髋部三角稳定重建理论指导构建髋部骨折治疗体系

徐高翔 李建涛 张浩 张里程 唐佩福

随着人口老龄化的日益严重，老年骨质疏松引起的髋部骨折人数逐年上升，预计2050年全球髋部骨折患者将达到630万[1]。由于老年髋部骨折患者常合并多种内科疾病，长期卧床可导致心力衰竭、坠积性肺炎、尿道感染等并发症，因此可危及患者生命。因此，尽早手术内固定治疗实现患者早日下地成为治疗的首选。然而，目前髋部骨折内固定术后失败率仍居高不下，其相关并发症所致的1年内病死率达36%[2-3]。因此，急需完善髋部力学结构认知，改善相关内固定设计和手术治疗理念，确保髋部骨折手术成功，进而促进患者早日下地。

一、髋部力学的认知历程

髋部力学结构的认知经历了一个缓慢的演变过程[4]：Ward[5]将髋部结构类比为路灯支架结构。之后,有人将髋部结构与Fairbairn crane结构进行比较，提出髋部呈悬臂梁样力学结构，并根据图形静力学与比例结构相结合的规则绘制了应力曲线[6]。Koch[7]对髋部的应力分布特征进行了全面的理论分析和安全系数估计，认为髋部应力分布与悬臂梁结构相似。Frost[8]提出骨组织中存在力学调控稳态机制，悬臂梁样结构是髋部骨组织力学调控后的产物。至此，悬臂梁结构作为髋部标准力学结构被广泛应用于指导髋部骨折内固定的研制和治疗理念的完善(图1)。

图1 骨折内固定的研制和治疗理念的完善 A 髋部结构和路灯类比 B 悬臂梁形态的费尔贝恩起重机及Culmann的力学分析图 C 对髋部的应力分布特征分析和安全系数估计 图2 髋部三角稳定原理示意：两张一压、三力互相制约的力学稳定结构

二、基于髋部力学的骨折治疗方式演变

1.转子间骨折的治疗:基于髋部悬臂梁样力学结构，角钢板等髓外固定系统得到研制并应用于转子间骨折治疗[9]。同时，内侧壁在髋部力学稳定中的作用被重点强调。然而，随着对髋部力学的逐步认识，人们发现角钢板等髓外固定器械为偏心样设计，具有较大偏心力矩，与髋部力学结构不匹配，导致髋内翻、头钉切出等器械相关并发症频发。此后，低偏心力矩的髓内固定系统成为研发重点，以Gammer钉、PFNA和Intertan等为代表的髓内钉被广泛应用于临床[10-12]。Gotfried[13]提出股骨外侧壁的概念，强调了外侧壁对于髋部力学稳定的重要作用。此后，内固定设计的改良和转子间骨折治疗理念的完善在一定程度上提高了治疗效果。然而，临床上发现内固定相关并发症发生率仍高达20.5%[14]。

2.股骨颈骨折治疗:股骨颈骨折根据年龄的不同，采取不同的治疗策略。老年股骨颈骨折治疗以关节置换为主，青壮年股骨颈骨折治疗则以内固定手术治疗为主。基于髋部悬臂梁力学结构，空心加压螺钉(cannulated compression screw，CCS)、动力髋螺钉固定系统(dynamic hip screw，DHS)、动力髁螺钉(dynamic condylar screw，DCS)及经皮加压钢板固定系统(percutaneous compression plate，PCCP)等内固定器械被研制并应用于股骨颈骨折的临床治疗[15]。同时，Gotfried等[16]提出股骨颈骨折治疗的阳性支撑与阴性支撑理念，强调髋部内侧结构有效恢复对髋部力学稳定的重要性。内固定形态和治疗理念的改善在一定程度上提升了股骨颈骨折的治疗效果。然而，现有内固定器械在治疗不稳定型股骨颈骨折时，术后骨不连、股骨头坏死、骨折端分离等并发症仍时有发生，其发生率高达10%～30%[17]。

髋部力学认知的进步所引导的内固定器械与治疗理念的改善明显提升了髋部骨折的手术治疗效果，但术后失败病例仍然频发。因此，对于髋部力学的分析和认知仍需完善。

三、髋部三角稳定重建理论

髋部的松质骨和皮质骨分别承受15%～53%和47%～85%应力载荷[18-19]。然而，以往髋部力学的认知主要基于松质骨小梁的形态探索，缺乏对于皮质骨的形态结构解析及人群范围验证，致使髋部力学认知尚不完善。基于骨的形态结构与功能相匹配的共识，Xu等[20]解析大量髋部解剖形态参数，总结髋部骨结构的走行规律，发现髋部的骨组织主要集中在内、外、上三个侧壁，在空间中呈现三角形样汇聚趋势，且通过力学分析得到有效验证。

有研究构建了髋部正位像骨量分布形态示量图，展现了髋部骨结构在力学优势平面的时空变化趋势，并通过结构力学计算推导出不同部位的力学负荷功能，量化了髋部三角形态的结构和功能关系，证实髋部三角形结构是由两张一压、三力互相制约的模式所构成的稳定结构(图2)：(1)内侧边，承受压应力，形成髋部悬臂梁构型的斜向支撑，极大地减少了结构的弯曲应力和挠度；如不完整将引起外侧边和上侧边弯矩显著增加。(2)外侧边，承受张应力，可有效阻挡生理载荷下股骨颈的滑动和偏转，从而实现骨折端稳定；如不完整将导致内侧边弯矩显著增加，甚至引起股骨颈骨折块的旋转不稳。(3)上侧边，承受张应力，连接内侧边和外侧边，使得髋部内、外侧结构共同抵抗生理载荷产生的弯矩；如不完整将显著增加内侧边的弯矩[20-22]。同时，基于366例髋部结构参数，对髋部的三角形结构进行量化分析和权重分配，证实该结构的同时存在可实现髋部弯矩的有效分散和平衡，降低弯矩载荷，任何一个侧壁断裂，都会相继引起三角结构的坍塌，导致力学失效。之后，通过系列失败病例的研究，发现各失败病例中构成髋部三角形态的内、外、上3个侧壁的结构完整性均未实现手术重建，从而引起髋部结构不稳，导致骨折固定治疗失败[23]。

通过髋部结构学分析、功能学分析和临床研究分析，髋部的力学结构呈三角形分布得到了理论和实践证实，该结构奠定了髋部力学稳定的基础[20-23]。据此提出了髋部三角稳定重建理论，强调三角稳定结构同时重建是获得坚强力学稳定的基础，是满足术后患者下地行走的结构前提，并以此指导髋部骨折治疗新体系的构建。

四、基于髋部三角稳定重建理论的髋部骨折治疗体系

基于髋部三角稳定重建理论，提出的髋部骨折的治疗原则是同时实现髋部三侧边的重建，通过降低内固定构件的内部应力(应变)，避免内固定的失效，并维持骨折端稳定。基于此，有研究设计了治疗髋部骨折的新型内固定器材，并提出相应治疗策略。针对股骨转子间骨折治疗，Li等[24]设计了三角形态的支撑髓内钉；其中内侧支撑钉实现髋部内侧壁的重建，上方的头钉实现上侧壁的重建，主钉实现髋部外侧壁的重建。力学分析证实，三角稳定重建理论指导设计的髓内钉，相较于DHS，力学强度提升5倍[24-25]。与PFNA相比，轴向刚度提升52%，极限载荷提升26.3%，扭转刚度提升182%[26]。该新型内固定器械拓宽了手术适应证，可以有效降低手术失败率。针对股骨颈骨折治疗，Chen等[17]设计的三角稳定固定系统包括髋部外侧锁定钢板、髋部解剖型内侧支撑钢板及配套的锁定螺钉。髋部外侧锁定钢板实现髋部三角形态上侧边和外侧边的结构重建，解剖型内侧支撑钢板实现三角形态内侧边的结构重建。该固定系统形成股骨颈骨折治疗后生理载荷下的低弯矩、自平衡的应力分布，实现骨折端和内固定的平衡稳定。该技术体系应用于30例股骨颈骨折术后骨不连患者。在12～60个月的随访过程中，所有患者均实现骨折愈合。最终患者 VAS 评分为(0.7±0.9)分，Harris 评分为(88.3±5.9)分，无相关并发症的发生[27]。该体系有望实现难治性股骨颈骨折骨不连患者的治愈，提高保髋成功率。

目前，解决老龄人口健康问题受到社会广泛重视。髋部骨折作为老年人群所面临的重要健康挑战，也为骨科同道开展临床工作提出了重大要求。髋部三角稳定重建理论构建了髋部骨折治疗体系，并为骨科领域探索了新的模式和路径。