基于断裂力学探讨髓内钉治疗老年人中下段股骨干骨折稳定性的有限元分析
期刊: 健康文摘 2026年第10期 DOI: 10.67328/wslwpp0801 PDF下载
基于断裂力学探讨髓内钉治疗老年人中下段股骨干骨折稳定性的有限元分析
张弘 张大鹏 胡林勇 戴青
广东省人民医院赣州医院（赣州市立医院）骨二科 江西赣州 341000
摘要：目的 基于断裂力学，采用有限元法分析阻挡螺钉对髓内钉治疗老年股骨干中下段骨折稳定性的影响及临床疗效。方法 60例老年中下段股骨干骨折患者按术中是否应用阻挡螺钉分两组（各30例），对比手术及恢复指标，并建立32-A1/A2/A3型骨折有限元模型，于4种载荷下分析位移、应力及裂纹扩展。结果 与B组相比，A组骨折愈合时间更短、HSS评分更高、并发症更少（P<0.05）。各型骨折模型中，A组断端位移及应力峰值均低于B组，且载荷越大组间差异越明显，应力集中区位于股骨近端及断端内侧。结论 阻挡螺钉可优化髓内钉固定效果，降低断端位移和应力集中，对骨折愈合及功能恢复具有促进作用。
关键词：股骨干骨折；老年人；髓内钉；阻挡螺钉；有限元分析
股骨干骨折属临床最常见骨折类型之一[1]。随人口老龄化及交通、坠落伤增多，其发病率呈上升趋势，老年患者占比显著增加[2]。股骨血供丰富，骨折常伴软组织损伤及滋养血管破坏，处理不当易致愈合困难[3]。中下段骨折约占股骨干骨折的20%，该部位髓腔宽大、骨皮质薄，受肌肉牵拉易明显移位，可损伤腘动脉、胫神经，重者并发休克或脂肪栓塞[4]；加之髓腔变宽、剪切应力大，为固定不稳与骨不连好发部位。股骨干系人体最粗长管状骨，治疗不当可致畸形愈合、骨不连及患肢功能障碍，术后骨不连亦为髓内钉固定常见并发症[5-6]。阻挡螺钉技术由Krettek等[7]首次报道，经缩小髓腔、三点固定将剪切应力转化为轴向应力，增强主钉与断端稳定性[8]；临床研究证实其可缩短老年患者愈合时间、改善膝关节功能[9]。然既往多聚焦结构力学参数，从断裂力学角度量化裂纹扩展与固定稳定性关系的研究尚少。本研究结合有限元分析与断裂力学，模拟髓内钉联合与不联合阻挡螺钉治疗AO/OTA 32-A型骨折的生物力学行为，为临床提供依据。
1 资料与方法
- 临床资料
选取2023年5月—2024年5月本院骨科老年股骨干中下段骨折患者60例。纳入标准：① ≥60岁；② 新鲜单侧骨折，AO/OTA 32-A型；③ 无严重心肺或代谢性疾患；④ 经X线及CT确诊；⑤ 临床资料齐全，知情同意。排除标准：① 二次骨折；② 中风或小儿麻痹病史；③ 有结核、转移瘤或放疗、化疗史；④ 伴其他部位骨折或重要脏器损伤；⑤ 随访脱落。按术中是否使用阻挡螺钉分为A组（使用）与B组（未使用），每组30例。A组男16例、女14例，平均年龄（67.8±5.6）岁；B组男17例、女13例，平均年龄（68.3±5.9）岁。基线资料组间可比（P>0.05）。研究获医院伦理委员会审批。
- 手术方法
全麻或腰麻后，患者仰卧于骨科牵引床，消毒铺巾。C型臂透视下闭合复位，扩髓后顺行置入股骨重建髓内钉。A组先置入1～2枚4.0 mm阻挡螺钉（依移位方向于骨折线近/远端进针），引导主钉居中并复位断端；B组直接置钉。两组均远端锁定。术后予抗感染、镇痛、抗凝，指导渐进式功能锻炼及部分负重。
- 有限元模型建立
基于A组1例典型老年男性（65岁，65 kg）股骨CT数据（层厚1 mm，512×512矩阵），经Mimics 21.0提取骨轮廓、Geomagic Studio实体化，SolidWorks建立髓内钉（φ11 mm）模型，模拟32-A1/A2/A3型骨折，分别装配常规与联合阻挡螺钉（近端）方案（共6组）。材料设为均质各向同性：皮质骨（E=16.7 GPa，ν=0.30）、松质骨（E=0.84 GPa，ν=0.30）、钛合金（E=110 GPa，ν=0.33）。ANSYS Workbench 19.0四面体网格（2 mm），骨折面及钉-骨界面摩擦系数0.2（面-面接触），阻挡螺钉与主钉绑定。股骨远端约束，股骨头施加轴向+水平组合载荷，模拟站立、慢走、快走、下楼梯。
- 断裂力学分析
基于线弹性断裂力学，各模型断端预设初始裂纹，计算获裂纹扩展角度、位置及载荷-位移曲线；同时得断端位移、应力分布，比较阻挡螺钉对裂纹扩展及稳定性的影响。
- 观察指标
（1）临床指标：手术时间、出血量、骨折愈合时间、并发症及末次HSS评分；（2）影像指标：术后及随访X线、CT评估复位与愈合；（3）生物力学指标：各载荷下断端位移、整体及局部最大应力、裂纹扩展参数。
1.6 统计学方法
SPSS 19.0分析数据。正态计量资料以（±s）表示，行t检验；计数资料以n（%）表示，行χ²检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组临床指标比较
两组手术时间及出血量无差异（P>0.05）；A组愈合时间、HSS评分及并发症均优于B组（P均<0.05），见表1。
表1 两组临床指标比较
| 指标 | A组（n=30） | B组（n=30） | t/χ²值 | P值 |
| 手术时间（min） | 82.4±13.5 | 76.8±12.1 | 1.695 | 0.095 |
| 术中出血量（ml） | 268.5±52.3 | 285.3±58.6 | 1.177 | 0.244 |
| 骨折愈合时间（月） | 4.38±0.65 | 6.72±1.45 | 8.236 | <0.001 |
| 末次随访HSS评分（分） | 90.8±6.6 | 80.4±8.3 | 5.412 | <0.001 |
| 并发症［例（%）］ | 2（6.7） | 8（26.7） | 4.320 | 0.038 |
2.2 两种固定方案各型骨折断端位移比较
两种方案下，各型骨折位移及应力随载荷递增；A组各指标均低于B组（P<0.05），见表2。
表2 两种固定方案各型骨折断端位移比较（mm）
| 载荷工况 | 指标 | A1型（阻挡/常规） | A2型（阻挡/常规） | A3型（阻挡/常规） |
| 垂直站立 | 断端位移（mm） | 0.021/0.118 | 0.018/0.096 | 0.016/0.089 |
| 股骨整体最大应力（MPa） | 98.4/168.2 | 96.8/154.3 | 92.5/147.6 | |
| 缓步行走 | 断端位移（mm） | 0.052/0.186 | 0.041/0.152 | 0.036/0.131 |
| 股骨整体最大应力（MPa） | 132.6/208.4 | 128.3/195.2 | 121.5/182.7 | |
| 快速行走 | 断端位移（mm） | 0.095/0.264 | 0.078/0.205 | 0.066/0.172 |
| 股骨整体最大应力（MPa） | 158.2/246.5 | 152.8/231.4 | 145.6/215.3 | |
| 下楼梯 | 断端位移（mm） | 0.142/0.358 | 0.118/0.281 | 0.098/0.224 |
| 股骨整体最大应力（MPa） | 186.5/284.7 | 178.4/263.8 | 168.2/247.5 |
2.3 应力分布与裂纹扩展特征
应力云图结果显示，整体应力峰值位于股骨近端内侧（亚当斯弧区），断端应力集中于内侧。A组断端应力（0.62～18.4 MPa）范围及集中程度均低于B组（2.15～42.6 MPa）。A组裂纹扩展角度更小、载荷-位移曲线斜率更大，提示阻挡螺钉增强抗旋转及抗剪切稳定性，更有效抑制裂纹扩展。
3 讨论
阻挡螺钉增强髓内钉固定稳定性的关键在于载荷传递路径的再分布。股骨中下段髓腔较宽，主钉与髓腔内壁接触有限，功能载荷下断端易产生剪切微动，持续微动干扰骨痂桥接与矿化，是该部位骨不连高发的力学基础。置入阻挡螺钉后，主钉活动空间受限，形成主钉-螺钉-骨皮质三点固定：一方面纠正主钉偏心位置，使载荷沿股骨轴线均衡传导；另一方面将部分剪切应力转化为轴向压应力，创造有利愈合的力学环境。
断端内侧及股骨近端应力集中是内固定失效的潜在部位，阻挡螺钉在分散应力的同时降低主钉疲劳断裂风险。陈培生等[10]研究表明，断端位移与应力峰值可有效衡量固定稳定性，骨折线形态显著影响载荷传递效率，斜形骨折对剪切力敏感性更高——本研究中螺旋形骨折组间差异最为显著，与此规律相符。常文利[11]亦提示，减少微动、维持力线利于愈合。裂纹扩展角度与载荷-位移曲线斜率反映断端抗剪切与抗旋转刚度，稳定性提升伴随裂纹尖端应力强度因子降低，为阻挡螺钉降低骨不连风险提供力学解释。
固定稳定性提升最终应转化为愈合加速与功能改善。老年人骨代谢减缓、成骨能力下降，对力学稳定依赖更为突出，断端微动致纤维愈合更常见，因此稳定固定对老年患者意义重大。阻挡螺钉的临床价值与置入位置及数量密切相关：螺钉应置于骨折移位倾向的相反侧及主钉偏倚侧，必要时远近端联合应用以形成有效三点支撑；位置不当不仅削弱阻挡效果，还可能阻碍主钉置入或引发医源性骨折。樊锐[12]指出，阻挡方式应依据骨折部位、髓腔形态及复位需求灵活选择，术中反复透视确认螺钉与主钉、骨皮质的相对关系是保障疗效的关键，与阻挡螺钉依赖精准置入的特点一致。该技术学习曲线平缓，无需特殊设备，C型臂下即可开展，可及性好。
老年患者围手术期特殊性亦需关注。高龄常合并心肺疾病、糖尿病或凝血异常，手术耐受性差，治疗决策需兼顾骨折稳定与全身状态。对合并多发伤者，遵循损伤控制原则，先简单固定、待全身情况改善后再行确定性髓内钉固定，有助于减轻创伤打击、促进凝血恢复[13]。隐性失血是老年髓内钉术后易被低估的风险，合并症及术前贫血可加重其程度，围手术期应动态监测血红蛋白、加压包扎并及时纠正贫血，以防心脑血管事件[14]。确定性固定后，辅以中药消肿化瘀、改善血运等综合措施，可减轻肿胀、缩短愈合时间，中西医结合治疗在促进股骨干骨折愈合方面已显示确切价值，临床可结合患者体质辨证应用，实现力学稳定与生物学环境的协同优化[15]。
综上，髓内钉联合阻挡螺钉治疗老年中下段股骨干骨折，力学上通过三点固定与应力重分布增强稳定、抑制裂纹扩展，临床上有助于愈合与功能恢复，且操作简便、不增额外创伤，具有较高推广价值。但本研究为单中心回顾性设计，样本量有限，有限元模型采用均质各向同性材料假设及静态载荷，未充分考虑骨质非均匀性、软组织约束及动态负荷。后续研究宜采用多中心前瞻性设计，结合动态加载、个体化骨密度赋值及断裂力学裂纹扩展仿真，进一步验证并完善结论。
参考文献
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基金资助：赣州市指导性科技计划项目（项目编号：GZ2023ZSF187）
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