设定为绑定关系，参照文献14-15给予骨折端的摩擦系数为0.46，骨与髓内钉的摩擦系数为0.3，内固定之间的摩擦系数为0.23。股骨远端底面作为固定端，施加三向平移和三向旋转约束。加载时，在股骨头上表面的最上端取一个较小的受力面，然后在这个表面上建立一个点集合。模拟人在直立状态下的受力情况，将1 000 N的力平均加到每个点上进行有限元计算。1.6 主要观察指标 内固定模型的应力分布和位移。2 结果 Results2.1 内固定模型的应力分布 2种模型的内固定应力分布均存在应力集中现象，在相同载荷情况下，三角股骨近端髓内钉和PFNA-固定模型的应力集中均位于螺旋刀片与主钉交界部位。三角股骨近端髓内钉的最大应力小于PFNA-(图3)。PFNA-的最大应力为214 MPa，螺旋刀片的最大应力为54.2 MPa。三角股骨近端髓内钉最大应力为196.2 MPa，抗张力螺钉的最大应力为108.8 MPa，螺旋刀片的应力下降，为47.4 MPa(表2)。BA图3 内固定模型的应力云图Figure 3 Stress of the internal fixation model图注：图A为三角股骨近端髓内钉的应力云图；B为亚洲型防旋股骨近端髓内钉(PFNA-)的应力云图。表2 内固定模型的应力峰值 (MPa)Table 2 Stress peak of the internal fixation model部位三角股骨近端髓内钉PFNA-主钉196.2214.0螺旋刀片47.454.2抗张力螺钉108.8-2.2 内固定模型位移 加载应力后的位移云图中，红色区域位移量最大，从股骨头顶部到股骨干，位移量逐渐减小，离股骨头越远位移越小。2组内固定模型中，由于内固定稳定性的不同，PFNA-固定的股骨近端位移明显大于三角股骨近端髓内钉，分别为5.37 mm和5.18 mm(图4)。BA图4 内固定模型的位移云图Figure 4 Displacement of the internal fixation models图注：图A为三角股骨近端髓内钉固定模型；B为亚洲型防旋股骨近端髓内钉(PFNA-)固定模型。3 讨论 Discussion3.1 实验模型的选择及有限元模型的建立 股骨转子间骨折是临床常见骨折，而髓内固定是目前股骨转子间骨折治疗的常用方法，日渐受到重视。美国骨科医师协会的一项调查显示，在3 687名完成调查的骨科医生中就有68%的医生会首选使用髓内钉治疗股骨转子间骨折16。PFNA采用1枚螺旋刀片来完成股骨近端头颈部位的抗旋转及稳定支撑。通过敲击方式将螺旋刀片置入股骨头而无需提前钻孔，能够压紧松质骨减少骨质丢失提高固定的稳定性，抗旋转稳定性和抗内翻畸形能力强，是治疗骨质疏松的老年股骨转子间骨折理想的治疗方法17-21。由于PFNA与亚洲人股骨近端形态不匹配，手术中容易导致出现主钉置入困难与股骨外侧壁骨折，增加了手术失败风险22-23，因此改良设计之后亚洲型防旋型股骨近端髓内钉PFNA-开始进入临床并取得较好疗效24-25。Li等26研究发现，与PFNA相比，PFNA-可以明显缩短手术时间、减少失血量和局部并发症。然而，虽然PFNA-属于中心性固定，具有明显的生物力学优势，但是仍然无法避免股骨外侧壁骨折、内固定应力集中和失败的风险27-31。生物力学研究是骨折内固定器械研究的金标准，三维有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，也逐渐应用于股骨转子间骨折的力学研究32。为了比较三角股骨近端髓内钉和PFNA-的生物力学性能，文章采用CT断层扫描图像逆向生成实体模型，同时区分皮质骨和松质骨，使模型趋于接近真实情况。在Evans 型骨折模型造模和内固定模型造模过程中，采用SolidWork建模，其可视化效果好，网格划分均一度较高，单元质量高，模型尺寸精度更好，计算结果更精确。为了使本研究具有更大普适性，作者在截骨过程中截除 1/2股骨距的骨折块，以模拟临床上目前有较大争议的类型进行有限元分析。本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性。虽然构成人体的骨骼具有各向异性、不均匀性和非线性的特征。但是Mueller等33研究认为将皮质骨与松质骨看作分布均匀的各向同性体材料进行分析，对有限元分析结果影响不大，而且可以明显简化运算。在股骨受力加载方面，由于髋部周围肌肉丰富，骨质实际受力情况为多种载荷的叠加。有限元分析无法完全模拟股骨近端的受力，但是据Eberle等14的研究，在进行髋部骨折有限元分析时是否添加肌肉牵拉载荷并不影响内固定物的应力分布方式。为了简化计算，作者在进行有限元分析时忽略髋关节周围肌肉和韧带的作用，选择了单纯重力加载。3.2 结果分析 骨小梁是载荷传导的主要载体。对于股骨近端的载荷传递来说，主要存在3组骨小梁：主要抗压力骨小梁、主要抗张力骨小梁及次要抗压力骨小梁。姜自伟等34认为三角股骨近端髓内钉头颈部的抗张力螺钉和螺旋刀片类似于重建股骨颈内部主要抗张力骨小梁和主要抗压力骨小梁，可有效抵抗弯曲及剪切应力，改善内固定的抗疲劳性能。股骨颈内双钉固定具有良好抗旋转和抗剪切能力，可以降低内固定局部应力。Lavini等35使用带有2枚会聚结构头颈螺钉的联合交锁钉Veronail治疗111例股骨转子间骨折，取得良好疗效。他们认为联合交锁双钉固定有助于维持复位，会聚结构的双钉交锁避免了Z字效应，增强了旋转和成角稳定性，可以避免负重时股骨头颈短缩、内翻塌陷的发生以及股骨头的切割。内固定应力分布情况是衡量内固定方式优劣的一个标准，理想的内固定物应该使应力尽可能均匀的分布在内固定物上，而不应过度集中在某一部位36-37。同时，内固定模型的位移体现了结构的稳定性，是评价固定方式优劣的综合依据。文中2种模型的内固定应力分布均存在应力集中现象，在相同载荷情况下，PFNA-固定模型的应力集中(214.4 MPa)明显高于三角股骨近端髓内钉模型 (196.2 MPa)，说明三角股骨近端髓内钉固定模型内固定的应力集中效应较小，其抗疲劳断裂的生物力学特性优于PFNA-模型。由于增加了抗张力螺钉，螺旋刀片的应力从54.2 MPa下降到47.4 MPa，下降12.5%。三角股骨近端髓内钉的抗张力螺钉的应力峰值为 108.8 MPa，其原因可能是由于所处位置距离受力点较近，承载较多应力有关。在位移云图上，三角股骨近端髓内钉的位移小于PFNA-，分别为5.18 mm和 5.37 mm，这说明三角股骨近端髓内钉的稳定性要优于PFNA-。对于不稳定型股骨转子间骨折，三角股骨近端髓内钉与PFNA-均可取得良好的生物力学稳定性，虽然三角股骨近端髓内钉上方增加的抗张力螺也钉存在应力集中的问题需要解决，但是在总体生物力学稳定性方面更具优势，内固定更不容易出现断裂。3.3 研究的不足之处 首先，临床中股骨转子间骨折的骨折线不规则，本实验建立的骨折模型做了简化处理；其次，有限元模型的单元划分、节点的选择、载荷和边界条件等设置在一定程度上是人为设定不能完全反应临床实际。此次研究仅对三角股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折提供了初步的研究，尸体标本上的生物力学研究和内固定疲劳断裂是下一步的研究内容。致谢：感谢广州中医药大学骨科实验室的所有人员的支持和无私帮助，使得实验顺利完成。作者贡献：第一作者负责有限元实验实施以及论文写作，通讯作者负责实验设计和文章的修改，第三作者指导临床问题。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：实验方案经广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准，实验方案已经志愿者知情同意。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 Wilk R,Skrzypek M,Kowalska M,et al.Standardized incidence and trend of osteoporotic hip fracture in Polish women and men:A nine year observation. 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