0 引言 Introduction

据估计，全球每年发生160万例髋部骨折[1]，随着老年人口的日益增长，预计到2025年全球髋部骨折患者将增加到260万例，到2050年将增加到450万例[2-4]。髋部骨折的病死率和再手术率高，据研究表明其病死率在8.4%-36%之间，而再手术率在10.0%-48.8%之间[5-8]。股骨颈骨折约占髋部骨折总数的一半[9]，PAUWELS根据股骨颈骨折在冠状面中骨折线与髋臼上缘的夹角小于为30°分为Pauwels Ⅰ型，介于30°-50°为Ⅱ型，夹角大于50°为Ⅲ型骨折[10-11]，现在将Pauwels Ⅲ型骨折归属于Garden分型中的Ⅲ型或Ⅳ型。Pauwels角度越大骨折线越接近垂直，骨折端存在的剪切力越大，股骨颈骨折端越不稳定，术后不愈合率越高。中青年患者发生Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折通常由高能量创伤引起[12-13]，由于骨折类型的特殊性，此类骨折的骨折端剪切应力高，内固定治疗时很难获得足够的稳定性来抵抗髋部周围的垂直和旋转剪切力，从而导致该类骨折具有更大的并发症风险，例如骨折端移位、骨不愈合和股骨头坏死[14]。据报道，不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的骨不连发生率在16%-59%之间，而股骨头坏死的发生率在11%-86%之间[12]。

目前，最常见的股骨颈骨折内固定方法是空心螺钉固定和动力髋螺钉固定[15-17]，其中空心螺钉内固定仍是年轻股骨颈骨折患者的最常见治疗方法，但是一些生物力学研究和临床随机对照试验报告称，由于骨折端的高剪切力，术后仍具有较高的内部固定失败、股骨颈缩短、内翻畸形、股骨头坏死和骨不连的风险，特别是对于不稳定性Pauwels Ⅲ型骨折[18-21]。到目前为止，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的最佳内部固定技术仍存在争议，因此临床上在不断探索下一代更有效的内固定植入物[22]。鉴于此，实验进行了一项生物力学研究，探讨一种新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学稳定性，并为其在临床实践中的应用提供理论参考。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 实验于2020年3至5月在广州中医药大学第二临床医学院实验室完成。

1.3 实验方法

1.3.1 三维股骨模型的建立 选择一名健康男性志愿者，身高175 cm，体质量70 kg，无内科疾患，无双上肢骨折、肿瘤、骨质疏松等骨骼异常。志愿者对实验方案知情同意。采用Siemens 64排螺旋CT自股骨上部至胫骨中上段进行扫描得到二维横断图像，将CT图像存储为医学数字成像和通信(DICOM)格式文件，输出到医学三维重建软件Mimics 21.0中。选择适当的灰度值将骨骼和组织区分开来，并使用区域增长、蒙版编辑等命令建立出原始股骨三维模型，将模型输出为STL格式文件，导入到Geomagic Wrap2017软件中对原始模型进行优化，比如去除特征、降噪、网格划分和拟合曲面处理，并构建得到股骨松质骨与皮质骨的三维模型，以STEP格式文件输出。将完成优化的模型STEP文件输入到Solidworks2017软件中，通过布尔运算组配皮质骨和松质骨结构，重建出符合人体结构的股骨模型。

1.3.2 三维Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型的建立 将股骨模型整合到Solidworks 2017软件中，首先通过股骨头的中心建立一个横断面，然后创建一个切割平面，该切割平面约在股骨颈中心附近并与横断面呈50°，60°和70°的角度，从而模拟出3个不同角度的PauwelsⅢ型骨折，见图1。

图 1｜三种不同角度的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型Figure 1 ｜Pauwels III femoral neck fracture model with three different Pauwels angles图注：从左至右分别为50°，60°，70°的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型

1.3.3 内固定模型的建立 使用Solidworks 2017软件，按照临床上应用的内固定尺寸大小建模建立了3种内部固定模型，包括股骨颈内固定系统模型、正三角形空心螺钉模型和倒三角空心螺钉模型。其中，在股骨颈内固定系统模型结构的近端置入一枚与锁定钢板成130°角的直径为10 mm的动力髋螺钉，在同一套筒中置入一枚锁定防旋螺钉，此锁定防旋螺钉的直径为6.4 mm，并与主螺钉成7.5°角，从而使主钉与锁定防旋螺钉形成钉中钉结构；在股骨颈内固定系统模型的远端置入2枚5 mm的锁定螺钉，使连接锁定钢板与股骨干，见图2，3。在其他2个模型中，则是将3枚空心螺钉以正三角形和倒三角形的形式彼此平行置入，见图3。根据内固定器械规格，使用Solidworks 2017软件建立出直径7.3 mm的空心螺钉，螺纹长度为16 mm。由于实验的重点与螺纹无关，因此将螺纹截面简化为实心圆柱体以简化模型。锁定板和螺钉由钛合金材料组成。随后，将完整的模型整合到Abaqus2017软件中进行材料属性赋予、边界条件约束、载荷分配和网格划分。每个装配体都由四面体单元划分网格。