王 磊，陸 欽，王黎明，黃 艷

近年來(lái)，防旋股骨近端髓內(nèi)釘（proximal femoral nail antirotation，PFNA） 治療股骨粗隆間骨折方面取得了非?？捎^的療效[1-2]，已被公認(rèn)為治療股骨粗隆間骨折的最佳內(nèi)固定材料[3-4]，但是近端拉力及防旋釘切割股骨頭[5]、髓內(nèi)釘疲勞斷裂[6]、近端螺釘退出[7]、骨折不愈合[8]等并發(fā)癥時(shí)有報(bào)道。 本研究通過(guò)有限元分析方法，比較相同生理載荷下，相同骨折類(lèi)型不同規(guī)格螺旋刀片的股骨粗隆間骨折防旋股骨近端髓內(nèi)釘（PFNA）內(nèi)固定模型的生物力學(xué)差異，為臨床診療提供生物力學(xué)參考。

1 對(duì)象與方法

1.1 志愿者和實(shí)驗(yàn)材料 選擇1 名成年男性志愿者，年齡30 歲，身高175 cm，體重70 kg，排除全身疾患及外傷史， 體檢除外運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷和疾病。PFNA 內(nèi)固定材料由天津正天公司提供。

1.2 建立PFNA 數(shù)字化三維模型 將PFNA 各部件數(shù)據(jù)（主釘長(zhǎng)度180 mm，角度135°，螺旋刀片直徑10.5 mm，長(zhǎng)度90 mm）輸入Pro/E 軟件，建立內(nèi)固定的模型(圖1)，以.STL 格式文件保存。

1.3 建立股骨粗隆間骨折內(nèi)固定數(shù)字化三維模型志愿者仰臥于CT 掃描床上，左下肢靜止、伸直、中立位，對(duì)其髖臼上緣到股骨髁行CT 掃描，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為dicom 格式，導(dǎo)入Mimics13.0 軟件，得到軟組織和骨骼的三維模型。 經(jīng)大、小粗隆以斜45°裁剪得到骨折模型，骨折遠(yuǎn)、近兩部分分別用灰、綠兩色區(qū)分(圖2)。 將骨折模型和PFNA 模型進(jìn)行裝配，用重調(diào)（Rescale）功能以5 mm 為進(jìn)度，分別制作螺旋刀片長(zhǎng)度為80～105 mm 的6 種骨折內(nèi)固定模型（圖3）。

圖1 PFNA 內(nèi)固定材料的三維數(shù)字化模型

圖2 股骨粗隆間骨折的三維數(shù)字化模型

圖3 裝配完成的三維數(shù)字化股骨粗隆間骨折PFNA 內(nèi)固定模型

1.4 股骨粗隆間骨折內(nèi)固定數(shù)字化三維模型的網(wǎng)格優(yōu)化 在Mimics13.0 軟件FEA 模塊中，對(duì)6 種內(nèi)固定模型進(jìn)行面網(wǎng)格重畫(huà)，導(dǎo)入ANSYS 軟件。

1.5 材料賦值和條件設(shè)定 在Mimics 軟件中，運(yùn)用FEA 模塊的materia 功能， 將CT 灰度值(Gray Value) 轉(zhuǎn)化成密度值(Density)(公式1：Density= -13.4+1017×Gray Value[9])，接著為每一種物質(zhì)定義彈性模量(E.Modulus)(公式2：E.Modulus= -388.8+5925×Density[10])，分配給相應(yīng)的體網(wǎng)格。 在ANSYS軟件中， 將股骨粗隆間骨折斷裂面之間的接觸和PFNA 螺旋刀片與主釘之間的接觸設(shè)為摩擦系數(shù)為0.3 的有限滑移[11]，其他部件間設(shè)為完全固定。 模擬體重700 N 成人步態(tài)周期中關(guān)節(jié)承載峰值，加載于6 種三維有限元模型上， 分別在螺旋刀片螺紋處均勻取10 點(diǎn)求解每點(diǎn)上的應(yīng)力值、6 種模型近折端均勻取10 點(diǎn)求解每點(diǎn)處最大軸向位移值。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料用表示，齊性檢驗(yàn)顯示各組方差齊，多組間差異比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t 檢驗(yàn)，P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 螺旋刀片螺紋處應(yīng)力比較 從表1 數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在正常的生理載荷下，各模型間螺紋釘螺紋處應(yīng)力有所差異，A、B 和C 的應(yīng)力小于D、E 和F（P ＜0.05)， 而A、B 和C 間及D、E 和F 間比較應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05)。

2.2 近折端最大軸向位移值比較 模擬加載情況下， 計(jì)算股骨粗隆間骨折PFNA 內(nèi)固定模型近端最大軸向位移值，結(jié)果如表2 所示，在正常的生理載荷下，各模型間股骨粗隆間骨折近端最大軸向位移值有所差異，A、B 和C 的最大軸向位移值小于D、E和F（P ＜0.05)，而A、B 和C 間及D、E 和F 間的最大軸向位移值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05)。

表1 螺旋刀片螺紋處應(yīng)力比較

表2 股骨粗隆間骨折近端最大軸向位移值比較(mm)

3 討論

3.1 各模型加載結(jié)果分析 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，模型A、B、C 間PFNA 螺旋刀片螺紋處平均應(yīng)力值和骨折近端最大軸向位移值無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異， 模型D、E、F 間也無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但模型A、B、C 與模型D、E、F 間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明雖然骨折內(nèi)固定穩(wěn)定性與刀片長(zhǎng)短有關(guān)，置入較短的螺旋刀片比較長(zhǎng)的穩(wěn)定，但也不是越短越穩(wěn)定。 建議臨床操作中使用中等略短規(guī)格的螺旋刀片即可。

3.2 本研究的局限性和展望 有限元分析的方法經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、限制條件少，可對(duì)每一例患者采用三維模擬技術(shù)預(yù)手術(shù)，并分析確定最佳內(nèi)固定材料[12]，甚至設(shè)計(jì)內(nèi)固定材料，達(dá)到個(gè)性化治療的目的。 本研究只是對(duì)6 種PFNA 內(nèi)固定模型的應(yīng)力、 軸向位移進(jìn)行了靜態(tài)分析， 進(jìn)行了大膽的假設(shè)和必要的簡(jiǎn)化，尚不能對(duì)整個(gè)骨折的愈合過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，將在今后的研究中進(jìn)一步完善。

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