股骨颈动力交叉钉系统主钉位置对股骨颈骨折稳定性影响的有限元分析
摘 要：
目的 采用有限元方法分析股骨颈动力交叉钉系统(FNS)中主钉位置对PauwelsⅢ型股骨颈骨折稳定性的影响。方法 选择1名25岁健康男性志愿者，CT扫描收集其股骨中上段影像学数据并建立PauwelsⅢ型股骨颈骨折三维模型，同时建立FNS模型，将两种模型组合并根据FNS主钉位置的不同得到模型1(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中前1/3)、模型2(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中心)、模型3(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中后1/3)。采用有限元分析法评估并比较每组模型中的股骨颈骨折远端和近端、股骨近端、内固定装置的应力情况，同时分析股骨头远端和近端及内固定装置远端和近端在X(平行于股骨颈轴线)、Y(股骨颈矢状位)、Z(垂直于股骨颈轴线)轴位移情况。结果 (1) 3组模型股骨颈骨折端及股骨近端的应力随压力的增加均逐渐增加，3组模型间应力比较差异无统计学意义(P>0.05)。(2)随着压力的增加内固定装置的应力逐渐增加，模型1及模型2均小于模型3(P<0.05)。(3) 3组模型不同压力下股骨头远、近端以及内固定装置远、近端在X轴及Z轴方向位移比较差异均无统计学意义(P>0.05);在Y轴方向位移中，模型3均大于模型1和模型2(P<0.05),模型1与模型2比较差异均无统计学意义(P>0.05)。结论 FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中心及偏前具有较好的抗旋转能力且能避免内固定装置应力集中，从而使股骨颈骨折固定更牢靠。
关键词：股骨颈动力交叉钉系统;股骨颈骨折;内固定系统;有限元分析;生物力学;
股骨颈骨折可采用空心螺钉、空心钉联合内侧支撑钢板、动力髋螺钉、髋关节置换等多种方式治疗，但术后常发生严重并发症。股骨颈动力交叉钉系统(FNS)具有防旋、防滑、抗剪切、实现骨折断端加压的优点。Stoffel et al[1]通过尸体实验证实FNS较动力髋螺钉对骨折具有更好的稳定性。但目前关于FNS的临床应用报道较少。本实验通过有限元生物力学分析，探讨不同FNS主钉置入部位对骨折稳定性的影响，以使其更好地应用于临床。
1 材料与方法
1.1 材料收集
2020年10月于泰安市第一人民医院收集1名25岁成年健康男性志愿者资料，体重60 kg, 经X线检查未见髋关节发育异常。本研究经医院医学伦理委员会审核通过，志愿者对研究知情同意并签署知情同意书。
1.2 实验方法
1.2.1 三维股骨模型的建立
采用 Siemens 64 排螺旋CT自髋关节至股骨上部进行扫描得到二维横断图像(层厚0.5 mm),将CT图像存储为DICOM格式文件，导入到医学三维重建软件 Mimics 19.0中，使用区域增长、蒙版编辑等命令建立原始股骨三维模型，将模型以.stl 格式文件输出，导入到 Geomagic Wrap 2017 软件中对其进行去除特征、降噪、网格划分和拟合曲面处理，并构建得到股骨松质骨和皮质骨的三维模型(采用等距方法建立股骨皮质骨，定义皮质骨厚5 mm),以 .step 格式文件输出。将 .step 文件输入到Solidworks 2017软件中，通过组合建立了皮质骨和松质骨结构，重建了符合人体结构的三维股骨模型。
1.2.2 三维Pauwels
Ⅲ型股骨颈骨折模型的建立 将三维股骨模型整合到 Solidworks 2017 软件中，首先通过股骨颈轴线建立一个基准面，然后创建一个切割平面，该切割平面约在股骨颈中心附近并与横断面呈约70°角，从而得到三维Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型。
1.2.3 FNS模型的建立
使用 Solidworks 2017 软件，按照临床上应用的内固定尺寸大小建立FNS模型，FNS模型设计(见图1):颈干角130°,螺栓⌀ 10 mm, 防旋螺钉⌀ 6.4 mm, 锁紧螺钉⌀ 5.0 mm, 锁定的主钉和防旋螺钉成角7.5°。
1.2.4 组合模型的建立
将FNS模型与股骨颈骨折模型组合并根据FNS主钉位置的不同得到3种组合模型(主钉进钉方向均与股骨颈干角平行)。模型1(见图2A):FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中前1/3;模型2(见图2B):FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中心；模型3(见图2C):FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中后1/3。将3组模型导入ANSYS17.0软件中进行材料属性赋值、建立坐标系、边界条件约束、载荷分配和网格划分，见图3。由于本实验的重点与螺纹无关，因此将螺纹截面简化为实心圆柱体。锁定钢板和螺钉由钛合金材料组成。假设所有模型均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料，材料参数见表1。
1.2.5 加载负荷与约束条件
为了更好地模拟人体站立时的状态，股骨远端下表面被完全固定。在有限元模型中，于股骨头的中心分别施加600、1 200、1 800 N的力，从而模拟人站立、行走、单足站立时股骨受力情况，见图4。在内固定螺钉和股骨颈骨折远端之间形成绑定接触，在内固定螺钉和股骨颈骨折近端之间形成摩擦接触，摩擦系数为0.3,在骨折表面使用摩擦接触，摩擦系数为0.46[3,4]。同时在模型中新建坐标系，X轴平行于股骨颈轴线方向，Y轴为股骨颈矢状位方向，Z轴垂直于股骨颈轴线方向，见图5。
参考文献：[1]陈纪宝,盈梅,周磊等.股骨颈动力交叉钉系统主钉位置对股骨颈骨折稳定性影响的有限元分析[J].临床骨科杂志,2023,26(05):739-744.
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