饒志濤,張英琪,陳 雷,王家騏,王樹(shù)青

同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院骨科,上海 200065

股骨頸骨折是常見(jiàn)的骨折,臨床上常根據(jù)患者的年齡和骨折的分型來(lái)確定手術(shù)方案,如骨折內(nèi)固定術(shù)或髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的骨折線與水平面成角大于50°,常發(fā)生于中青年,平行螺釘、動(dòng)力髖螺釘(dynamic hip screw,DHS)結(jié)合抗旋螺釘?shù)然瑒?dòng)加壓裝置是最常用的內(nèi)固定方式。由于損傷暴力大,骨折端垂直剪切力也大,易產(chǎn)生內(nèi)固定失敗及股骨頭壞死等并發(fā)癥[1-4]。

研究報(bào)道多種輔助固定的方式可對(duì)抗垂直剪切應(yīng)力,但目前缺乏有效的生物力學(xué)測(cè)試,也未得到臨床的一致認(rèn)可[5-6]。本研究擬采用有限元模型(finite element model,FEM)分析方法,探討Pauwels Ⅲ 型股骨頸骨折常用不同內(nèi)固定的生物力學(xué)特性,并回顧同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院骨科自2011年開(kāi)始采用四枚螺釘固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折31例的臨床療效,報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 有限元分析研究

1.1.1 股骨頸骨折-內(nèi)固定三維模型的建立

數(shù)據(jù)選擇和骨折模型的建立:應(yīng)用64 排多層螺旋CT(SOMATOM Sensation Open,Siemens AG,Erlangen,Germany)對(duì)正常成人股骨模型進(jìn)行逐層掃描,獲得DICOM格式醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)CT數(shù)據(jù)。將得到的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 18.0軟件,通過(guò)閾值分割,手工勾勒,邊緣光滑等處理,獲得股骨三維模型。骨折平面根據(jù)Pauwels Ⅲ型骨折特征確定,使得骨折面與水平面夾角為70°。在股骨外表面模型基礎(chǔ)上,劃分皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨。松質(zhì)骨采用不均勻偏置手段,偏置2 mm,且股骨干部分皮質(zhì)骨增厚。在3-matic軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作,導(dǎo)出有限元模型,進(jìn)入ABAQUS中進(jìn)行分析。

不同固定方式下分組如下,進(jìn)行三維模型組裝,螺釘均為6.5 mm空芯加壓螺釘,螺釘尖端固定至股骨頭皮質(zhì)下5 mm左右 (圖1) 。

1.1.2 材料參數(shù)以及載荷工況

材料假定為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體。材料屬性按皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、緊固螺釘?shù)膹椥阅Ａ?N/mm2)分別選取137000 、1370 、206000 ,泊松比分別選取0.3 、0.3 、0.3 。骨折面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

A:組1,三枚平行倒三角螺釘固定;B:組2,橫向螺釘結(jié)合平行倒三角四枚螺釘固定;C:組3,DHS結(jié)合防旋螺釘固定

本部分模型載荷參數(shù)為股骨遠(yuǎn)端底面固定,約束X、Y、Z 3個(gè)方向的自由度。在股骨頭上表面附近建立參考點(diǎn),與股骨頭表面自由度耦合,施加自重載荷(圖2)。應(yīng)力加載采用目前常用的簡(jiǎn)化模型,主要考慮骨盆髖臼窩作用于股骨頭上的力。故于股骨頭加載自重載荷600 N(接近普通人體步行周期中點(diǎn)數(shù)據(jù)),平均作用于股骨頭與髖臼接觸面,沿軸向向下。有限元計(jì)算網(wǎng)格模型單元類(lèi)型為三維四面體10節(jié)點(diǎn)單元。

1.1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

有限元施加載荷后的結(jié)果由彩圖及數(shù)字顯示。觀察并記錄各分組模型的應(yīng)力和位移云圖,骨折斷端的位移與應(yīng)力、內(nèi)固定物的應(yīng)力與位移變化等,據(jù)此對(duì)3種內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 臨床資料

1.2.1 一般資料

共31例新鮮閉合性骨折,男17 例,女14 例;年齡19～63 歲,平均(43.6±10.5)歲;致傷原因:摔傷18 例,墜落傷9例,車(chē)禍傷4 例;股骨頸骨折均為Pauwels Ⅲ型,根據(jù)Garden 分型:Ⅰ型4 例,Ⅱ型11 例,Ⅲ型12 例,Ⅳ型4 例。

1.2.2 手術(shù)方法

患者無(wú)明顯手術(shù)禁忌則盡早手術(shù)(24～36 h內(nèi)),對(duì)于有合并內(nèi)科疾病的患者,積極調(diào)整,爭(zhēng)取在48 h內(nèi)手術(shù)。手術(shù)采用全身麻醉或腰麻,仰臥位,牽引床上C 型臂X 線機(jī)透視下進(jìn)行手法復(fù)位或股骨頭、干互動(dòng)復(fù)位[7]。根據(jù)Garden指數(shù)判斷復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)(Garden指數(shù)在155°～180°者認(rèn)為復(fù)位滿(mǎn)意),可經(jīng)皮固定或行股骨近段外側(cè)長(zhǎng)3～4 cm縱行切口固定,骨折端復(fù)位不良的采用切開(kāi)復(fù)位(改良Smith-Peterson入路)。透視定位下平行于股骨頸縱軸向股骨頭方向置入3 枚導(dǎo)針,呈倒“品”字形;然后,在股骨距上方自大粗隆中部向股骨距垂直于骨折線方向固定1 枚導(dǎo)針(注意調(diào)整前后方向,避免螺釘間的撞擊)。先進(jìn)行平行螺釘?shù)募訅汗潭?然后固定橫向螺釘,對(duì)骨質(zhì)疏松較明顯的患者,螺釘尾部加用墊圈。螺釘長(zhǎng)度以尖端距股骨頭軟骨下0.5～1.0 cm為宜,C 型臂X 線機(jī)正側(cè)位透視最后確定骨折復(fù)位固定情況。螺釘均為強(qiáng)生辛迪思6.5 mm空芯螺釘。

1.2.3 術(shù)后處理與隨訪

術(shù)后24 h 內(nèi)使用抗生素預(yù)防感染,鼓勵(lì)患者術(shù)后早期功能鍛煉,2個(gè)月內(nèi)不負(fù)重活動(dòng),骨折完全愈合后進(jìn)行完全負(fù)重鍛煉。囑患者術(shù)后1、3、6、12、24月定期隨訪,拍攝X線片了解骨折愈合及有無(wú)股骨頭壞死等情況,必要時(shí)進(jìn)行MRI檢查輔助診斷。末次隨訪時(shí)根據(jù)Harris評(píng)分評(píng)估患髖關(guān)節(jié)功能。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型分析的應(yīng)力和位移結(jié)果

計(jì)算各組模型的骨折端應(yīng)力和位移值、內(nèi)固定承受的應(yīng)力和位移值,形成應(yīng)力和位移云圖(圖3)。

從計(jì)算云圖可知各組骨折端應(yīng)力最大值、位移最大值、內(nèi)固定應(yīng)力最大值,設(shè)定載荷600 N,計(jì)算內(nèi)固定的垂直剛度為600/骨折端位移(N/mm)。三組固定模型的最大應(yīng)力和位移結(jié)果見(jiàn)表1。

A-C分別代表1-3組圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分A-C represented group 1 to group 3 respectivelyFig.2 Finite element model and mesh division

3.1-3.3表示圖3中組1-3,a-d分別表示骨折端的應(yīng)力值(MPa),骨折端的位移值(mm),內(nèi)固定的應(yīng)力值(MPa),內(nèi)固定的位移值(mm)圖3 各組模型的應(yīng)力和位移云圖

分組骨折端應(yīng)力/MPa骨折位移/mm螺釘應(yīng)力/MPa螺釘位移/mm垂直剛度/N·mm-115.4350.7709118.80.7683778.3123.8600.7421107.30.7376808.5232.9580.6593105.20.6133910.06

三組模型中,比較骨折端和螺釘承受的應(yīng)力以及位移均為:組3<組2<組1,而內(nèi)固定的垂直剛度為:組1<組2<組3。提示,DHS結(jié)合防旋釘固定組力學(xué)穩(wěn)定性最強(qiáng),其次四枚螺釘固定組,力學(xué)穩(wěn)定性最弱的是平行三枚螺釘固定組。Pauwels Ⅲ型股骨頸的垂直應(yīng)力較大,聯(lián)合橫向垂直骨折線螺釘?shù)乃拿堵葆敼潭ǚ绞?可增大對(duì)抗垂直剪切應(yīng)力的作用。

2.2 臨床隨訪結(jié)果

31例患者,受傷至手術(shù)時(shí)間平均28 h(12～48 h)。手術(shù)時(shí)間平均57 min(28～130 min)。閉合復(fù)位29例,切開(kāi)復(fù)位2例,無(wú)血管、神經(jīng)損傷、感染、深靜脈血栓等并發(fā)癥發(fā)生,股骨頸復(fù)位質(zhì)量根據(jù)Garden指數(shù),Ⅰ級(jí)27例,Ⅱ級(jí)4例。本組隨訪24個(gè)月及以上(24～62個(gè)月)24例(77.4%)。骨折平均愈合時(shí)間16.3周(12～24)周,無(wú)骨不愈合,無(wú)內(nèi)固定斷裂。3例(12.5%)股骨頭壞死,其中2例螺釘向外滑移,股骨頸縮短約1 cm,骨折雖愈合,但術(shù)后14、18個(gè)月股骨頭壞死。按髖關(guān)節(jié)功能Harris 評(píng)分評(píng)定,平均(80±8.5)分,優(yōu)良率83.3%。典型病例見(jiàn)圖4,5。

3 討論

股骨頸骨折的并發(fā)癥發(fā)生率與損傷程度、骨折類(lèi)型、復(fù)位質(zhì)量等因素密切相關(guān),與內(nèi)固定方式的相關(guān)性尚不確切[6,8]。但對(duì)于有著特殊生物力學(xué)特點(diǎn)的Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的臨床并發(fā)癥與內(nèi)固定選擇的關(guān)系需要進(jìn)一步探討。本研究通過(guò)有限元分析和病例報(bào)告研究,探討橫向螺釘結(jié)合平行倒三角四枚螺釘固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的力學(xué)穩(wěn)定性和臨床療效。

3.1 三維有限元模型的驗(yàn)證及結(jié)果分析

在前期研究中,Stoffel等[9]采用尸體標(biāo)本研究Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性,結(jié)果DHS固定的整體剛度為:(688.8±132.6)N/mm,大于三枚平行螺釘?shù)膭偠?584.1±156.6)N/mm在Amanian等[10]所報(bào)道的另外一項(xiàng)Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的尸體標(biāo)本生物力學(xué)研究中,DHS固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性也超過(guò)7.3 mm空芯螺釘,兩者的整體剛度分別為(245±51)N/mm和(166±50)N/mm。這些與我們的有限元分析結(jié)果的趨勢(shì)是一致的。本研究中,DHS和平行三枚螺釘固定的剛度分別為910.06 N/mm 和778.31 N/mm,與標(biāo)本分析存在一定差異,其原因可能與個(gè)體解剖特征,骨骼強(qiáng)度和骨折形態(tài)有關(guān)。Gümüstas 等[11]生物力學(xué)研究證實(shí),增加橫向螺釘可以顯著提高平行螺釘固定的力學(xué)穩(wěn)定性。以上驗(yàn)證表明,本研究中骨折固定模型的計(jì)算結(jié)果可靠。

A、B:正側(cè)位X線示左髖Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折;C、D:采用閉合骨折復(fù)位,四枚螺釘固定,術(shù)后2年正側(cè)位X線片,骨折完全愈合,無(wú)骨壞死;E、F:術(shù)后5年,X線片無(wú)骨壞死,拔出內(nèi)固定

A: Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折,B: 骨折閉合復(fù)位,四枚螺釘固定; C:術(shù)后14個(gè)月,螺釘向外移位,股骨頭壞死;D: 髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重疼痛、活動(dòng)受限,行全髖關(guān)置換術(shù)

3.2 Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折的內(nèi)固定選擇

Liporace等[4]報(bào)道Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折76例,其中62例隨訪2年,股骨頭壞死發(fā)生率為11%,其中采用三枚平行螺釘骨不愈合發(fā)生率為19%,DHS組發(fā)生率為8%。盡管DHS固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于平行螺釘,但DHS固定軟組織損傷較大,出血多,手術(shù)過(guò)程較復(fù)雜,手術(shù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。早期有報(bào)告DHS固定相對(duì)于四枚平行螺釘固定后的股骨頭壞死率,前者是后者的3.2倍[12]。Zhang等[13]回顧性隊(duì)列研究DHS結(jié)合防旋螺釘、三枚空心釘以及股骨近端鎖定接骨板固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折67例,發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死15例(22.4%),骨折不愈合8例(11.9%),內(nèi)固定方式可導(dǎo)致不同的手術(shù)結(jié)果,DHS結(jié)合防旋釘固定方式存在更高的股骨頭壞死發(fā)生率,骨折不愈合更常見(jiàn)于鎖定接骨板固定組。DHS粗大的動(dòng)力螺釘?shù)幕瑒?dòng)加壓作用強(qiáng)大,可提供良好的骨折端穩(wěn)定性,但骨折端粉碎會(huì)出現(xiàn)股骨頭頸明顯短縮,骨折端會(huì)持續(xù)存在微動(dòng),可導(dǎo)致后期股骨頭壞死[14]。Enocson等[3]報(bào)道137例Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折采用DHS結(jié)合防旋螺釘固定,平均隨訪(2.2±8.8)年,再手術(shù)率18%。本組患者采用改良的4枚螺釘固定方式,隨訪無(wú)骨折不愈合發(fā)生,股骨頭壞死率僅為12.5%。

雖然DHS固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折能夠提供良好的力學(xué)穩(wěn)定性,骨折不愈合發(fā)生率低,但手術(shù)創(chuàng)傷相對(duì)螺釘固定較大,且并未降低股骨頭壞死的發(fā)生率。三枚平行螺釘固定不能提供較好的力學(xué)穩(wěn)定性,再手術(shù)率較高。本研究的四枚螺釘固定方式,即一枚橫向螺釘結(jié)合三枚倒三角平行螺釘,生物力學(xué)分析增加了骨折端的穩(wěn)定性,尤其是抗縱向剪切應(yīng)力的作用,同時(shí)交叉固定方式對(duì)股骨頸長(zhǎng)度有一定的維持,可以減少股骨頭頸的微動(dòng)和短縮[15]。另外,螺釘固定手術(shù)創(chuàng)傷相對(duì)小,操作簡(jiǎn)單,復(fù)位良好的情況下尚可經(jīng)皮內(nèi)微創(chuàng)固定。

筆者體會(huì),臨床上使用橫向螺釘結(jié)合平行倒三角四枚螺釘固定Pauwels Ⅲ型股骨頸骨折時(shí),需要注意以下事項(xiàng):(1)骨折應(yīng)盡可能解剖復(fù)位,良好復(fù)位是保證骨折愈合,減少股骨頭壞死的首要因素;閉合復(fù)位不能達(dá)到復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)該果斷轉(zhuǎn)為切開(kāi)復(fù)位,減少反復(fù)復(fù)位對(duì)股骨頭血供的破壞,本組2例切開(kāi)復(fù)位均發(fā)現(xiàn)在骨折端有碎裂骨片卡壓。(2)進(jìn)行四枚螺釘固定,需設(shè)計(jì)導(dǎo)針(螺釘)的空間位置分布,以免4枚6.5 mm螺釘在股骨頭頸內(nèi)相互阻擋。(3)固定順序先進(jìn)行平行螺釘?shù)某浞旨訅汗潭?然后進(jìn)行橫向螺釘?shù)慕徊婀潭ā?4)術(shù)中注意保護(hù)股骨頭凹處的血供,螺釘盡可能避免置入在此部位,尤其是股骨頸骨折移位明顯時(shí)。(5)術(shù)后功能鍛煉循序漸進(jìn),患髖關(guān)節(jié)完全負(fù)重應(yīng)待骨折完全愈合。