针对Pauwels III型股骨颈骨折，传统固定技术与新型固定技术的计算生物力学比较

《Journal of Biomechanics》：Computational biomechanical comparison of conventional and novel fixation techniques for Pauwels type III femoral neck fractures

本研究通过有限元分析比较了新型股骨颈系统（KFeNS）与标准动态髋螺钉联合抗旋转螺钉（DHS+AS）在Pauwels III型垂直股骨颈骨折中的力学性能。结果显示KFeNS在轴向载荷下峰值应力降低40%，抗移位能力更强，且内固定系统应力分布更均匀，验证了其在高能量创伤中维持关节生物力学稳定性的可行性。

　　

阿里雷扎·法拉（Alireza Fallah）| 阿米尔·努拉尼（Amir Nourani）| 赛义德·哈迪·卡拉antar（Seyed Hadi Kalantar）| 戈拉姆·侯赛因·法拉希（Gholam Hossein Farrahi）

伊朗德黑兰沙里夫理工大学机械工程系

摘要

鲍威尔斯III型股骨颈骨折（Pauwels type III femoral neck fractures，FNFs）在高能量创伤后常见于年轻患者，这类骨折在骨科手术中极具挑战性。本研究通过有限元分析，评估了一种新的固定方法（KFeNS）与标准动态髋螺钉+抗旋转螺钉（DHS + AS）的生物力学性能。研究人员根据CT扫描图像创建了股骨近端模型，并模拟了70°的鲍威尔斯III型骨折，分别使用KFeNS和DHS + AS方法进行固定。对股骨头施加了三种载荷情况。为了更好地模拟体内机械环境，引入了一种改进的边界条件，即限制股骨头在轴向载荷下的水平位移。比较了两种方法的关键参数，包括最大冯·米塞斯应力（von Mises stress，MVS）、股骨头的最大位移、内固定植入物的位移能量密度以及骨折片间的相对运动（interfragmentary motion，IFM）。结果显示，在轴向载荷和前后（A-P）弯曲条件下，DHS + AS的MVS分别比KFeNS高40%和14.2%；但在旋转条件下，KFeNS的MVS却低19.9%。KFeNS的平均IFM在轴向载荷和A-P弯曲条件下分别比DHS + AS低28.7%和14.2%，而在扭转条件下两者相似。在轴向载荷下，DHS + AS的股骨头最大位移高5.8%，KFeNS高7.4%，而在A-P弯曲条件下两者相当。在所研究的有限元框架内，KFeNS技术显示出比DHS + AS更高的机械稳定性，这支持了其作为替代固定方案的可行性。

引言

股骨颈骨折（FNFs）是最常见的股骨损伤类型之一（Bj?rgul & Reiker?s, 2007）。FNFs通常根据骨折线与水平面的夹角进行分类：I型（<30?）、II型（30–50?）和III型（>50?）（Gullberg et al., 1997）。然而，仅基于角度的分类并不能完全反映FNFs的生物力学不稳定性。近期研究（?ner et al., 2021, Wang et al., 2021）指出，矢状面形态，尤其是后倾角度；以及骨折复位的质量，对固定稳定性和并发症（如不愈合或骨坏死）的风险有显著影响（Wang et al., 2019, Yoshimoto et al., 2015）。鲍威尔斯III型FNFs多发生在年轻患者中，通常由高冲击事件引起（Askin and Bryan, 1976, Protzman and Burkhalter, 1976）。从生物力学的角度来看，鲍威尔斯III型骨折难以治疗，因为较大的骨折角度会在骨折表面产生高剪切力（Liporace et al., 2008），这可能导致并发症，包括骨坏死和不愈合（Kofoed, 1982, Protzman and Burkhalter, 1976）。骨坏死的发病率在11%到86%之间，而不愈合的发生率为16%到59%（Dedrick et al., 1986, Kofoed, 1982, Liporace et al., 2008, Protzman and Burkhalter, 1976）。此外，对于骨骼质量较好的年轻患者而言，保持髋关节的原始结构和生物力学特性至关重要，因为他们活跃的生活方式使得关节置换成为一个不太理想的选择（Girard et al., 2011）。

传统上，动态髋螺钉配合抗旋转螺钉（DHS + AS）和三根空心螺钉（3CS）是治疗FNFs最常用的技术（Kalantar et al., 2020, Luttrell et al., 2014）。3CS广泛用于鲍威尔斯III型骨折；然而，由于骨折角度陡峭，骨折表面产生的高剪切力导致固定失败率较高（Slobogean et al., 2015）。一项研究（Liporace et al., 2008）报告称，使用这种方法的鲍威尔斯III型骨折术后不愈合率为19%。DHS + AS通过抵消骨折部位的剪切力提供了更好的生物力学稳定性，从而比3CS取得更好的治疗效果（Aminian et al., 2007, Deneka et al., 1997）。然而，其有效性最近受到了质疑；例如，一项针对1,108名患者的研究显示，DHS + AS的再手术率为22%，缺血性坏死发生率为9%（Nauth et al., 2017）。

最近，几种替代固定策略被引入以增强垂直方向FNFs的稳定性。股骨颈系统（FNS）提供了一种微创结构，可为不稳定的骨折类型提供角度和旋转稳定性（Stoffel et al., 2017）。对于鲍威尔斯III型骨折，还提出了使用小碎片板进行内侧支撑以抵消剪切力的方法（Giordano et al., 2019）。此外，股骨颈锁定板（FNLP）作为一种固定角度的结构，也被用于提高高剪切力下的鲍威尔斯III型骨折的稳定性（Nowotarski et al., 2012）。然而，针对鲍威尔斯III型股骨颈骨折的最佳固定策略仍存在争议。为了解决这一问题，提出了一种新的固定方法——卡拉antar股骨颈系统（KFeNS，伊朗知识产权编号140050140003005319，见图1），专门用于鲍威尔斯III型FNFs。该系统包括一块2毫米的钢板（形状与股骨近端相匹配）、四根空心螺钉（两根角度为135°，两根为105°）以及一根皮质螺钉。为了评估其临床潜力，研究人员使用有限元分析（FE）方法，将KFeNS的生物力学特性（如刚度和骨折片间相对运动IFM）与标准的DHS + AS技术进行了比较（参考Hakiminejad et al., 2023的研究方法）。本研究的主要假设是，在相同的有限元分析条件下，KFeNS将比DHS + AS提供更好的生物力学稳定性。

部分内容摘录

构建3D模型

在获得机构伦理批准后（IR.TUMS.IKHC.REC.1402.147），基于CT数据构建了一个健康成年男性股骨的3D模型。使用Mimics软件对DICOM图像进行分割，以重建皮质骨和松质骨的几何结构。模型中模拟了一个70°角的鲍威尔斯III型骨折，代表年轻成人中的高角度骨折（Askin and Bryan, 1976, Protzman and Burkhalter, 1976）。骨折在理想解剖复位状态下进行建模，没有残余位移或角度偏差

股骨头的冯·米塞斯应力分布

在轴向载荷下，KFeNS的股骨头冯·米塞斯应力（MVS）比DHS + AS高18%（68.0 MPa vs 57.6 MPa）；而在前后（A–P）弯曲和扭转条件下，两者数值相似（9.1 MPa vs 9.0 MPa 和 28.8 MPa vs 28.2 MPa，见图5）。

内固定植入物的冯·米塞斯应力分布

在轴向载荷下，DHS + AS的MVS约为KFeNS的1.4倍（328.2 MPa vs 233.9 MPa）；在A–P弯曲和扭转条件下，分别为65.1 MPa vs 57.0 MPa 和 164.6 MPa vs 197.3 MPa（见图6）。

骨折片间相对运动（IFM）

在12个点上评估了IFM

讨论

鲍威尔斯III型FNFs由于剪切力较大以及近端骨折片发生内翻位移的风险较高，因此在临床上具有挑战性。精细的手术规划至关重要，因为年轻患者的固定失败可能导致难以处理的严重并发症。一项针对122名患者的回顾性研究表明，32%（39例）出现了骨折不愈合，11.4%（14例）发生了股骨头缺血性坏死（Duckworth et al., 2011）。

结论

本研究比较了传统DHS + AS固定方法与新开发的KFeNS技术在三种载荷条件下的生物力学性能。有限元分析表明，在轴向载荷下，KFeNS方法的植入物应力峰值降低了约40%；在A-P弯曲条件下降低了14%。KFeNS的平均IFM和OIFM在轴向和弯曲载荷下均降低了约25–30%。总体而言，结果表明KFeNS具有更好的性能

作者贡献声明

阿里雷扎·法拉（Alireza Fallah）：撰写初稿、验证、正式分析、概念构思。阿米尔·努拉尼（Amir Nourani）：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念构思。赛义德·哈迪·卡拉antar（Seyed Hadi Kalantar）：撰写、审稿与编辑、项目管理。戈拉姆·侯赛因·法拉希（Gholam Hossein Farrahi）：撰写、审稿与编辑、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究未获得任何特定资助。