改良术式治疗中青年股骨颈骨折并发骨坏死预防塌陷的临床及力学分析

【摘要】背景：创伤性股骨头坏死(trauma-inducedosteonecrosisofthefemoralhead,TONFH)是中青年股骨颈骨折后较为严重的并发症,并伴随交通、高空坠落等高能量损伤的增加,呈现出上升趋势。临床对创伤性股骨头坏死的预防和治疗,多针对引起坏死的影响因素,疗效一般,股骨头坏死率仍维持在40～80%左右,坏死后1-3年的塌陷率更是高达70%～80%。随着近些年来的内固定技术和内固定材料的更新,骨折不愈合已基本解决。据文献报道和临床观察,股骨颈骨折后股骨头坏死几乎是不可避免,如何找到一种更有效的方法,避免股骨头坏死后的塌陷,目前学术界尚未达成一致意见,因此中青年股骨颈骨折也被称为“尚未治愈的骨折”。我们前期在治疗早期股骨头坏死中应用打压植骨同种异体腓骨支撑取得良好疗效。本研究拟通过探讨空心钉联合同种异体腓骨内固定(以下简称：改良术式)对中青年股骨颈骨折并发骨坏死后塌陷的影响,进行临床回顾和生物力学有限元分析,以期望能够找到针对塌陷问题人为可以控制的部分因素。目的：通过临床回顾性分析改良术式配合中药治疗中青年股骨颈骨折临床疗效；通过三维有限元模型分析改良术式对中青年股骨颈骨折并发股骨头坏死后塌陷预防和治疗的生物力学机制。方法：1临床回顾性研究1.1研究对象：根据广州中医药大学第一附属医院关节骨科2006年1月～2010年1月收治住院手术的患者,共纳入80例80髋,男54例(54髋),女26例(26髋),年龄18-60岁,平均40.34±13.03岁,均为闭合性骨折,左髋32例,右髋48例。经X线及CT检查确诊,其中GardenⅠ型6例,GardenⅡ型11例,GardenⅢ型23例,GardenⅣ型40例。受伤至手术时问1～12d,平均平均3.73±2.64d。随访48～84个月,平均63.07±14.96个月。1.2治疗方法：①手术方法：所有患者均采用改良术式治疗。②药物治疗：术后口服复方生脉成骨胶囊4粒/次,3次/天和川芎嗪片100mg/次,3次／天,常规服用3个月。如发现坏死继续服药治疗1.5-2年。1.3观察影响股骨颈骨折后股骨头坏死、塌陷的危险因素：①由导师回顾分析原始骨折x线片,进行骨折分型。并分析患者的年龄、性别、骨折分型、骨折复位时间、复位程度等,采用单因素分析和二分类Logistic回归分析各个因素与股骨头坏死及其坏死后塌陷的相关性。②股骨颈骨折后末次随访股骨头坏死分期：参照国际骨循环研究会(ARCO)骨坏死分期标准,其中ARCOⅠ期5例,稳定Ⅱ期10例,不稳定Ⅱ期12例。③坏死的范围：参照坏死区体积百分比(坏死区域体积/整个股骨头体积)准确的表达出坏死区域。收集患者MRI图像数据,利用Mimics15.01软件基于DICOM图像数据建立坏死区三维模型,根据股骨头半径和坏死区模型体积,求出坏死体积比。把坏死体积大于40%为风险值,其中≤30%6髋,31%-40%12髋,>40%9髋。④坏死的位置：根据Steinberg的改良正蛙位分型法,其中正位：A型0例,B型4例,C1型12例,C2型11例；蛙位：A型0例,B型6例,C1型15例,C2型6例。1.4术后随访及相关疗效评价1.4.1术后随访：术后进行回顾性随访,向每位患者发放调查问卷,患者末次随访平均63.07±14.96个月。1.4.2影像学评估①骨折不愈合：术后达到或超过8个月,X线片仍可见到清晰骨折间隙。②股骨头坏死进展程度检测：使用改良Nishii法,同心圆模板测量,间距0.5mm,根据X线双髋正位片确定股骨头中心点,测定股骨头半径r,根据股骨头中心点垂直线,测股骨头中心点到股骨头顶距离d,塌陷程度：φ=r-d。共分为3级:A:<2mm;B:2-4mm;C>4mm。③坏死区修复：(1)坏死区骨密度的变化；(2)囊性变(透亮区)出现的位置；(3)新月征的范围和分布；(4)坏死区周围的硬化带是否模糊、消失。④头臼关系是否和谐：(1)股骨头的外形是否保持类球形形态；(2)头臼是否保持同心圆关系(Harris定律)。⑤关节是否稳定：观察术后末次随访时的Shenton线是否连续。⑥坏死区硬化带分布类型：根据正蛙位X线片观察硬化带分布范围：A型：软骨下骨有连续性硬化带；B型：有硬化带但没延续到软骨下骨；C型：不连续性硬化带延伸到软骨下骨；D型：没有硬化带形成。⑦前外侧柱重建程度：植入的同种异体腓骨顶端位置分布,及其与软骨下骨或股骨头外侧柱骨质焊接情况(软骨下骨密度均匀增高或有明显连续性骨小梁相连接)。分为四个等级：优：前外侧柱完全重建,腓骨远端完全在前外侧柱内,腓骨远端皮质模糊并与正蛙位周围骨质焊接充分；良：前外侧柱重建50%,腓骨远端正位或蛙位在前外侧柱内,腓骨远端皮质轻度模糊并与正位或蛙位周围骨质部分焊接；差：前外侧柱重建<50%,腓骨远端正蛙位都不在前外侧柱内,腓骨远端皮质清晰且与正位或蛙位周围骨质没有焊接。⑧术后复位质量：参照1971年Garden提出的评价股骨颈骨折复位质量的方法,即复位后的Garden指数分为4级。1.4.3临床疗效评估①Harris评分：参照Harris评分系统；②FPS-R疼痛评分；③SF-36量表评分(生活质量评分)。2.生物力学有限元实验研究2.1三维有限元模型建立和分析(1)获取影像资料从临床影像工作站获取个体患者DICOM格式的CT数据。(2)运用Mimics10.01软件基于CT资料建立半骨盆和全股骨三维有限元模型。(3)模型结果验证：拟通过现有的利用压敏片研究和测量股骨头关节软骨的接触压力的尸体实验来验证本研究所建立模型的有效性。(4)骨折类型和手术操作模拟：采用基于生物力学稳定性分型的Pauwels分型系统进行骨折类型和手术操作模拟,随后进行骨折愈合模型的创建。(5)空心钉固定及改良术式固定后股骨头坏死模型建立：利用上述模型的方法,采用个体股骨头坏死病例,基于MRI资料重建不同类型的坏死范围和坏死位置,逆向工程,网格曲面化。模拟施予站立位600N载荷进行应力应变研究。3.统计方法本研究数据采用SPSS18.0(SPSS公司,美国)进行统计,分析骨折分型、性别、年龄、复位质量等单因素与股骨头坏死和晚期塌陷的关系时采用χ2检验或fisher精确概率法；计量资料以均数±标准差(x±s)表示,同时行正态分布和方差齐性检测,若方差齐使用方差分析,LSD检验进行两两比较,若方差不齐,使用Dunnett检验；各独立组间参数比较等级资料采用秩和检验；股骨颈骨折预后的多个影响因素用二分类Logistic回归分析。股骨头Kaplan-Meier幸存曲线(分别以人工髋关节置换及股骨头塌陷为观察终点)采用Log-rank检验分层分析,a=0.05,双侧检验,P<0.05认为有统计学意义。股骨头坏死后塌陷的相关性分析,采用spearman相关系数分析。结果：1.实验研究：股骨颈骨折并发股骨头坏死三维有限元实体模型建立逼真细腻,轮廓清晰,经过模型验证其内部骨质结构与实体结构一致,用于有限元力学分析,结果真实可靠。2.股骨头坏死塌陷前期和塌陷后早期应用相应的保留股骨头手术能够减少甚至阻止塌陷的进展,是治疗股骨头坏死的关键时期。本研究应用改良术式治疗中青年股骨颈骨折并发头坏死预防塌陷的三维有限元模型分析提示：股骨头坏死后坏死区松质骨应力明显下降,负重面的应力主要集中于股骨头的表面皮质骨和软骨下骨板及深部的死骨与活骨交界处,坏死骨周围应力集中明显且范围较大。空心钉联合同种异体腓骨植入能够有效分散局部坏死区表面的应力,有效恢复了力学传导路径,通过腓骨将应力传导到大转子及股骨距周围,减轻坏死区周围的应力集中,有效预防因应力导致的股骨头塌陷,使头内坏死区应力承担均匀,有益于维持头内稳定,利于骨坏死获得持续性修复。空心钉和腓骨结合为统一体,有效对抗剪力和较好的抗扭转能力,进一步促进骨折愈合。另外,还发现骨折后并发股骨头坏死的类型不同,两种手术方式对应力分布的影响迥异,其中SteinbergB型,空心钉和改良术式对坏死后坏死区的应力影响基本一致,股骨头内二者皆没有较大的应力集中,应力传导较好,与正常股骨头内的力学性能无明显差别；SteinbergC1型,空心钉组在坏死区松质骨内产生的应力集中大于改良术式组,但从前外侧柱股骨头皮质骨壳表面应力分析二者差别不大,法向量图的应力传导改良术式组略优于空心钉组,略差于正常组；SteinbergC2型,改良术式组无论在股骨头内的力学传导还是应力的分散方面都显著优于空心钉组,空心钉远端在股骨头软骨下骨产生较大的小范围应力集中,易导致软骨下骨板处的断裂。另外,根据坏死区冠状位剖面图分析,空心钉对坏死区域的应力承担和分散效果较差,仅仅在钉的远端与其周围骨质之间产生应力集中,且应力峰值远大于坏死区松质骨所能承受的应力极限；而改良术式组在腓骨远端的应力有轻度集中,但对其负重区应力分散均匀,有助于维持头内各种介质之间的稳定,利于死骨修复,并有效传导了应力；且腓骨支撑着来自髋臼负重区的应力,避免了因负重导致的股骨头塌陷风险。综合判断,并发SteinbergB型坏死两种手术对坏死后坏死区应力分布影响不大,对于SteinbergC1、2型坏死,改良术式能较好的恢复股骨头负重区应力传导路径,能够有效重建股骨头前外侧柱力学性能,在坏死松质骨区域能够承担和卸载来自负重区的应力,避免坏死骨周围的应力集中,缓解或避免股骨头皮质骨壳断裂及软骨皱褶的出现,从而在力学方面避免塌陷的发生3.临床研究：通过对本组病例的回顾性随访,笔者发现,改良术式没能有效降低股骨头坏死率,坏死率为33.75%,略低于既往文献报道(37%～50%)。但术后塌陷率明显降低,在预防中青年股骨颈骨折并发坏死后的塌陷方面有着一定的优势。另外,为了更进一步分析股骨头坏死后的转归,笔者对27例发生股骨头坏死的患者进行进一步分析。其中27例股骨头坏死患者,有7例(8.75%)出现了股骨头的塌陷,5例(6.25%)最终行人工关节置换,而5例关节置换的患者中有2位是因为手术固定早期失效导致二期关节置换,手术规范标准固定相当重要,实际因塌陷晚期关节炎而行关节置换的仅3例(3.75%)。而剩余的20例患者股骨头轮廓良好,至今未发现有塌陷情况发生。根据股骨头生存率分析(以关节置换为观察终点),骨折后股骨头5年幸存率较高。另外,分析还发现股骨头坏死以Steinberg分型Cl、C2型最为常见,7例发生塌陷的患者都是C1、C2型坏死,坏死范围大,股骨头前外侧柱破坏明显,塌陷风险随之增大。其余患者虽部分有塌陷发生,但塌陷控制较好,塌陷<4mm,Harris评分90.93±2.41及SF-36评分0.82±0.06,评分优良,优良率93.75%,维持了和谐的头臼关系,没有疼痛等不适,患者满意度良好。通过对复查的X线片再次分析发现,塌陷进展控制良好的患者,其影像学皆表现出良好的股骨头前外侧柱重建。因此,也再次说明股骨头前外侧柱与股骨头塌陷直接相关。改良术式所呈现的优势可总结归纳为：腓骨为中空的皮质骨,弹性模量适中,早期植入可提供支架作用,为骨折和坏死提供修复的时间和空间,利于血管爬行替代,并具有骨诱导和骨传导作用,促进坏死区死骨修复。由于腓骨的植入即使是C2型坏死,腓骨可部分重建股骨头前外侧柱,将坏死区尽量局限在负重区以内,保证期稳定修复。坏死区与腓骨远端之间出现“星芒状”焊接现象时头内稳定的征象。同时,早期植入腓骨体现了“未病先防,既病防变”的中医理念,将中医药的微观辩证和现代科技的三维有限元紧密结合起来,利用有限元的精确计算及其微观的观察股骨头内的骨质改变,最早期发现坏死后塌陷的风险,避免宏观辨证的盲区,及时有效的采取治疗方案,有效控制塌陷发生和进展,对于SteinbergC1型坏死改良术式可有效避免坏死后股骨头的塌陷,SteinbergC2型坏死改良术式可适度控制塌陷进展,尽最大可能挽留髋关节。移位股骨颈骨折并发C1、C2型坏死几率较大,因此说,改良术式对中青年股骨颈新鲜骨折,尤其是移位骨折是又一种临床有效的不错选择。结论：1.股骨颈骨折并发股骨头坏死的三维有限元模型建立真实可靠,能够精确判断股骨头坏死后股骨头内不同区域的力学性能变化。2.中青年股骨颈骨折后股骨头坏死的三维有限元分析,改良术式对股骨头内应力干扰小,有效重建力学传导路径,腓骨和螺钉能够分散坏死区周围应力集中,避免软骨下骨板的断裂,股骨头整体刚度增加,抗变形能力增强,有效预防股骨头坏死后的塌陷。3.中青年股骨颈骨折并发股骨头坏死以SteinbergC1、C2型为主,改良术式可有效避免C1型坏死的塌陷及控制C2型坏死后的塌陷进展,延缓甚至避免人工关节置换,临床疗效有一定优势。4.中青年无移位骨折可采用单纯空心钉内固定；而对于移位骨折改良术式是一个临床有效的不错选择,真正做到微观辨证,“无塌防塌,既塌防变”。
【作者】周驰；
【导师】何伟；
【作者基本信息】广州中医药大学，中医骨伤科学（专业学位），2014，博士
【关键词】中青年股骨颈骨折；股骨头坏死；塌陷；同种异体腓骨；微观辩证；中药；有限元；

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