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1、 股骨近端防旋髓内钉治疗高龄非解剖复位股骨颈基底部骨折的有限元分析 涂世杰 邹洋 熊赵平 陈心敏 林梓凌 邹霞摘要 目的 運用有限元法探讨股骨近端防旋髓内钉治疗3种不同复位状态高龄股骨颈基底部骨折的生物力学。 方法 基于志愿者髋部CT资料，通过Mimics、Geomagic等软件提取和优化股骨近端模型，再导入Solidworks软件中与股骨近端防旋髓内钉进行装配并分割模拟骨折线，移动骨折块分别得到3个不同复位状态的模型（阳性支撑、中性支撑、阴性支撑），最后把3个模型全部导入Abaqus软件中设置材料参数、边界条件等后进行运算，查看模型的Von Mises云图。 结果 阳性支撑骨折端应力分布最均
2、匀且骨折端位移最小，阴性支撑骨折端应力集中且骨折端移位最大，中性支撑应力分布较均匀且骨折端移位稍大。 结论 运用股骨近端防旋髓内钉治疗股骨颈基底部骨折，应避免阴性支撑复位状态，尽量维持解剖复位或阳性支撑。关键词 股骨近端防旋髓内钉;股骨颈基底部骨折;阳性支撑;有限元 R459;R318;R445;R687.3 A 1673-7210（2020）05（c）-0071-05Finite element analysis of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of non-anatomical reduction of bas
3、icervical femoral neck fracture in elderlyTU Shijie1 ZOU Yang1 XIONG Zhaoping1 CHEN Xinmin2 LIN Ziling2 ZOU Xia11.Department of Traumatic Orthopedics， Fengcheng Hospital of Traditional Chinese Medicine， Jiangxi Province， Fengcheng 331100， China; 2.Department of Traumatic Orthopedics， the First Affil
4、iated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangdong Province， Guangzhou 510405， ChinaAbstract Objective To investigate the biomechanics of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of femoral neck basicervical fracture in elderly with three different reduction states by
5、using finite element method. Methods Based on the CT data of the volunteers hips， the proximal femoral model was extracted and optimized by Mimics， Geomagic and other softwar， then assembled with proximal femoral nail anti-rotation in Solidworks software and segmented into simulated fracture lines.
6、Three models of different reduction states （positive support fracture， neutral support fracture， negative support fracture） were obtained by moving fracture fragments. Finally， all the three models were imported into Abaqus software to set material parameters， boundary conditions， etc.， and then the
7、 calculation was carried out to check the Von Mises nephogram of the model. Results The stress distribution of the positive support fracture end was the most uniform and the displacement of the fracture end was the least. The stress of negative support fracture end was concentrated and the displacem
8、ent of the fracture end was the greatest. The stress distribution of neutral support fracture end was uniform and the displacement of the fracture end was larger. Conclusion The use of proximal femoral nail anti-rotation in the treatment of basicervical femoral neck fracture should avoid the negativ
9、e support reduction state， and try to maintain the anatomical reduction or positive support.Key words Proximal femoral nail anti-rotation; Basicervical femoral neck fracture; Positive support; Finite element股骨頸基底部骨折是股骨颈骨折中较为罕见的一种骨折类型，其本身固有的不稳定性增加了内固定失败的风险1，特别对于高龄股骨颈基底部骨折患者，是老年人中最严重的骨折之一2-3。临床上亦有青年股骨
10、颈基底部骨折病例，但多数因高能量损伤所致，病例较少4-5，且青年人骨质与老年人差异甚大，治疗方式亦有区别，本文暂不讨论。对于高龄股骨颈基底部骨折的治疗方式，临床应用股骨近端抗旋髓内钉（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）取得较好效果，张乃栋等6研究显示PFNA治疗高龄股骨颈基底部骨折术后髋关节功能恢复优良率可达91.76%。高龄股骨颈基底部骨折临床病例总体较少，但Lee等7研究显示仍有26.8%的高龄患者因骨折部位塌陷而导致内固定失败，其原因可能与股骨颈基底部骨折复位状态有关。而用PFNA治疗高龄股骨颈基底部骨折怎样的复位状态可取得更好的效果呢？国
11、内外对此研究甚少。本文通过有限元法模拟不同复位状态探讨PFNA治疗3种不同复位状态高龄股骨颈基底部骨折的效果，为临床治疗提供生物力学依据。1 资料与方法1.1 一般资料选取1例患者志愿者收集CT资料：基本资料：62岁，男性，身高170 cm，体重70 kg;病史：因“摔倒致左髋部疼痛、活动受限3 h”于2019年10月23日入丰城市中医院（以下简称“我院”），X线提示左股骨粗隆间骨折，骨质疏松;既往无手术史、无重大内科疾病史，无先天骨骼变异，无肿瘤史，近年未服影响骨代谢药物;伦理与知情同意：告知患者实验目的，患者表示知情理解并签署知情同意书，同时取得我院医学伦理委员会批准;扫描条件：取仰卧位，
12、采用GE 64排螺旋CT对髋部螺旋扫描并以Dicom格式保存扫描的CT数据，参照郑利钦等8设置扫描条件为，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512512。1.2 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）;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.
13、3 方法1.3.1 重建股骨近端三维模型与初步处理 将Dicom格式的CT资料导入Mimics 19.0软件中，通过阈值分割、区域增长等步骤后建立右侧股骨三维模型，以stl格式文件导入Geomagic studio 2017软件，进行去除特征、划分格栅、拟合曲面等处理后得到右侧仿真股骨三维模型并生成step文件。1.3.2模型装配、分割与复位模拟 运用Solidworks 2017软件对step格式的右侧股骨模型进行进一步处理：首先对模型进行分割模拟骨折线;然后在草图功能中通过拉伸、旋转、切割、放样等命令得到PFNA内固定模型，具体参数见大博股骨近端防旋髓内钉;再对内固定和右侧股骨模型进行装配
14、，调整进钉点、尖顶距（tip apex distance，TAD）于合适位置（TAD值0.25）;最后对股骨近端骨折块进行移动，分别得到A模型“阳性支撑”：近侧骨折断端（股骨头、颈）的内下缘凸向远侧骨折断端的内上缘的内侧（上盖下）;B模型“中性支撑”：远近骨折断端解剖复位;C模型“阴性支撑”：远侧骨折断端的内上缘凸向近侧骨折断端的内缘的内侧（下托上）9。见图1。1.3.3 材料属性、边界条件与运算分析 分别将3个模型导入Abaqus 2016软件中，参照任德新等10赋予股骨和内固定材料属性，设置所有材料均为均质、各向同性，具体参数见表1;所有模型骨折端设置为有限滑移，选择主表面和从表面，设置摩
15、擦系数为0.310，螺旋刀片与主钉、远端钉与主钉、螺旋刀片与股骨均为绑定，约束股骨远端，股骨头最上方设置BP点，选择相应区域与之耦合，参考周宇萍11关于股骨颈基底部有限元分析方法，志愿者体重70 kg，在BP点垂直向下加载载荷700 N，划分网格后行静力分析。1.3.4 评价标准 在Abaqus软件可视化模块中分别比较A、B、C 3个模型：股骨近端整体应力;骨折端应力;股骨头顶部位移;股骨近端应变率。1.3.5 模型有效性验证 导入正常右侧股骨三维模型，设置材料参数、属性、边界条件，给股骨头中心一个垂直向下大小为700 N的力，模拟正常股骨受力情况进行分析，得出右侧正常股骨的应力分布图。见图2
16、。其所示应力分布和应力大小与樊健等12、张建国等13生物力学研究获得的结果较吻合，提示本实验建立的有限元模型是可行的，该模型可用于下一步运算。2 结果2.1 股骨近端整体应力当股骨近端受力时，股骨近端防旋髓内钉提供了很好的支撑作用，完整的外侧壁进一步增强内固定的稳定性，A、B、C 3个模型应力均主要集中在螺旋刀片与主钉的连接处和外侧壁，股骨近端整体应力依次为766.4、777.8、775.4 MPa。见图3。2.2 骨折端应力分布当股骨头受力向下时，骨折端应力主要集中于外侧壁和内侧皮质，A、B、C 3个模型最大应力均位于外侧壁PFNA进钉处，但A模型内侧皮质应力分布均匀，B模型内侧皮质亦稍显应力集中，C模型内侧皮质明显应力集中。见图4（封三）。2.3
