李智勇 張奇 桑健 張英澤 田帥 王娟 劉躍駒 許斌
空心釘及股骨頭減壓植骨固定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究
李智勇張奇桑健張英澤田帥王娟劉躍駒許斌
【摘要】目的探討AO空心加壓螺釘、游離髂骨塊固定股骨頸骨折的生物力學(xué)特點,為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)。方法選用10對成人防腐股骨標(biāo)本,隨機分入植骨組和對照組。所有標(biāo)本均制成股骨頸骨折模型,解剖復(fù)位后,對照組采用3枚AO空心加壓螺釘固定,植骨組采用3枚AO空心加壓螺釘及游離髂骨塊固定,空心釘呈正等腰三角型分布,髂骨塊從大轉(zhuǎn)子向股骨頭前下方置入,與空心釘成30°角。所有標(biāo)本均應(yīng)用Electroforce 3520-AT生物力學(xué)實驗機進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)、抗壓、循環(huán)載荷及極限載荷實驗。結(jié)果抗扭轉(zhuǎn)實驗中使股骨頭扭轉(zhuǎn)3°和5°時,植骨組的扭矩值均大于對照組(P<0.05)??箟簩嶒炛性?00 N和1 000 N的垂直載荷下,植骨組位移值與對照組比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05) ;所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)實驗,無疲勞骨折、內(nèi)固定失敗出現(xiàn)。在最大載荷方面,植骨組的最大載荷平均為(2 583±354) N,對照組平均為(2 475±253) N,2組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論
成角度植入髂骨塊后,三枚空心加壓螺釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強,抗壓能力無改變,生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有降低。從生物力學(xué)的角度,此手術(shù)方法可用于臨床股骨頸骨折的治療。
【關(guān)鍵詞】股骨頸骨折;骨折固定術(shù);植骨;生物力學(xué)
項目來源:河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展支撐計劃項目(編號: 122777169)
作者單位: 050051石家莊市,河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院(李智勇、張奇、張英澤、田帥、王娟、劉躍駒、許斌) ;武警江蘇總隊衛(wèi)生隊(桑健)
E-mail: liyong99423@163.com
股骨頸骨折是臨床常見的創(chuàng)傷,多發(fā)生于老年人,尤其是老年女性。隨著世界人口老齡化的加劇,其發(fā)生率逐年上升[1]。盡管近年來手術(shù)方法及內(nèi)固定器械不斷改進(jìn),然而骨折不愈合及股骨頭壞死依然是股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后的主要并發(fā)癥,其發(fā)生率分別為10%~33%和24%[2]。游離骨塊植骨是減少術(shù)后并發(fā)癥的一種有效方法[3-6],目前臨床上常用的植骨方法有些需要切開關(guān)節(jié)囊在股骨頸前外側(cè)開槽[3],創(chuàng)傷比較大,有些因為生物力學(xué)穩(wěn)定性差術(shù)后需要石膏等外固定[5,6],影響患者術(shù)后髖關(guān)節(jié)的功能鍛煉。為了解決以上問題,本研究設(shè)計了股骨頭減壓植骨、空心釘固定股骨頸骨折的方法,并測試其生物力學(xué)穩(wěn)定性,為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù),報道如下。
1.1標(biāo)本的制備及保存10具經(jīng)甲醛防腐處理的成年尸體標(biāo)本,均為男性,年齡57~78歲,平均年齡62歲。通過肉眼觀察,正、側(cè)位X-射線檢查,證實全部標(biāo)本無風(fēng)濕、結(jié)核、腫瘤等病變及解剖學(xué)變異。采用雙能X-射線全身骨密度測量儀檢測10對股骨近端標(biāo)本的骨密度。將股骨及同側(cè)髂前上棘處包括內(nèi)外板的骨塊從每具尸體標(biāo)本取下,剝離附著于骨的軟組織。將取好備用的標(biāo)本置于0.9%氯化鈉溶液中浸濕,雙層密封袋包裹以防止標(biāo)本脫水,-20℃冷凍保存,實驗開始前6 h室溫下消融。
1.2骨折模型的制備及固定將每對股骨及同側(cè)的髂前上棘骨塊隨機分入植骨組和對照組。所有股骨標(biāo)本近端均保留25 cm,用擺鋸于股骨頸中部并垂直于股骨頸軸線鋸斷,造成骨折模型。所有標(biāo)本的固定均由同一術(shù)者在C型臂X線透視儀下完成。
1.2.1對照組:骨折解剖復(fù)位后應(yīng)用3枚直徑7.3 mm空心加壓螺釘固定,三枚空心釘呈正等腰三角型分布。見圖1。
1.2.2植骨組,解剖復(fù)位后,平行打入3根導(dǎo)針,呈正等腰三角型分布。由大轉(zhuǎn)子處向股骨頭前下方打入第4根導(dǎo)針,與其余導(dǎo)針約成30°角。測深、攻絲后,首先擰入遠(yuǎn)端2枚空心釘。用直徑2.0 mm克氏針由股骨近端外側(cè)向股骨頭方向鉆孔3個,分別位于股骨頭上、中、下1/3處,至股骨頭軟骨下0.5 cm。然后用直徑8.5 mm空心鉆沿第四根導(dǎo)針做一骨性隧道,過骨折線約1.5 cm。根據(jù)隧道的大小及深度修剪髂骨塊,保留外側(cè)及上方皮質(zhì),然后將骨塊打入骨性隧道,最后擰入近端空心釘。
1.3生物力學(xué)實驗標(biāo)本與夾具的固定:將股骨標(biāo)本遠(yuǎn)端固定于自制固定架中,使股骨與垂直面成25°夾角,前傾5°~10°,以模擬正常人單足站立時的負(fù)重情況[7],采用自制股骨頭扭轉(zhuǎn)固定架及股骨頭受力夾具進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗及垂直壓縮實驗。見圖1、2。
圖2 抗壓實驗
圖1 抗扭轉(zhuǎn)實驗
1.3.1抗扭轉(zhuǎn)實驗:將固定架固定于生物力學(xué)實驗機上,給予股骨頭垂直加載應(yīng)力至10 N后,以0.5°/s的速度將股骨頭順時針扭轉(zhuǎn)5°,記錄其扭轉(zhuǎn)3°,5°時的扭矩。
1.3.2抗垂直壓縮實驗:將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置,更換股骨頭固定夾具。首先給予股骨頭垂直加載100 N應(yīng)力,以消除股骨松弛,蠕變等時間效應(yīng)的影響。然后以20 N/s的速度垂直向下給予股骨頭加載應(yīng)力至1 000 N,記錄700 N,1 000 N時生物力學(xué)機顯示的位移數(shù)值。
1.3.3循環(huán)實驗:將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置。以頻率2 Hz,給予股骨頭加載700 N的交變壓應(yīng)力,加載方式為正弦波加載,做1 000個循環(huán)。完成后對標(biāo)本再次進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和垂直壓縮實驗,方法同上。
1.3.4最大垂直載荷實驗:最后以20 N/s的速度對標(biāo)本進(jìn)行垂直加載應(yīng)力,直至內(nèi)固定失敗。失敗的標(biāo)準(zhǔn)為:標(biāo)本出現(xiàn)骨折,股骨頸、股骨頭破裂,力位移曲線維持平直或下降,記錄內(nèi)固定失敗時的應(yīng)力。
1.4觀察指標(biāo)左、右側(cè)股骨標(biāo)本近端的骨密度值,垂直應(yīng)力為700 N及1 000 N時的位移值,股骨頭扭轉(zhuǎn)3°、5°時扭矩值及最大垂直載荷實驗中內(nèi)固定失敗時的應(yīng)力值。
2.12組骨密度比較經(jīng)雙能骨密度儀檢測,左側(cè)股骨近端標(biāo)本的骨密度為(0.87±0.16) g/cm2,右側(cè)為(0.89±0.13) g/cm2,左、右側(cè)標(biāo)本的骨密度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
2.22組最大載荷比較植骨組的最大載荷平均為(2 583±354) N,對照組平均為(2 475±253) N,2組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
2.32組不同垂直載荷下位移植比較2組循環(huán)實驗前后700、1 000 N下位移植比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表1。
表1 2組不同垂直載荷下的位移值 mm,±s
表1 2組不同垂直載荷下的位移值 mm,±s
載荷 植骨組 對照組 t值 P值循環(huán)實驗前(N) 700 0.32±0.02 0.31±0.01 1.44 0.18 1 000 0.42±0.01 0.41±0.02 0.85 0.42循環(huán)實驗后(N) 700 0.26±0.02 0.27±0.02 1.20 0.26 1 000 0.36±0.02 0.37±0.02 0.93 0.38
2.42組不同扭轉(zhuǎn)角度下扭矩值比較2組循環(huán)實驗前后3°、5°下的扭矩值比較,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表2。
表2 2組不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值 N·m,珋±s
表2 2組不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值 N·m,珋±s
扭轉(zhuǎn)角度 植骨組 對照組 t值 P值循環(huán)實驗前3° 10.440±1.529 9.548±1.457 5.27 0.001 5° 14.720±1.422 14.115±1.384 2.94 0.017循環(huán)實驗后3° 10.562±1.622 10.018±1.355 3.02 0.014 5° 14.468±1.430 13.941±1.186 2.84 0.020
骨折不愈合及股骨頭壞死是股骨頸骨折的兩大并發(fā)癥,至今尚未解決,因此股骨頸骨折有“不可能解決的骨折”之稱。植骨是降低股骨頸骨折術(shù)后并發(fā)癥的一種方法,包括帶肌蒂的骨塊移植、帶血管蒂的骨塊移植及游離骨塊移植等多種方法。Meyers等[8]和Baksi[9]較早采用了帶肌蒂的骨塊移植治療股骨頸骨折,但是這種方法創(chuàng)傷大,肌蒂提供的血供效果不確切,骨折不愈合率較高。帶血管蒂的骨塊移植治療股骨頸骨折臨床效果較好[10],但是創(chuàng)傷也比較大,而且需要臨床醫(yī)師具有豐富的微創(chuàng)血管吻合技術(shù),因此臨床應(yīng)用受到限制。相比之下,游離骨塊移植治療股骨頸骨折創(chuàng)傷小,能夠促進(jìn)骨折愈合、降低股骨頭壞死率,目前在臨床上取得了良好效果[3-6],然而這些方法有些需要切開關(guān)節(jié)囊,于股骨頸前外側(cè)開槽植骨,有些為了防止骨折二次移位,患者術(shù)后需采用髖關(guān)節(jié)石膏外固定或者持續(xù)牽引[5,6],這必然會影響患者髖關(guān)節(jié)的功能活動。為了解決以上植骨方法存在的弊端,本研究設(shè)計了一種新型植骨方法,并測試其生物力學(xué)穩(wěn)定性,以便正確有效地指導(dǎo)患者術(shù)后進(jìn)行功能鍛煉。
3.1股骨頭減壓植骨設(shè)計的原理及優(yōu)點
3.1.1絞汗原理: AO空心加壓釘能夠?qū)钦鄱思訅海湓诠晒穷i內(nèi)呈三角型分布使骨折端獲得良好的穩(wěn)定性,而且可以經(jīng)皮打入,創(chuàng)傷小,因此在國內(nèi)外已經(jīng)成為治療股骨頸骨折的首選方法。因此本研究設(shè)計的植骨方法采用了3枚空心釘及成角度植入的游離髂骨塊。雖然三枚空心釘呈“倒三角型”分布生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于“正三角型”分布[11],但是由于大轉(zhuǎn)子區(qū)域沒有足夠的空間同時容納2枚空心釘及髂骨塊,因此本研究中三枚空心釘布局呈“正三角型”分布。股骨頭的上后1/4是植入內(nèi)固定的危險區(qū)域,擰入螺釘或鉆孔會導(dǎo)致股骨頭內(nèi)的血運遭到嚴(yán)重破壞而出現(xiàn)股骨頭壞死[12],因此骨塊由大轉(zhuǎn)子向股骨頭的前下方向置入,而且股骨頭的前下方屬非負(fù)重區(qū),植入骨塊術(shù)后不會出現(xiàn)股骨頭塌陷。
3.1.2優(yōu)點:①空心釘及骨塊均可經(jīng)皮微創(chuàng)打入;②髂骨塊同時包含皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨,因此可促進(jìn)骨折愈合及股骨頭的再血管化,預(yù)防股骨頭壞死;③股骨頸骨折后由于骨折端出血,關(guān)節(jié)囊內(nèi)壓增高,股骨頭靜脈回流瘀滯,骨內(nèi)壓增高[13],而對股骨頭減壓可起到降低骨內(nèi)壓、預(yù)防股骨頭壞死的作用。
3.2實驗結(jié)果分析循環(huán)實驗前,在700 N及1 000 N的垂直應(yīng)力下,植骨組的位移大于對照組,而循環(huán)實驗后,植骨組的位移小于對照組,但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。這種改變的原因可能是由于在進(jìn)行循環(huán)實驗時,髂骨塊與股骨頸的松質(zhì)骨被壓實,因此循環(huán)實驗完成后,植骨組的位移反而小于對照組。然而2組比較所有數(shù)據(jù)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義,說明在植入骨塊后,在700 N及1 000 N的靜態(tài)壓力下空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有改變。
實驗結(jié)果顯示循環(huán)實驗前、后,使股骨頭扭轉(zhuǎn)3° 及5°時,植骨組所需扭矩均大于對照組,2組比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),說明股骨頸骨折采用空心釘固定后,成角度植入游離髂骨塊,其抗扭轉(zhuǎn)能力有了一定程度的增強。
所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)實驗,無疲勞骨折或者內(nèi)固定失敗出現(xiàn),說明成角度植入游離髂骨塊后,患者部分負(fù)重(700 N)下進(jìn)行功能鍛煉,空心釘固定股骨頸骨折的穩(wěn)定性不會降低。
植骨組承受的最大垂直應(yīng)力大于對照組,雖然差異無統(tǒng)計學(xué)意義,但是還是說明植骨塊對骨折端有一定的支撐作用。內(nèi)固定失敗時植骨組承受的垂直應(yīng)力為(2 583±354) N,約為正常人體重(70 kg)的3~4倍,足以承受術(shù)后患者部分負(fù)重下進(jìn)行功能鍛煉。
總之,成角度植入游離骨塊后,三枚空心釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強,而抗壓能力及極限載荷無改變。造成這種改變的原因是由于髂骨塊兩面帶有皮質(zhì),并與三枚空心釘呈一定角度,可以起到“生物釘”的作用,具有一定的支撐及防旋轉(zhuǎn)能力。
3.3本實驗設(shè)計的優(yōu)缺點為減少個體差異的影響,本研究采用配對研究。通過雙能X-線骨密度儀對所有股骨近端標(biāo)本進(jìn)行檢測,證實左右側(cè)標(biāo)本骨密度值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),這樣就排除了骨密度對實驗的影響。所有骨折均制作成頸中垂直于股骨頸模型[14],骨折面均較光滑,避免了粗糙的、不規(guī)則的骨折面對固定的影響,并且所有骨折均達(dá)解剖復(fù)位,這樣就把骨折端對實驗的影響降到最低。本實驗股骨標(biāo)本與垂直方向成25°,模擬正常人站立時股骨股骨頭的受力方向[15]。所有的手術(shù)操作均由臨床經(jīng)驗豐富的同一名骨科醫(yī)師完成,髂骨塊及空心釘均在X線透視儀下置入,最大限度的降低了系統(tǒng)誤差。本實驗的缺點包括: (1)標(biāo)本數(shù)量少,雖然本實驗采用配對研究,使每對標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)化具有可比性,但是小樣本的標(biāo)本仍然可能對實驗結(jié)果造成誤差; (2)使用防腐標(biāo)本; (3)沒有模擬髖部肌肉的如內(nèi)收肌、外展肌等的作用。
成角度植入髂骨塊后,三枚空心加壓螺釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強,抗壓能力無改變,生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有降低。從生物力學(xué)的角度,此手術(shù)方法可用于臨床股骨頸骨折的治療。
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(收稿日期:2014-11-12)
通訊作者:張奇,050051石家莊市,河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院;
doi:10.3969/j.issn.1002-7386.2015.10.016
【文章編號】1002-7386(2015) 10-1492-04
【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【中圖分類號】R 683.421