不同移位程度GardenⅠ型股骨颈骨折股骨近端力学的有限元分析

张成宝，余润泽，喻德富，陈涛，张彪，沈政，于水，许有军，陈鹏，王少华，徐仲林

(安徽省第二人民医院，合肥 230000)

股骨颈骨折是老年人常见的髋部骨折，约占全身骨折的3.58%[1]。近年来股骨颈骨折Garden分型引起了较大的争议[2,3]，Du等[4]通过对GardenⅠ型股骨颈骨折三维重建并测量其移位程度，发现大部分GardenⅠ型骨折存在空间移位及成角。股骨颈骨折术后最主要的并发症为股骨头坏死，其发生率为20%～40%[5]。近年来研究表明生物力学因素对骨折愈合及股骨头坏死有重要的影响[6]，而三维重建及有限元分析可以模拟股骨生物力学试验，将复杂的整体划分为有限个单元组成的集合体，为股骨近端的力学分析提供了可能[7]。笔者通过测量60例GardenⅠ型骨折患者的股骨头移位程度并建立患者健侧及患侧股骨近端有限元模型，探讨不同移位程度的GardenⅠ型骨折股骨近端力学特点，旨在为GardenⅠ型骨折临床治疗提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料 2017年7月～2019年5月于安徽省第二人民医院收集60例GardenⅠ型股骨颈骨折患者的术前双侧股骨近端多层螺旋CT扫描的薄层原始数据(层厚0.75 mm)和X线平片数据。患者年龄均大于18岁，入选前排除陈旧性骨折、病理性骨折、双侧骨折、肿瘤、畸形、骨质缺损等，由2名主治医师及2名影像科医师分别独立阅片并讨论后确诊，若分型无法达成一致，再由1名创伤领域专家进行最后决定。其中男27例、女33例，年龄19～88岁、平均54.7岁，左侧骨折31例、右侧骨折29例。

1.2 分析方法 将患者原始CT数据导入Mimics 10.01(比利时Materialise公司)软件，建立股骨近端模型。通过镜像功能将患侧与健侧配准并生成新图层，拟合股骨头为球体并寻找球心。于图层上分别标记健患侧股骨头球心及健患侧股骨头小凹最低点；计算股骨头空间移位距离、股骨头小凹最低点移位距离、股骨头空间偏转角度。见图1。

注：A为股骨近端X线平片；B为股骨近端CT冠状面；C为股骨近端配准后的正视图和俯视图；D为健患侧关键点标记，其中c1及c2分别为健患侧股骨头中心点，f1及f2分别为健患侧股骨头小凹最低点，D1为股骨头小凹最低点移位距离，D2为股骨头中心移位距离，α为空间夹角。

图1 GardenⅠ型骨折术前影像及空间移位情况

将原始CT数据导入Simpleware 6.0软件(英国SimplewareLtd公司)分离髋臼和股骨头建立股骨近端模型，按CT断层图像的灰度值赋予材料属性，建立内部填实的股骨近端有限元模型。将有限元网格模型导入Abaqus 6.12(美国HKS公司)软件，本研究对所有模型均加载2.38倍体重，相当于正常人缓慢行走时所受载荷[8]。根据股骨头中心点的垂线与髋臼外侧边缘的夹角(CE角)等解剖学参数，确定股骨头与髋臼的接触区域[9]，按HIP98应力数据库分别于三个方向(fx、fy、fz)对股骨头球心施加载荷，约束股骨远端所有节点的6个自由度为0。见图2。

注：A为患侧股骨近端有限元模型；B为患侧股骨近端应力云图整体观；C为患侧股骨近端冠状面应力云图。

图2 GardenⅠ型骨折术前有限元分析

按股骨头中心移位距离把患者分为0～5 mm组、>5～10 mm组、>10 mm组，按股骨头小凹最低点移位距离把患者分为0～7 mm组、>7～15 mm组、>15 mm组，按股骨头空间移位角度，把患者分为0°～10°组、>10°～20°组、>20°组。计算健侧患侧股骨近端应力峰值、最大等效应变值、冠状面最大位移。

2 结果

所有数据经Kolmogorov-Smirnov检验均符合正态分布。

2.1 股骨头移位情况 纳入的60例GardenⅠ型股骨颈骨折患者股骨头均存在不同程度的旋转移位，股骨头中心移位距离为1.37～15.97(7.57±3.73)mm；股骨头小凹最低点移位距离为3.49～17.96(9.56±3.75)mm；股骨头空间移位角度为2.80°～47.23°(9.56°±3.75°)。

2.2 不同移位程度股骨近端生物力学变化 患侧股骨近端应力峰值、最大等效应变值、冠状面最大位移随着股骨头空间移位参数增加而增加。其中股骨头中心移位距离为0～5 mm时，股骨头小凹移位距离为0～7 mm时，股骨头空间移位角度为0°～10°时，健患侧股骨近端各项有限元指标比较差异无统计学意义，其余各组差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表1～3。

表1 不同股骨头中心移位距离下股骨近端力学特点

表2 不同股骨头小凹最低点移位距离下股骨近端力学特点

表3 不同股骨头空间移位角度下股骨近端生物力学特点

3 讨论

目前临床上多采用闭合复位空心钉内固定治疗GardenⅠ型骨折[10]，然而据相关研究表明其术后二次手术率为10%～20%，不愈合率为10%，股骨头坏死率大约为20%[11,12]。内固定技术的发展并没有减少股骨颈骨折术后的二次手术率和股骨头坏死率。当前GardenⅠ型骨折的临床治疗仍然存在一定的争议，部分学者通过大样本回顾性分析发现GardenⅠ型骨折采用保守治疗的有效率高达66%，其中老年痴呆、多种内科合并症、既往反复跌倒史是保守治疗失败的危险因素，而对于认知功能较好且既往无反复跌伤史的GardenⅠ骨折患者保守治疗成功率高达88%[13]。然而亦有部分学者发现GardenⅠ骨折经过保守治疗后股骨头坏死率、骨折再次移位率、骨折不愈合率均较高[14]。且研究发现GardenⅠ骨折嵌插程度和股骨坏死密切相关，外翻嵌插型股骨颈骨折术后股骨头坏死及内固定失败风险较高。股骨头坏死是一个病理演变过程，应力作用下负重区骨小梁发生显微骨折，随后针对损伤骨组织修复，若造成骨坏死的原因不消除，修复不完善，损伤—修复的过程继续，最终导致股骨头结构改变、股骨头塌陷、变形等[16]。

目前股骨颈骨折Garden分型是最常用的，大多数股骨颈嵌插型骨折被归类为GardenⅠ型骨折，而已有学者发现部分股骨颈嵌插型骨折存在很大的空间移位及成角，因此临床医生需重新认识GardenⅠ型骨折，制定更为适宜的诊疗方案[4]。本研究结果表明,60例GardenⅠ型骨折患者股骨头均有不同程度的空间移位，这主要是由于Garden分型系统的提出是基于二维X线平片，二维图像上存在各关节部位的结构重叠，无法精确观察、测量到空间上骨折的移位情况，并对骨折块的精确位置、骨折线的空间走向、骨折端的旋转移位精确描述[16,17]。这同时也说明了GardenⅠ型骨折并非无移位的、不完全性骨折，而是存在一定程度空间移位的骨折类型，在临床治疗过程中需要医师详细了解骨折的移位程度，及时恢复颈干角、前倾角，矫正空间移位，争取达到解剖复位。

笔者发现患侧股骨近端应力峰值、最大等效应变值、冠状面最大位移随着股骨头空间移位参数增加而增加。正常股骨应力主要集中于股骨头-颈结合部下方，股骨近端由于颈干角及前倾角的存在，经股骨头传向股骨颈的载荷不在一条直线上，在股骨颈处产生了张力、压力及剪切力，股骨颈骨折后，骨折嵌插处出现应力集中，随着空间移位的增大，颈下方的应力逐渐减小，股骨头颈交界骨折线区应力集中更为明显。股骨颈骨折后，股骨近端骨小梁发生显微骨折，随着股骨头移位程度的增加，骨小梁排列及走形逐渐偏离正常，结构稳定性变差，骨强度降低，因此，随着股骨头移位程度的增加，患侧股骨颈嵌插处应变逐渐增大。骨折后股骨近端前倾角、颈干角发生改变，股骨近端稳定性变差，股骨近端冠状面最大位移增大。

本研究结果表明，在股骨头中心移位距离0～5 mm组，股骨头小凹最低点移位距离0～7 mm组，股骨头空间移位角度0°～10°组，健患侧各项有限元指标无统计学差异。因此需要从生物力学角度对GardenⅠ型骨折重新认识，建议按股骨头移位程度对GardenⅠ型骨折予以细化，移位程度较小的GardenⅠ型骨折生物力学性能改变较小，具有保守治疗理论上的可行性。然而本研究也存在一定的局限性：样本量过少；未考虑髋关节周围软组织包括肌肉和韧带对股骨近端合力的影响；薄层CT扫描图像质量有限，图像序列相关性较差，不能充分反映骨内部结构。因此，仍需进一步扩大样本量进行研究，同时由于有限元模型是对实际情况的近似模拟，实验结果对实际指导作用仍需进一步通过动物实验或临床观察证实。