Biomechanical Stability of Femoral Neck System for Pauwels Type III Femoral Neck Fractures Based on Different Reduction Quality

Abstract

Purpose

To further investigate the biomechanics of a femoral neck system (FNS) for Pauwels type III femoral fractures based on three different reductions.

Methods

We constructed three different reduction (anatomical reduction, negative buttress reduction, and positive buttress reduction) models of Pauwels type III femoral neck fractures. Then, three cannulated screws (3CS), dynamic hip screws (DHS), dynamic hip screws combined with an anti-rotation screw (DHS + ARS), one-hole femoral neck system (1HFNS), and two-hole femoral neck system (2HFNS) were assembled with the reduction models, respectively, to simulate the internal fixation surgical procedure. All models had a load of 2100 N in line with the femoral mechanical axis applied. The implant stress, the head and implant displacements, and the rotational angles of all models were recorded and analyzed.

Results

Compared to 3CS and 2HFNS, 1HFNS had higher implant stress (higher than 92.5 MPa and 46.3 MPa, respectively) and displacement (higher than 0.9 mm and 0.8 mm, respectively) in the anatomical reduction. 2HFNS exhibited the highest stress values (225.5 MPa) in the anatomical reduction but the lowest values (159.8 MPa) in the positive buttress reduction when compared to the other implants. 2HFNS showed the best rotational stability in the negative and positive buttress reduction (rotational angels of 0.8° and 0.6°, respectively).

Conclusions

Based on the outcome of this computational study, it might be concluded that 2HFNS was an alternative fixation for the treatment of Pauwels type III femoral neck fracture, especially when anatomical reduction cannot be perfectly attained. More relevant clinical and biomechanical studies are needed in the future.

Zusammenfassung

Zielsetzung

Ziel dieser Studie war es, die Biomechanik des Femurhalssystems (FNS) für Pauwels-Typ-III-Femurhalsfrakturen anhand von 3 verschiedenen Repositionen weiter zu untersuchen.

Methoden

Die Studie umfasste 3 verschiedene Repositionsmodelle (anatomische Reposition, negative Strebepfeilerreposition und positive Strebepfeilerreposition) von Pauwels-Typ-III-Schenkelhalsfrakturen. Die Repositionsmodelle wurden jeweils mit 3 kanülierten Schrauben (3CS), dynamischen Hüftschrauben (DHS), dynamischen Hüftschrauben in Kombination mit einer Antirotationsschraube (DHS+ARS), einem 1-Loch-Femurhalssystem (1HFNS) und einem 2-Loch-Femurhalssystem (2HFNS) zusammengesetzt. Anschließend wurde das chirurgische Verfahren der internen Fixierung simuliert. Auf alle Modelle wurde eine Belastung von 2100 N in Einklang mit der mechanischen Femurachse ausgeübt. Der Implantatstress, die Kopf- und Implantatverschiebungen sowie die Rotationswinkel aller Modelle wurden erfasst und ausgewertet.

Ergebnisse

Im Vergleich zu 3CS und 2HFNS wies 1HFNS bei der anatomischen Reposition einen höheren Implantatstress (mehr als 92,5 MPa bzw. 46,3 MPa) und eine größere Verschiebung (mehr als 0,9 mm bzw. 0,8 mm) auf. Im Vergleich zu den anderen Implantaten wies das 2HFNS bei der anatomischen Reposition die höchsten Stresswerte (225,5 MPa) und bei der positiven Strebepfeilerreposition die niedrigsten Werte (159,8 MPa) auf. Das 2HFNS zeigte die beste Rotationsstabilität (Rotationswinkel von 0,8° bzw. 0,6°) in der negativen und positiven Strebepfeilerreposition.

Schlussfolgerungen

Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Simulationsstudie kann der Schluss gezogen werden, dass 2HFNS ein alternatives chirurgisches Verfahren zur internen Fixierung bei der Behandlung von Pauwels-Typ-III-Femurhalsfrakturen darstellt. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen eine anatomische Reposition nicht perfekt erreicht werden kann. In Zukunft sind jedoch weitere relevante klinische und biomechanische Studien erforderlich, um dieses Ergebnis zu untermauern.

Keywords

femoral neck fractures - femoral neck system - finite element analysis - reduction quality - biomechanics

Schlüsselwörter

Schenkelhalsfrakturen - Schenkelhalssystem - Finite-Elemente-Analyse - Reduktionsqualität - Biomechanik

Publication History

Received: 12 December 2022

Accepted after revision: 27 January 2024

Article published online:
19 March 2024

• References

• 1 Støen RO, Nordsletten L, Meyer HE. et al. Hip fracture incidence is decreasing in the high incidence area of Oslo, Norway. Osteoporos Int 2012; 23: 2527-2534 DOI: 10.1007/s00198-011-1888-3. (PMID: 22246602)
• 2 Liporace F, Gaines R, Collinge C. et al. Results of internal fixation of Pauwels type-3 vertical femoral neck fractures. J Bone Joint Surg Am 2008; 90: 1654-1659 DOI: 10.2106/JBJS.G.01353. (PMID: 18676894)
• 3 Florschutz AV, Langford JR, Haidukewych GJ. et al. Femoral neck fractures: current management. J Orthop Trauma 2015; 29: 121-129 DOI: 10.1097/BOT.0000000000000291. (PMID: 25635363)
• 4 Mjørud J, Skaro O, Solhaug JH. et al. A randomised study in all cervical hip fractures osteosynthesis with Hansson hook-pins versus AO-screws in 199 consecutive patients followed for two years. Injury 2006; 37: 768-777
• 5 Xia Y, Zhang W, Zhang Z. et al. Treatment of femoral neck fractures: sliding hip screw or cannulated screws? A meta-analysis. J Orthop Surg Res 2021; 16: 54 DOI: 10.1186/s13018-020-02189-1. (PMID: 33446230)
• 6 Stassen RC, Jeuken RM, Boonen B. et al. First clinical results of 1-year follow-up of the femoral neck system for internal fixation of femoral neck fractures. Arch Orthop Trauma Surg 2022; 142: 3755-3763 DOI: 10.1007/s00402-021-04216-0. (PMID: 34734328)
• 7 Zhang YZ, Lin Y, Li C. et al. A Comparative Analysis of Femoral Neck System and Three Cannulated Screws Fixation in the Treatment of Femoral Neck Fractures: A Six-Month Follow-Up. Orthop Surg 2022; 14: 686-693 DOI: 10.1111/os.13235. (PMID: 35179307)
• 8 Xia Y, Zhang W, Hu H. et al. Biomechanical study of two alternative methods for the treatment of vertical femoral neck fractures – A finite element analysis. Comput Methods Programs Biomed 2021; 211: 106409 DOI: 10.1016/j.cmpb.2021.106409. (PMID: 34560605)
• 9 Stoffel K, Zderic I, Gras F. et al. Biomechanical Evaluation of the Femoral Neck System in Unstable Pauwels III Femoral Neck Fractures: A Comparison with the Dynamic Hip Screw and Cannulated Screws. J Orthop Trauma 2017; 31: 131-137 DOI: 10.1097/BOT.0000000000000739. (PMID: 27755333)
• 10 Fan Z, Huang Y, Su H. et al. How to choose the suitable FNS specification in young patients with femoral neck fracture: A finite element analysis. Injury 2021; 52: 2116-2125 DOI: 10.1016/j.injury.2021.05.043. (PMID: 34154816)
• 11 Gotfried Y, Kovalenko S, Fuchs D. Nonanatomical reduction of displaced subcapital femoral fractures (Gotfried reduction). J Orthop Trauma 2013; 27: e254-e259 DOI: 10.1097/BOT.0b013e31828f8ffc. (PMID: 23481921)
• 12 Wang G, Tang Y, Wu X. et al. Finite element analysis of a new plate for Pauwels type III femoral neck fractures. J Int Med Res 2020; 48: 300060520903669 DOI: 10.1177/0300060520903669. (PMID: 32054346)
• 13 Li J, Zhao Z, Yin P. et al. Comparison of three different internal fixation implants in treatment of femoral neck fracture-a finite element analysis. J Orthop Surg Res 2019; 14: 76 DOI: 10.1186/s13018-019-1097-x. (PMID: 30871584)
• 14 Jiang D, Zhan S, Wang L. et al. Biomechanical comparison of five cannulated screw fixation strategies for young vertical femoral neck fractures. J Orthop Res 2021; 39: 1669-1680 DOI: 10.1002/jor.24881. (PMID: 33034914)
• 15 Li J, Wang M, Li L. et al. Finite element analysis of different configurations of fully threaded cannulated screw in the treatment of unstable femoral neck fractures. J Orthop Surg Res 2018; 13: 272 DOI: 10.1186/s13018-018-0970-3. (PMID: 30373617)
• 16 Cui H, Wei W, Shao Y. et al. Finite element analysis of fixation effect for femoral neck fracture under different fixation configurations. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2022; 25: 132-139 DOI: 10.1080/10255842.2021.1935899.
• 17 Yang JJ, Lin LC, Chao KH. et al. Risk factors for nonunion in patients with intracapsular femoral neck fractures treated with three cannulated screws placed in either a triangle or an inverted triangle configuration. J Bone Joint Surg Am 2013; 95: 61-69 DOI: 10.2106/JBJS.K.01081. (PMID: 23283374)
• 18 Haidukewych GJ, Rothwell WS, Jacofsky DJ. et al. Operative treatment of femoral neck fractures in patients between the ages of fifteen and fifty years. J Bone Joint Surg Am 2004; 86: 1711-1716
• 19 Augat P, Bliven E, Hackl S. Biomechanics of Femoral Neck Fractures and Implications for Fixation. J Orthop Trauma 2019; 33 (Suppl. 1) S27-S32 DOI: 10.1097/BOT.0000000000001365. (PMID: 30540669)
• 20 Schopper C, Zderic I, Menze J. et al. Higher stability and more predictive fixation with the Femoral Neck System versus Hansson Pins in femoral neck fractures Pauwels II. J Orthop Translat 2020; 24: 88-95 DOI: 10.1016/j.jot.2020.06.002. (PMID: 32775200)