PFNA 与 PCCP 固定法治疗不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

徐锴 李开南

临床医生在遇到股骨转子间骨折患者时，由于其常合并有骨质疏松及各种内科疾病，治疗难度相对较大[1-6]。骨折分型作为对病情评估的重要方式，从提出至今，国内外学者一直在对其进行相应的改进。随着 CT 技术的运用，传统的依据 X 线片检查结果的 Evans 分型等在反映骨折区域情况方面劣势开始展现，由于 X 线常出现重影的干扰，对于判读结果有着一定的影响[7]。部分学者近年来提出基于 CT 检查的新的分型方式，用于指导内固定的选择[8-9]。余清文等[9]提出基于 CT 三维重建技术的股骨转子间骨折六部分分型，将股骨转子间部进行立体划分，更为直观地描述了股骨转子部的骨折情况。

六部分分型法根据骨折块数量及骨折累及部位将股骨转子间骨折分为 7 种分型[10-12]。二部分骨折的骨折线仅累及转子间线；出现大转子或小转子骨折为三部分骨折 ( 大转子破裂，3A；小转子破裂，3B )；在二部分骨折基础上出现大、小转子同时破裂则为四部分骨折；若在此基础上出现前外侧壁或后内侧壁的破裂，则为五部分骨折 ( 前外侧壁破裂，5A；后内侧壁破裂，5B )；若前外侧壁及后内侧壁同时出现破裂，则为六部分骨折。郑颖捷[12]的研究显示，除二部分骨折为稳定性骨折外，其余均为不稳定性骨折。

股骨转子间骨折的患者，身体情况较好的应首选手术治疗[13-19]。如何选择内固定装置，一直是不少学者讨论的热点。对此，笔者结合股骨转子间骨折六部分分型法，利用有限元分析技术，模拟股骨近端防旋髓内钉 ( proximal femoral nail antirotation，PFNA )、股骨近端经皮加压钢板 ( percutaneous compression plating，PCCP ) 固定不稳定性股骨转子间骨折的情况，对其进行力学分析，旨在探讨PFNA、PCCP 在治疗不稳定性股骨转子间骨折时的股骨各重要部位及内固定装置本身受力情况，分析两种方式固定后的力学稳定性。

资料与方法

一、资料

选取 1 名成年健康志愿者。经检查排除髋关节病变或损伤。图像采集平台：64 排螺旋 CT。软件：64 排螺旋 CT 操作平台；Mimics 16.0；Geomagic Studio 10.0；Pro / E 5.0；Hypermesh 17.0 软件。

二、实验方法

1. 三维模型重建及有限元模型的建立：根据 CT扫描数据 DICOM 文件，使用 Mimics16.0 软件重建出股骨上段结构正常模型，导出 STL 格式文件。在Geomagic Studio10.0 软件中导出股骨上段的 STP 格式文件。整体处理后的股骨上段几何模型以 IGES 格式导出。利用 CT 三维重建技术来重建股骨，处理出六部分骨折模型。参照辛迪思与施乐辉所提供手术操作标准为参考，分别针对各不稳定型股骨转子间骨折分型进行 PFNA、PCCP 内固定研究分析。将得到的结构模型 IGES 文件导入 Hypermesh17.0 软件中进行网格划分，导出 BDF 格式文件。最后在 Pro / E 5.0 软件中进行有限元后处理计算分析工作。两种内固定方式模型见图 1，正常股骨模型及两种内固定方式股骨模型的网格划分见表 1。

2. 材料参数、边界条件及载荷的施加：参考相关文献对各参数等进行设定[20-34]：( 1 ) 摩擦系数：设定各断端、内固定物与股骨间摩擦系数为 0.2；( 2 ) 边界条件：约束模型各节点自由度为 0 ( 具体条件见图 2 )；( 3 ) 本研究所设计骨及材料为均值、同向 ( 具体参数见表 2 )；( 4 ) 模拟体重 700 N 成人正常行走时髋部各方向受力情况 ( 表 3 )。

3. 评价方法：使用有限元分析法计算正常股骨及 12 种内固定模型对应的股骨重要位置 ( 图 3 ) 处应力峰值情况，并将其进行汇总。将内固定物本身结构所承受的应力、股骨 ( 螺钉孔处 ) 应力峰值单独列出。

图 1 两种内固定方式示意图 a：PFNA 固定模型；b：PCCP 固定模型图 2 正常股骨模型边界约束图 3 股骨重要位置应力观察点示意图 ( A：股骨近端内侧；B：股骨近端外侧；C：内固定物远端内侧；D：内固定物远端外侧 )Fig.1 Schematic diagram of two types of internal fixation a:PFNA fixed model; b: PCCP fixed modelFig.2 Boundary constraint of normal femoral modelFig.3 Diagram of stress observation points in important positions of the femur ( A: Medial proximal femur; B: Proximal lateral femur; C: Distal medial of the internal fixator; D: Distal lateral of the internal fixator )

表 1 正常股骨及两种内固定方式股骨模型有限元节点单元数Tab.1 Number of finite element nodes in the normal femur and two internal fixation methods

表 2 有限元模型参数Tab.2 Material parameters of finite element model

结 果

正常股骨及两种内固定方式股骨重要受力观察位置处的结构应力峰值见表 4。由表中数据可知，PFNA 固定股骨转子间骨折各分型骨折时，各分型骨折均未见股骨及内固定结构所受应力明显集中的情况。与正常股骨受力情况进行对比，股骨近端内侧位置处，股骨所受应力降低，降幅约 3%；在股骨近端外侧股骨所受应力有所增加，增幅约 16%；在内固定物远端内侧处股骨所受应力有所减小，降幅约 6%；在内固定物远端外侧处股骨所受应力有所减小，降幅约 5%。股骨近端内外侧和内固定物远端内外侧位置处，几种骨折分型之间经 PFNA 固定后的股骨所受应力差异均不明显。PFNA 内固定后自身结构所受应力约为 115 MPa，而内固定材料钛合金( Ti-6Al-7Nb ) 的屈服强度约为 817 MPa，目前均在材料的屈服强度范围内。PFNA 固定时螺钉孔处的股骨应力未见明显集中。

PCCP 固定股骨转子间骨折各分型骨折时，均未出现明显股骨近端及内固定物远端所受应力及内固定结构所受应力集中的情况。与正常股骨受力情况进行对比，在股骨近端内侧位置处，各骨折分型经 PCCP 固定后所受应力均升高，增幅约 45%；在股骨近端外侧位置处股骨所受应力有所减小，降幅约 14%；在内固定物远端内侧位置处股骨所受应力均减小，降幅约 5%；在内固定物远端外侧处股骨所受应力均减小，降幅约 4%。股骨近端内外侧和内固定物远端内外侧位置处，几种骨折分型之间经 PCCP固定后的股骨所受应力差异均不明显。对于几种骨折分型下的内固定自身结构所受应力及螺钉孔处的股骨所受应力集中来说，差异不明显，在 PCCP 内固定后内固定自身结构所受应力约 412～413 MPa，而内固定材料钛合金 ( Ti-6Al-7Nb ) 的屈服强度约817 MPa，目前均在材料的屈服强度范围内。PCCP固定时，其螺钉孔处的股骨应力集中约为 325～326 MPa。

讨 论

一、PFNA 及 PCCP 治疗股骨转子间骨折的优缺点

髓内固定装置在近年来发展迅速，随着其在临床上的大量应用，大部分学者认为髓内固定是治疗转子间骨折的有效内固定方式。PFNA 自诞生以来，被临床医生大为推广，是近年来临床上运用最多的髓内固定装置，适用于各种类型的股骨转子间骨折。相较于股骨近端髓内钉 ( proximal femoral nail，PFN )，PFNA 将其 2 枚头颈钉的设计改为 1 枚螺旋刀片，在防旋能力上较 PFN 更强，骨量丢失较 PFN少。螺旋刀片的设计，使其承重能力增加，降低了螺钉断裂的风险。PFNA 的螺旋刀片在旋入时，对头颈部的松质骨有很好的挤压作用，提高松质骨密度的同时提高了螺旋刀片固定的稳定性，较 PFN 具有更坚强的固定作用，降低螺钉切出的风险，避免“Z”字效应的发生。针对伴有骨质疏松的患者，往往能够起到较好的固定效果[35]。但由于 PFNA 是基于欧洲人体型设计，应用于亚洲人群时常发生股骨骨折、术后大腿部疼痛等并发症[36]。AO 组织在2009 年针对亚洲人群股骨近端髓腔特点设计出相应的 PFNA-II，大大避免了上述并发症的发生。但由于 PFNA-II 操作时需扩髓，术后髓腔内隐性出血较多[37]。

表 4 股骨及内固定物结构重要位置处应力峰值 ( MPa )Tab.4 Peak stress ( MPa ) at important positions of the femur and internal fixator

PCCP 是近些年来基于微创理念提出的新型内固定装置，在治疗股骨转子间骨折时创伤小、出血量少。PCCP 的钢板与螺钉之间为锁定状态，具有较好的角稳定性。PCCP 近端采用 2 枚头钉进行固定，使其抗旋转、抗滑脱的能力较为突出。Knobe 等[38]将动力髋螺钉 ( dynamic hip screw，DHS ) 和 PCCP 进行了一项临床疗效的对比，结果显示两者在针对稳定性股骨转子间骨折时，都能对骨折进行很好的固定。在治疗不稳定性骨折时，PCCP 固定成功率要显著高于 DHS。有研究显示，针对内侧壁不完整的转子间骨折，PCCP 固定的同时对内侧壁进行复位固定，可有效恢复骨折端稳定性[39]。

二、股骨转子间骨折分型及治疗方式的选择

股骨近端结构主要包括大转子、小转子、内侧壁及外侧壁，共同起到有效的支撑及稳定作用。股骨转子间骨折若出现以上四个部位其中一个或多个的破裂，则被认为是不稳定型骨折。临床上用于检查骨折的方式早期主要为 X 线片检查，对一般骨折情况均能较好地显示。早期的股骨转子间骨折分型方式均为依据 X 线片检查结果得出，其中最具代表性的主要是 Evans 分型[40]、Evans-Jensen 分型[41]及 AO 分型[42]。Evans 分型[43]将转子间骨折分为2 型，指出内侧壁是决定骨折是否稳定的关键因素。Jensen 等[41]将其进行改良，指出大、小转子及股骨近端内、外侧壁的受累及情况是影响骨折稳定性的重要因素。AO 分型[42]将骨折分为 3 种类型，主要考虑的是股骨近端内外侧皮质的受累情况。这些分型方式目前仍被临床医生广泛运用，用于指导治疗方式的选择。由于 X 线片检查结果为二维平面图像，若骨折部分出现重叠，或是体外伪影等的影响，将会大大降低判读结果的准确性。随着影像技术的发展，CT 在骨折检查上的准确性远远高于 X线。基于此，近些年许多学者提出运用 CT 检查结果对股骨转子间骨折进行分型，外侧壁的概念随之提出。股骨转子间骨折六部分分型法基于 CT 三维重建技术将股骨近端进行立体区域的划分，更加明确地显示出骨折区域的整体情况。经部分学者验证，六部分骨折分型法符合人体力学情况，较以往的 Evans分型等更加清晰地描述了骨折区域的情况，是指导内固定选择的有效分型方式[10-12,43]。股骨转子间骨折的治疗方式[44]，目前理论上认为：( 1 ) 稳定性骨折，首选髓外固定；( 2 ) 不稳定性骨折，首选髓内固定；( 3 ) 合并严重骨质疏松、手术失败需二次固定患者、股骨头缺血坏死、骨折粉碎程度高的患者，首选人工髋关节置换；( 4 ) 合并严重内科疾病不能耐受手术者，首选外固定治疗。

试验结果分析可知，不稳定性股骨转子间骨折经 PFNA、PCCP 固定后，其稳定性均有显著的提升。PFNA 固定股骨转子间骨折时，降低了股骨近端外侧、内固定物远端内侧及外侧的股骨所受应力，虽股骨近端内侧应力有所增加，但增加幅度较小，约 16%；相较于 PCCP 而言，PFNA 螺钉固定处未见明显的应力集中情况，内固定结构本身应力约为 115 MPa，属正常范围内。PCCP 固定股骨转子间骨折时，降低了股骨近端内侧、内固定物远端内侧及外侧的股骨所受应力，股骨近端外侧所受应力增加约 45%，但尚在正常范围内；PCCP 固定后，其螺钉孔处出现应力集中情况，应力集中约325～326 MPa，内固定本身结构所受应力约为 412～413 MPa，尚在正常范围内。由此可见，PFNA 能较好地恢复股骨近端内外侧壁的支撑作用，而 PCCP对内侧壁支撑作用的恢复较弱，对破裂较严重的内侧壁不能起到稳定支撑作用，在固定不稳定性转子间骨折时易发生髋内翻等并发症。PFNA 是治疗股骨转子间不稳定性股骨转子间骨折的有效手段，能用于治疗股骨转子间骨折六部分分型法中各分型骨折；PCCP 由于对股骨近端内侧皮质支撑作用较弱，在用于固定三部分骨折 ( 小转子破裂 ) 及骨折粉碎程度更加严重的骨折时，易发生内固定物失效、髋内翻等并发症，在使用 PCCP 治疗不稳定性股骨转子间骨折时，应运用适当的方式，将股骨近端内侧壁进行有效固定，恢复其内侧支撑作用。

有限元分析法与传统的运用模型进行生物力学测试的方法相比，操作更加简单，且不用对大量的实验材料进行破坏，有效节约了资源。但有限元分析法属于理论研究，是简化了的股骨数字模型，建模过程中涉及的参数可能与实际的股骨各项参数有一定的差异，但经过许多研究表明，该方式为力学分析的有效方式。