王 磊，陆 钦，王黎明，黄 艳

近年来，防旋股骨近端髓内钉（proximal femoral nail antirotation，PFNA） 治疗股骨粗隆间骨折方面取得了非常可观的疗效[1-2]，已被公认为治疗股骨粗隆间骨折的最佳内固定材料[3-4]，但是近端拉力及防旋钉切割股骨头[5]、髓内钉疲劳断裂[6]、近端螺钉退出[7]、骨折不愈合[8]等并发症时有报道。 本研究通过有限元分析方法，比较相同生理载荷下，相同骨折类型不同规格螺旋刀片的股骨粗隆间骨折防旋股骨近端髓内钉（PFNA）内固定模型的生物力学差异，为临床诊疗提供生物力学参考。

1 对象与方法

1.1 志愿者和实验材料 选择1 名成年男性志愿者，年龄30 岁，身高175 cm，体重70 kg，排除全身疾患及外伤史， 体检除外运动系统损伤和疾病。PFNA 内固定材料由天津正天公司提供。

1.2 建立PFNA 数字化三维模型 将PFNA 各部件数据（主钉长度180 mm，角度135°，螺旋刀片直径10.5 mm，长度90 mm）输入Pro/E 软件，建立内固定的模型(图1)，以.STL 格式文件保存。

1.3 建立股骨粗隆间骨折内固定数字化三维模型志愿者仰卧于CT 扫描床上，左下肢静止、伸直、中立位，对其髋臼上缘到股骨髁行CT 扫描，数据存储为dicom 格式，导入Mimics13.0 软件，得到软组织和骨骼的三维模型。 经大、小粗隆以斜45°裁剪得到骨折模型，骨折远、近两部分分别用灰、绿两色区分(图2)。 将骨折模型和PFNA 模型进行装配，用重调（Rescale）功能以5 mm 为进度，分别制作螺旋刀片长度为80～105 mm 的6 种骨折内固定模型（图3）。

图1 PFNA 内固定材料的三维数字化模型

图2 股骨粗隆间骨折的三维数字化模型

图3 装配完成的三维数字化股骨粗隆间骨折PFNA 内固定模型

1.4 股骨粗隆间骨折内固定数字化三维模型的网格优化 在Mimics13.0 软件FEA 模块中，对6 种内固定模型进行面网格重画，导入ANSYS 软件。

1.5 材料赋值和条件设定 在Mimics 软件中，运用FEA 模块的materia 功能， 将CT 灰度值(Gray Value) 转化成密度值(Density)(公式1：Density= -13.4+1017×Gray Value[9])，接着为每一种物质定义弹性模量(E.Modulus)(公式2：E.Modulus= -388.8+5925×Density[10])，分配给相应的体网格。 在ANSYS软件中， 将股骨粗隆间骨折断裂面之间的接触和PFNA 螺旋刀片与主钉之间的接触设为摩擦系数为0.3 的有限滑移[11]，其他部件间设为完全固定。 模拟体重700 N 成人步态周期中关节承载峰值，加载于6 种三维有限元模型上， 分别在螺旋刀片螺纹处均匀取10 点求解每点上的应力值、6 种模型近折端均匀取10 点求解每点处最大轴向位移值。

1.6 统计学方法 使用SPSS 16.0 软件进行统计分析，计量资料用表示，齐性检验显示各组方差齐，多组间差异比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD-t 检验，P ＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 螺旋刀片螺纹处应力比较 从表1 数据可见，在正常的生理载荷下，各模型间螺纹钉螺纹处应力有所差异，A、B 和C 的应力小于D、E 和F（P ＜0.05)， 而A、B 和C 间及D、E 和F 间比较应力差异无统计学意义（P ＞0.05)。

2.2 近折端最大轴向位移值比较 模拟加载情况下， 计算股骨粗隆间骨折PFNA 内固定模型近端最大轴向位移值，结果如表2 所示，在正常的生理载荷下，各模型间股骨粗隆间骨折近端最大轴向位移值有所差异，A、B 和C 的最大轴向位移值小于D、E和F（P ＜0.05)，而A、B 和C 间及D、E 和F 间的最大轴向位移值差异无统计学意义（P ＞0.05)。

表1 螺旋刀片螺纹处应力比较

表2 股骨粗隆间骨折近端最大轴向位移值比较(mm)

3 讨论

3.1 各模型加载结果分析 本实验数据经统计学分析后发现，模型A、B、C 间PFNA 螺旋刀片螺纹处平均应力值和骨折近端最大轴向位移值无明显统计学差异， 模型D、E、F 间也无明显统计学差异，但模型A、B、C 与模型D、E、F 间比较有统计学差异，说明虽然骨折内固定稳定性与刀片长短有关，置入较短的螺旋刀片比较长的稳定，但也不是越短越稳定。 建议临床操作中使用中等略短规格的螺旋刀片即可。

3.2 本研究的局限性和展望 有限元分析的方法经济、实用、限制条件少，可对每一例患者采用三维模拟技术预手术，并分析确定最佳内固定材料[12]，甚至设计内固定材料，达到个性化治疗的目的。 本研究只是对6 种PFNA 内固定模型的应力、 轴向位移进行了静态分析， 进行了大胆的假设和必要的简化，尚不能对整个骨折的愈合过程进行动态、实时的监测，将在今后的研究中进一步完善。

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