髋臼横断骨折不同内固定方式的臼顶接触性研究

高　烁，王　雷，吴啸波，何全杰，徐凤松，刘弘扬

(1.华北理工大学附属医院骨科，河北 唐山　063015；2.华北理工大学研究生院，河北 唐山　063009)



髋臼横断骨折不同内固定方式的臼顶接触性研究

高烁1，王雷2，吴啸波1，何全杰2，徐凤松2，刘弘扬2

(1.华北理工大学附属医院骨科，河北 唐山063015；2.华北理工大学研究生院，河北 唐山063009)

摘要：目的探究髋臼横断骨折四种内固定方式的臼顶接触性变化。方法采用成人男性半骨盆标本制作髋臼横断骨折模型16个，随机分成四组，予以A组：前柱重建接骨板，B组：前柱锁定接骨板，C组：骨盆缘下重建接骨板，D组：骨盆缘下锁定接骨板。通过垂直加载至生理体质量600 N，维持1 min，用双页型压敏片依次测量完整髋臼I组和A、B、C、D四组的臼顶接触特性变化。结果生理体质量600N下,A、B、C、D组内固定后接触特性均不能恢复至正常，与I组比较，负重面积，接触压强及峰值压强均存在统计学差异(P<0.05)，同时A、B、C、D组之间比较，接触特性也存在统计学差异(P<0.05)，并且接触特性依次增强。结论在生理体重600N下，对髋臼横断骨折予以四种不同内固定，接触特性均不能恢复至正常，且骨盆缘下接骨板优于前柱接骨板，能增加臼顶负重面积，降低臼顶平均压强及峰值压强，同时锁定接骨板的接触特性强于重建接骨板。

关键词：髋臼；骨折；负重区

手术治疗髋臼骨折的目在于纠正骨折移位造成髋臼的关节面与股骨头的不匹配, 解剖修复髋臼穹窿及使其下方的股骨头的同心圆复位，同时通过坚强内固定可使患者早期进行功能锻炼。但髋臼位置较深、形状又极不规则，因此内固定很难做到如同固定管状骨般坚强，易造成臼顶负重面积的减少和髋关节局部接触应力升高，长期作用就使关节软骨面逐渐崩解，引发关节疼痛和活动受限，形成创伤性关节炎。而我们提出对于髋臼骨折只要达到有效的坚强固定即可在术后早期恢复肢体负重等功能，其原因在于骨盆髋臼多为松质骨，血运丰富，即使内固定不坚强，在很短的时间内，骨折的愈合将弥补内固定的不足，而使断端达到稳定。本研究采取髋臼骨折中发病率较高的横断骨折，用成人防腐半骨盆标本制作骨折模型，给予髋臼四种内固定方法，分别为A组：前柱重建接骨板，B组：前柱锁定接骨板，C组：骨盆缘下重建接骨板，D组：骨盆缘下锁定接骨板，用双页型压敏片技术测量在生理体质量下四组内固定方式的髋臼臼顶负重区的接触特性的变化，优选累及臼顶的髋臼横断骨折的治疗方式，对预防创伤性关节炎有积极的指导意义。

1材料与方法

1.1仪器材料BOSE Electroforce 3520-AT生物力学试验机(BOSE Corporation,河北省骨科研究所提供)，Osteocore 3双能X射线骨密度测量仪(Medileink公司，河北省骨科研究所提供)，内固定器械(常州市康辉医疗器械有限公司)，Fuji压敏片( Fuji公司，日本)，成人男性骨盆标本(华北理工大学解剖学教研室提供)。

1.2标本的制备取经福尔马林溶液处理过的成年男性尸体16个，自第3、4腰椎交界处及双大腿中上1/3横断尸体，得全骨盆标本8个。剔除标本上附着的软组织，肉眼观察及X线摄片均说明无肿瘤，骨折等病变及解剖学变异。用Osteocore 3双能X射线骨密度测量仪进行骨密度测量，排除骨质疏松症。再将骨盆从骶髂关节和耻骨联合处分成左右两半，获半骨盆标本16个。

1.3骨折模型的制备选用经臼顶的髋臼横断骨折，首先将骨盆保持中立位(双侧的髂前上棘与耻骨联合的连线垂直地面，双侧髂前上棘连线平行于地面)，然后在髋臼负重区关节面的中央标记一条水平线。

1.4压敏片的使用方法及完整髋臼接触性测量Fuji压敏片( Fuji公司，日本)厚0.16 mm, 由A、C两片组成，A片中含有微囊，囊内有显色液体，C片中含有显影物质。A、C两层对合受压后，A片微囊破裂导致C片显影，且颜色越深，则压强越大。由于不同型号的压敏片有不同的量程，我们通过预实验发现低压型压敏片(2.5～10 MPa)符合要求，当压力范围超过低压型压敏片的测量范围时结合超低压型压敏片(0.5～2.5 MPa) 测量。为了让压敏片贴附股骨头最佳，先测量16个股骨头直径，然后利用同心圆计算公式画成16等份，再分别剪成柳叶状模板，仔细修剪模板贴附于每个股骨头(让臼顶区域的股骨头上方压敏片无缝对接)，最后参照模板修剪压敏片。实验前将股骨头包裹一层薄薄的防潮乳胶套,贴附压敏片后再包裹一层薄乳胶套，以免压敏片接触标本受潮变色。最后在距髋臼顶点的两侧30°的关节面中央用直径2.0 mm的克式针由髋臼内向外钻入两个标记孔M和N，髋臼的中点O与M、N 两点连线与髋臼边缘的交点为P、Q，MP、NQ之间即为负重区(图1)。测试过程中利用空调加湿器保持室温为25℃，相对湿度为50%。实验前将标本置于单足站立体位[1]，然后在坐骨结节处沿水平面、冠状面和矢状面各钻入1枚2.0 mm克氏针，代表站立位三维坐标平面。再将近端1/3 股骨干中立位倒置于生物力学试验机上，使传动杆与股骨干连接固定，股骨头放入髋臼内。调整髋关节来模拟正常人髋关节内收15°，内旋10°[2]。最后用Ⅱ型义齿基托聚合物包埋固定标本，待其坚固后放在试验机上进行实验。首先从16具标本中随机选出4个标本，以20 N·s-1的加载速率、最大载荷为200 N进行预处理2次，以消除标本的松弛、蠕变等影响，再按同样的速度以连续递增的方式进行加载至600 N，维持1 min后调节生物力学试验机取出压敏片。同时在间歇期，不定期用生理盐水湿润标本，尽量减少实验对标本造成的组织变性。而每次实验完成后，将力学试验机的负载卸载的同时，骨盆内部弹性作用会有一定恢复。每次等骨盆恢复后，再进行下次的数据采集。每种固定方式进行3次试验，取3次平均值作为最后的数据。

图1　髋臼负重区示意图

1.5标本分组及内固定骨折模型的接触性测量将16具已包埋的标本随机分成4组，A组：前柱重建接骨板，B组：前柱锁定接骨板，C组：骨盆缘下重建接骨板，D组：骨盆缘下锁定接骨板(图2)。将所有标本沿着之前标记的骨折线锯断，然后A、B组予以沿弓状缘放置10孔接骨板，C、D组予以沿真骨盆缘放置8孔接骨板，所有接骨板均以5枚螺钉内固定。按上述同样的方法测量加载至生理体重600N后的四组内固定标本的负重面积及压强。

前柱重建或者锁定接骨板内固定组(A、B组)骨盆缘下重建或锁定接骨板(C、D组)

图2　四组内固定方式模式图

1.6数据采集及统计分析负重区接触性评价包括平均压强、峰值压强及负重面积。负重面积的测量是将柳叶状的C片无缝对接后用扫描仪(Canon MG5680)按256级灰度扫描将其导入计算机。用ImageJ软件测量压敏片着色面积。压强是由FPD-305密度计和FPD-306压力转换器(日本Fuji公司)测量，测量前将实验室的温湿度在仪器上设定，由FPD-305密度计随机在负重面积上取15个点读取着色区密度值，用FPD-306压力转换器自动换算后得到压强值，取所有点压力的均值为平均压强值，峰值压强为15个点中最大的压强值。最后采用SPSS 16.0 软件进行数据分析，组间比较采用单因素方差分析，若有统计学意义，则用LSD-t检验进行两两比较，以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1一般情况传动杆与股骨干连接紧密，所有螺钉无拔出或折断，接骨板无断裂，标本未出现新骨折。

2.2载荷与髋臼接触性的关系在生理体质量600 N作用下，得到各组髋臼与股骨头之间的接触特征，见表1。由表1可见：(1)经LSD-t两俩比较，A、B、C、D四组及I组在负重面积、平均压强、峰值压强比较均有统计学意义(P<0.05)；A、B、C四组负重区面积相对于完整髋臼I组积均减少，平均压强及峰值压强相对于I组均增大；(2)A、B、C、D四组相比I组负重面积呈增大趋势，平均压强及峰值压强逐渐减小。

组别A组#B组#C组#D组#I组负重面积/cm23.19±0.093.33±0.123.63±0.083.80±0.094.26±0.07平均压强/N·mm-23.34±0.063.13±0.062.97±0.092.71±0.141.56±0.08峰值压强/N·mm-23.46±0.123.31±0.063.14±0.072.90±0.101.95±0.08

注：A、B、C、D与I组之间比较，#P<0.05。

3讨论

Judet -Letournel将髋臼周围邻近结构划分为前柱和后柱。前柱(即髂耻柱)，由髂嵴前上方斜向前内下方，经耻骨支止于耻骨联合，包括髂嵴、髂棘、髋臼前半部分和耻骨。后柱(即髂坐柱)，由坐骨大切迹经髋臼中心止于坐骨结节，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨，同时后柱内侧面由坐骨体内侧的四边形区域构成，称方形区。髋臼的臼顶负重区由髂骨的下部组成，约占整个髋臼的2/5，是前后柱成拱形相交汇的区域。根据Judet -Letournel分型将髋臼横断骨折细分为三个亚型：经臼顶型的横断骨折(Transtectal)，骨折线贯穿臼顶；经臼顶下缘型形的横断骨折(Juxtatectal)，骨折线通过髋臼顶及髋臼窝之间，臼顶完整；经臼顶下型的横断骨折(Infratectal)，经前、后柱的骨折线低于负重顶区。而经臼顶型的横断骨折线横贯负重区时，将负重顶区分为上下两部分，这就破坏了骨盆环的完整性，必然引起负重面积减少及臼顶的压力发生集中现象。现学者均认为髋臼骨折手术的疗效取决于内固定后能否达到解剖复位及坚强的内固定,从而保持髋臼关节面的平整,降低髋臼内局部应力。Olson等[3]利用完整骨盆模型，模拟在单腿站立下，通过双叶型压敏片测量不同的髋臼骨折对髋关节的生物力学影响。在单腿站立时，身体在矢状面的重心远离负重髋落在了第二骶椎前缘，因此髋臼位于重心的前方，故而产生的力矩使骨盆趋向内收及一定程度的伸展，而对抗内收的是髋关节的外展肌群，它们的力臂只有体重力臂的一半，产生的力是体质量的2倍，所以此时髋关节内的压力约是体质量的3倍以上，这其中还包括屈肌所产生的力。Bay等[4]运用附带外展肌的完整骨盆标本及半骨盆模型对臼顶负重区的接触特性进行研究，发现半骨盆的负重同样也主要由髋臼顶部承担，同时半骨盆模型所测得的髋臼臼顶负重区的接触面积、峰值压强和平均压强都明显比完整骨盆的高，而髋臼前后壁则较之低。而目前大部分学者[5-7]都采用髋臼横断骨折模型进行生物力学实验，因其操作简单，模型可复制等特点而被广泛应用。本实验采用经顶的髋臼横断骨折，运用倒置的半骨盆模型，通过增大Ⅱ型义齿基托聚合物包埋底座与生物力学机操作台的接触面积，来抵消少部分因采用半骨盆模型而造成的髋臼应力的增高，对研究其骨折后进行四种内固定的臼顶负重区接触特性的变化具有指导意义。

一般情况，人体的负重力线经骶髂关节、坐骨大切迹前方传导到髋臼的臼顶。在站立位时，将负重下传至股骨头，坐位时，负重经坐骨支下传至坐骨结节。为了与此种力学环境相适应，臼顶部增厚，月状面透明软骨的上部及后部也相应变宽变厚。而髋关节的压力会均分散于臼顶的负重区，压强较小，并且向周围关节软骨区域递减。同时在负重顶区，髋臼软骨下骨会形成硬化区域，X线片中为近水平的致密影，呈“眼眉”状。Kummer等[8]指出若髋关节应力分布不均，在髋臼的软骨面会形成三角形的骨硬化带，其可出现在臼顶的中央及外侧，而位于臼顶外侧的硬化带则表示发生创伤性关节炎的概率更大。因此“眼眉”长度及形态的变化对于髋关节病变的诊疗及预后的判断有重要价值，其可以直观地反应出髋臼应力分布的改变。若髋臼有效负重面积减小，可引起局部应力集中，压强增大，而加速髋关节的退行性变。Pauwels[9]指出，在原发和继发性髋关节半脱位时关节腔的应力会集中在髋臼边缘的一个小范围内，此处的应力比正常的高数倍，同时可见此区域的骨质增厚，骨密度增高，X线片则表现为增生影，其骨皮质增厚的形状与压缩应力的图形是相似的。

压力传感器是利用压力使电阻发生改变，从而将压力这种非电量转变为电量，再利用计算机分析处理来获得关节内的压力大小。压力传感器法的灵敏度高，可动态的连续输出压力信号，缺点是压力传感器只能测量总的合力，无法测量出受力面积和各点的压强，在使用过程中还必须解决电路的温度、非线性和电源的恒定等问题。近年来三维有限元分析法在骨科的应力分析与设计评价中得到了广泛的应用，丰富了临床与基础研究的实验手段，从而极大的促进了对骨骼生物力学的认识[10-11]。其主要利用赋值近似的方法对真实的骨骼系统进行模拟，通过建立的三维模型，用任意形状的网格来分割评估研究对象，了解承载能力与其组织形态学之间的关系，进行预测性的应力分析，初步估计术后可能发生的并发症，完善术前计划方案。而我们选用双叶型压敏片，存在以下优点：能形象而直观的显示受压后接触面积的大小及形状特点，可同时测量各受力点的压压强、受力面积以及总压强的大小，而其中最大的优点是它可以获得整个接触面上任意一点的压强信息,能反映出压强分布的总体趋势，这是压力传感器所无法比拟的。Bay等[4]将包被压敏片的股骨头和没有包被压敏片的股骨头进行生物力学测试，发现压敏片对髋臼周围的应力分布无显著性影响。

本研究选取治疗髋臼横断骨折的四种固定方式，通过有效的坚强内固定，利用生理体质量下股骨头与接骨板的挤压作用来稳定骨折模型，采用双叶型压敏片测试臼顶负重面积及压强值，比较内固定后其臼顶接触性的变化。在生理体质量600N下，髋臼横断骨折后即使给予有效坚强内固定，髋臼负重区接触特性仍不能未恢复至正常范围。通过测定完整髋关节的负重面积为(4.26±0.07)cm2,A、B、C、D与I组负重面积分别相差25%，21%，14%，10%，且均有统计学差异(P<0.05)，其中D组接触特性下降较少，而A组下降最多。A、B、C、D四组的平均压强和峰值压强相对于I组均增大，但A、B、C、D四组之间呈现依次减小趋势(P<0.05)。综上所述，骨盆缘下锁定接骨板在治疗髋臼横断时在负重面积、平均压强及峰值压强上能够缩小与完整骨盆的差异，是治疗髋臼横断骨折较好的内固定方式。

实验过程中，存在一些不足，由于实验条件的限制以及其他原因，无法在本实验中改进，在此列出：(1)受标本来源及数量的限制，未行更大样本量实验；(2)由于实验过程缺少外展肌，对实验的稳定性标本的稳定性产生了一定的影响；(3)压敏片也有其自身的缺点：压敏片有一定的韧性，若待测的关节面不平，则压敏片不能与关节面完全吻合，而对实验结果产生影响，同时压敏片的测量精度为90%或者更低，白玉龙等[12]通过测量髌股关节的接触面积和接触压力分布,证明压敏片还可存在有7.85%的压力信息丢失；(4)实验过程中应变片粘贴时有个别片胶水过多，使其灵敏度下降或者所测量的值不是髋臼关节表面的接触性特征；(5)本模型只是模拟静态力学下的内固定对臼顶的影响，没有模拟人体动态载荷下的生物力学状况，研究结果与临床手术疗效之间还是存在一定的差距。

参考文献：

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Influence on acetabular dome contact of four internal fixation methods for acetabular transverse fracture

GAO Shuo1,WANG Lei2,WU Xiao-bo1, et al

(1.DepartmentofOrthopedics,TheAffiliatedHospitalofNorthChinaInstituteofScienceand

Technology,Tangshan，Hebei063015,China; 2.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Tangshan,Hebei063009,China)

Abstract:Objective To evaluate the changes of acetabular dome contact in four internal fixation methods for acetabular transverse fractures.Methods Acetabular transverse fracture models were created by 16 male’s hemipelvis specimens, assigned into four groups randomly.The fractures were treated respectively with the following internal fixation methods,anterior reconstruction plate (group A),anterior locking compression plate (group B),infrapectineal buttress reconstruction plate (group C),infrapectineal buttress locking compression plate (group D). Then vertical compressing loading was increased to physiological weight of 600N, and maintained 1 minute, followed by measurement of acetabular dome contacts of intact acetabulum in group I and groups A,B,C,D with double layer films. Results Under physiological weight of 600 N, acetabular dome contacts of groups A,B,C,D failed to return to normal, and compared with group I there were significant differences in the loading area, the mean pressure, the peak pressure, horizontal displacements and longitudinal displacements among groups(P<0.05). Meanwhile, there were significant difference in contact characteristics among groups A,B,C,D(P<0.05), and the contact characteristics were enhanced in order.Conclusions Under physiological weight of 600 N, contact characteristics of four respective internal fixations all could not restore to the normal. Infrapectineal buttress plate was better than anterior plate, which widened acetabular dome loading area, reduced acetabular dome mean pressure and peak pressure.Contact characteristics of locking plate were stronger than those of reconstruction plate.

Key words:acetabulum;fracture;dome region

(收稿日期：2015-08-20，修回日期：2015-10-23)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.03.024

通信作者：吴啸波，男，主任医师，硕士生导师，研究方向：骨盆与髋臼骨折的治疗，E-mail：drwuxiaobo@foxmail.com

基金项目:河北省卫生厅医学科学研究重点课题计划(No 20130665)