人體髖臼前后壁骨硬度分布特征研究

劉國彬 殷兵 王建朝 李升 張曉娟 吳衛(wèi)衛(wèi) 胡祖圣 劉雅克 張英澤

（河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050051）

Letournel 和Judet[1,2]根據(jù)髖臼骨折的解剖特點(diǎn)及損傷機(jī)制，提出了髖臼骨折的Judet-Letournel 分型系統(tǒng)。該分類系統(tǒng)把髖臼看作前后兩柱和前后兩壁，前壁骨折占髖臼骨折的26.04%；髖臼后壁骨折也是發(fā)生率較高的一種類型，約占所有髖臼骨折的26.2%[3]。顯微骨硬度的測量是可靠的局部骨質(zhì)量評估方法[4-10]，可用于描述髖臼前后壁骨硬度的分布差異。既往研究多側(cè)重于髖臼骨折的手術(shù)技巧、內(nèi)固定物設(shè)計(jì)和生物力學(xué)特性等，鮮有髖臼骨硬度分布特征的報(bào)道。本研究涵蓋在人體骨骼硬度系統(tǒng)研究內(nèi)[11,12]，重點(diǎn)分析人體髖臼前壁和后壁骨顯微維氏硬度（Vickers hardness,HV）的分布特征，并在此基礎(chǔ)上探究髖臼前后壁骨硬度與應(yīng)力、骨折流行病學(xué)的關(guān)系及3D打印梯度彈性模量髖臼假體的參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 標(biāo)本制備與保存

本研究所用髖臼標(biāo)本取自三位尸體捐獻(xiàn)者。新鮮冰凍尸體標(biāo)本首先行骨密度掃描，排除骨質(zhì)疏松的診斷，取出全部左側(cè)髖臼前壁和后壁，充分剔除軟組織。髖臼前壁的區(qū)域?yàn)椋瑚那跋录着c髖臼前壁的交點(diǎn)至閉孔嵴中外1/4交點(diǎn)，位于髖臼前柱區(qū)域內(nèi)。髖臼后壁的區(qū)域?yàn)椋鹤谴笄雄E上緣和髖臼上緣頂點(diǎn)做一切線，在髖臼下緣頂點(diǎn)做一平行于上緣的切線，兩條切線與臼緣之間的區(qū)域外側(cè)2/3 的區(qū)域，它位于髖臼后柱區(qū)域內(nèi)。前后壁劃分及取材位置見圖1。

圖1 髖臼前后壁區(qū)域劃分及標(biāo)本取材位置示意圖

模擬人體站立位，分別將髖臼前后壁分成4 等份，隨后用微型臺鋸及高精慢速鋸（美國標(biāo)樂公司BUEHLER11-1280-250 型慢速鋸）將目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行均分切割，將骨骼制成3 mm厚的骨組織切片（圖2），固定在載玻片上并進(jìn)行標(biāo)記。用碳化硅粒依次為800、1000、1200、2000、4000目砂紙打磨標(biāo)本。

1.2 顯微硬度測量方法

圖2 髖臼前后壁目標(biāo)區(qū)域取材大體圖（厚3 mm的骨組織切片）

應(yīng)用德國KB-5 型顯微維氏硬度儀測試標(biāo)本皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨不同區(qū)域的硬度值。本系列研究均采用50 g 力加載50 s、維持12 s 的標(biāo)準(zhǔn)操作方法測定，選取測量區(qū)域要確保壓痕與標(biāo)本邊緣的距離至少大于2.5 倍壓痕對角線的長度，以排除邊界效應(yīng)，并且每個(gè)壓痕之間的距離要大于3倍壓痕對角線的長度，壓痕兩對角線長度差異超過10%的數(shù)據(jù)被廢棄[13]。同一區(qū)域選取5個(gè)有效值，全體有效值的平均值作為該部位的硬度值（圖3）。維氏硬度值的單位為HV，1 HV=1 kgf/mm2

圖3 標(biāo)本固定（A）及顯微壓痕示意圖（B）

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 15.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，組間硬度值的比較采用單因素方差分析檢驗(yàn)，多重比較中方差齊的組間采用Tukey 檢驗(yàn)，方差不齊的采用Dunnett T3 檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

三具標(biāo)本髖臼前壁和后壁骨經(jīng)切割后獲得骨組織切片24片，分別測量每個(gè)切片的顯微硬度，共測得450 個(gè)有效值。本研究中三具標(biāo)本髖臼前壁骨總體平均骨硬度為（31.15±4.94）HV（95%CI：29.70～32.59），最大值40.70 HV，最小值19.80 HV。三具標(biāo)本髖臼前壁骨平均值分別為：標(biāo)本1（30.61±6.05）HV，標(biāo)本2（30.87±4.14）HV，標(biāo)本3（31.97±4.67）HV。One Way Anova統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，三組數(shù)據(jù)間比較無顯著差異（P=0.735）。

三具標(biāo)本髖臼后壁骨的總體平均骨硬度為（29.93±4.64）HV（95%CI：28.58～31.29），最大值39.50 HV，最小值16.40 HV。三具標(biāo)本髖臼后壁骨平均骨硬度值分別為：標(biāo)本1（28.09±4.76）HV，標(biāo)本2（30.53±4.48）HV，標(biāo)本3（31.19±4.38）HV。三組數(shù)據(jù)間行One Way Anova 分析，組間無顯著差異（P=0.157）。本研究中三具標(biāo)本，髖臼前壁硬度值與后壁硬度值相近，且差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.201）。詳見表1。

表1 三具標(biāo)本髖臼前后壁顯微骨硬度值的組間及組內(nèi)比較結(jié)果（，HV）

表1 三具標(biāo)本髖臼前后壁顯微骨硬度值的組間及組內(nèi)比較結(jié)果（，HV）

3 討論

髖臼是人體髖關(guān)節(jié)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)上由髖骨體、恥骨體、坐骨體三骨愈合而成，三者分別構(gòu)成髖臼的上2/5，前下1/5 和后下2/5。髖臼的形態(tài)結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過程中適應(yīng)了人類直立行走的運(yùn)動特點(diǎn)，通過肌肉和韌帶與股骨頭連接，實(shí)現(xiàn)了人體下肢與中軸骨之間的高效連接，支持人體的多方向及大角度運(yùn)動，同時(shí)在運(yùn)動中傳遞下肢骨組織帶來的機(jī)械力。髖關(guān)節(jié)在行走時(shí)受力約為體重的2.5倍，跑步時(shí)受力為體重的5～6倍[14]。雖然隨著載荷力的增大，股骨頭與髖臼的接觸面積亦隨之增大，但應(yīng)力經(jīng)過緩沖后仍需髖臼骨來承擔(dān)。Widmer 等[15]對髖臼生物力學(xué)特征方面的研究證實(shí)，髖臼的三維結(jié)構(gòu)及骨小梁的有序排布，可穩(wěn)定傳導(dǎo)股骨頭應(yīng)力，三點(diǎn)式的傳導(dǎo)模式將應(yīng)力通過髖臼頂及前后柱進(jìn)行傳導(dǎo)。本研究顯示髖臼前后壁的硬度值較一致，這樣的顯微骨性特征滿足了應(yīng)力傳導(dǎo)的需求，為髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定提供了良好的解剖基礎(chǔ)。

本研究首次使用維氏硬度的方法測量人體髖臼前壁骨和后壁骨的顯微硬度。研究結(jié)果證實(shí)個(gè)體之間的髖臼前壁和后壁骨硬度均不存在差異（P=0.753，P=0.157），同時(shí)前壁和后壁骨的硬度也相近（P=0.201）。綜合分析三個(gè)樣本不同位點(diǎn)數(shù)據(jù)，髖臼前壁和后壁的硬度較均一，雖然髖臼前壁骨的硬度最大值是最小值的2.06 倍，但其95%置信區(qū)間較窄，波動范圍緊緊圍繞平均值，僅為0.05%。生物力學(xué)研究指出，髂骨、坐骨、恥骨各承擔(dān)髖臼承重的55%，25%和20%[15]。髖臼三柱形態(tài)及生物力學(xué)研究指出，人體在單足站立、足尖離地、足跟著地三種步態(tài)下，應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在中柱即前后壁結(jié)合的臼頂區(qū)域[16]。分析在正常負(fù)重狀態(tài)下，髖臼前后壁承受應(yīng)力雖有差異，但一致且較高的骨硬度值可保證髖臼骨在各個(gè)應(yīng)力方向的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)均勻一致的骨性結(jié)構(gòu)有效避免了因髖臼各部位負(fù)重不同引起的“骨性不均勻沉降”，進(jìn)一步解釋了原發(fā)性髖關(guān)節(jié)炎發(fā)病率顯著低于膝骨關(guān)節(jié)炎的原因。

1986 年Wolff 提出的骨骼形態(tài)與應(yīng)力相適應(yīng)的學(xué)說已被廣泛接受[17]。人體在年輕時(shí)，骨骼對應(yīng)力的適應(yīng)相對于老年更敏感，在個(gè)體間可能出現(xiàn)顯著差異[18]，影響因素可能包括運(yùn)動量的大小，以及成骨細(xì)胞的活性及比例等。進(jìn)入中年后，隨著年齡的增加，活動量大幅下降，骨骼自身成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的比例降低，個(gè)體間的差異逐漸減小。本研究中，三具標(biāo)本捐獻(xiàn)者均為中老年，且髖臼前壁和后壁的硬度值在個(gè)體間無顯著差異，從另一角度證實(shí)，人體骨硬度可能會隨著年齡變化而變化，但某一年齡段的分布規(guī)律一致。

前壁骨折屬于簡單骨折，骨折塊可以一個(gè)，也可以多個(gè)，并可合并臼緣關(guān)節(jié)面嵌壓，同時(shí)多伴有股骨頭前脫位。目前對髖臼前壁骨折的定義仍存在爭議，Letournel 等認(rèn)為，經(jīng)典的髖臼前壁骨折的骨折塊累及骨盆界線，甚至一部分髖臼窩[2]。Piriou等[19]認(rèn)為應(yīng)將不累及骨盆界線的髖臼前壁的撕脫骨折也歸為前壁骨折，此類骨折同時(shí)還可伴有髂前下棘骨折塊。從骨質(zhì)硬度角度分析，髖臼前壁各區(qū)域骨硬度并無顯著性差異，進(jìn)一步證實(shí)前壁骨折時(shí)骨折塊大小、位置及數(shù)量的不同直接與暴力的大小、方向等相關(guān)。局部組織硬度均一，也是髖臼前壁骨折研究中所欠缺的組織學(xué)基礎(chǔ)研究。

由于解剖上的特殊性，髖臼后壁在維持髖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定中起著十分重要的作用，骨折后容易影響關(guān)節(jié)功能，如處理不當(dāng)，后期可能出現(xiàn)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等一系列并發(fā)癥[20]。生物力學(xué)研究表明，在后壁缺損＞50%的模型中，采用2枚4.0 mm松質(zhì)骨螺釘、2枚松質(zhì)骨螺釘+7孔3.5 mm普通重建板4枚螺釘固定、2枚松質(zhì)骨螺釘+7孔3.5 mm鎖定重建板4枚鎖釘固定等三種情況，不穩(wěn)定骨折的上下端在應(yīng)力作用下位移無顯著差異，三種固定方式均可有效固定后壁骨折[20]。結(jié)合本研究分析，相同應(yīng)力作用下，不同內(nèi)固定方式固定的骨折塊上下移位無差異，與后壁骨硬度分布均一有一定相關(guān)性，同時(shí)提示較簡單的內(nèi)固定方式即可獲得滿意的固定效果。依據(jù)本研究結(jié)果，研究設(shè)計(jì)與髖臼后壁彈性模量較一致的內(nèi)固定物并結(jié)合簡化的內(nèi)固定方式，可最大程度降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)骨折快速愈合，盡可能恢復(fù)關(guān)節(jié)面的平整，從而降低創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率。

隨著3D 打印技術(shù)在外科領(lǐng)域的發(fā)展，臨床醫(yī)師治療髖關(guān)節(jié)疾病有了更多的選擇。本研究中髖臼前后壁硬度數(shù)據(jù)相對于彈性模量，是較容易測量及量化的指標(biāo)，參照硬度指標(biāo)及分布特征可設(shè)計(jì)出更接近正常髖臼骨硬度的接骨板、螺釘?shù)葍?nèi)固定材料；同時(shí)可制作出最接近人體正常生理狀態(tài)的仿生骨，對髖臼骨折的生物學(xué)研究等具有積極的推動意義。

綜上，本研究從髖臼前后壁硬度分布的角度出發(fā)，結(jié)合應(yīng)力、骨小梁分布特征，分析得出，髖臼前后壁硬度一致的結(jié)構(gòu)主要適應(yīng)于髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及應(yīng)力的傳導(dǎo)。髖臼骨折因其解剖復(fù)雜，骨折類型較多，治療過程中的復(fù)位困難及預(yù)后不良易導(dǎo)致較高的致殘率，在修補(bǔ)髖臼前后壁時(shí)，不僅需考慮復(fù)原髖臼結(jié)構(gòu)，也需考慮使用更偏向應(yīng)力傳導(dǎo)的材料來填充。