中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志2018年8月第10卷第4期ChinOrthopJClinBasicRes,Aug2018Vol.10,No.4

綜

·247

述

·

股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定有限元分析的研究進(jìn)展

張迪峰，余霄，龐清江

【摘要】股骨頸骨折多發(fā)于老年人，手術(shù)方法較多，其中空心釘內(nèi)固定應(yīng)用較為廣泛，具有固定可靠、療效

確切等特點(diǎn)。采用有限元法可直接對(duì)骨骼進(jìn)行重建模擬研究，準(zhǔn)確分析空心釘內(nèi)固定的生物力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)

合理制定手術(shù)規(guī)劃、精確預(yù)估手術(shù)效果、減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義。本文就有限元法在股骨頸骨折空心釘

內(nèi)固定手術(shù)術(shù)前規(guī)劃和評(píng)估、內(nèi)固定效果影響因素分析、術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估中的研究進(jìn)展作一綜述。

【關(guān)鍵詞】股骨頸骨折；骨折固定術(shù)，內(nèi)；空心釘；有限元分析

中圖分類號(hào)：R683.421，R687.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-666X(2018)04-247-05

Researchprogressoffiniteelementanalysisofcannulatedscrewfixationinthetreatmentoffemoral

neckfracture

ZHANGDifeng*,YUXiao,PANGQingjiang.*MedicalSchoolofNingboUniversity,Ningbo,Zhejiang

315211,China

Correspondingauthor:YUXiao,E-mail:yuxiao19@

【Abstract】arioussurgicalprocedures.

cannulatedscrewinternalfixationisakindoftreatmentsbeingappliedwidelynowadayswiththeadvantagesof

elementanalysis(FEA)methodcanbedirectlyusedtothe

rectructionandsimulationofhumanskeleton,andthentoanalyzethebiomechanicalfeaturesofcannulated

screwfixation,whichishelpfulformakingsurgicalplanreasonably,predictingsurgicaleffectsaccuratelyand

ticlereviewstheresearchprogressofFEAin

preoperativeplanningandevaluation,influencefactoranalysisforfixationeffectsandriskprognosisof

postoperativecomplicatiofcannulatedscrewinternalfixationforfemoralneckfracture.

【Keywords】Femoralneckfractures;Fracturefixation,internal;Cannulatedscrew;Finiteelementanalysis

有限元分析是一種現(xiàn)代計(jì)算方法，目前廣泛

DOI：10.3969/.1674-666X.2018.04.010應(yīng)用于水利建筑工程及機(jī)械制造等領(lǐng)域。作為一

基金項(xiàng)目：寧波市自然科學(xué)基金（2014A610250）；浙江省醫(yī)種力學(xué)分析方法，其在骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)方面亦有

壇新秀培養(yǎng)對(duì)象資助項(xiàng)目（2015-70）；2018年浙江省醫(yī)藥衛(wèi)

廣闊的應(yīng)用空間。與傳統(tǒng)應(yīng)力分析法相比，有限

生科技面上項(xiàng)目（2018ky156）

作者單位：315211浙江，寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院（張迪峰）；315010

元分析能建立與真實(shí)幾何相似的數(shù)字模型，賦予

浙江，寧波市第二醫(yī)院骨科中心（余霄，龐清江）

材料特殊的屬性，直接對(duì)骨骼進(jìn)行重建模擬

通信作者：余霄，E-mail：yuxiao19@

研究[1]，彌補(bǔ)了普通實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)等不足。

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在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域，股骨頸骨折的相關(guān)研究主生短縮。夏志鋒等[12]對(duì)全螺紋空心螺釘、2枚拉力

要集中在對(duì)股骨近段、股骨頸以及髖臼處應(yīng)力的螺釘及股骨近端鎖定鋼板3種內(nèi)固定方式的生物

三維有限元分析方面，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)股骨內(nèi)置物、力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于PauwellsⅠ

評(píng)價(jià)及改進(jìn)修復(fù)方式等[2-4]?？招尼敼潭ㄊ侵委煿尚凸钦?，全螺紋空心螺釘?shù)膬?nèi)固定效果優(yōu)于其他

骨頸骨折的主要術(shù)式，尤其適用于年輕患者。利兩種內(nèi)固定方式。

用有限元法研究股骨頸骨折空心釘固定的生物力對(duì)于PauwellsⅢ型股骨頸骨折，張浩等[9]研究

學(xué)特點(diǎn)，對(duì)合理制定手術(shù)規(guī)劃、準(zhǔn)確預(yù)估手術(shù)效3枚與4枚螺釘置入股骨頸的生物力學(xué)穩(wěn)定性，有

果、減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義，現(xiàn)綜述如下。限元分析結(jié)果提示4枚螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定

性更強(qiáng)，但缺乏臨床實(shí)驗(yàn)證據(jù)。InterTan釘板系統(tǒng)

1有限元分析在空心釘內(nèi)固定術(shù)前規(guī)劃和評(píng)估中是使用2枚互相交鎖的螺釘置入股骨頭中，應(yīng)力分

的應(yīng)用布均勻，固定穩(wěn)定性優(yōu)于3枚互相平行的空心釘[13]；

三維虛擬重建技術(shù)是在有限元分析的基礎(chǔ)上

該系統(tǒng)治療PauwelsⅢ型骨折術(shù)后骨不連發(fā)生率

發(fā)展起來(lái)的，可以模擬內(nèi)固定安裝后的關(guān)節(jié)活動(dòng)為8%，顯著低于傳統(tǒng)空心釘固定的19%[14]。總之，

以及可能出現(xiàn)的各種情況。杜長(zhǎng)嶺等[5]對(duì)8例采PauwelsⅢ型骨折線位移趨勢(shì)較Ⅰ型、Ⅱ型大，需

用空心釘內(nèi)固定治療的股骨頸骨折患者應(yīng)用交互首先考慮固定的穩(wěn)定性。如選擇空心釘，宜在傳

式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)模擬手術(shù)操作，依據(jù)測(cè)量參統(tǒng)3枚螺釘上加用額外固定以增加穩(wěn)定性，分散應(yīng)

數(shù)定位導(dǎo)針，選擇合適型號(hào)螺釘，術(shù)后根據(jù)X線片力，降低術(shù)后內(nèi)固定松動(dòng)、斷裂以及骨折不愈合的

觀察虛擬計(jì)劃與手術(shù)情況是否匹配，結(jié)果顯示，術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

中實(shí)際情況與虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)基本相符，縮短了手2.2置釘方式

術(shù)時(shí)間，減少了術(shù)中透視次數(shù)。有學(xué)者認(rèn)為，使用3枚“倒品字”形排列的空心

通過(guò)三維有限元分析還可獲得股骨頸應(yīng)力應(yīng)釘治療股骨頸骨折預(yù)后最佳[14-15]。周力等[6]采用有

變規(guī)律以及應(yīng)力分布基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)患者個(gè)體情限元方法對(duì)空心釘內(nèi)固定手術(shù)進(jìn)行力學(xué)綜合分

況對(duì)空心釘內(nèi)固定手術(shù)效果及預(yù)后進(jìn)行術(shù)前評(píng)析，將體重、骨折線角度、空心釘角度及空心釘位

估，并進(jìn)一步得到手術(shù)優(yōu)化參數(shù)[6-8]，為常規(guī)手術(shù)以置等參數(shù)組合后獲得216種情況，分析結(jié)果顯示，3

及機(jī)器人或計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航手術(shù)提供依據(jù)，保障枚空心釘置入的最佳位置為倒三角形，空心釘基

手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。本為對(duì)稱面位置以及以接近垂直于骨折線的角度

置入時(shí)，內(nèi)固定穩(wěn)定性較好。Mei等[16]的有限元分

2有限元法在空心釘內(nèi)固定效果影響因素分析中析結(jié)果亦表明，倒立等腰三角形固定是3枚拉力螺

的應(yīng)用

釘治療股骨頸骨折最佳的固定方式，螺釘位置、

影響股骨頸空心釘內(nèi)固定效果的因素主要包Pauwels角以及鉆孔次數(shù)均對(duì)固定強(qiáng)度有一定

括患者健康狀態(tài)、體重、骨量、骨折類型、空心釘置影響。

入數(shù)量以及螺釘整體布局、角度、位置等[6,9-11]。另有實(shí)驗(yàn)采用有限元分析方法分別模擬3根

2.1骨折類型與4根空心拉力螺釘固定股骨頸骨折的情況，結(jié)果

隨Pauwels角度增大，股骨頸骨折斷端所承受表明4枚螺釘?shù)纳锪W(xué)效果顯著強(qiáng)于3枚螺釘，

的剪切力逐漸增加，骨折不穩(wěn)定、內(nèi)固定失敗的風(fēng)可更加有效地對(duì)抗增加的剪切力，提高力學(xué)穩(wěn)定

險(xiǎn)也隨之加大。相對(duì)于其他類型的股骨頸骨折，性[9]。亦有學(xué)者比較4種不同數(shù)量及正三角形、倒

PauwelsⅠ型骨折斷端壓力較小，故使用空心釘固三角形、矩形、菱形構(gòu)型的內(nèi)固定模型，應(yīng)力峰值

定時(shí)骨折線不應(yīng)與螺釘方向垂直，以防股骨頸發(fā)分別為46.382、32.159、43.985和24.342MPa，4枚

中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志2018年8月第10卷第4期ChinOrthopJClinBasicRes,Aug2018Vol.10,No.4

菱形分布的空心拉力螺釘設(shè)計(jì)有效分散了應(yīng)力，股骨頭壞死組織≥40%就有發(fā)生塌陷的危險(xiǎn)，

·249

小

·

應(yīng)力集中小于其他固定方式；同時(shí)還可有效避免

于40%則在較大載荷下才有發(fā)生塌陷的危險(xiǎn)；Liu

股骨頭扭轉(zhuǎn)，具有更佳的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)[17]。等[26]的三維有限元分析結(jié)果亦表明，大的壞死缺

有學(xué)者提出一種新的F形空心釘固定方式，

損往往形成高應(yīng)力集中區(qū)，塌陷危險(xiǎn)較大，建議在

與傳統(tǒng)正三角形固定相比，能明顯減小內(nèi)固定對(duì)內(nèi)固定置入之前對(duì)缺損大小進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。唐洪

股骨矩?cái)喽说膽?yīng)力載荷，增強(qiáng)股骨頭載荷時(shí)的穩(wěn)

濤等[27]的有限元分析則表明，骨折愈合去除空心

定性，減小總位移量及骨折斷端的相對(duì)位移量，為螺釘后行釘?shù)纼?nèi)植骨有利于提高股骨頭頸部的生

骨折端穩(wěn)定提供良好的力學(xué)環(huán)境[18-19]。物力學(xué)性能，可預(yù)防股骨頭壞死塌陷變形。

2.3術(shù)后前傾角空心釘排列布局情況及螺釘遠(yuǎn)端位于股骨頭

股骨頸骨折術(shù)后前傾角的改變對(duì)于股骨近端下的深度和螺釘數(shù)量也是股骨頸骨折骨性愈合患

生物力學(xué)也有一定影響[20-21]。杜長(zhǎng)嶺等[22]通過(guò)股

者取釘后股骨頭壞死的主要生物力學(xué)影響因素。

骨近端三維重建及CAD軟件裝配，建立股骨頸骨

吳偉等[28]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)3枚空心釘排列分布最集中

折內(nèi)固定術(shù)后不同前傾角的有限元模型，分析結(jié)且遠(yuǎn)端位于股骨頭下2mm時(shí)，取釘后股骨頭前外

果顯示，隨著前傾角的變化，股骨和空心釘內(nèi)固定側(cè)的應(yīng)力值最大；當(dāng)2枚空心釘排列分布最分散且

上的應(yīng)力分布均有所改變。前傾角未改變時(shí)遠(yuǎn)端位于股骨頭下10mm時(shí)，取釘后股骨頭前外

（10°），股骨近端所受應(yīng)力、產(chǎn)生位移和等效應(yīng)變側(cè)的應(yīng)力值最小。國(guó)際內(nèi)固定協(xié)會(huì)亦推薦采用3

最??；隨著前傾角增大或減小，應(yīng)力、位移、最大冠枚平行于股骨頸方向的空心釘呈倒等邊三角形固

狀面位移、等效應(yīng)變值均有所升高，3枚空心螺釘定、空心釘遠(yuǎn)端位于股骨頭下5～10mm的方式，

承受的應(yīng)力較周圍骨組織高，最下方螺釘承受的取出空心釘后對(duì)股骨頭的生物力學(xué)影響最小。

應(yīng)力較上方2枚螺釘明顯增高，提示股骨頸骨折閉3.2股骨頸短縮

合復(fù)位內(nèi)固定術(shù)中恢復(fù)前傾角、達(dá)到解剖復(fù)位的通過(guò)建立三維有限元模型，人們得以成功預(yù)

重要性。測(cè)股骨頸骨折術(shù)后發(fā)生短縮的情況，分析各種內(nèi)

固定方式、置釘方式等對(duì)于術(shù)后股骨頸短縮并發(fā)

3有限元分析在預(yù)估術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)中的應(yīng)用癥的影響。姜軒[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著股骨頸長(zhǎng)度的

股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后的主要并發(fā)癥有股骨縮短，股骨近端生物力學(xué)性能變化明顯，髖關(guān)節(jié)活

頭壞死、股骨頸短縮、骨折復(fù)發(fā)、骨折不愈合等[23]，動(dòng)受到影響，不利于恢復(fù)患者遠(yuǎn)期功能和生活質(zhì)

一旦發(fā)生，往往需要進(jìn)一步手術(shù)干預(yù)，但效果不甚量；張晟等[13]的有限元分析結(jié)果證實(shí)InterTan釘板

理想。通過(guò)有限元分析探究符合生物力學(xué)原理的系統(tǒng)固定能有效防止股骨頸短縮的發(fā)生；任棟

固定方式，預(yù)估并發(fā)癥發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，可以達(dá)到增強(qiáng)手等[17]的有限元分析研究則表明，4枚菱形空心拉力

術(shù)效果、改善患者預(yù)后的目的。螺釘?shù)膬?nèi)固定方式穩(wěn)定性更好，內(nèi)固定強(qiáng)度更高，

3.1股骨頭壞死應(yīng)力更加分散，能夠有效降低術(shù)后股骨頸短縮的

臨床上取出內(nèi)固定1～2年內(nèi)出現(xiàn)股骨頭壞死發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

的患者不在少數(shù)，有學(xué)者認(rèn)為取出內(nèi)固定之前患3.3股骨頸再次骨折

者股骨頭已處于壞死進(jìn)程中，只是外觀尚未改變，股骨頸內(nèi)固定取出后遺留的骨洞空腔會(huì)造成

未出現(xiàn)塌陷及變形，其細(xì)微變化在普通X線片上骨骼結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降，股骨頭頸的再生修復(fù)血管化

難以察覺[24]。趙萬(wàn)鵬等[25]通過(guò)三維重建技術(shù)對(duì)壞減緩；同時(shí)，由于失去內(nèi)固定物的支撐保護(hù)，再次

死股骨頭的MRI影像進(jìn)行重構(gòu)，獲得壞死股骨頭骨折的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯增加[29-30]。有學(xué)者分別重建模

的三維幾何模型，分析表明，正常載荷（300N）下擬正三角形、倒三角形內(nèi)固定股骨近端的三

·

維有限元模型，

250·中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志2018年8月第10卷第4期ChinOrthopJClinBasicRes,Aug2018Vol.10,No.4

發(fā)現(xiàn)由于應(yīng)力集中，正三角形置釘finiteelementhumanfemurmodel[J].TrafficInjPrev,2017,

者骨折愈合取釘后股骨頸再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)明顯上

18(4):420-426.

升，提示術(shù)后康復(fù)時(shí)應(yīng)予以密切注意[31]。

[2]NodaM,SaegusaY,TakahashiM,hanicalstudy

3.4骨折不愈合

usingthefiniteelementmethodofinternalfixationin

pauwelstypeⅢverticalfemoralneckfractures[J].Arch

股骨頸骨折術(shù)后愈合過(guò)程受到內(nèi)固定穩(wěn)定性

TraumaRes,2015,4(3):e23167.

的影響，不同的空心釘固定效果也有所不同。顧

[3]SeralB,GarciaJM,Cego?inoJ,elementstudyof

洪輝等[32]采用“榫”式頭頸成形術(shù)治療股骨頸骨折intramedullaryosteosynthesisinthetreatmentoftrochanteric

不愈合，生物力學(xué)結(jié)果顯示，該術(shù)式令骨折斷面增

fracturesofthehip:GammaandPFN[J].Injury,2010,35(2):

大，斷端嵌插，骨質(zhì)接觸緊密，相應(yīng)減輕了內(nèi)固

130-135.

定物的負(fù)載，也減少了應(yīng)力遮擋效應(yīng)，有利于骨

[4]KeyakJH,SigurdssonS,KarlsdottirG,-female

differencesintheassociationbetweenincidenthipfracture

折愈合。

andproximalfemoralstrength:afiniteelementanalysisstudy

[J].Bone,2011,48(6):1239-1245.

4空心釘改良設(shè)計(jì)的有限元分析[5]杜長(zhǎng)嶺,馬信龍,張弢,等.空心釘內(nèi)固定股骨頸骨折的三維

內(nèi)固定器械的作用是暫時(shí)性地為骨折愈合提可視化虛擬手術(shù)研究[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2012,14(2):

供一個(gè)穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，愈合過(guò)程中負(fù)重將逐步

98-102.

轉(zhuǎn)移至愈合的骨上。呂厚辰等[33]在傳統(tǒng)3枚空心

[6]周力,裴葆青,呂坤,等.股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定手術(shù)參數(shù)

規(guī)劃與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2007,9(1):

螺釘“品”字形固定的基礎(chǔ)上復(fù)合成骨刺激因子，

58-61.

設(shè)計(jì)側(cè)邊開口的改良空心螺釘，有限元分析結(jié)果

[7]潘林華.青壯年股骨頸骨折伴后內(nèi)壁骨缺損兩種固定方式的

表明改良螺釘斷裂載荷低于傳統(tǒng)組，力學(xué)強(qiáng)度足三維有限元分析[D].湖南:南華大學(xué),2015.

以承受體質(zhì)量，可代替常規(guī)空心螺釘。Shi等

[8]楊成偉,李全,孫偉,等.內(nèi)收型股骨頸骨折多根空心螺釘固

[34]在使用2釘固定的基礎(chǔ)上加入骨折髖支撐關(guān)節(jié)

定的三維有限元分析[J].中國(guó)矯形外科雜志,2009,17(14):

這一非限制型新型髖關(guān)節(jié)支撐器，有限元分析結(jié)

1077-1080.

[9]張浩,史雪峰,楊春寶,等.三枚與四枚螺釘置入治療Pauwels

果表明，髖支撐關(guān)節(jié)能保護(hù)新生血管通過(guò)骨折區(qū)

Ⅲ型股骨頸骨折的有限元分析[J].中國(guó)組織工程研究,

進(jìn)入股骨頭，促使股骨頭轉(zhuǎn)化愈合。

2016,20(26):3897-3902.

總之，通過(guò)有限元分析，術(shù)者能夠?qū)晒穷i骨[10]姜軒.基于有限元方法分析股骨頸短縮對(duì)股骨近端生物力學(xué)

折空心釘內(nèi)固定術(shù)后應(yīng)力應(yīng)變分布等生物力學(xué)特的影響[D].天津:天津醫(yī)科大學(xué),2016.

點(diǎn)進(jìn)行觀察，明確多種內(nèi)固定的最佳置入角度，為

[11]夏希,劉智.骨質(zhì)疏松程度對(duì)老年股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定

內(nèi)固定的設(shè)計(jì)、改良提供參考，對(duì)臨床手術(shù)具有指

術(shù)療效的影響[J].中國(guó)骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2015,30(10):

1021-1024.

導(dǎo)意義。然而，有限元法對(duì)力學(xué)動(dòng)態(tài)變化的分析

[12]夏志鋒,梁明,李亞峰,等.三種內(nèi)固定方式修復(fù)股骨頸骨折

存在不足，導(dǎo)致模擬臨床實(shí)際情況的精準(zhǔn)度下

的有限元分析[J].中國(guó)組織工程研究,2016,20(31):

降。此外，有關(guān)空心釘內(nèi)固定術(shù)后短縮和螺釘斷4630-4636.

裂等并發(fā)癥的有限元分析目前仍較為缺乏，未來(lái)[13]張晟,王一民,王博煒,等.InterTan釘板系統(tǒng)與空心釘固定

人們將更加關(guān)注術(shù)后短縮及股骨周圍軟組織等有

PauwelsⅢ型股骨頸骨折的有限元分析[J].中華創(chuàng)傷骨科雜

限元模型的相關(guān)研究，以及對(duì)空心釘固定術(shù)后并

志,2013,15(1):13-17.

發(fā)癥損傷機(jī)制的有限元分析。

[14]張晟.五種內(nèi)固定方式用于不同Pauwels分型股骨頸骨折的

有限元分析[D].廣州:南方醫(yī)科大學(xué),2013.

[15]金亞平,徐剛,萬(wàn)曲橋.兩種不同方式固定PauwellsⅢ型股骨

參考文獻(xiàn)頸骨折穩(wěn)定性的有限元分析[J].浙江實(shí)用醫(yī)學(xué),2010,15

[1]KleinKF,HuJ,ReedMP,tionofaparametric

(2):123-126.

中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志2018年8月第10卷第4期ChinOrthopJClinBasicRes,Aug2018Vol.10,No.4

[16]MeiJ,Lius,JiaG,elementanalysisofthe[26]LiuWG,WangSJ,YinQF,hanicalsupporting

·251·

effectofcannulatedscrewplacementanddrillingfrequencyeffectoftantalumrodsforthefemoralheadwithvarious

onfemoralneckfracturefixation[J].Injury,2014,45(12):sizedlesi:afinite-elementanalysis[J].ChinMedJ,2012,

2045-2050.125(22):4061-4065.

[17]任棟,程培焱,宋朝暉,等.不同數(shù)量和空間構(gòu)型的空心拉力[27]唐洪濤,仝允輝,張美超,等.股骨頸骨折愈合后釘?shù)乐补菓?yīng)

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