有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系

文题释义： 

尖顶距：是指正侧位X射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头顶点距离的总和，现大多数学者认为保证头髓钉尖顶距≤25 mm预后较好。 

股骨转子间骨折：是临床的常见病症，现普遍认为应手术治疗，股骨近端防旋髓内钉是手术治疗应用最广泛的内固定。股骨转子间骨折内 固定术后失效时有发生，其原因可能与尖顶距、骨密度、骨折类型、复位质量等密切相关。摘要

背景：股骨近端防旋髓内钉是治疗股骨转子间骨折较为理想的一种内固定方式，但仍有6%-21%的内固定失败率，而尖顶距被认为是股骨 近端防旋髓内钉术后失效的一个重要原因。尖顶距是指正侧位X射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头顶点距离的总和，现大多数学 者认为保证头髓钉尖顶距≤25 mm预后较好，但仍存在较多争议。 

目的：探讨不同尖顶距影响股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的生物力学差异，为临床治疗转子间骨折提供新思路和实验基础。方法：选取1例左侧股骨转子间骨折患者CT资料，导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型。运 用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与切割为AO2.1型骨折的股骨模型按照标准手术技术装配，分别得到尖顶距为15，20，25，30 mm 的4个模型，导入Hypermesh 14.0软件中划分网格，再以inp格式导入Abaqus 2016中，设置材料属性参数、边界条件、施加载荷后提交求解， 在可视化模块中查看运算结果。 

结果与结论：①尖顶距值过大(30 mm)或过小(15 mm)时，股骨近端应力虽减小，但股骨头颈骨块和小转子骨块位移较大，内翻较严重；尖 顶距值居中(20，25 mm)时，股骨头颈骨块位移和内翻较小，小转子骨块基本无移位；②股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折应调整 尖顶距值于20-25 mm之间，骨折端稳定、移位小，具有较好的生物力学效果。 

关键词：骨；骨折；尖顶距；股骨；转子间骨折；髓内钉；有限元分析；生物力学

0 引言 Introduction 

      股骨近端防旋髓内钉 (proximal femoral anti-rotation nail，PFNA) 因其中心性固定具有较短的力臂，而螺旋刀片 的设计增加了与松质骨的接触面积，且在敲击过程中挤压 周围松质骨增加锚固力，可以有效对抗股骨头颈骨块的内 翻和旋转，是治疗股骨转子间骨折较为理想的一种内固定 方式 [1-2]。但 VÉLEZ 等 [3-4] 研究发现，PFNA 治疗股骨转子间 骨折仍有 6%-21% 的内固定失败率，容易产生切割、退钉 等并发症，而尖顶距被认为是 PFNA 术后失效的一个重要原 因 [5-8]。尖顶距由 BAUMGAERTNER 等 [9] 于 1995 年首次提出， 是指正侧位 X 射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头 顶点距离的总和，后沿用至 PFNA 螺旋刀片，现大多数学者 认为保证头髓钉尖顶距≤ 25 mm 预后较好，但仍存在较多 争议。NIKOLOSKI 等 [10] 通过回顾性分析认为螺旋刀片不同 于螺钉，放置太靠近软骨下骨可能导致穿透头部，尖顶距 值介于 20-30 mm 并发症最少；ZHOU 等 [11] 认为尖顶距值 20-25 mm 可以有效地减少股骨头颈骨块内翻和螺旋刀片穿 出股骨头的风险；而李海丰等 [12] 认为适当缩小螺旋刀片尖 顶距值 (15-20 mm)，可以增加初始稳定，并不增加螺旋刀 片移位的风险。国内外对于尖顶距的研究多集中于临床方 面，生物力学报道甚少。此次研究旨在通过有限元法分析 不同尖顶距值影响 PFNA 治疗股骨转子间骨折生物力学的差 异，为临床治疗提供一定的参考和实验依据

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计 三维有限元分析实验。 

1.2 时间及地点 于 2020 年 1 月在广州中医药大学岭南医学 研究中心数字骨科与生物力学实验室完成。 

1.3 对象 

1.3.1 资料获取 选取 1 例左股骨转子间骨折患者作为志愿者 并收集 CT 资料：①基本资料：56 岁，男性，身高 175 cm，体 质量 70 kg，体质量指数 22.9 kg/m2 ；②病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限 2 h”于 2019-01-16 入院，X 射线片提示左 股骨转子间骨折，既往无手术史，无肿瘤史，无先天骨骼变异， 近年未服影响骨代谢药物；③伦理与知情同意：详细告知患者 实验过程和实验目的，患者表示知情理解并签署知情同意书， 同时取得广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准 ( 医院 伦理批件号：Y[2019]164，审批时间：2019-03-14)。1.3.2 扫描条件 ①地点：广州中医药大学第一附属医院影 像科 CT 室；②体位与部位：志愿者取仰卧位，采用 GE 64 排螺旋 CT 同时扫描双侧髋部至小腿中上段并以 Dicom 格式 保存扫描的 CT 数据，CT 数据包含股骨全长；③扫描参数设 置：扫描电压 120 kV，扫描电流 250 mA，层厚 2 mm，层距 5 mm，每个扫描层的像素矩阵密度大小为 512×512。1.3.3 实验设备 ①计算机：联想 Thinkpad P52 移动图形工 作站；②实验软件：Mimics 19.0 软件 (Materialise 公司， 比利时 )，Geomagic studio 2017 软 件 (Geomagic 公 司， 美 国 )，Solidworks 2017 软件 (Dassault Systemes 公司，美国 )， Hypermesh 14.0 软件 (Altair 公司，美国 )，有限元运算软件 Abaqus 2016 软件 (LSTC 公司，美国 )，以上软件均由广州中 医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实 验室提供。

1.4 方法 

1.4.1 重建右侧股骨三维模型 将保存为 Dicom 格式的 CT 影 像资料导入 Mimics 19.0 软件中，进行阈值选择、区域增长、 腔隙填充、三维重建等处理，建立右侧股骨三维模型，导出 为 stl 格式文件。 

1.4.2 网格划分和初步处理 将 stl 格式的右侧股骨三维模型 导入 Geomagic studio 2017 软件中，进行去除特征、划分网格、 优化平滑、拟合曲面等步骤后得到优化后右侧股骨三维模型， 并导出生成 step 文件。 

1.4.3 建立股骨近端防旋髓内钉模型 参照第二代 AO 股骨 近端防旋髓内钉的具体参数，在 Solidworks 2017 软件中新 建零件，通过拉伸、旋转、螺旋线、组合、放样等步骤得到PFNA 内固定三维模型。PFNA 内固定模型基本参数：主钉长 170 mm，颈干角 130°，5° 外翻角，螺旋刀片直径 10 mm， 长度分别为 105，107.5，110，112.5 mm( 临床中螺旋刀片无 107.5 和 112.5 mm 规格，作者为实验需求设置 )。 

1.4.4 构建不同尖顶距股骨转子间骨折 PFNA 模 型 ① A031-A2.1 型股骨转子间骨折在临床中较为常见，属于稳 定型股骨转子间骨折，使用 PFNA 治疗取得较好疗效 [13-14]， 故此次研究在 Solidworks 2017 软件中将右侧股骨三维模型 进行切割模拟 A031-A2.1 型骨折，股骨模型分为头颈骨块、 小转子骨块和股骨干 3 个部分。②将切割完成的股骨模型 与 PFNA 内固定模型按照标准手术技术进行装配，现尖顶距 值争议的主要是 3 个不同范围：15-20 mm，20-25 mm，20- 30 mm，作者因此构建尖顶距值分别为 15，20，25，30 mm 的模型，比较各个范围尖顶距值的生物力学效果。首先装 配最长螺旋刀片 PFNA 模型和股骨模型为 A 模型，根据公式 TAD=(Xap× 其中 Xap 为正位片尖顶距，Xlat 为侧位片 尖顶距，Dap 为正位片直径，Dlat 为侧位片直径，Dtrue 为真实直 径。通过测量距离命令测得此模型尖顶距值为 15.4 mm；保持 股骨模型和 PFNA 模型的配合关系，替换 112.5 mm 螺旋刀片 为 110 mm 螺旋刀片得到模型 B，测量尖顶距值为 20.4 mm；同样的方法装配 107.5 mm 螺旋刀片得到模型 C，测量尖顶距 值为 25.4 mm；装配 105 mm 螺旋刀片得到模型 D，测量尖顶 距值为 30.4 mm，详见图 1。

③分别将 3 个模型储存为 step 格 式并导入 Hypermesh 14.0 软件中进行网格划分，所有部件均 划分为为 1.5 mm 大小的 C3D4 类型网格，检查网格质量良好， 分别以 inp 格式储存导出。 

1.4.5 材料属性、边界条件与分析 分别将各个模型导入 Abaqus 2016 软件中，进行重命名、装配后赋予材料属性。材料属性与边界条件参照任德新 [15] 的研究，假设各材料均 为均质、各向同性，赋予皮质骨、松质骨、内固定材料属性， 见表 1。

参照团队郑利钦等 [16] 设置的相互作用，骨折端设置 为摩擦系数为 0.46 的有限滑移，PFNA 模型设置螺旋刀片与 股骨摩擦系数为 0.3，螺旋刀片与主钉、远端钉与主钉、螺 旋刀片与股骨摩擦系数均为 0.23；为减少模型运算量，删除 股骨中下段后约束远端，选择完全固定，6 个自由度皆为 0；选择股骨头顶部一点为 BP 点，与周围结合区域进行耦合， 模拟单足站立，患者体质量为 70 kg，股骨头上方垂直加载 集中力 700 N，提交运算得出静力分析结果。1.5 主要观察指标 在 Abaqus 软件可视化模块分别对比 A、 B、C、D 四个模型：①股骨近端整体应力；②骨折端应力；③内固定应力；④股骨头颈骨块位移；⑤股骨头颈骨块内翻。

2 结果 Results 

2.1 模型单元、节点数 构建完成后，A、B、C、D 共 4 个模 型的单元节点数详见表 2。 

2.2 股骨近端应力 当股骨头受力后，因小转子破裂，股 骨矩不完整，股骨头颈骨块下压、内翻，与小转子骨块相抵，同时置入的螺旋刀片和完整的股骨外侧壁支撑着头颈骨 块，维持骨折端稳定。A、B、C、D 模型应力依次为 448.9， 501.3，498.9，464.3 MPa，B 模型应力最大，A 模型应力最小， 详见图 2。

2.3 骨折端应力 骨折端应力主要集中于提供支撑的小转子 骨块与头颈骨块相抵的断端，并向股骨干内侧皮质延伸，完 整的外侧壁将内固定传导的应力向股骨远端分散。A 模型骨 折端应力最大，为 163.1 MPa；D 模型骨折端应力最小，为 82.7 MPa，详见图 3。 

2.4 内固定应力 当股骨头受压时，置入股骨头中心的螺旋 刀片是有力的支撑，A、B、C、D 模型内固定均为主要的受 力结构，最大应力均集中于螺旋刀片和主钉的连接处，而 A、 D模型应力不仅在连接处，且向螺旋刀片近端延伸，详见图4。 

2.5 股骨头颈骨块位移 内固定、外侧壁和内侧的小转子骨 块均对头颈骨块起着支撑作用，但置入的螺旋刀片位置不同， 支撑效果亦不同。A、D 模型头颈骨块移位明显较大，且小 转子骨块远端向上、向内移位，B、C 模型头颈骨块移位相 对较小，小转子基本无移位，详见图 5。

2.6 股骨头颈骨块内翻 当螺旋刀片对头颈骨块的锚固力不 够时，容易产生切割进而内翻。在未变形的模型上，测量 股骨颈长轴与水平线相汇的交角 α0；在变形的模型上，测 量股骨颈长轴与水平线相汇的交角 α1，则头颈骨块内翻角 α=α0-α1。A、D 模型头颈骨块的内翻角度明显大于 B、C 模型， 详见图 6，7。

3 讨论 Discussion 

       股骨转子间骨折是临床中的常见病症，而手术治疗被 证实比保守治疗具有更好的预后 [17-18]。对于股骨转子间骨折 的治疗，目前主要是以动力髋螺钉、股骨近端解剖锁定钢板 等为代表的侧方钢板系统和以 PFNA 为代表的髓内钉系统为 主 [2, 19]。使用动力髋螺钉治疗股骨转子间骨折，因其偏心性 固定，头颈拉力螺钉滑动加压作用后对外侧钢板产生强大的 剪切力，极大地增加了退钉及钢板断裂的风险 [20]；股骨近端 解剖锁定钢板术中需切开复位，广泛剥离股骨近端外侧肌群， 创伤大失血多，软组织损伤严重，且髓外固定力矩大，接骨 板断裂风险大 [21]；PFNA 因其中心性固定具有更短的力臂，能 有效地进行负荷传递，螺旋刀片在术中可直接打入股骨头颈 骨折块，这提高了抗旋转和抗内翻能力，同时减少了松质骨 丢失，并压缩螺旋刀片周围松质骨，增强了把持力，尤其对 于骨质疏松患者临床疗效更佳，同时软组织剥离少、手术时 间短，是治疗股骨转子间骨折较为理想的内固定方式 [22-24]。 

      生物力学研究作为探讨尖顶距值临床研究的补充和佐 证，对 PFNA 治疗股骨转子间骨折具有重要的指导作用，但 标本生物力学费用昂贵，对硬件设施要求高，因此以有限 元为代表的计算机生物力学蓬勃发展。有限元分析法是由BREKELMANS 等 [25] 首次应用于骨科的生物力学研究，原理是 将模型细分为数量庞大并由节点连接的细小单元，具有操作 简便、仿真度高、可重复利用等优势，经过几十年的发展， 从简单的骨骼应力到手术内固定的选择，及动态骨折的仿真 分析均可应用 [26-29]。此次研究基于志愿者真实 CT 数据重建 模型，内固定亦是根据临床使用器械具体参数构建，且过程 中少有人工操作，避免了人为因素的干扰，实验结果可靠客 观。 

      此次研究根据不同尖顶距值 (15，20，25，30 mm) 构建 了 A、B、C、D 四个模型，其实验结果表明：当螺旋刀片尖 顶距值过大 (30 mm) 或过小 (15 mm) 时，虽股骨近端整体应 力减小，但头颈骨块移位大，内翻严重，不利于骨折愈合。作者认为其原因可能是：①当尖顶距值过大时 (D 模型 )，螺 旋刀片置入股骨头位置相对较浅，力臂亦较短，短力臂支撑 强度大，但所能提供支撑的有效区域相对减小，简言之，螺 旋刀片对受力的股骨头近端支撑不够，加之内侧壁破裂，使 得头颈骨块下压、内翻、旋转，进而导致内固定失效；②而 A 模型中尖顶距值过小时，螺旋刀片尖端已到达股骨头软骨 下骨，支撑范围包含了整个头颈骨块，但也间接地增长了力 臂；同等条件下，力臂越长，提供的支撑强度越弱，故股骨头所受应力直接传导至螺旋刀片时，头颈骨块亦出现下压、 内翻；③此次实验结果中 A、D 模型内固定应力不仅集中于 螺旋刀片和主钉连接处，且向螺旋刀片近端延伸，更是作者 分析之佐证；④ A、D 模型应力及其分布较 B、C 模型更小、 更分散，但 4 个模型应力差异并不悬殊，且最大应力距离内 固定的屈服应力甚远，断钉概率极低；而判定骨折愈合的最 重要的标准之一就是骨折线区域的裂隙，裂隙的大小直接决 定着骨折线周围骨质的连接、骨折部位愈合的微环境，对预 后有着决定性的意义 [30]，此次实验可看出 A、D 模型头颈骨 块位移和内翻角度远远大于 B、C 模型，提示骨折端间隙大， 内翻严重，这必将不利于骨折愈合，影响术后疗效。 

       另一方面，当螺旋刀片尖顶距值居中 (20，25 mm) 时即 B、C 模型，股骨近端整体应力稍大，但头颈骨块移位小，骨 折端稳定，生物力学效果最好，其原因可能是：① B、C 模 型中螺旋刀片置入的位置适中，力臂较 A 模型短，较 D 模型 长，支撑范围亦包括股骨头，使得支撑力度和支撑范围达到 相对完美的契合与平衡，换言之，就是股骨头受力时，螺旋 刀片能有效地传导应力，且支撑头颈骨块，防止内翻。②基 于微观辨证层面，皮质骨致密坚硬，当骨折端皮质骨相抵时， 可对头颈骨块提供支撑，创造相对稳定的愈合环境 [31]；股骨 近端海绵状的丰厚骨小梁，通过抵抗、缓冲弯曲应变而在维 持股骨的弹性稳定方面起着重要作用，是股骨近端弹性稳定 的重要结构 [32]。因此当尖顶距值过小时，螺旋刀片尖端少量 的松质骨抵抗不了锋利尖端的切割，其“桁架结构”遭到破 坏，进而局部失稳 [16]；当尖顶距值居中时，够量的松质骨可 以通过弯曲应变抵抗锋利的尖端，维持弹性稳定，这可能也 是导致模型结果迥然不同的重要原因之一。③探讨尖顶距值 的目的就是获取螺旋刀片最强的锚固力，所以必须将内植物 打入骨小梁最密集的区域，即打入股骨头的正中且深，所以 尖顶距值 >25 mm 必然增加失效风险；而尖顶距值介于 15- 20 mm，因术中螺旋刀片靠术者敲击进入股骨头，太小的尖 顶距值难以精确操控，恐伤及软骨下骨的血供，造成其他并 发症，且患者术后早期康复中，尖顶距值太小极大地增加了 螺旋刀片向内切出的风险。 

       作者研究结果表明，当尖顶距值处于 20-25 mm 时， PFNA 治疗股骨转子间骨折生物力学效果最佳，这与其他学 者的研究结果是一致的。BORN 等 [33-35] 的研究表明，当螺旋 刀片置入过深，太接近软骨下骨时，螺旋刀片发生轴向移位 的风险反而增加，原因可能是螺旋刀片尖端不规则且锐利， 更容易破坏脆弱的松质骨，加之螺旋刀片尖端的骨质在术中 敲击时并未填压变实，受力后螺旋刀片周围的松质骨破裂， 裂纹继续扩展导致切割，而此文 A 模型头颈骨块移位亦较大；当螺旋刀片置入太浅，离股骨头中心太远时，螺旋刀片的把 持力不够，切割风险明显增大。ZHOU 等 [11] 也认为尖顶距值 处于 20-25 mm 时，既能有效避免螺旋刀片距离软骨下骨过 远导致锚固力不足，又能降低因距软骨下骨过近导致的螺旋 刀片切割、穿出风险。

      但此次研究仍有一些不足之处及后续展望：①股骨近端 包括皮质骨、松质骨属于非均质各向异性材料 [36]，但由于各 向异性材料参数的缺失以及硬件设施的限制，此次实验均设 置为均质的各向同性材料，作者将在后续的实验中进行补充 和提升；②此次建模并未添加肌肉，但小转子骨块受到内收 肌和髂腰肌的牵拉作用向内侧移位，这无疑加剧了骨折端的 不稳定性，后续研究中如能添加仿真的主动响应肌肉进行分 析 [37-38]，则更贴近临床实际；③股骨转子间骨折多发生于老 年人，骨质疏松亦是影响 PFNA 术后失效的一个重要原因 [39]， 李海丰等 [12] 通过临床回顾性分析发现，高龄患者螺旋刀片 尖顶距值介于 15-20 mm 更具稳定性，这不禁引人深思：是 否 PFNA 治疗不同 Singh 指数分级的高龄股骨转子间骨折需 适配不同的尖顶距值？故此次研究并未着重考虑骨质疏松的 影响，留待后续跟进；④影响 PFNA 术后疗效的因素不仅包 括尖顶距值，还包括骨折类型、复位质量等，而稳定型股骨 转子间骨折和不稳定型股骨转子间骨折的最佳尖顶距值是否 相同？难以满意复位的股骨转子间骨折能否通过调整尖顶距 值增加骨折端稳定性来避免切开复位？作者团队将继续深入 研究解答。