采用不同螺钉配置对股骨近端骨折进行生物力学分析

《Journal of Orthopaedics》：Biomechanical Analysis of Proximal Femoral Nail Augmented with Various Screw Configurations for Proximal Femoral Fractures

　　本研究通过有限元分析比较了三种附加螺钉置入方式（BN、PFN-M、ITAN）与股骨近端 nail（PFN）及动态髋螺钉（DHS）在股骨颈、粗隆间及反粗隆间骨折固定中的生物力学效果。结果显示ITAN对股骨颈骨折稳定性最佳（内侧间隙1.64mm，外侧2.08mm），PFN-M对反粗隆间骨折效果更优（内侧1.43mm，外侧2.32mm），而不同固定方式间整体稳定性差异不显著。

　　

李春婷|张志伟|陈燕年

台湾新北市麦凯医科大学老年福利科技与科学研究所

摘要

目的

为了处理不稳定的股骨近端骨折，已经出现了一些新的设计概念，这些概念结合了额外的增强螺钉与股骨近端钉子和拉力螺钉。然而，这些额外螺钉在不同类型的骨折中的生物力学性能仍不清楚。本研究旨在通过有限元（FE）分析，比较不同额外增强螺钉放置方式与股骨近端钉子结合使用在股骨近端骨折固定中的生物力学效果。

方法

开发了一个FE模型来模拟三种类型的股骨近端骨折：股骨颈骨折、转子间骨折和反向转子间骨折。分析了三种额外的增强螺钉放置方式：（1）通过大转子（仿生钉，BN）；（2）通过转子下区域（改良股骨近端钉，PFN-M）；（3）与拉力螺钉平行并相邻（股骨近端InterTAN钉，ITAN）。为了对比，还包含了传统的股骨近端钉（PFN）和动态髋螺钉（DHS）结构。施加了2800 N的关节反作用力和1500 N的髋外展力，以模拟行走条件，评估每种植入物对骨折股骨的稳定性。

结果

在骨折间隙稳定性方面，ITAN对股骨颈骨折提供了最大的稳定性，而PFN-M对反向转子间骨折最为有效。具体来说，使用ITAN治疗的股骨颈骨折的内侧和外侧骨折间隙距离分别为1.64毫米和2.08毫米。使用PFN-M治疗的反向转子间骨折的内侧和外侧间隙距离分别为1.43毫米和2.32毫米。PFN、PFN-M、BN和ITAN结构之间的间隙变形没有显著差异。

结论

在股骨近端钉子上添加增强螺钉可以提高股骨近端骨折固定的生物力学稳定性。应根据具体的骨折类型选择最佳的螺钉放置方式，以获得最佳的生物力学效果。

引言

股骨近端骨折在老年人中很常见，主要是由于跌倒引起的。1, 2, 3 一个主要因素是与年龄相关的骨质疏松症，这导致骨强度降低，削弱了骨骼在意外跌倒时承受冲击力的能力。4, 5 在老年人中，近90%的此类骨折是由单次跌倒事件引起的。4, 5 此外，与年龄相关的肌肉骨骼退化——如肌肉减少和神经肌肉协调能力受损——进一步降低了姿势控制和平衡能力，从而增加了跌倒的风险。6, 7 这些骨折严重损害了下肢功能，并与高死亡率相关。在Charlson并发症指数评分较高的患者中，两年术后死亡率可高达25.5%。8 因此，早期手术干预以实现稳定的固定并促进下肢的快速功能恢复至关重要。

除了65岁以上且骨折位置移位的关节内骨折患者（通常建议进行半关节置换术）外，在大多数其他情况下，骨折固定仍然是首选治疗方法，包括转子间骨折，以便尽早恢复活动能力。目前，骨科医生有多种固定系统和植入物可供选择，如动态髋螺钉（DHS）、股骨近端钉（PFN）、锁定钢板和螺钉以及多根平行髓内螺钉，其中许多已经显示出良好的临床效果。9, 10, 11 然而，包括不愈合、固定失败、感染、术后疼痛、功能受限和其他不良事件在内的并发症仍然存在挑战。11, 12, 13, 14, 15

作为回应，提出了几种新的设计概念，将额外的增强螺钉与钉子和拉力螺钉结合使用。初步的生物力学研究表明，这些配置可能对特定类型的骨折具有优势。16, 17 然而，对这些增强螺钉在不同类型股骨近端骨折中的生物力学性能的比较评估仍然有限。因此，基于骨折类型选择最佳植入物的方法仍不清楚。此外，引入增强螺钉孔可能会降低钉子的结构刚度。本研究旨在通过有限元（FE）分析，比较用于股骨近端骨折治疗的不同固定装置和增强策略的生物力学性能。此外，还包含了两种广泛使用的固定装置：PFN和DHS，以进行比较分析。

部分摘录

实体模型

使用尸体的计算机断层扫描图像作为开发数值分析模型的基础。从每张图像中提取髋部和股骨的皮质骨和松质骨的外轮廓，以重建骨骼几何形状。随后，根据AO/OTA分类，使用虚拟切割平面和2毫米的骨切片，在CAD中生成了三种不同的骨折类型：股骨颈骨折、转子间骨折和反向转子间骨折

收敛性和验证

当PFN-M模型中节点数量从1,676,283增加到3,718,661时，股骨头的峰值位移增加了0.63%，总应变能增加了1%，表明网格收敛性是可以接受的。对于模型验证，当前模拟中用PFN固定的转子间骨折的结构刚度为727 N/mm，而之前的一项实验研究报道的刚度为640 ± 81 N/mm。28 同样地，

讨论

老年患者的股骨近端骨折是一种复杂且具有挑战性的临床情况。因此，为了改善治疗效果，不断有新的固定概念和装置出现。尽管许多因素影响骨折愈合——如骨质量、生活习惯和营养状况——生物力学稳定性仍然是一个关键决定因素。如果没有足够的机械支持，很难实现成功的骨折愈合。在这项研究中，

结论

最近，将增强螺钉与股骨近端钉子结合使用来固定股骨近端骨折变得越来越流行。在这项研究中，使用了具有不同增强螺钉放置方式的有限元模型来检查它们的生物力学效果。根据研究结果，增强策略的有效性似乎受到骨折类型的影响。增强螺钉与髓内钉子的结合放置可能

伦理声明

本研究没有涉及人类参与者或动物实验，因此不需要伦理批准。

患者和/或监护人同意

本研究中使用的CT图像来自经过认证的国际解剖供应商提供的合法进口尸体标本。所有标本都进行了完全匿名处理，未包含任何可识别的个人信息。因此，不需要患者或监护人的知情同意。

作者致谢

李春婷：撰写原始草稿、概念构思、研究实施、项目管理、监督。陈燕年：撰写审查与编辑、数据管理、资源协调、撰写原始草稿。张志伟：正式分析、方法学研究。

资助

本工作得到了MMC-RD-113-1B-P019和1091B21/麦凯医科大学的支持

致谢

作者衷心感谢麦凯医科大学通过研究项目MMC-RD-113-1B-P019和1091B21/MacKay提供的支持。这些项目提供的资源和帮助对于完成本研究至关重要。