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【摘要】目的采用三維有限元方法分析新型釘棒系統在股骨頸骨折模型中的固定效果。方法選擇1位27歲健康男性志愿者，既往體格健壯，X線檢查未見髖關節發育異常，行髖關節CT掃描，收集其股骨中上段影像學數據，應用SimpleWare2．0軟件建立正常人股骨中上段的三維有限元模型，利用ScanIP軟件將該模型生成為PauwelsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型。建立新型釘棒系統和傳統3枚空心螺紋釘的三維模型，分別裝配至PauwelsⅡ型股骨頸骨折模型，生成裝配后的模型兩組，即傳統3枚空心螺紋釘固定模型和新型釘棒系統固定模型。應用Abaqus6．10軟件，分別于兩組股骨頸骨折三維有限元模型中進行模擬軸向應力加載，于股骨頭上緣的負重區域采點，每個三維有限元模型在該區域范圍內均勻采點20個，記錄每個位點的軸向位移值。結果傳統3枚空心螺紋釘固定模型股骨頭負重區的平均軸向位移值為（0．540±0．038）mm，顯著大于新型釘棒系統固定模型的（0．487±0．046）mm（P＜0．05）。結論新型釘棒系統用于PauwelsⅡ型股骨頸骨折治療，與傳統3枚空心螺紋釘固定相比，其在軸向抗位移中具有更佳的固定強度，可有效減少術后骨折端軸向位移。

【關鍵詞】股骨頸骨折；有限元分析；最新固定術，內；釘棒系統

股骨頸骨折多由摔傷、高處墜落傷等低能量或高能量外力因素所致，臨床表現為患髖疼痛伴髖關節和患側下肢活動障礙，目前手術治療股骨頸骨折的方式為3枚空心螺紋釘固定和髖關節置換術兩大類。傳統的3枚空心螺紋釘內固定手術的固定失敗率較高，術后易發生骨折移位、內固定切割、股骨頭壞死等并發癥［1－2］。本研究設計新型釘棒系統，使用2枚萬向接頭螺紋釘固定，釘尾以連接桿互相固定，形成一體的釘棒固定系統。通過三維有限元分析，將新型釘棒系統與傳統3枚空心螺紋釘內固定手術的固定強度進行對比，以評價新型釘棒系統的固定效果，旨在為臨床治療股骨頸骨折提供新方法。

1對象與方法

1．1研究對象

選擇1位27歲健康男性志愿者，既往體格健壯，X線檢查未見髖關節發育異常，行髖關節CT掃描，收集其股骨中上段影像學數據，應用SimpleWare2．0軟件建立正常人股骨中上段的三維有限元模型，利用ScanIP軟件將該模型生成為PauwelsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型。

1．2方法

內固定實物為直徑7．0mm的空心螺紋釘（鈦合金材料，常州市康輝醫療器械有限公司）、直徑6．0mm的萬向接頭螺紋釘（鈦合金材料，上海國創醫藥有限公司）和直徑5．5mm的連接桿（鈦合金材料，上海國創醫藥有限公司）。應用ZLDS200激光掃描儀對內固定材料進行測量，獲得空心螺紋釘、萬向接頭螺紋釘和連接桿的有關數據（包括螺距、寬度、曲率等）。應用Solidworks2012軟件，繪制并改良建立帶有萬向接頭的螺紋釘，長度為85～115mm（不包含萬向接頭），該螺紋釘尾端1／5處有螺紋，其余部位為光滑表面；同時于軟件中建立圓柱形連接棒，長度40mm，表面光滑。將2枚萬向接頭螺紋釘沿股骨頸皮質上、下各1／3處進釘，沿股骨頸長軸平行置入，螺紋釘尾端位于股骨大粗隆下方骨皮質較厚處，將2枚萬向接頭螺紋釘尾端萬向接頭以1根鈦合金連接棒進行連接，建立釘棒系統的三維模型。將3枚空心螺紋釘以倒三角方式沿股骨頸長軸平行置入，螺紋釘尾端位于股骨大粗隆下方骨皮質較厚處，建立3枚空心螺紋釘的三維模型。將得到的相對應的三維模型分別裝配至PauwelsⅡ型股骨頸骨折模型，共計生成裝配后模型兩組，即傳統3枚空心螺紋釘固定模型和新型釘棒系統固定模型（圖1、2）。

1．3數據獲得

在計算機輔助下，應用Abaqus6．10軟件，分別于兩組裝配內固定物后PauwelsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型中進行模擬軸向應力加載（圖3）。分別于兩個模型的股骨頭負重區隨機選取20個位點的軸向位移值，計算平均軸向位移值。

1．4統計學處理

應用SPSS16．0統計學軟件。呈正態分布的計量資料以x－±s表示，兩個模型間平均軸向位移值的比較采用t檢驗。以P＜0．05為差異有統計學意義。

2結果

傳統3枚空心螺紋釘固定模型股骨頭負重區20個位點的軸向位移值為0．506、0．518、0．524、0．512、0．521、0．487、0．517、0．514、0．495、0．576、0．468、0．562、0．597、0．555、0．575、0．593、0．557、0．572、0．574、0．582mm，新型釘棒系統固定模型股骨頭負重區20個位點的軸向位移值為0．479、0．430、0．379、0．486、0．443、0．495、0．512、0．498、0．483、0．462、0．447、0．524、0．525、0．448、0．533、0．518、0．437、0．556、0．540、0．547mm。傳統3枚空心螺紋釘固定模型股骨頭負重區的平均軸向位移值為（0．540±0．038）mm，顯著大于新型釘棒系統固定模型的（0．487±0．046）mm（P＜0．05）。

3討論

股骨頸骨折后因其局部血供差，術后愈合率低且內固定易發生移位，已成為手術治療中的難點。應用空心螺紋釘進行閉合復位內固定術中，醫源性血供破壞少，是股骨頸骨折手術治療的常見選擇［3］。閉合復位內固定術多適用于年齡＜65歲、骨折移位不明顯（如GardenⅠ至Ⅲ型）或全身情況無法耐受髖關節置換術的患者［4］。與髖關節置換術相比，閉合復位內固定術能夠達到良好的固定效果。臨床常采用3枚空心螺紋釘內固定治療股骨頸骨折，由于股骨頸中央部的直徑最大，側位與股骨頸處呈倒三角形置釘固定［5－7］，正位以平行于股骨頸方向置釘固定，依靠螺紋釘遠端的螺紋形成拉力加壓固定骨折端。多項臨床研究［2］對3枚螺紋釘固定股骨頸骨折的療效進行評估，其固定失敗率為11％～46％。在對螺紋釘的數量、排列方式和形狀進行研究后普遍認為，在股骨頸前上方、后上方和下方置釘的倒三角方式的固定強度較佳，且該強度對于大部分的穩定性骨折已足夠。因此，目前臨床多采用倒三角平行置入3枚空心螺紋釘固定［7－8］。采用倒三角方式置釘時，下方螺紋釘應放置于股骨距水平，螺紋釘尾端與股骨頭皮質間的距離至少為5mm，以減少螺紋釘穿出發生。Gjertsen等［9］采用倒三角形置釘行空心螺紋釘固定治療4468例股骨頸骨折（無移位發生）患者，術后隨訪1年，固定成功率為89％。Kain等［10］采用經皮3枚螺紋釘固定術治療GardenⅠ或Ⅱ型股骨頸骨折的老年患者，經過平均11個月的隨訪，由股骨頭壞死、骨折不愈合或內固定松動等原因導致的術后翻修率為10％。國內外研究［11－12］將股骨頸骨折術后固定失敗的發生原因分為三大類：①復位不充分；②內固定不穩；③骨質疏松。如果內固定的固定強度不佳，骨折斷端將產生過多微動進而影響骨折端的穩定和愈合，術后可能發生骨折不愈合、股骨頭塌陷壞死，以及螺紋釘松動退出或螺紋釘頭部穿出關節腔等。股骨頭壞死的常見原因分為股骨頭血供不足和固定穩定性不佳兩大類，血供不足可造成股骨頸骨折不愈合，加上內固定強度不佳，導致骨折端不穩定，造成股骨頭壞死［8］。股骨頸骨折患者術后臥床時間長會導致其深靜脈血栓發生率增高，而下肢恢復早期功能鍛煉則需要內固定穩定性良好［13］。因此，國內外學者對如何提高內固定的穩定性進行研究。Filipov［14］于2007年提出“雙平面固定（BDSF）”的內固定置入方式，該方式能夠使內固定物與股骨頸皮質部分的接觸更多，形成更佳的強度支撐。與3枚螺紋釘平行固定方式相比，BDSF的有限元分析或在生物力學實驗中均能達到較佳的強度［15］。在3枚空心螺紋釘固定中，于下方螺紋釘尾部附加墊圈也是一種可采用的方法；與單純螺紋釘固定相比，于釘尾處附加墊圈在擰入過程中能防止釘尾發生切割，并能提供更好的斷端加壓［16］。然而，目前常用的空心拉力螺釘固定方式仍存在缺陷。BDSF的進針方向是操作難點，如何提高空心螺紋釘固定的穩定性也是研究的方向。此外，對于嚴重骨質疏松患者，附加墊圈的固定效果和抗拔出性也欠佳。本研究通過三維有限元建模，在新型釘棒系統固定模型中，將2枚萬向接頭螺紋釘平行股骨頸長軸方向置入，螺紋釘尾端以連接棒進行連接，結果顯示，新型釘棒系統固定模型股骨頭負重區的平均軸向位移值顯著小于傳統3枚空心螺紋釘固定模型；軸向位移越小，表明股骨頭在內固定后向下塌陷程度越小，角穩定性越強。可見，新型釘棒固定系統在三維有限元建模中的力學穩定性優于傳統3枚空心螺紋釘固定，但仍需要進一步行生物力學研究加以證實。本研究尚存在一些不足，目前臨床上對于股骨頸骨折患者行3枚空心螺紋釘固定術后，多通過延長患者的臥床時間以減少內固定失敗的發生，今后可進一步增加在髖關節旋轉、屈伸活動時應力作用三維有限元模型后對內固定位移影響的測試。此外，不同的股骨頸骨折Pauwels分型是否需要增加釘棒系統的螺紋釘數量以取得更加堅強的固定效果，尚需后續研究進一步驗證。有別于傳統3枚空心螺紋釘固定方式，新型釘棒系統將釘尾改為萬向連接頭，并在螺紋釘尾端以連接棒連接，將單獨的兩枚螺紋釘連接成釘棒系統，可增加內固定的穩定性和抗拔出性；釘棒系統可較好地適用于不同的股骨近端解剖，且可達到良好的固定效果。釘尾的萬向連接頭和連接棒是否會導致皮下軟組織激惹的發生尚需進一步研究觀察，縮小連接組件的直徑和改善其形態是減少皮下軟組織激惹發生可行的方案。本研究利用軟件將正常人股骨中上段的三維有限元模型生成為PauwelsⅡ型股骨頸骨折三維有限元模型，分別采用傳統3枚空心螺紋釘固定和新型釘棒系統固定，利用模擬應力下的軸向位移值進行分析，發現新型釘棒系統固定的穩定性更佳，在軸向抗位移中具有更佳的固定強度，可有效減少術后骨折端軸向位移。

參考文獻

［4］坎貝爾骨科手術學：成人骨折與脫位分冊［M］．英文影印12版．天津：天津科學翻譯出版有限公司，2013：2728．

［8］周錦春，郭敦明，王青，等．股骨頸骨折閉合復位加壓螺紋釘內固定術后股骨頭壞死多中心多因素相關分析［J］．中華骨科雜志，2013，33（5）：549－554．

［13］肖湘，馮凱強，袁宇，等．老年骨質疏松性髖部骨折患者術前下肢深靜脈血栓患病率及危險因素分析［J］．中華骨科雜志，2015，35（11）：1084－1090．

作者：林暐哲 陳文鈞 許耀 王世龍 章曄 湯超亮 張權 單位：復旦大學附屬華山醫院骨科