三種空心釘固定方法治療PauwelsⅢ型股骨頸骨折的生物力學(xué)研究

郭仕鑫,陳偉兵

上海市第六人民醫(yī)院金山分院骨科,上海 201599

股骨頸骨折是髖關(guān)節(jié)損傷中較為常見的骨折之一,具有較高的發(fā)病率,約為52%[1],多見于中老年人群。研究指出[2]髖部骨折造成中老年人病死率可達20%～30%,且術(shù)后出現(xiàn)骨折不愈合、股骨頭壞死等并發(fā)癥,嚴(yán)重威脅老年人健康與安全?；诖?選擇合適的手術(shù)治療具有重大意義?？招尼攦?nèi)固定是目前治療股骨頸骨折的重要方式之一[3],以其創(chuàng)傷小、出血量較少、固定效果良好等優(yōu)勢在臨床不斷普及。但內(nèi)固定過程中如何布釘、空心螺釘數(shù)量的確定仍存在爭議[4]。既往研究中多采用空心螺釘?shù)谷切畏植?取得較好的固定效果[5]。近幾年研究發(fā)現(xiàn)[6-8]倒三角形分布固定術(shù)后內(nèi)固定失敗、骨不愈合發(fā)生率較高;菱形分布、阿爾法分布、倒三角分布結(jié)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板等方法提高了固定強度,具有更好的生物力學(xué)表現(xiàn)。本研究采用菱形分布螺釘固定、3枚空心釘結(jié)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板固定、阿爾法分布螺釘固定方式進行生物力學(xué)研究,分析三種內(nèi)固定方式生物力學(xué)特點,以期為臨床治療提供參考。

材料與方法

1 實驗儀器及材料

Instron 5569萬能材料試驗儀(型號:Instron 5569,英斯特朗試驗設(shè)備貿(mào)易有限公司)、MTS電子扭轉(zhuǎn)試驗機(型號:CTT1103,美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)、定制化股骨頸骨折測力平臺(上海市第六人民醫(yī)院生物力學(xué)實驗室)、人工股骨模型(型號:FZGG,上海盈諾實業(yè)有限公司)、空心螺釘及重建鋼板(型號:空心釘7.3mm,重建鋼板6孔2.7mm,河北擎納商貿(mào)有限公司)。

2 骨折模型制作及固定

參考Giordano等[9]的研究制作PauwelsⅢ型股骨頸骨折模型,用擺鋸和量角器將標(biāo)本人為制成股骨頸骨折模型,其Pauwels角為70°。將制備好的18個模型編號后用隨機數(shù)字表法隨機分為A、B、C三組,每組6個。A組將4枚6.5mm空心釘按菱形分布平行于股骨頸分散置入,螺釘長度以螺釘頂部至股骨頭下軟骨下骨為標(biāo)準(zhǔn);B組將3枚空心螺釘呈倒三角形平行于股骨頸置入,用1塊6孔重建鋼板塑形后置入股骨頸內(nèi)側(cè);C組將3枚6.5mm的空心螺釘平行于股骨頸,呈倒三角形置入,然后從大轉(zhuǎn)子外側(cè)水平置入1枚6.5mm空心螺釘。置釘前通過Mimics17.0軟件模擬螺釘在股骨中的位置設(shè)計置釘導(dǎo)板,通過3D打印技術(shù)制作導(dǎo)板,使用導(dǎo)板精確置釘保證組內(nèi)樣本的一致性(圖1)。

圖1 三組固定方法及導(dǎo)板。 a.菱形分布螺釘固定;b.3枚空心釘結(jié)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板固定;c.阿爾法分布螺釘固定;d.3D打印導(dǎo)板

3 生物力學(xué)實驗

將實驗樣本放置在定制化股骨頸骨折測量平臺上,下端固定,上端采用凹型夾具模擬髖關(guān)節(jié)盂加載形式,施加在股骨頭上(圖2)。軸向靜力學(xué)實驗時,預(yù)載荷為10N,加載速度為5mm/min,載荷上限為2 000N;扭轉(zhuǎn)靜力學(xué)實驗時,預(yù)載荷為0.5Nm,扭轉(zhuǎn)速度為15°/min,扭轉(zhuǎn)至10°停止。首先進行扭轉(zhuǎn)靜力學(xué)加載,當(dāng)樣本扭轉(zhuǎn)至10°時停止,記錄扭轉(zhuǎn)加載時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線,計算得到彈性結(jié)果樣本的扭轉(zhuǎn)剛度;然后將樣本放置于軸向靜力學(xué)特制夾具,進行軸向靜力學(xué)加載,以5mm/min的加載速度,加載至樣本斷裂或者至2 000N加載上限停止,得到載荷-位移曲線,根據(jù)彈性階段計算剛度,根據(jù)屈服載荷確定樣本失效載荷。

圖2 生物力學(xué)實驗。 a.軸向靜力學(xué)實驗;b扭轉(zhuǎn)靜力學(xué)實驗

4 統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

三組軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05),失效載荷比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。兩兩比較B組及C組失效載荷優(yōu)于A組,組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),B組與C組組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.921)。見表1、2。

表1 A、B、C三組生物力學(xué)實驗結(jié)果

表2 失效載荷兩兩比較結(jié)果(n=6)

討 論

股骨頸骨折是髖部骨折之一,具有較高發(fā)病率,不僅會影響患者活動功能,嚴(yán)重時會造成患者關(guān)節(jié)活動缺失、長期臥床,進而誘發(fā)骨質(zhì)疏松、深靜脈血栓等綜合性并發(fā)癥[10],甚至威脅患者生命。其治療主要以解剖復(fù)位、堅強內(nèi)固定為原則[11]。既往臨床主要以動力髖螺釘固定、牽引固定等方式進行治療,但上述內(nèi)固定方式均會對患者股骨頸的血供造成影響,從而影響治療效果。目前臨床多以空心螺釘內(nèi)固定治療為主[12],具有操作簡便、微創(chuàng)、內(nèi)固定效果好等優(yōu)勢。隨著空心螺釘固定技術(shù)的不斷改進與發(fā)展,臨床設(shè)計出多種螺釘空間構(gòu)型[13]。文獻指出[14]空心螺釘?shù)臄?shù)量與排列方式均對手術(shù)效果影響深遠。既往研究中證實[15]空心螺釘?shù)谷切畏植寂c正三角分布相比,固定效果更佳,患者髖關(guān)節(jié)恢復(fù)更好。

有限元分析研究[16]表明菱形分布螺釘相比倒三角分布可以更加有效地分散應(yīng)力,提高固定的抗扭轉(zhuǎn)能力,分布在上方的空心螺釘對骨折端的控制能力強,在保證滑動加壓的同時可以減少骨折端的壓縮,進而預(yù)防術(shù)后股骨頸的短縮。PauwelsⅢ型股骨頸骨折線與水平線的夾角較大,相比于PauwelsⅠ型股骨頸骨折其造成內(nèi)翻畸形的可能性更大,因此螺釘固定的抗剪切能力是固定牢固的主要因素。菱形分布相比倒三角分布增加了1枚螺釘,在抗剪切應(yīng)力方面具有更好的表現(xiàn),但增加的螺釘會加重股骨頭骨質(zhì)破壞影響股骨頭血供[17]。王照東等[18]采用菱形螺釘固定和倒三角螺釘固定治療38例青壯年股骨頸骨折患者,結(jié)果表明菱形空心螺釘置釘方式近期療效明確,固定穩(wěn)定性強,應(yīng)力分散,可有效減少術(shù)后股骨頸短縮、骨折不愈合、股骨頭壞死等并發(fā)癥的發(fā)生。菱形固定術(shù)后股骨頭壞死并發(fā)癥發(fā)生率低于倒三角固定可能是因為骨內(nèi)滋養(yǎng)動脈在骨折發(fā)生的同時已經(jīng)損傷。后上支持帶與前支持帶動脈位于支持帶滑膜下,緊貼骨面,極易損傷,而后下支持帶動脈成為股骨頸骨折后可能殘留的血供[19],在股骨頭內(nèi)置釘對殘留血供影響較小。

Mir和Collinge[20]提出在Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的內(nèi)側(cè)放置1塊鋼板,可作為支撐鋼板對抗剪切應(yīng)用,并將骨折端剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓力,他們認(rèn)為這種固定方式理論上可以降低由骨折端移位引起的并發(fā)癥發(fā)生率。生物力學(xué)實驗表明相比單獨使用螺釘,使用內(nèi)側(cè)支撐鋼板可以明顯提高抵抗軸向壓力的能力[9]。Ye等[21]采用內(nèi)側(cè)支撐鋼板結(jié)合3枚空心釘治療28例PauwelsⅢ型股骨頸骨折,其中2例出現(xiàn)股骨頸短縮,所有患者沒有出現(xiàn)股骨頭壞死,愈合率89%,高于以往文獻報道的愈合率。盡管該研究隨訪時間短(平均隨訪時間13.6個月),但初步結(jié)果表明使用內(nèi)側(cè)支撐鋼板相比單獨使用空心釘可以提高愈合率,并且沒有增加內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥及股骨頭壞死的發(fā)生率。

平行分布的空心釘與股骨頸骨折線呈銳角,螺釘產(chǎn)生的拉力無法有效對抗骨折端的剪切力,且平行分布具有滑動效應(yīng)允許骨折端沿螺釘滑動,可以促進骨折端的再移位。阿爾法固定中橫行的螺釘與股骨頸骨折線夾角更大接近垂直,可以對骨折端產(chǎn)生更大的拉力來對抗骨折端的剪切力。術(shù)中首先置入橫行螺釘對骨折端加壓可以幫助維持復(fù)位,防止術(shù)中復(fù)位丟失。此外橫行螺釘位于富含松質(zhì)骨的股骨頸下端,更接近股骨距,可以有更好的把持力,這些特點使阿爾法固定比平行的空心釘固定具有更好的生物力學(xué)效果。Jiang等[7]回顧性分析了157例股骨頸骨折,97例采用平行螺釘固定,60例采用阿爾法螺釘固定,結(jié)果顯示阿爾法固定出現(xiàn)股骨頸短縮、骨折不愈合、股骨頭壞死、再手術(shù)的可能性更低。

本次研究通過生物力學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)菱形分布螺釘具有更好的抗扭轉(zhuǎn)能力,這可能因為菱形螺釘在股骨頸中分布更分散,更有利于對抗骨折端的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力?？招尼斀Y(jié)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板、阿爾法分布螺釘固定軸向剛度及失效載荷更高,表明這兩種固定方法的抗剪切能力更強,其中后者又優(yōu)于前者?？招尼斀Y(jié)合內(nèi)側(cè)支撐鋼板具有適中的抗扭及抗剪切能力,但手術(shù)需作額外切口來放置鋼板,增加了手術(shù)時間及手術(shù)創(chuàng)傷。本研究還存一定局限性:(1)實驗選用人工股骨作為實驗樣本,與真實人體骨骼有差異,不能完全反映骨折力學(xué)實驗實際情況;(2)選用的樣本數(shù)量較少,可能存在一定的統(tǒng)計學(xué)誤差;(3)生物力學(xué)實驗未考慮髖關(guān)節(jié)周圍肌肉等軟組織因素的影響,可能與實際臨床不完全一致。

作者貢獻聲明：郭仕鑫:資料收集、論文撰寫、文獻檢索、研究(內(nèi)容)設(shè)計;陳偉兵:研究指導(dǎo)、論文修改及審校