空心螺钉联合同种异体腓骨治疗股骨颈骨折的三维有限元力学分析

2026-04-10

来源：医学生物力学分析



程瑞祥　何立　易成腊 DOI: 10.3969/j.issn.2095-252X.2024.10.013　　中图分类号：R683.4
基金项目：国家重点研发计划 ( 2022YFC2504303 )
作者单位：536000   广西壮族自治区，北海市第二人民医院骨二科 ( 程瑞祥 )；430030   武汉，华中科技大学同济医学院 　　　　　附属同济医院创伤外科 ( 何立、易成腊 )
【摘要】目的　观察并分析空心螺钉结合同种异体腓骨内固定治疗在股骨颈骨折中的应用价值。方法 选择 1 名生理解剖正常的中国健康成年男性志愿者，通过 X 线和 CT 扫描检查显示髋关节发育正常，保存股骨 中上段影像学数据。通过三维重建等技术，构建空心螺钉结合同种异体腓骨固定股骨颈骨折的三维模型，以 及关节软骨、韧带、肌肉的三维模型并进行力学分析，对两种骨折内固定方式的生物力学稳定性进行评估。
结果　股骨头皮质的头顶部是出现**应力的位置，两种内固定方式**应力差异无统计学意义。两种固定 方式的股骨头颈位移都是从股骨头颈上缘开始逐渐减小，直至股骨头颈的下缘。由于股骨头颈外上缘的张力 **，两种固定方式的**位移都发生在该部位，但两者**位移差异无统计学意义。空心螺钉结合同种异 体腓骨内固定方式和多枚空心螺钉内固定方式对股骨颈骨折骨组织的**应力都是出现在皮质骨部位。两种 内固定的**应力都是在骨折断端和内固定尾部。
结论　对于股骨颈骨折患者，通过空心螺钉结合同种异体 腓骨内固定和多枚空心螺钉内固定的力学稳定性基本相同，都可以为骨折愈合提供较为稳定的力学环境，可 以有效预防股骨头坏死、塌陷，是股骨颈骨折较理想的治疗方式。
【关键词】　股骨颈骨折；股骨头坏死；有限元分析；骨钉；同种异体移植物
      股骨颈骨折属于临床常见的关节内骨折，是指 股骨头下到股骨颈基部的连续性遭到破坏，发生率 约占全身骨折的 3.6% [1]。相关数据表明，在髋部骨 折类型中，老年人多发生于股骨粗隆间，而股骨颈 骨折则发生于年龄越小者的概率越大 [2]。近年随着 社会工业化的发展和交通越来越便利，高能量损伤 造成骨折损伤的案例也随之增加，中青年人群发生 股骨颈骨折的数量不断升高 [3]。对于老年股骨颈骨 折人群，关节置换能够减少患者卧床时间，加速恢 复关节功能状态，减少并发症，提高生活质量，因 此已成为老年股骨颈骨折患者的首选治疗方法；但 对于中青年股骨颈骨折患者进行髋关节置换是灾难 性的损伤 [4-5]。因此，寻找有利于各年龄阶段股骨颈 骨折愈合的方法，预防术后发生股骨头坏死等并发 症，避免进行人工关节置换，仍是目前临产研究的 热点。采用空心螺钉进行骨折固定是目前临床最常 用的股骨颈骨折内固定方式 [6]。本研究通过观察并 分析空心螺钉结合同种异体腓骨内固定治疗在股骨 颈骨折中的应用价值，为临床治疗股骨颈骨折提供 更加安全有效的方法。
材料与方法
一、数据来源及股骨颈骨折的模型建立
      选择 1 名中国健康成年男性志愿者，29 岁，身 高 178 cm，体重 75 kg，既往体格健壮，生理解剖 正常，通过 X 线检查显示髋关节发育正常，行髋关 节 CT 扫描和 MRI 影像，保存股骨中上段影像学数 据。将志愿者的 CT 数据导入 Mimiucs 软件，将髂 骨松质骨和皮质骨的三维模型重新建立，然后构建 股骨松质骨和皮质骨的三维模型，将上述三维模型 通过 Smoothing 和 Wrap 等功能进一步加工、修饰、 处理，并以 STL 格式将文件导出，保存至 Geomagic Studio 软件中，将文件进一步优化处理，然后以 IGS 格式文件导出并最终文件保存。采用 Soildworks 软 件进行处理，将文件拉伸、切除，模拟并建立股骨 颈骨折的三维模型。
二、三维有限元模型材料属性赋值
      对骨与内固定装置之间的相互作用进行模拟。 同时，给上述皮质骨和松质骨三维模型赋予材料属 性，具体如表 1 所示。
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三、三维有限元模型的边界条件设置与力学加载
      进入 ABAQUS 软件的“Interaction”模块，用 “完全约束”对髂骨的骶髂关节以及耻骨联合进行 定义；韧带、肌肉与骨表面定义为捆绑约束；关节 则定义为无摩擦接触；骨折断端的接触定义为 0.46 ( 摩擦系数 ) 的摩擦接触；植入物与宿主骨之间的接 触定义为 0.60 的摩擦接触。
四、建立空心螺钉固定股骨颈骨折的三维模型
      通过 3D 激光扫描仪对空心螺钉实体进行扫 描，建立并保存螺钉的云数据为 STL 格式。打开并 进入 Geomagic Design X 软件的“点云模块”，将 云数据导入其中，并采用“过滤杂点、平滑”等功 能对空心螺钉的数据进行优化，通过“构造曲面” 功能将上述导入的云数据进行处理，制作成曲面模 型。再通过该软件的曲面片模块的相应功能对空心 螺钉的曲面数据模型做进一步处理和优化，以制成 精细的曲面数据模型。再通过“变换实体”的功能 将曲面数据模型加工为三维实体模型，并以 IGS 格 式保存。打开 Solidworks 软件，将股骨颈骨折以及 空心螺钉已经建立好的三维模型导入其中。打开装 配模块，参照术中空心螺钉的排列摆放位置，模拟 螺钉固定股骨颈骨折的手术，螺钉植入深度控制在 股骨头皮质骨下 5 mm，建立螺钉固定骨折部位的三 维实体模型。
五、建立空心螺钉结合同种异体腓骨固定股骨
     颈骨折的三维模型 打开 Soildworks 软件，进入零件模块，通过草 图拉伸、切除等功能构建腓骨的三维模型。参照正 常成人的腓骨生理解剖，将同种异腓骨的长度设 置为 95 mm、外直径设置为 12 mm、内直径设置为   8 mm。将上述已经构建好的空心螺钉、股骨颈骨折 以及腓骨三维模型导入到软件的装配模块中，按照 空心螺钉、腓骨在手术中的排列位置，模拟空心螺 钉结合同种异体腓骨固定股骨颈骨折的手术过程， 将螺钉结合同种异体腓骨治疗股骨颈骨折的三维模 型建立起来。空心螺钉和同种异体腓骨按照倒品字 形进行排列，将空心螺钉和同种异体腓骨植入股骨 头皮质骨下 5 mm 的位置。
六、建立关节软骨、韧带、肌肉的三维模型
      打开 Geomagic Design X 软件，参照正常髋臼 与股骨头软骨的关节间隙，首先构建髋臼的三维模 型，然后建立股骨头软骨模型。打开 ABAQUS 软 件，参考髋关节附近各韧带的生理结构和生物力学 特性，应用桁架 ( TRUSS ) 模型对关节韧带进行模 拟。进入 ABAQUS 软件，通过创建连接模块对髋关 节的 7 条主要肌肉按照其正常生理结构和生物力学 特征进行模拟。按照肌力和肌肉横断面面积的对应 关系 [7]，计算处于站立位时肌肉的肌力，在 ABAQUS 软件将肌力进行赋值，具体如下：大收肌 600 N、梨 状肌 500 N、臀小肌 300 N、臀中肌 700 N、长收肌 560 N、阔筋膜张肌 300 N、臀大肌 550 N。
结　　果
一、股骨头颈部皮质骨的应力和位移情况
      股骨头皮质的头顶部是多枚空心螺钉术式固定股骨颈骨折皮质骨出现**应力的位置，空心螺 钉联合同种异体腓骨术式也是该位置，前者**应 力为 11.64 MPa，后者**应力为 22.41 MPa，相差   10.77 MPa，两者差异无统计学意义 ( 图 1 )。两种固 定方式的股骨头颈位移都是从股骨头颈上缘开始逐渐 减小，直至股骨头颈的下缘。由于股骨头颈外上缘的 张力**，故两种固定方式的**位移都发生在该部 位，其中空心螺钉结合同种异体腓骨内固定股骨头 颈外上缘**位移为 1.886 mm，而多枚空心螺钉内 固定的股骨头颈外上缘**位移为 2.343 mm，相差 0.457 mm，两者差异无统计学意义 ( 图 2 )。
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二、骨组织内部和内固定的应力情况
      通过剖面视图对股骨头内部骨组织的力学改变 进行观察。两种内固定方式对股骨颈骨折骨组织的 **应力都是出现在皮质骨部位，前者对股骨颈骨 折骨组织的**应力 52.76 MPa，后者对股骨颈骨 折骨组织的**应力 65.09 MPa，相差 12.33 MPa。 对比两种股骨颈骨折骨的内固定方式，空心螺钉 结合同种异体腓骨的**应力为 538.9 MPa，而多 枚空心螺钉的**应力为 650.0 MPa，两者相差   111.1 MPa。两种内固定方式都是在骨折断端和内固 定尾部出现应力较大区域。虽然本研究中的两种内 固定方式的**应力分布位置差异无统计学意义， 但相较于多枚空心螺钉内固定方式，空心螺钉结合 同种异体腓骨内固定方式骨组织内部和内固定的最 大应力值均较小 ( 图 3、4 )。
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讨　　论
     临床认为，治疗股骨颈骨折较为理想的内固定 方式能够在复位后提供有效的力学支撑和稳定性， 能够尽可能地降低股骨头坏死、塌陷的发生概率，并且在股骨头发生坏死后仍可以提供稳定的力学支 撑，同时有助于股骨头坏死的修复 [8-9]。相关数据表 明，股骨颈骨折患者在接受手术治疗后 5 年内发生 股骨头坏死和骨塌陷等并发症的概率非常高 [10-11]。 尤其对于中青年骨折患者而言，由于其多是因高能 量创伤造成，因此往往伴随较重的周围软组织、血 管损伤以及骨质的破坏 [12-13]。既往报道指出，中青 年股骨颈骨折患者在接受手术内固定治疗后发生不愈合的数量约有 1 / 3，发生缺血性坏死的数量约有   1 / 2 [14-15]。单纯使用螺钉固定股骨颈骨折，虽然能够 发挥良好的稳定性和较强的抗剪力作用，但仍有一部 分患者会并发股骨头坏死，研究表明，约有 14% 的 股骨颈骨折患者在术后伴发股骨头坏死 [16-17]。因此， 寻找一种安全性高、疗效确切的手术固定方式，已成 为临床骨科亟须解决的问题和研究的热点。
      本研究通过空心螺钉结合同种异体腓骨内固定治疗股骨颈骨折，在保留螺钉固定的优点的同时， 同种异体腓骨不仅增强了稳定性，当骨坏死时还能 够减少硬化带的形成；腓骨能够发挥其力学支撑和 生物学特征，能够刺激周围血管再生，促进骨折的 愈合过程 [18-19]。本研究结果显示，股骨头皮质的头顶 部是出现**应力的位置，空心螺钉联合同种异体 腓骨术式也是该位置，前者**应力为 11.64 MPa， 后者**应力为 22.41 MPa，两者差异无统计学意 义。两种固定方式的股骨头颈位移都是从股骨头颈 上缘开始逐渐减小，直至股骨头颈的下缘。由于股 骨头颈外上缘的张力**，故两种固定方式的** 位移都发生在该部位，其中空心螺钉结合同种异体 腓骨内固定股骨头颈外上缘**位移为 1.886 mm， 而多枚空心螺钉内固定的股骨头颈外上缘**位移 为 2.343 mm，相差 0.457 mm，两者差异无统计学意 义。本研究中两种内固定方式对股骨颈骨折骨组织 的**应力都是出现在皮质骨部位，前者对股骨颈 骨折骨组织的**应力 52.76 MPa，后者对股骨颈骨 折骨组织的**应力 65.09 MPa。
     综上本研究证实，空心螺钉结合同种异体腓 骨内固定治疗股骨颈骨折，疗效确切，能为骨折愈 合提供较稳定的力学环境，可以有效预防股骨头坏 死、塌陷，是股骨颈骨折较理想的治疗方式。本研 究存在不足：纳入病例数少，是针对股骨颈常见的 骨折类型进行的分析和模拟，由于骨折原因不同， 可能存在多种类型的骨折，应该做出更为全面的分 析。而且本研究所采用的内固定手术方式的前提是 骨折患者已经接受了复位且效果理想。因此在后续 研究中应加大样本量，进行更多类型骨折的分析和 模拟，提高应用价值。

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