Pauwels III型股骨颈骨折固定的关键有限元（FEM）参数：一项结合尸体标本验证的计算研究

《Computers in Biology and Medicine》：Critical FEM parameters for Pauwels III femoral neck fracture fixation: A computational study with cadaveric validation

　　

阿里雷扎·法拉（Alireza Fallah）、阿米尔·努拉尼（Amir Nourani）、戈拉姆·侯赛因·法拉希（Gholam Hossein Farrahi）、赛义德·哈迪·卡兰塔尔（Seyed Hadi Kalantar）、奥米德·阿斯加里·菲鲁兹萨拉里（Omid Asghary Firouzsalari）

伊朗德黑兰沙里夫理工大学机械工程系

摘要

Pauwels III型股骨颈骨折在生物力学上具有挑战性，因为骨折线的倾斜角度会在骨折界面产生显著的剪切力。本研究评估了用于模拟骨折固定的有限元（FE）建模参数，并将数值预测结果与尸体实验进行了对照验证。人类股骨在70°角度下被骨折，并在生理轴向载荷下进行测试，以测量结构刚度和骨折片间的运动（IFM）。通过系统地改变骨材料表示方法（均质性与非均质性）、是否施加螺钉压缩载荷（SCL）以及螺钉建模策略（简化几何与显式螺纹几何），生成了八种有限元（FE）模型。包含SCL的非均质FE模型预测的结构刚度与实验测量结果相差在15%以内，而均质模型则高估了刚度多达120%，并严重低估了IFM。包含SCL可以消除700 N载荷下的界面张开现象，这与实验观察结果一致；而不包含SCL则会导致界面持续张开。相比之下，显式建模对整体刚度、IFM或最大冯·米塞斯应力（von Mises stress）的影响可以忽略不计（<5%），尽管它会影响螺纹附近的局部应力分布。这些发现表明，骨材料的非均质性和固定引起的压缩在提高FE预测精度方面起着决定性作用，而详细的螺纹几何可以通过简化来提高计算效率，而不影响整体机械性能。

引言

全球每年约有200万人发生髋部骨折，其中约50%为股骨颈骨折（FNFs）[1,2]。FNFs通常根据骨折线在Frontal平面上的倾斜角度，按照Pauwels系统进行分类。Pauwels III型骨折的定义是骨折角度大于50°，相对于水平参考线测量[3]。这种类型的骨折通常发生在年轻成年人中，由于高能量创伤[4]，并且在骨科创伤治疗中面临重大挑战，因为日常活动会产生较大的剪切力[5,6]。骨折界面不利的机械环境导致了并发症的高发，包括骨折不愈合、内翻塌陷和股骨头缺血性坏死[4,5]。

这些生物力学挑战促进了多种固定装置的开发。已经提出了多种内固定技术来处理垂直FNFs，包括三根空心螺钉（3CS）、带抗旋转螺钉的动态髋螺钉（DHS + AS）[7]，以及最近的Kalantar股骨颈系统（KFeNS）。虽然生物力学测试对这些植入物的性能提供了宝贵的见解，但此类实验受到标本变异性、尸体股骨供应有限以及骨折几何和加载条件标准化的挑战。因此，有限元（FE）分析提供了一个计算框架，能够在受控和可重复的条件下系统地评估固定力学。

尽管FE建模在FNF研究中被频繁使用，但文献中的建模实践存在显著差异。以往的研究在骨材料属性的表示方法（均质性[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]与非均质性[[15], [16], [17], [18]]）、是否包含螺钉压缩载荷（SCL）[15,17,19]或忽略SCL[[8], [9], [10],13,14,[19], [20], [21]]、以及螺钉几何的表示方法（光滑螺纹[[8,9,14]]与显式螺纹[[10,12,13,[19], [20], [21]]）上存在不同，从而导致刚度、应力分布和骨折片间运动（IFM）的预测结果不一致。这些不一致性引发了关于哪些建模假设对于准确的生物力学预测是必需的、哪些可以简化而不影响可靠性的基本方法学问题。尽管一些研究进行了实验或尸体验证，但没有一项研究在单一框架内全面考察了这些关键参数的综合影响，也没有量化它们对Pauwels III型FNF FE预测的相对贡献。

为了解决这一差距，本研究通过系统地改变骨材料非均质性、SCL和螺纹表示方法，评估了DHS + AS和KFeNS的不同FE配置。这些模拟结果与在生理轴向载荷下获得的尸体刚度和IFM测量值进行了验证。核心假设是，骨材料表示和固定引起的压缩对FE预测的骨折力学的影响大于螺钉螺纹的详细几何建模。通过系统地量化这些建模因素的相对影响，本研究旨在提供一个注重鲁棒性的计算框架，以实现对Pauwels III型FNF固定的可靠且计算效率高的模拟。尽管分析重点是Pauwels III型骨折，但所提出的建模框架也可以扩展到Pauwels I型和II型骨折配置。

节选内容

实验

本研究使用了一对人类尸体股骨（伦理批准编号：IR.TUMS.IKHC.REC.1402.147）。这些标本来自没有盆腔或股骨病变的捐赠者，其骨折角度设置为70°（Pauwels III型，OTA/AO 31-B2.3）。右侧股骨使用KFeNS进行固定（图1a和b），左侧股骨使用DHS + AS进行稳定（图1c和d）。

随后，将股骨远端截段切成总长度为20厘米的段，并进行后续处理

刚度

研究表明，骨材料表示方法是影响结构刚度的主导因素，而显式螺钉螺纹建模和SCL对整体机械响应的影响可以忽略不计。在所有FE配置中，刚度预测对骨材料非均质性的假设非常敏感，而植入物螺纹的几何细节改进并未显著改变结构行为。实验得到的KFeNS的力-位移响应

讨论

Pauwels III型FNFs是一种生物力学上具有挑战性的损伤类型，其特征是明显的剪切载荷、股骨头缺血性坏死的高风险以及近端骨折片的频繁位移[30]。在此背景下，本研究旨在确定哪种FE建模策略能够更准确地符合实验测量结果。系统地考察了三个关键因素：骨材料表示、是否包含SCL等

结论

本研究系统评估了不同的FE建模策略用于Pauwels III型FNF的固定，并与尸体实验进行了验证。研究结果表明，准确地进行FE预测需要考虑非均质骨属性和SCL。包含非均质性和SCL的模型预测的结构刚度与实验测量结果相差在15%以内，而均质模型则高估了刚度多达120%

伦理声明

本研究获得了德黑兰医科大学研究伦理委员会的批准（批准编号：IR.TUMS. IKHC.REC.1402.147）。

CRediT作者贡献声明

阿里雷扎·法拉（Alireza Fallah）：概念构思、正式分析、调查、软件开发、验证、原始草稿撰写。阿米尔·努拉尼（Amir Nourani）：概念构思、正式分析、调查、监督、撰写——审阅与编辑。戈拉姆·侯赛因·法拉希（Gholam Hossein Farrahi）：概念构思、调查、监督、撰写——审阅与编辑。赛义德·哈迪·卡兰塔尔（Seyed Hadi Kalantar）：概念构思、方法学设计、资源提供、监督。奥米德·阿斯加里·菲鲁兹萨拉里（Omid Asghary Firouzsalari）：方法学设计、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。