绝经后髋部骨折患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标的相关性分析

曹向宇，徐丛，任江涛，徐飞，李嘉，戴海峰，王中新，孙勃

(1承德医学院附属医院，河北承德067000；2 承德县医院)

绝经后髋部骨折患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标的相关性分析

曹向宇1，徐丛1，任江涛1，徐飞1，李嘉1，戴海峰1，王中新2，孙勃1

(1承德医学院附属医院，河北承德067000；2 承德县医院)

目的 分析绝经后女性髋部骨折患者及男性患者股骨近端骨小梁类型指数(Singh指数)与股骨头承重区生物力学指标的相关性。方法 选择因股骨颈、转子间骨折行髋关节置换术的42例患者，其中男21例、女21例(绝经≥1年)，术前均行X线片测算Singh指数，术中留取股骨头主要承重区，测量其应力、弹性模量等生物力学性能指标，采用Spearman相关性分析法分析患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标的相关性。結果 42例髋部骨折患者患者Singh指数分级为Ⅰ级1例、Ⅱ级13例、Ⅲ级14例、Ⅳ级10例、Ⅴ级3例、Ⅵ级1例； 其中男性患者分级为Ⅰ级0例、Ⅱ级4例、Ⅲ级6例、Ⅳ级7例、Ⅴ级3例、Ⅵ级1例；女性患者分级为Ⅰ级1例、Ⅱ级9例、Ⅲ级8例、Ⅳ级3例、Ⅴ级0例、Ⅵ级0例。女性患者Singh指数分级低于男性(P<0.05)。42例髋部骨折患者的骨极限应力为(14.09±1.31)Pa,男性和女性分别为(15.93±1.15)、(12.26±1.03)Pa，二者比较，P<0.05。42例患者弹性模量(128.32±21.36)MPa，男性和女性患者分别为(143.58±25.26)、(113.06±19.52)MPa，二者比较，P<0.05。Spearman相关性分析显示，42例髋部骨折患者患者的Singh指数分级与骨极限应力呈正相关(r=0.884，P<0.001)。男性、女性Singh指数分级与骨极限应力均呈正相关(r分别为0.934，0.838；P均<0.001)。42例髋部骨折患者患者的Singh指数分级与弹性模量呈正相关(r=0.734，P<0.001)。男性、女性Singh指数分级与弹性模量均呈正相关(r分别为0.832，0.580；P均<0.001)。结论 绝经后女性髋部骨折患者Singh指数分级与骨极限应力、弹性模量呈正相关。绝经后女性髋部骨折患者可根据Singh指数分级推断股骨头承重区骨的生物力学情况。

股骨颈骨折；股骨转子间骨折；绝经期；女性；股骨近端骨小梁类型指数；生物力学性能指标；骨极限应力；弹性模量

目前骨质疏松症(OP)的发病率仅次于心血管疾病，已经成为危害中老年人健康的慢性疾病[1]。既往研究[2]发现，女性OP发病率要高于男性。OP最常见的并发症为骨折，其中以髋部骨折最为常见[3]。手术治疗是治疗髋部骨折的常用方法，患者股骨近端的骨质量是评估手术成功与否的重要因素之一。但由于对骨质量的直接测量存在困难，临床上常利用间接方法进行预测。股骨头承重区生物力学指标，主要包括骨极限应力、弹性模量,是目前临床常用的骨质量预测指标。股骨近端骨小梁类型指数又称Singh指数，是X线平片判断股骨近端骨丢失的半定量形态学指标，是诊断OP较理想的辅助方法之一，其重复性好，误差率低，与骨密度测量、髂骨活检骨定量分析等指标相关性好。有学者[4]认为Singh指数与骨力学性能有正相关性，但仍存在一定争议。目前关于绝经后髋部骨折患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标的报道较少。本研究测量了42例因股骨颈、转子间骨折行髋关节置换术的42例患者的Singh指数，分析髋部骨折患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标的相关性，旨在为绝经后髋部骨折患者Singh指数与股骨头承重区生物力学指标。现将结果报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择2013年5月～2014年3月间承德医学院附属医院收治的临床股骨颈骨折及转子间骨折患者42例，患者中男21例、女21例，年龄48～84岁，平均68.45岁；男性年龄48～81岁，平均68.52岁，女性51～84岁，平均68.38岁。所有患者均行髋关节置换术，术中保留股骨头组织，受伤至手术时间在2周内，女性患者受伤时绝经≥1年。纳入标准：①无肿瘤、结核、放化疗史；②无内分泌、骨代谢相关疾病(如糖尿病、甲亢、慢性肾病等)；③无子宫、卵巢切除者；④无心脑血管疾病引起严重后遗症。本研究已取得我院医学伦理委员会批准，所有患者和家属知情同意并签署知情同意书。

1.2 Singh指数测算方法 42例患者均留取术前骨盆X线平片，均由同一影像科医师在同一X光机相同条件下留取。三位高年资骨科医师对患者健侧股骨近端骨小梁数量、结构变化按Singh指数标准[5]进行Singh分级。分级前均未告知医师患者年龄、性别等。

1.3 股骨头承重区生物力学指标测算 取术中保留股骨头组织标本，留取股骨头承重区10 mm×10 mm×15 mm的松质骨柱，采用RGT-20A全数字电子万能试验机做纵向力学压缩试验，测试股骨头承重区生物力学指标，主要包括骨极限应力、弹性模量。加载速度为0.8 mm/min，最大加载压力为3 000 N，压缩实验通过上下两个圆形压缩平台完成，试验结果通过连在上位压缩平台的传感器直接传送到相应计算机中完成，极限应力、弹性模量参数值由计算输出设备连续自动输出。骨应力描述骨骼受力后的内部效应，当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力。骨应力的大小为骨标本单位面积上承受的载荷值，单位为Pascal (1 Pa=1 N/m2)；弹性模量表示材料的内在硬度，在应力-应变曲线上为弹性区的斜率。所有标本生物力学结果都根据下面公式得出：应力=载荷/受力面积，弹性模量=应力/应变。

2 结果

42例髋部骨折患者Singh指数分级为Ⅰ级1例、Ⅱ级13例、Ⅲ级14例、Ⅳ级10例、Ⅴ级3例、Ⅵ级1例； 其中男性Ⅰ级0例、Ⅱ级4例、Ⅲ级6例、Ⅳ级7例、Ⅴ级3例、Ⅵ级1例；女性为Ⅰ级1例、Ⅱ级9例、Ⅲ级8例、Ⅳ级3例、Ⅴ级0例、Ⅵ级0例。绝经后女性髋部骨折患者Singh指数分级低于男性(P<0.05)。

42例髋部骨折患者的骨极限应力为(14.09±1.31)Pa,其中男性为(15.93±1.15)Pa、绝经后女性为(12.26±1.03)Pa，二者比较，P<0.05。42例患者的弹性模量(128.32±21.36)MPa，其中男性为(143.58±25.26)MPa、女性为(113.06±19.52)MPa，二者比较，P<0.05。

Spearman相关性分析显示，42例患者的Singh指数分级与骨极限应力呈正相关(r=0.884，P<0.001)。男性、女性Singh指数分级与骨极限应力均呈正相关(r分别为0.934、0.838,P均<0.001)。见图1。

注：A为总体Singh指数与骨极限应力的相关性分析曲线；B为男性Singh指数与骨极限应力的相关性分析曲线；C为女性Singh指数与骨极限应力的相关性分析曲线。

图1 42例患者的Singh指数分级与骨极限应力的相关性分析曲线

Spearman相关性分析显示，42例患者的Singh指数分级与弹性模量呈正相关(r=0.734，P<0.001)。男性、女性Singh指数分级与弹性模量均呈正相关(r分别为0.832，0.580；P均<0.001)。见图2。

注：A为总体Singh指数与弹性模量的相关性分析曲线；B为男性Singh指数与弹性模量的相关性分析曲线；C为女性Singh指数与弹性模量的相关性分析曲线。

图2 42例患者的Singh指数分级与弹性模量的相关性分析曲线

3 讨论

髋部骨折为OP的严重并发症，在中老年人群中发病率高，其骨折后1年的病死率高达13%～20%[6]。髋部骨折患者常伴随着严重的并发症发生，其中下肢静脉血栓和肺栓塞是老年骨质疏松性髋部骨折患者作为常见的并发症之一，对老年人的健康产生了严重的威胁[7]。为了预防骨折畸形愈合、患肢短缩以及长期卧床导致褥疮、坠积性肺炎、深静脉血栓等并发症，手术已成为髋部骨折的首选治疗方式。在髋部骨折手术方式选择上，除了骨折类型、受伤机制、年龄，更重要的是骨的力学强度。为减少术后因内固定松动和股骨头塌陷、坏死等并发症的出现，术前对股骨头骨质结构[8]和力学强度[9]进行深入了解就显得十分重要，因此对它们的研究有着重要的实用价值。本研究采用离体股骨头作为研究对象，进行应力、弹性模量等指标测定，与尸体研究相比较能更准确评估股骨近端骨小梁生物力学特性。

OP患者的骨折风险取决于骨负载量和骨强度，骨强度则与骨量、骨组织结构生物力学特性相关。在生理载荷下，应力由股骨头经主压力骨小梁和股骨距向股骨干传导，股骨颈的主张力骨小梁、主压力骨小梁和股骨距是决定股骨近端生物力学特征的主要结构。Singh指数是根据股骨近端骨小梁的形态变化对骨量变化进行评估的一种评价方法，在临床上常用来了解骨强度及骨质疏松情况[10]。Singh指数的主要的评价标准是根据张力骨小梁、压力骨小梁以及大粗隆骨小梁的多小而进行决定的[11]。它将股骨近段骨小梁分主压力、主张力、次级压力、次级张力和大粗隆小梁5组, 并根据骨小梁分布、发生骨吸收的顺序和程度将其分为6级以判断骨强度。其中Singh指数分级越高表示骨小梁数量、骨小梁厚度及骨小梁连接性越高，因此骨强度越大。诊断骨质疏松的金标准是看骨密度，由于骨密度与骨强度具有正相关性，因此一般认为Singh指数与骨密度也具有一定的相关性，能够反映患者骨质疏松的情况，普遍认为Singh指数为Ⅳ级是诊断OP的阈值[12]。Singh指数分级越低则表明OP病理程度越严重[13]。因此，Singh指数能够作为一种预测手段在对骨质疏松及骨质风险的初步预测中应用。Singh指数符合机体骨小梁吸收和消失的规律。彭静等[14]通过对16例低能量创伤导致的股骨颈骨折的骨折区骨微结构变化研究显示，骨质疏松的髋部骨折区张力侧骨小梁微结构明显破坏，导致了股骨颈外侧区域力学性能减低。郝玮等[15]对100例60岁以上新鲜髋部骨折患者分析表明，老年髋部骨折患者Singh指数与尿脱氧吡啶啉与肌酐比值呈负相关，能反应出全身骨质的丢失。

本研究结果显示，42例髋部骨折患者中绝经后女性髋部骨折患者Singh指数分级低于男性，绝经后女性髋部骨折患者的骨极限应力和弹性模量与男性患者相比均明显降低。42例髋部骨折患者的Singh指数分级与骨极限应力呈正相关，男性、女性Singh指数分级与骨极限应力均呈正相关。42例髋部骨折患者患者的Singh指数分级与弹性模量呈正相关，男性、女性Singh指数分级与弹性模量均呈正相关。说明髋部骨折患者的骨极限应力和弹性模量均随着Singh指数增加而增高，这表明Singh指数能较好的反应股骨近端生物力学特性，随着股骨近端骨小梁的丢失，其生物力学性能也相应减低，充分体现了Woff定律结构与功能的统一性，反应出骨质疏松骨强度进行性下降的规律。该结果与Wachter等[16]研究理论一致。他们对34例髋关节置换术中股骨颈标本的研究中发现，Singh指数与股骨近端松质骨压力之间存在相关性，并认为Singh指数可以较好的估计股骨近端松质骨质量。本研究共纳入42例患者，其中男性患Singh指数平均级数为3.571级，女性患者的平均级数为2.619级，女性分度较男性偏低。女性患者组Singh指数与应力的双变骨量相关性较男性患者相关性低，但差异无统计学意义。其原因可能是女性患者均位于围绝经期，此期间女性雌激素快速下降，骨丢失现象严重，导致Singh指数改变规律性差[17]。

综上所述，绝经后女性髋部骨折患者的骨极限应力和弹性模量与男性患者相比均出现明显下降，其Singh指数分级与骨极限应力、弹性模量呈正相关，男性患者的Singh指数分级与骨极限应力、弹性模量也呈正相关。绝经后女性髋部骨折患者可根据Singh指数分级推断股骨头承重区骨的生物力学情况。但本研究还存在以下不足：本研究所选择的数据中未能囊或所有的Singh指数分型，这可能造成一定数据偏倚，今后将扩大样本量做进一步的研究。

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Corrlation of Singh index with biomechanics properties in main bearing area of femoral head in postmenopausal women with hip fracture

CAOXiangyu1,XUCong,RENJiangtao,XUFei,LIJia,DAIHaifeng,WANGZhongxin,SUNBo

(1AffiliatedHospitalofChengdeMedicalUniversity,Chengde067000,China)

Objective To analyze the correlation between the Singh index and the biomechanical properties of femoral head bearing area in postmenopausal women and men with hip fracture. Methods Forty-two patients with femoral neck fracture or intertrochanteric fracture including 21 males and 21 postmenopausal women (menopause≥1 year)

total hip replacement. Singh index (SI) was calculated before the operation. Main bearing region of the femoral head was collected to detect the biomechanical properties about stress and elastic modulus. The correlation between the Singh index and the biomechanical properties of femoral head bearing area was analyzed by Spearman analysis. Results In 42 cases of patients, there was 1 case of SI grade Ⅰ, 13 cases of grade Ⅱ, 14 cases of grade Ⅲ , 10 cases of grade Ⅳ, 3 cases of grade Ⅴ, and 1 case of grade Ⅵ, including 0 case of grade Ⅰ, 4 cases of grade Ⅱ, 6 cases of grade Ⅲ, 7 cases of grade Ⅳ, 3 cases of grade Ⅴ and 1 case of grade Ⅵ in males, and 1 case of grade Ⅰ, 9 cases of grade Ⅱ, 8 cases of grade Ⅲ, 3 cases of grade Ⅳ, 0 cases of grade Ⅴ and 0 case of grade Ⅵ in females. The SI of females was lower than that of males (P<0.05). The bivariate of stress in 42 patients with hip fracture was (14.09±1.31) Pa, and the bivariate of stress of females [(12.26±1.03) Pa] was lower than that of males [(15.93±1.15) Pa] (P<0.05). The bivariate of elastic modulus of 42 patients was (128.32±21.36) MPa, and the bivariate of elastic modulus of females [(113.06±19.52) MPa] was lower than that of males [(143.58±25.26) MPa] (P<0.05). Spearman rank correlation analysis showed that the SI was positively correlated with the bivariate of stress in 42 patients with hip fracture (r=0.884,P<0.001). Meanwhile, the SI was positively correlated with the bivariate of stress in males and females (r=0.934, 0.838; allP<0.001). Spearman rank correlation analysis showed that the SI was positively correlated with the bivariate of elastic modulus in 42 patients with hip fracture (r=0.734,P<0.001). Meanwhile, the SI was positively correlated with the bivariate of elastic modulus in males and females (r=0.832, 0.580; allP<0.001).Conclusions The Singh index grading is positively correlated with the bivariate of stress and bivariate of elastic modulus in postmenopausal women with hip fracture. Therefore, we can infer the biomechanical properties of the femoral head bearing region according to the Singh index.

femoral neck fracture; intertrochanteric fracture; menopause; female; Singh index; biomechanics; limiting stress; internal fixation; elasticity modulus

河北省医学研究重点课题计划项目(20150017)。

曹向宇(1980-)，男，硕士，主治医师，主要研究方向为关节外科。E-mail: caoxiangyudr@163.com

徐丛(1975-)，男，硕士，副主任医师，主要研究方向为关节外科。E-mail: xucdr1975@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.19.006

R648

A

1002-266X(2017)19-0021-04

2017-01-22)