三种空心钉固定方法治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学研究

郭仕鑫,陈伟兵

上海市第六人民医院金山分院骨科,上海 201599

股骨颈骨折是髋关节损伤中较为常见的骨折之一,具有较高的发病率,约为52%[1],多见于中老年人群。研究指出[2]髋部骨折造成中老年人病死率可达20%～30%,且术后出现骨折不愈合、股骨头坏死等并发症,严重威胁老年人健康与安全。基于此,选择合适的手术治疗具有重大意义。空心钉内固定是目前治疗股骨颈骨折的重要方式之一[3],以其创伤小、出血量较少、固定效果良好等优势在临床不断普及。但内固定过程中如何布钉、空心螺钉数量的确定仍存在争议[4]。既往研究中多采用空心螺钉倒三角形分布,取得较好的固定效果[5]。近几年研究发现[6-8]倒三角形分布固定术后内固定失败、骨不愈合发生率较高;菱形分布、阿尔法分布、倒三角分布结合内侧支撑钢板等方法提高了固定强度,具有更好的生物力学表现。本研究采用菱形分布螺钉固定、3枚空心钉结合内侧支撑钢板固定、阿尔法分布螺钉固定方式进行生物力学研究,分析三种内固定方式生物力学特点,以期为临床治疗提供参考。

材料与方法

1 实验仪器及材料

Instron 5569万能材料试验仪(型号:Instron 5569,英斯特朗试验设备贸易有限公司)、MTS电子扭转试验机(型号:CTT1103,美特斯工业系统有限公司)、定制化股骨颈骨折测力平台(上海市第六人民医院生物力学实验室)、人工股骨模型(型号:FZGG,上海盈诺实业有限公司)、空心螺钉及重建钢板(型号:空心钉7.3mm,重建钢板6孔2.7mm,河北擎纳商贸有限公司)。

2 骨折模型制作及固定

参考Giordano等[9]的研究制作PauwelsⅢ型股骨颈骨折模型,用摆锯和量角器将标本人为制成股骨颈骨折模型,其Pauwels角为70°。将制备好的18个模型编号后用随机数字表法随机分为A、B、C三组,每组6个。A组将4枚6.5mm空心钉按菱形分布平行于股骨颈分散置入,螺钉长度以螺钉顶部至股骨头下软骨下骨为标准;B组将3枚空心螺钉呈倒三角形平行于股骨颈置入,用1块6孔重建钢板塑形后置入股骨颈内侧;C组将3枚6.5mm的空心螺钉平行于股骨颈,呈倒三角形置入,然后从大转子外侧水平置入1枚6.5mm空心螺钉。置钉前通过Mimics17.0软件模拟螺钉在股骨中的位置设计置钉导板,通过3D打印技术制作导板,使用导板精确置钉保证组内样本的一致性(图1)。

图1 三组固定方法及导板。 a.菱形分布螺钉固定;b.3枚空心钉结合内侧支撑钢板固定;c.阿尔法分布螺钉固定;d.3D打印导板

3 生物力学实验

将实验样本放置在定制化股骨颈骨折测量平台上,下端固定,上端采用凹型夹具模拟髋关节盂加载形式,施加在股骨头上(图2)。轴向静力学实验时,预载荷为10N,加载速度为5mm/min,载荷上限为2 000N;扭转静力学实验时,预载荷为0.5Nm,扭转速度为15°/min,扭转至10°停止。首先进行扭转静力学加载,当样本扭转至10°时停止,记录扭转加载时的扭矩-转角曲线,计算得到弹性结果样本的扭转刚度;然后将样本放置于轴向静力学特制夹具,进行轴向静力学加载,以5mm/min的加载速度,加载至样本断裂或者至2 000N加载上限停止,得到载荷-位移曲线,根据弹性阶段计算刚度,根据屈服载荷确定样本失效载荷。

图2 生物力学实验。 a.轴向静力学实验;b扭转静力学实验

4 统计学分析

结 果

三组轴向刚度、扭转刚度比较差异有统计学意义(P均<0.05),失效载荷比较差异无统计学意义(P>0.05)。两两比较B组及C组失效载荷优于A组,组间比较差异有统计学意义(P<0.05),B组与C组组间比较差异无统计学意义(P=0.921)。见表1、2。

表1 A、B、C三组生物力学实验结果

表2 失效载荷两两比较结果(n=6)

讨 论

股骨颈骨折是髋部骨折之一,具有较高发病率,不仅会影响患者活动功能,严重时会造成患者关节活动缺失、长期卧床,进而诱发骨质疏松、深静脉血栓等综合性并发症[10],甚至威胁患者生命。其治疗主要以解剖复位、坚强内固定为原则[11]。既往临床主要以动力髋螺钉固定、牵引固定等方式进行治疗,但上述内固定方式均会对患者股骨颈的血供造成影响,从而影响治疗效果。目前临床多以空心螺钉内固定治疗为主[12],具有操作简便、微创、内固定效果好等优势。随着空心螺钉固定技术的不断改进与发展,临床设计出多种螺钉空间构型[13]。文献指出[14]空心螺钉的数量与排列方式均对手术效果影响深远。既往研究中证实[15]空心螺钉倒三角形分布与正三角分布相比,固定效果更佳,患者髋关节恢复更好。

有限元分析研究[16]表明菱形分布螺钉相比倒三角分布可以更加有效地分散应力,提高固定的抗扭转能力,分布在上方的空心螺钉对骨折端的控制能力强,在保证滑动加压的同时可以减少骨折端的压缩,进而预防术后股骨颈的短缩。PauwelsⅢ型股骨颈骨折线与水平线的夹角较大,相比于PauwelsⅠ型股骨颈骨折其造成内翻畸形的可能性更大,因此螺钉固定的抗剪切能力是固定牢固的主要因素。菱形分布相比倒三角分布增加了1枚螺钉,在抗剪切应力方面具有更好的表现,但增加的螺钉会加重股骨头骨质破坏影响股骨头血供[17]。王照东等[18]采用菱形螺钉固定和倒三角螺钉固定治疗38例青壮年股骨颈骨折患者,结果表明菱形空心螺钉置钉方式近期疗效明确,固定稳定性强,应力分散,可有效减少术后股骨颈短缩、骨折不愈合、股骨头坏死等并发症的发生。菱形固定术后股骨头坏死并发症发生率低于倒三角固定可能是因为骨内滋养动脉在骨折发生的同时已经损伤。后上支持带与前支持带动脉位于支持带滑膜下,紧贴骨面,极易损伤,而后下支持带动脉成为股骨颈骨折后可能残留的血供[19],在股骨头内置钉对残留血供影响较小。

Mir和Collinge[20]提出在Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的内侧放置1块钢板,可作为支撑钢板对抗剪切应用,并将骨折端剪切应力转化为压力,他们认为这种固定方式理论上可以降低由骨折端移位引起的并发症发生率。生物力学实验表明相比单独使用螺钉,使用内侧支撑钢板可以明显提高抵抗轴向压力的能力[9]。Ye等[21]采用内侧支撑钢板结合3枚空心钉治疗28例PauwelsⅢ型股骨颈骨折,其中2例出现股骨颈短缩,所有患者没有出现股骨头坏死,愈合率89%,高于以往文献报道的愈合率。尽管该研究随访时间短(平均随访时间13.6个月),但初步结果表明使用内侧支撑钢板相比单独使用空心钉可以提高愈合率,并且没有增加内固定相关并发症及股骨头坏死的发生率。

平行分布的空心钉与股骨颈骨折线呈锐角,螺钉产生的拉力无法有效对抗骨折端的剪切力,且平行分布具有滑动效应允许骨折端沿螺钉滑动,可以促进骨折端的再移位。阿尔法固定中横行的螺钉与股骨颈骨折线夹角更大接近垂直,可以对骨折端产生更大的拉力来对抗骨折端的剪切力。术中首先置入横行螺钉对骨折端加压可以帮助维持复位,防止术中复位丢失。此外横行螺钉位于富含松质骨的股骨颈下端,更接近股骨距,可以有更好的把持力,这些特点使阿尔法固定比平行的空心钉固定具有更好的生物力学效果。Jiang等[7]回顾性分析了157例股骨颈骨折,97例采用平行螺钉固定,60例采用阿尔法螺钉固定,结果显示阿尔法固定出现股骨颈短缩、骨折不愈合、股骨头坏死、再手术的可能性更低。

本次研究通过生物力学实验发现菱形分布螺钉具有更好的抗扭转能力,这可能因为菱形螺钉在股骨颈中分布更分散,更有利于对抗骨折端的扭转应力。空心钉结合内侧支撑钢板、阿尔法分布螺钉固定轴向刚度及失效载荷更高,表明这两种固定方法的抗剪切能力更强,其中后者又优于前者。空心钉结合内侧支撑钢板具有适中的抗扭及抗剪切能力,但手术需作额外切口来放置钢板,增加了手术时间及手术创伤。本研究还存一定局限性:(1)实验选用人工股骨作为实验样本,与真实人体骨骼有差异,不能完全反映骨折力学实验实际情况;(2)选用的样本数量较少,可能存在一定的统计学误差;(3)生物力学实验未考虑髋关节周围肌肉等软组织因素的影响,可能与实际临床不完全一致。

作者贡献声明：郭仕鑫:资料收集、论文撰写、文献检索、研究(内容)设计;陈伟兵:研究指导、论文修改及审校