股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁三角的研究

葉丹丹，朱燕賓，陳 偉，張英澤

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所,河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家衛(wèi)生健康委智能骨科設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

1838年，Ward在《人類骨科學(xué)》[1]提出了“Ward三角區(qū)”。Ward三角區(qū)是指內(nèi)側(cè)骨小梁系統(tǒng)和外側(cè)骨小梁系統(tǒng)在股骨頸交叉的中心區(qū)形成一個(gè)三角區(qū)。基于Ward三角區(qū)，張英澤院士提出了大膽的假設(shè)：股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁三角區(qū)遠(yuǎn)大于1個(gè)，即在股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁三角區(qū)存在多個(gè)，因此將多個(gè)三角區(qū)命名為“張氏N三角理論”。骨小梁是松質(zhì)骨中形成的一種支持性結(jié)締組織成分。骨小梁在正常骨和愈合骨中都可形成。骨小梁的生長(zhǎng)規(guī)律是沿著骨的應(yīng)力線發(fā)展的，且最大骨小梁沿著最大應(yīng)力線發(fā)展。起重機(jī)上梁的應(yīng)力軌跡與各種人類骨骼中骨小梁的拱形模式之間的存在相似之處，導(dǎo)致了沃爾夫提出了骨小梁結(jié)構(gòu)的軌跡假說，即“沃爾夫骨功能適應(yīng)定律”或“沃爾夫定律”[2-3]。沃爾夫定律(Wolf′s Law)是指，骨在需要的地方就生長(zhǎng)， 在不需要的地方就吸收，即是骨的生長(zhǎng)、吸收、重建都與骨的受力狀態(tài)有關(guān)[4]。股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁是驗(yàn)證沃爾夫定律的小梁形態(tài)和“張氏N三角區(qū)”的很好的例子。基于von Meyer對(duì)股骨上端冠狀切片的骨小梁軌跡結(jié)構(gòu)描述[5-6]，股骨近端有5種類型的骨小梁，分別是主要張力小梁、主要壓力小梁(內(nèi)側(cè)壓力小梁)、次要壓力小梁(外側(cè)壓力小梁)、次要張力小梁、大轉(zhuǎn)子小梁。主要張力小梁呈弧形，從大轉(zhuǎn)子的外側(cè)邊緣延伸到中央凹下方，弧形穿過股骨頸部的上部皮質(zhì)和股骨頭；主要是沿著拉伸/壓縮應(yīng)力的“線”(軌跡)，類似于頂點(diǎn)位于中性軸上的拱。主要壓力小梁是垂直方向，呈三角形分布，從股骨頭的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)延伸到股骨頸；主要是股骨頭受外界壓力形成的。次要壓力小梁也是呈扇形分布，從股骨距和小轉(zhuǎn)子延伸到大轉(zhuǎn)子；主要是受來自小轉(zhuǎn)子下方的壓力形成的。由主要張力小梁、主要壓力小梁及次要壓力小梁三種小梁形態(tài)圍成的中心區(qū)域稱為Ward三角區(qū)，也就是Ward在183年前提到的經(jīng)典三角區(qū)。但除此外，尚可觀察到多個(gè)宏觀三角區(qū)：① 由主要張力小梁、主要壓力小梁及股骨頭右下方邊界圍成的中心區(qū)域也為一個(gè)三角區(qū)；② 由主要張力小梁、主要壓力小梁及股骨頭右上方邊界圍成的中心區(qū)域也為一個(gè)三角區(qū)；③ 由主要張力小梁、主要壓力小梁及股骨頭左上方邊界圍成的中心區(qū)域也為一個(gè)三角區(qū)；④由主要張力小梁、大轉(zhuǎn)子小梁及大轉(zhuǎn)子上方邊界圍成的中心區(qū)域也為一個(gè)三角區(qū)；⑤ 由次要張力小梁、次要壓力小梁及股骨內(nèi)橫向骨小梁圍成的中心區(qū)域也為一個(gè)三角區(qū)等(圖1)。這也是說明了除了Ward三角區(qū)，還存在其他三角區(qū)，從而驗(yàn)證了“張氏N三角理論”的合理性。為了再次驗(yàn)證“張氏N三角理論”存在性，本研究將從股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁的數(shù)學(xué)模型來論證。

圖1 股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁三角區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖

1 建立股骨近端數(shù)學(xué)模型

雖然認(rèn)識(shí)到這些假設(shè)在技術(shù)上并不真實(shí)，但提供了使模型最小化而開發(fā)數(shù)學(xué)解決方案所需的變量數(shù)量。在最小模型中，可能由骨小梁支撐的關(guān)節(jié)面的因素有股骨頭半徑r；股骨頸直徑R；曲線與股骨頸皮質(zhì)成θ角。圖2顯示了股骨近端數(shù)學(xué)模型。

圖2 股骨近端數(shù)學(xué)模型

2 擬合股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁曲線

擬合股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁曲線形成平滑曲線，與關(guān)節(jié)面軟骨下板正交，且在與軟骨下板相交處具有最大曲率，在與頸皮質(zhì)相交處具有最小曲率[7]。

在股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間三個(gè)骨小梁曲線的生理結(jié)構(gòu)及假設(shè)條件的限制下，骨小梁結(jié)構(gòu)的軌跡分布可以用Matlab軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)模擬。模型涉及一些股骨近端的相關(guān)幾何形態(tài)學(xué)參數(shù)，取這些參數(shù)的均值。已知股骨頭半徑r=23 mm；股骨頸直徑R=34 mm；股骨干直徑R1=36 mm；股骨頸的長(zhǎng)度h=50 mm；股骨頸干角α=150 °；與軟骨下板上的小梁間距設(shè)置為3 °。股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間三個(gè)骨小梁曲線在股骨近端最小模型內(nèi)進(jìn)行極限擬合，可以得到的擬合圖(圖3)。

圖3 股骨頭、頸及轉(zhuǎn)子間骨小梁曲線擬合

主要壓力小梁、主要張力小梁及次要壓力小梁曲線形成平滑曲線，且在與軟骨下板相交處具有最大曲率，在與頸皮質(zhì)相交處具有最小曲率。擬合的三個(gè)骨小梁曲線，有一定的生理結(jié)構(gòu)限制，如主要壓力小梁曲線與股骨下頸相交，主要壓力小梁曲線與股骨上頸相交，次要壓力小梁曲線在股骨下頸與股骨上頸之間。模型描述了且預(yù)測(cè)小梁可能存在的所有位置，揭示了關(guān)節(jié)軟骨下板的任何暴露于載荷的區(qū)域必須由小梁充分支撐。除了Ward三角區(qū)，還存在其他四個(gè)三角區(qū)，從而論證了“張氏N三角理論”。在“張氏N三角理論”中，股骨近端存在數(shù)個(gè)“宏觀三角”和無數(shù)個(gè)“微觀三角”。這些三角衍架結(jié)構(gòu)對(duì)于維持股骨近端骨性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要生理意義。基于“張氏N三角理論”和多年臨床經(jīng)驗(yàn)，張英澤院士課題組設(shè)計(jì)并研發(fā)出更符合人體力學(xué)傳導(dǎo)特點(diǎn)的內(nèi)固定物——股骨近端仿生髓內(nèi)釘?！皬埵螻三角理論”對(duì)于骨折后內(nèi)固定物的設(shè)計(jì)、研發(fā)、固定植入具有啟發(fā)和指導(dǎo)意義。“張氏N三角理論”對(duì)于指導(dǎo)股骨相關(guān)手術(shù)[8]、預(yù)防術(shù)后并發(fā)癥[9]及促進(jìn)老年股骨骨折康復(fù)[10]都有一定的指導(dǎo)意義。