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)科大學第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心河北省骨科生物力學重點實驗室，石家莊050051）

Letournel 和Judet[1,2]根據髖臼骨折的解剖特點及損傷機制，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。既往研究多側重于髖臼骨折的手術技巧、內固定物設計和生物力學特性等，鮮有髖臼骨硬度分布特征的報道。本研究涵蓋在人體骨骼硬度系統(tǒng)研究內[11,12]，重點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，并在此基礎上探究髖臼前后壁骨硬度與應力、骨折流行病學的關系及3D打印梯度彈性模量髖臼假體的參考價值。

1 資料與方法

1.1 標本制備與保存

本研究所用髖臼標本取自三位尸體捐獻者。新鮮冰凍尸體標本首先行骨密度掃描，排除骨質疏松的診斷，取出全部左側髖臼前壁和后壁，充分剔除軟組織。髖臼前壁的區(qū)域為：髂前下棘基底與髖臼前壁的交點至閉孔嵴中外1/4交點，位于髖臼前柱區(qū)域內。髖臼后壁的區(qū)域為：坐骨大切跡上緣和髖臼上緣頂點做一切線，在髖臼下緣頂點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2/3 的區(qū)域，它位于髖臼后柱區(qū)域內。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（美國標樂公司BUEHLER11-1280-250 型慢速鋸）將目標區(qū)域進行均分切割，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行標記。用碳化硅粒依次為800、1000、1200、2000、4000目砂紙打磨標本。

1.2 顯微硬度測量方法

圖2 髖臼前后壁目標區(qū)域取材大體圖（厚3 mm的骨組織切片）

應用德國KB-5 型顯微維氏硬度儀測試標本皮質骨和松質骨不同區(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 的標準操作方法測定，選取測量區(qū)域要確保壓痕與標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，并且每個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%的數據被廢棄[13]。同一區(qū)域選取5個有效值，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 標本固定（A）及顯微壓痕示意圖（B）

1.3 統(tǒng)計學方法

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

2 結果

三具標本髖臼前壁和后壁骨經切割后獲得骨組織切片24片，分別測量每個切片的顯微硬度，共測得450 個有效值。本研究中三具標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。三具標本髖臼前壁骨平均值分別為：標本1（30.61±6.05）HV，標本2（30.87±4.14）HV，標本3（31.97±4.67）HV。One Way Anova統(tǒng)計分析結果顯示，三組數據間比較無顯著差異（P=0.735）。

三具標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。三具標本髖臼后壁骨平均骨硬度值分別為：標本1（28.09±4.76）HV，標本2（30.53±4.48）HV，標本3（31.19±4.38）HV。三組數據間行One Way Anova 分析，組間無顯著差異（P=0.157）。本研究中三具標本，髖臼前壁硬度值與后壁硬度值相近，且差異無統(tǒng)計學意義（P=0.201）。詳見表1。

表1 三具標本髖臼前后壁顯微骨硬度值的組間及組內比較結果（，HV）

表1 三具標本髖臼前后壁顯微骨硬度值的組間及組內比較結果（，HV）

3 討論

髖臼是人體髖關節(jié)的重要組成部分，在結構上由髖骨體、恥骨體、坐骨體三骨愈合而成，三者分別構成髖臼的上2/5，前下1/5 和后下2/5。髖臼的形態(tài)結構在進化過程中適應了人類直立行走的運動特點，通過肌肉和韌帶與股骨頭連接，實現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動，同時在運動中傳遞下肢骨組織帶來的機械力。髖關節(jié)在行走時受力約為體重的2.5倍，跑步時受力為體重的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，但應力經過緩沖后仍需髖臼骨來承擔。Widmer 等[15]對髖臼生物力學特征方面的研究證實，髖臼的三維結構及骨小梁的有序排布，可穩(wěn)定傳導股骨頭應力，三點式的傳導模式將應力通過髖臼頂及前后柱進行傳導。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力傳導的需求，為髖關節(jié)穩(wěn)定提供了良好的解剖基礎。

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。研究結果證實個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），同時前壁和后壁骨的硬度也相近（P=0.201）。綜合分析三個樣本不同位點數據，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%。生物力學研究指出，髂骨、坐骨、恥骨各承擔髖臼承重的55%，25%和20%[15]。髖臼三柱形態(tài)及生物力學研究指出，人體在單足站立、足尖離地、足跟著地三種步態(tài)下，應力峰值均出現在中柱即前后壁結合的臼頂區(qū)域[16]。分析在正常負重狀態(tài)下，髖臼前后壁承受應力雖有差異，但一致且較高的骨硬度值可保證髖臼骨在各個應力方向的結構穩(wěn)定，同時均勻一致的骨性結構有效避免了因髖臼各部位負重不同引起的“骨性不均勻沉降”，進一步解釋了原發(fā)性髖關節(jié)炎發(fā)病率顯著低于膝骨關節(jié)炎的原因。

1986 年Wolff 提出的骨骼形態(tài)與應力相適應的學說已被廣泛接受[17]。人體在年輕時，骨骼對應力的適應相對于老年更敏感，在個體間可能出現顯著差異[18]，影響因素可能包括運動量的大小，以及成骨細胞的活性及比例等。進入中年后，隨著年齡的增加，活動量大幅下降，骨骼自身成骨細胞與破骨細胞的比例降低，個體間的差異逐漸減小。本研究中，三具標本捐獻者均為中老年，且髖臼前壁和后壁的硬度值在個體間無顯著差異，從另一角度證實，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，也可以多個，并可合并臼緣關節(jié)面嵌壓，同時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 等認為，經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]認為應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，此類骨折同時還可伴有髂前下棘骨折塊。從骨質硬度角度分析，髖臼前壁各區(qū)域骨硬度并無顯著性差異，進一步證實前壁骨折時骨折塊大小、位置及數量的不同直接與暴力的大小、方向等相關。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基礎研究。

由于解剖上的特殊性，髖臼后壁在維持髖關節(jié)的穩(wěn)定中起著十分重要的作用，骨折后容易影響關節(jié)功能，如處理不當，后期可能出現創(chuàng)傷性關節(jié)炎等一系列并發(fā)癥[20]。生物力學研究表明，在后壁缺損＞50%的模型中，采用2枚4.0 mm松質骨螺釘、2枚松質骨螺釘+7孔3.5 mm普通重建板4枚螺釘固定、2枚松質骨螺釘+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]。結合本研究分析，相同應力作用下，不同內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性，同時提示較簡單的內固定方式即可獲得滿意的固定效果。依據本研究結果，研究設計與髖臼后壁彈性模量較一致的內固定物并結合簡化的內固定方式，可最大程度降低應力遮擋效應，促進骨折快速愈合，盡可能恢復關節(jié)面的平整，從而降低創(chuàng)傷性關節(jié)炎的發(fā)生率。

隨著3D 打印技術在外科領域的發(fā)展，臨床醫(yī)師治療髖關節(jié)疾病有了更多的選擇。本研究中髖臼前后壁硬度數據相對于彈性模量，是較容易測量及量化的指標，參照硬度指標及分布特征可設計出更接近正常髖臼骨硬度的接骨板、螺釘等內固定材料；同時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)，結合應力、骨小梁分布特征，分析得出，髖臼前后壁硬度一致的結構主要適應于髖關節(jié)穩(wěn)定性及應力的傳導。髖臼骨折因其解剖復雜，骨折類型較多，治療過程中的復位困難及預后不良易導致較高的致殘率，在修補髖臼前后壁時，不僅需考慮復原髖臼結構，也需考慮使用更偏向應力傳導的材料來填充。