荐读 | 新型内侧支撑钢板固定青壮年不稳定型股骨颈骨折的有限元分析
李永奖, 郭孝军, 白笋蓬, 等. 新型内侧支撑钢板固定青壮年不稳定型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 生物骨科材料与临床研究, 2023, 20(2): 6-10.
青壮年股骨颈骨折通常是垂直剪式高能量应力作用下的一种极不稳定的骨折[1]。按照骨折远段骨折线与水平线的夹角（Pauwels角）分为3型：Ⅰ型Pauwels角＜30°，Ⅱ型Pauwels角为30° ～ 50°，Ⅲ型Pauwels角＞50°[2-3]。骨折的垂直度越大，就越难获得足够的稳定性来对抗髋部周围的垂直剪切力，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折属于不稳定型骨折，Liporace等[4]的研究显示Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折骨不连和股骨头坏死率分别为16%和11%，骨折不愈合和股骨头坏死是其治疗难题[5-7]。因此，优化青壮年股骨颈骨折的内固定方式，降低股骨头坏死率是创伤骨科研究的发展方向。为应对这一挑战，Mir和Chollinge[8]提出股骨颈内侧支撑钢板应用于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的治疗。近年来，空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板技术在临床应用中取得满意的结果[9-11]。尽管如此，仍有10.7%的内固定失效[9]。
因此，笔者根据股骨颈解剖结构和生物力学分布特点优化设计了Y型内侧支撑板。在本研究中，通过建立青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元模型，比较3枚空心钉、3枚空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板、3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板的稳定性及内固定应力分布情况，为固定方式的选择及临床应用提供理论参考。
1.1 主要设备与软件
LightSpeed 64排CT机（美国General Electric公司）；计算机基本配置：Intel i7处理器，内存32 G，256 G极速固态硬盘，1 T机械硬盘，Windows 10操作系统。
Mimics 21.0（比利时Materialise公司），Geomagic Studio 2017（美国Raindrop公司），SolidWorks 2017（法国Dassault Systemes公司），ANSYS 17.0（美国ANSYS公司）。
1.2 研究对象
志愿者1名，男，28岁，身高173 cm，体重66 kg，对志愿者进行常规体检并行股骨X线片检查，无遗传病、慢性病、手术史，股骨无骨质破坏情况。志愿者签订知情同意书。采用GE公司的64排螺旋CT沿股骨头上方至膝关节下方进行扫描，层厚0.625 mm，采集889张股骨DICOM格式薄层图像。
1.3 实验方法
1.3.1 三维股骨模型的建立
Mimics 21.0软件中处理采集的股骨DICOM格式图像，采用阈值的分割、擦除、区域的增长、绘制等方式，提取股骨全段并处理模型，填补孔并对表面进行光滑处理，建立完整的股骨三维模型，以STL格式导出模型。Geomagic Studio 2017软件中导入STL格式模型，获取多边形模型，通过光顺、优化、拟合曲面操作生成实体模型，最后将处理好的股骨模型保存为STEP格式模型数据文件导出。
1.3.2 三维Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型的建立
在SolidWorks 2017软件中导入股骨STEP格式模型数据文件，将股骨调整至中立位后采用软件的分割功能，建立Pauwels为70°的股骨颈骨折模型。
1.3.3 内固定模型的绘制
按照临床上应用的内固定尺寸大小通过SolidWorks 2017软件建立3种内固定系统，包括3枚倒“品”字形空心钉模型、3枚倒“品”字形空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板模型和3枚倒“品”字形空心钉联合Y型内侧支撑钢板模型，保留全螺纹细节。其中，空心钉的直径为4.8 mm，螺纹长16 mm，直径7.3 mm，中空部分的直径为2.5 mm，长度75 ～ 100 mm；1/3管型钢板长52 mm，宽10 mm，厚1.4 mm，配套螺丝：螺纹的直径为3.5 mm，螺距1 mm；Y型钢板：长62 mm，宽10 mm，厚2 mm，配套螺丝：皮质锁定螺钉直径2.7 mm，螺距1 mm；加压螺钉螺纹的直径为3.5 mm，螺距1 mm。
1.3.4 Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折内固定模型的装配
使用SolidWorks 2017软件对3种内固定系统和Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型进行装配和组合处理，最后导出为xt零件格式文件进行保存。空心钉根据Bout等[12]的固定原则：倒“品”字形排列3枚空心钉，分别植入股骨距皮质、股骨颈后上及前上侧皮质，3枚空心钉与股骨中轴平行。1/3管型内侧支撑钢板及Y型内侧支撑钢板在3枚倒“品”字形空心钉装配基础上，将内侧支撑钢板塑形后贴于股骨颈内侧。
1.3.5 材料参数
利用Mimics提供的股骨赋材料经验公式：Density=-13.4+1 017×Gray value（单位：g/cm3），E-Modulus=-388.8+5 925×Density（单位：Pa），赋予股骨5种材料，股骨泊松比设为0.3。螺钉弹性模量190 000（MPa），泊松比0.27，钢板弹性模量110 000 MPa，泊松比0.33，该数据参照前人文献[13-15]。
1.3.6 载荷和边界条件
设定骨折面完全分离，骨折断面接触且摩擦因子为0.2[16]；设定股骨远端在x、y、z轴上完全固定；在股骨头顶端的节点处施加600 N应力，应力均匀垂直向下。
1.4 主要观察指标
比较股骨颈骨折的3种内固定方式在力学加载条件下：①内固定方式产生的应力分布与应力峰值；②股骨的位移分布和位移峰值；③内固定装置产生的位移分布及位移峰值。
2.1 骨折内固定的有限元模型
有限元网格划分股骨颈骨折内固定模型，3枚空心钉内固定组生成单元1 187 433个，节点1 669 874个；3枚空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板内固定组生成单元1 213 203个，节点1 717 659个，3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板内固定组生成单元1 228 946个，节点1 745 305个（见图1）。
图1 3种内固定的有限元模型：A. 3枚空心钉；B. 3枚空心钉联合1/3管型钢板；C. 3枚空心钉联合Y型钢板
2.2 内固定的应力分布和应力峰值
3枚空心钉固定时，内固定应力分布于股骨颈骨折断端周围，最大应力位于骨折线附近的螺钉表面，集中在上方2枚空心钉中部，应力峰值为40.98 MPa。3枚空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板内固定时，内固定应力同样分布于股骨颈骨折断端周围，其中空心钉最大应力为28.92 MPa、1/3管型钢板最大应力为22.58 MPa、钢板配套螺钉最大应力51.13 MPa。3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板内固定时，内固定应力也分布于股骨颈骨折断端周围，其中空心钉最大应力为29.66 MPa，Y型钢板最大应力为45.50 MPa，配套螺钉最大应力为63.65 MPa（见图2）。
2.3 股骨的位移分布和位移峰值
3种内固定方式下，股骨所产生的最大位移均分布于力学的加载位置，即股骨头顶端，方向向下，3枚空心钉组、3枚空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板组及3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板组的股骨位移峰值分别为0.93 mm、0.68 mm及0.60 mm（见图3）。
图3 3种内固定模型的股骨位移分布：A. 3枚空心钉；B. 3枚空心钉联合1/3管型钢板；C. 3枚空心钉联合Y型钢板
2.4 内固定装置的位移分布及位移峰值
3种内固定方式下，内固定的最大位移均集中于股骨头顶端附近的内固定，力学加载位置，方向向下，3枚空心钉、3枚空心钉联合1/3管型内侧支撑钢板及3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板的位移峰值分别为0.87 mm、0.65 mm及0.56 mm（见图4）。
图4 3种内固定模型的内固定位移分布：A. 3枚空心钉；B. 3枚空心钉联合1/3管型钢板；C. 3枚空心钉联合Y型钢板
目前对于青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的治疗方案仍然存在争议。临床常使用3枚空心钉内固定、动力髋螺钉、股骨近端外侧钢板等固定股骨颈。虽然3枚空心钉固定创伤小、价格低廉、手术方式简单，但Pauwels角度越大则骨折线越垂直，空心钉抗剪切力差，内固定失效风险较大。动力髋螺钉虽然有较好的固定效果，但股骨颈及股骨头植入物体积较大，对股骨头骨质和血运会造成较大破坏，导致股骨头坏死的风险增大。股骨外侧钢板起到锁定作用，骨折端滑动加压复位较差，易出现钢板及螺钉断裂。
股骨颈骨折的内固定治疗方案需要尽可能地达到解剖复位和稳定固定的目标[17]。从解剖复位角度来说，股骨颈骨折切开复位在直视下清理骨折断端后复位减少了闭合复位产生的医源性损伤，且能直视下达到解剖复位，保证股骨内侧距的有效复位，其次，切开关节囊后清除关节囊内血肿能有效降低关节腔内的压力，有利于股骨头血运，骨折断端切开暴露并非都会影响骨折端血运，来自后方的旋股内侧动脉才是股骨头血运的主要来源，所以前方经直接前侧入路显露骨折端，并不会影响股骨头血液供应。本实验结果可以从生物力学角度进一步阐明，内侧支撑钢板能够有效抵抗股骨颈骨折所产生的垂直剪切力，进而使垂直剪切力转换成骨折端应压力，实现内固定的稳定，而且在组合固定时，空心螺钉仍然是最重要的内固定装置，内侧支撑钢板不仅仅可以抵抗垂直剪切力，还可以分散空心钉应力，避免空心钉内固定的退钉或断裂。
近几年，笔者团队常常使用1/3管型钢板作为股骨颈内侧支撑钢板，也取得较好的临床效果，但同时也有部分患者出现内固定失效的情况。在临床上，1/3管型钢板需要塑形，使其与股骨颈内侧的解剖结构相匹配。除了耗时，塑形后的钢板将丢失一部分的刚度和弹性模量，从而极大地减少了骨折内固定的生物力学强度，可能会对骨折预后产生不利影响。笔者还发现，1/3管型钢板在术中放置的位置容易出现偏高或偏低，位置偏高导致术后盂唇与钢板的撞击出现腹股沟区疼痛，位置偏低则可能无法起到有效支撑作用。其次，1/3管型钢板厚度较薄，支撑力量有限，术后可能出现钢板断裂。而且1/3管型钢板构造原因导致抗旋转能力较差，在术后早期当髋关节前后活动时，钢板无法有效抵抗骨折端产生的旋转力。
为了解决1/3管型钢板在临床应用的缺陷，笔者根据股骨颈解剖结构和生物力学分布特点优化设计了Y型内侧支撑板，Y型钢板根据股骨颈内侧结构贴合股骨颈内侧壁，较1/3管型钢板增加厚度，提高支持力，同时低切迹设计使得钢板与股骨距更加服帖，减少软组织干扰。在股骨头端，根据股骨头生理弧度设计增加侧翼，并植入2枚交叉螺钉，提供更佳的加压力和抗旋转力。在股骨颈段钢板，设计滑动孔，便于术中调节放置钢板高度。而且，Y型钢板的设计厚度比1/3管型钢板厚，可增加钢板对股骨颈支撑力。根据股骨颈干角差异，设计130°、135°、140°不同颈干角型号的钢板，满足临床上不同患者的需求。
此次实验采用有限元分析方法比较了不同内侧支撑钢板联合空心钉治疗青壮年不稳定型股骨颈骨折中的生物力学稳定性。相对于以往根据皮质骨或松质骨划分骨骼两种材料，本实验骨骼材料是根据骨骼中CT值赋值，更能体现出骨骼的生物材料特性，而且将内固定螺纹、管型弧度等细节保留，能更加真实地反映出内固定方式的真实生物力学特性。实验结果发现，加用内侧支撑钢板后，内固定的应力分布较单纯3枚空心钉更加均匀、更加分散，且Y型内侧支撑钢板组显示出更小的股骨及内固定装置的位移。这表明联合内侧支撑钢板增加支撑力，增加骨折稳定性，其中Y型内侧支撑钢板的力学传导性、内固定及骨折端稳定性最高，3枚空心钉联合Y型内侧支撑钢板在治疗青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中表现出了更优的生物力学稳定性。
虽然有限元分析能简单、经济地测试骨科内固定方式的生物力学，但与临床实际存在一定差异。本次实验结果同时发现3枚空心钉联合支撑钢板在有限元分析时出现应力集中，应力集中位于钢板最上端螺钉与钢板接触点，1/3管型钢板和Y型钢板应力集中值分别为51.13 MPa和63.65 MPa。应力集中的出现可能与实验中保留螺钉螺纹细节导致的钢板与螺钉接触点内部结构突然改变有关。在实际情况中，钢板与螺钉接触点也可能出现应力集中情况。同时此次实验仅分析正常站立时简化的生物力学，忽略了髋关节在运动状态下周围组织的应力，因此实验结果还需要大量的临床实践及生物力学实验验证。对于髋关节在活动时不同工况下的内固定及股骨生物力学是下一个研究方向。
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