老年股骨近端骨折的生物力學(xué)特性及臨床應(yīng)用

柯嵩 于利 何宜謙

1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，遼寧 大連 116000 2.唐山市第二醫(yī)院骨科，河北 唐山 063000 3.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系/工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116000

摔倒后股骨近端骨折是老年人最嚴(yán)重的損傷之一，隨著人口老齡化的加重，股骨近端骨折的發(fā)生率呈明顯的上升趨勢。1990年全世界約166萬例股骨近端骨折患者，預(yù)測2050年這一數(shù)字將達(dá)630萬甚至更多。股骨近端骨折不僅給患者及家屬帶來身心巨大痛苦，同時也給社會帶來沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。Karres等[1]研究表明老年股骨近端骨折30 d內(nèi)死亡率為8.9%～14%，1年內(nèi)死亡率為34%。而幸存患者的自理能力和生活質(zhì)量明顯下降，需要看護(hù)及照顧，術(shù)后僅有1/3的患者能恢復(fù)骨折前的活動能力[2]。

既往研究表明老年人股骨近端BMD低，低能量損傷即可造成骨折，然而以往所運(yùn)用的基于骨密度來診斷骨質(zhì)疏松這一方法并不能準(zhǔn)確地預(yù)測老年股骨近端骨折[3]。近年來，隨著生物力學(xué)軟件在醫(yī)學(xué)建模上的應(yīng)用及發(fā)展，利用有限元建模軟件對人體骨骼進(jìn)行生物力學(xué)分析及試驗(yàn)，來重建骨的微觀結(jié)構(gòu)、分析骨的力學(xué)規(guī)律成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)[4]。本文針對股骨近端骨折的生物力學(xué)特性以及臨床應(yīng)用相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為老年股骨近端骨折的風(fēng)險評估及臨床治療提供理論指導(dǎo)。

1 股骨近端骨折的生物力學(xué)特性及相關(guān)研究進(jìn)展

國際骨科內(nèi)固定研究協(xié)會將股骨頭至小轉(zhuǎn)子下緣以內(nèi)的區(qū)域定義為股骨近端，包括股骨頭、股骨頸及股骨大、小轉(zhuǎn)子。股骨近端上承接骨盆，下連接股骨干。

1.1 股骨近端幾何特性

股骨頸干角、股骨頸前傾角、股骨偏心距等解剖參數(shù)在股骨近端骨折的發(fā)生中占據(jù)重要角色。既往研究表明，髖關(guān)節(jié)是主要承重關(guān)節(jié)，股骨頸為懸臂梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)外力作用于股骨時，其力的方向由股骨頭中心至小轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的股骨距，再通過股骨干傳遞[5]。若頸干角大于正常值，則外力距離中軸變近，對應(yīng)的壓力骨小梁及張力骨小梁載荷變小，但因頸干角較大，人體站立及步態(tài)平衡被打亂，摔倒概率反而增高，股骨近端骨折概率在摔倒所致的低能量作用下亦增高。反之，若頸干角小于正常值，外力離中軸變遠(yuǎn)導(dǎo)致彎距明顯增加，骨小梁載荷變大，因老年人多伴有骨質(zhì)疏松，骨結(jié)構(gòu)抵抗外力能力較低，應(yīng)力增加下股骨近端骨折發(fā)生率亦相應(yīng)增加[6]。國內(nèi)學(xué)者杜長嶺等[7]利用有限元分析相關(guān)軟件分析股骨近端力學(xué)特性時發(fā)現(xiàn)，股骨頸前傾角處于正常值時，股骨近端應(yīng)力-應(yīng)變及產(chǎn)生位移最小，當(dāng)前傾角增大或減小時，股骨近端有效應(yīng)力-應(yīng)變及產(chǎn)生位移均呈增長趨勢，當(dāng)前傾角為0°時，股骨近端承受應(yīng)力及產(chǎn)生的位移最大。除頸干角及前傾角以外，股骨頭長度、股骨頸長度、股骨干直徑等參數(shù)均與股骨頸骨折的發(fā)生率密切相關(guān)，股骨頸長度較長者，偏心距增大，外力作用下股骨頸所受剪切力增大，股骨近端骨折概率增加。股骨干直徑增加理論上可增加股骨穩(wěn)定性，但若是外力作用下股骨干的持續(xù)增加，因老年人骨代謝較為緩慢，骨吸收速率大于骨成長速率，導(dǎo)致股骨干內(nèi)徑外徑均增加。側(cè)方跌倒時，沖擊力作用于大轉(zhuǎn)子區(qū)域，因股骨頭與髖臼的緊密聯(lián)系而無法緩沖，而股骨干區(qū)域形變更小，沖擊力便集中作用于股骨頸區(qū)域，因股骨頸區(qū)域無法蓄積能量，觸地后能量的迅速釋放更易造成股骨近端骨折[8]。

股骨近端幾何解剖學(xué)參數(shù)能夠影響骨折發(fā)生率，老年股骨近端骨折后利用健側(cè)幾何參數(shù)推測患側(cè)數(shù)據(jù)，再對比正常股骨近端幾何參數(shù)，對老年骨折預(yù)測及臨床治療評估具有重要的意義。

1.2 皮質(zhì)骨力學(xué)特性

礦化骨組織是構(gòu)成骨的基本材料，其中皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨雖具有相似的組成成分，但其結(jié)構(gòu)與特性卻有很大差別。

皮質(zhì)骨的抵抗骨折或形變的材料力學(xué)性能隨年齡增長而發(fā)生變化。大量研究表明，隨年齡增長，皮質(zhì)骨的彈性模量(衡量材料變形難易程度的計(jì)量指標(biāo))逐年下降，超過35歲后，皮質(zhì)骨的彈性模量每10年減少約2%[9]，但是也有部分學(xué)者認(rèn)為皮質(zhì)骨的彈性模量與年齡無顯著相關(guān)性[10]。除了彈性模量外，皮質(zhì)骨的骨強(qiáng)度(在失效測試中獲得的最大應(yīng)力)亦隨著年齡增長顯示下降趨勢，甚至下降幅度更大，超過35歲后，每10年皮質(zhì)骨強(qiáng)度下降2%～5%[11]。結(jié)合皮質(zhì)骨的骨強(qiáng)度、彈性模量及其他因素，導(dǎo)致骨折的能量隨年齡增長每10年下降10%左右，也就是說，一些低能量損傷在年輕人不會造成骨折，但卻會導(dǎo)致老年人骨折。

皮質(zhì)骨組織形態(tài)與成分隨年齡的變化導(dǎo)致其生物力學(xué)特性隨之改變。隨年齡增大，骨重建由平衡向不平衡發(fā)展，當(dāng)骨吸收速度超過形成速度時，骨孔隙出現(xiàn)，35歲后，皮質(zhì)骨空隙越來越多，皮質(zhì)骨孔隙率與年齡增長呈正相關(guān)[10]。這也是皮質(zhì)骨彈性模量和皮質(zhì)骨強(qiáng)度隨年齡降低的原因。皮質(zhì)骨骨組織礦物質(zhì)含量的增加對皮質(zhì)骨的韌性極為不利，在骨骼生長過程中，皮質(zhì)骨礦物質(zhì)含量增長迅速，但在35歲以后，并沒有明顯的變化[12]。此外皮質(zhì)骨中膠原蛋白交聯(lián)數(shù)量的變化，尤其是非酶蛋白、糖基化蛋白的交聯(lián)變化，被證實(shí)在骨強(qiáng)度及骨韌性與年齡增長的相關(guān)性中起著重要作用，即骨膠原增加，骨強(qiáng)度及韌性降低[13]。其中最具特點(diǎn)的是戊糖素(一種非酶膠原)，隨著年齡增長，皮質(zhì)骨中其含量顯著增加，在完整皮質(zhì)骨及脫礦化皮質(zhì)骨中其含量越高，皮質(zhì)骨強(qiáng)度及韌性越低[14]。

1.3 骨小梁(松質(zhì)骨)力學(xué)特性

骨小梁(松質(zhì)骨)的密度、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性與皮質(zhì)骨有很大差異，股骨近端的不同部位及不同方向上，骨小梁的性能變化也是非常大的[15]。骨小梁的彈性模量及強(qiáng)度的差異可以用其微觀結(jié)構(gòu)的物理形態(tài)及性能參數(shù)來解釋。首先最重要的是骨表觀密度(即骨的重量除以它的總體積，這等同于小梁組織的密度乘以骨體積分?jǐn)?shù))，骨表觀密度對松質(zhì)骨被壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變行為有很大的影響，有關(guān)研究表明，松質(zhì)骨的彈性模量及強(qiáng)度的變化區(qū)間極大，大小跨度可達(dá)3個數(shù)量級，而密度變化區(qū)間只有一個數(shù)量級(0.1～1 g/cm3)，即BMD極小的變化就會對松質(zhì)骨的力學(xué)性能產(chǎn)生極大的影響[16]。研究表明，無論男性還是女性，骨小梁的骨表觀密度都隨著年齡增長而顯著下降，從20～75歲，隨著微觀結(jié)構(gòu)的減少及變化，股骨近端同一層面骨小梁強(qiáng)度總體下降約50%[17]，這正說明了如骨質(zhì)疏松癥這類影響B(tài)MD、骨結(jié)構(gòu)的老年疾病，對骨的力學(xué)性能及骨折風(fēng)險的巨大影響。

除了表觀密度，股骨近端骨小梁的空間構(gòu)型與其力學(xué)特性也有著較大的關(guān)聯(lián)。Van Rietbergen等[18]、Pahr等[19]研究表明，股骨近端骨組織內(nèi)部存在應(yīng)力-應(yīng)變的均一性，基本規(guī)則滿足Wolff定律(骨骼形態(tài)與功能具有一致性，骨組織具有為適應(yīng)功能而改變形態(tài)的能力)，為了以最小的重量使組織的應(yīng)力達(dá)到最小，以便于最有效吸收或化解沖擊，形成了一個頂端朝向股骨頭、相互交叉、以大包小且形態(tài)各異的多拱形復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密切交織，排列有序，分為主壓力小梁、次壓力小梁、主張力小梁、次張力小梁及大轉(zhuǎn)子小梁5組骨小梁，共同構(gòu)成了符合人體生理需求的最有效承重系統(tǒng)[20]。隨著Micro CT等技術(shù)的廣泛運(yùn)用，股骨近端骨小梁實(shí)現(xiàn)了精細(xì)可視化，相關(guān)領(lǐng)域研究也得到了進(jìn)一步發(fā)展[21-22]。Hwang等[22]證實(shí)了不同年齡的人群，其粗隆間、股骨頭和股骨頸區(qū)域的骨小梁具有明顯差異，其中股骨頸外上部骨小梁退化程度最高，而股骨頭及股骨頸內(nèi)下部退化程度較低。Herrera等[23]進(jìn)一步證明了股骨近端桿狀骨與板層骨分布的區(qū)域規(guī)律，其中板層骨集中分布于股骨頭及股骨頸內(nèi)部，此區(qū)域是股骨近端主要負(fù)重區(qū)，當(dāng)老年骨質(zhì)疏松患者負(fù)重區(qū)板層骨破壞較多時，會大大增加骨折的發(fā)生率。同時，Keller等[24]運(yùn)用實(shí)體力學(xué)試驗(yàn)，證實(shí)了股骨近端骨小梁載荷方向與內(nèi)部不同夾角主壓力骨小梁應(yīng)力走向基本一致。老年股骨頸骨折復(fù)位或術(shù)后，若對位對線不佳，則載荷方向與應(yīng)力走向出現(xiàn)一定角度，當(dāng)角度超過臨界點(diǎn)時，相同外力下骨小梁難以承受相應(yīng)載荷，骨不愈合及再發(fā)骨折風(fēng)險增高，甚至?xí)斐晒晒穷^壞死，陷入了惡性循壞[25]。

2 股骨近端骨折的生物力學(xué)臨床應(yīng)用相關(guān)研究進(jìn)展

絕大部分股骨近端骨折是發(fā)生于老年人的骨質(zhì)疏松性骨折，目前常規(guī)使用的基于雙能X線吸收法測量BMD預(yù)測骨質(zhì)疏松性骨折的敏感性很低，且誤差較大[26]。近20年來國內(nèi)外學(xué)者們對股骨近端生物力學(xué)性質(zhì)及特征進(jìn)行的深入研究，試圖建立一種新的基于生物力學(xué)的方法來預(yù)測老年人骨質(zhì)疏松性骨折風(fēng)險，指導(dǎo)臨床治療。

2.1 國內(nèi)研究進(jìn)展

白雪嶺等[27]通過將肌肉作用力與關(guān)節(jié)作用力作為分析的邊界條件，代入相關(guān)軟件，得出人體股骨在正常步態(tài)下的最大位移位置和最大應(yīng)力部位，證實(shí)了股骨頸部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與實(shí)際臨床上股骨近端骨折部位相吻合。王杰等[28]研制出聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)人體股骨模型，通過比較尸體股骨與PMMA股骨在在軸向載荷下的生物力學(xué)性能，證實(shí)了PMMA股骨模型可以替代尸體股骨進(jìn)行人體生物力學(xué)模擬試驗(yàn)，為國內(nèi)股骨近端有關(guān)的臨床實(shí)驗(yàn)工作發(fā)明了有效的替代工具。Lu等[29]利用多探頭CT研究股骨近端骨小梁分布與老年股骨近端骨折的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)老年股骨近端骨折時，主張力骨小梁和主壓力骨小梁嚴(yán)重減少；轉(zhuǎn)子間骨折時，大轉(zhuǎn)子區(qū)域骨小梁嚴(yán)重減少而Ward區(qū)骨小梁增加。得出可以通過主張力骨小梁、主壓力骨小梁、大轉(zhuǎn)子區(qū)骨小梁及Ward區(qū)的平均CT值來評估老年股骨近端骨折風(fēng)險，為預(yù)測老年股骨近端骨質(zhì)疏松性骨折開拓了新的途徑。王倞等[30]通過測量人體股骨近端松質(zhì)骨礦質(zhì)密度及軸向彈性模量，建立骨礦質(zhì)密度與軸向彈性模量相關(guān)關(guān)系的本構(gòu)方程，得出骨礦質(zhì)密度與軸向彈性模量的線性和冪次回歸的相關(guān)性均較高，且同部位兩種回歸的r2值之間無明顯差異。此研究可應(yīng)用于體外檢測患者的骨骼質(zhì)量，準(zhǔn)確分辨骨質(zhì)變化的部位，配合有限元建模進(jìn)行力學(xué)分析，以此來預(yù)測老年股骨近端骨折的風(fēng)險。

2.2 國外研究進(jìn)展

相較于國內(nèi)，國外很早就開展大量生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)來預(yù)測或分析老年股骨近端骨質(zhì)疏松性骨折。Van Rietbergen等[18]計(jì)算了健康尸體和骨質(zhì)疏松者尸體股骨近端骨組織水平上的應(yīng)變分布以定量分析健康骨與骨質(zhì)疏松骨的力學(xué)特性，最后發(fā)現(xiàn)健康骨平均應(yīng)變?yōu)?04μ，安全系數(shù)為8.6；而骨質(zhì)疏松平均為520μ，安全系數(shù)為4.6，證實(shí)了應(yīng)變的變化是骨質(zhì)疏松患者骨折的潛在因素。同一團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用一種全新的力學(xué)圖像成像法，在股骨標(biāo)本受力及不受力兩種狀態(tài)下分別進(jìn)行三維重建建模，比較兩種三維圖像，從而確定骨組織的變形程度，以此來預(yù)測骨折風(fēng)險。然而此法存在局限性，僅僅形變量夠大(>1%)時才能得出相對準(zhǔn)確的結(jié)果，實(shí)際上低能量骨折往往達(dá)不到此形變要求[31]。

近年來，絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，基于測得的BMD值，結(jié)合股骨近端幾何解剖參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，是預(yù)測股骨近端骨質(zhì)疏松性骨折的最佳檢測方式。Falcinelli等[32]通過大量骨質(zhì)疏松女性的病例對照研究，測試了股骨近端骨折和不同載荷之間的關(guān)系，證實(shí)了基于股骨近端有限元分析骨強(qiáng)度的評估方法能為老年骨質(zhì)疏松婦女的BMD預(yù)測骨折增加準(zhǔn)確性。與此同時，Munckhof等[33]將三維成像技術(shù)與有限元力學(xué)分析法集成在一起，建立特定受試者的股骨近端有限元力學(xué)模型來測定獲得的斷裂負(fù)荷，得出其測定系數(shù)為0.773～0.95，斷裂負(fù)荷的誤差百分比為5%～46%，小于BMD測定相同受試者的對應(yīng)參考值，證明了使用有限元力學(xué)模型來預(yù)測股骨近端骨折比單純測定BMD效果更佳。Ariza等[34]將試驗(yàn)進(jìn)行了拓展，摒棄以往靜態(tài)受力分析的方法，力求模擬現(xiàn)實(shí)側(cè)摔下的撞擊效果，進(jìn)行了人體股骨近端骨折在動態(tài)條件下的力學(xué)分析，將15例落塔試驗(yàn)下股骨近端模型的載荷及應(yīng)力變化與高速攝影機(jī)實(shí)際拍攝得出的數(shù)據(jù)相互對比研究，得出股骨近端骨折的動態(tài)力學(xué)分析模型相比較于靜態(tài)模型，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測骨折風(fēng)險，指導(dǎo)臨床治療。

3 總結(jié)與展望

老年股骨近端骨質(zhì)疏松性骨折具備獨(dú)特的生理特征及力學(xué)性能，準(zhǔn)確預(yù)測老年股骨近端骨折、指導(dǎo)骨質(zhì)疏松患者的個體化治療、降低老年股骨近端骨折風(fēng)險是國內(nèi)外學(xué)者一直努力的方向，期待在不遠(yuǎn)的將來，基于BMD值，結(jié)合骨幾何-骨生物力學(xué)參數(shù)的個體化“骨強(qiáng)度測量儀”悄然而至，成為預(yù)測骨折發(fā)生、指導(dǎo)手術(shù)治療以及評估預(yù)后康復(fù)強(qiáng)有力的工具。