不同台阶状移位对髋臼骨折的生物力学影响

董伊隆 黄祥祥 钱约男 刘良乐 张元勋 钟熙强 蔡春元*

1(温州医科大学附属第三医院关节外科，浙江 温州 325200)2(温州医科大学附属第三医院医学工程科，浙江 温州 325200)

不同台阶状移位对髋臼骨折的生物力学影响

董伊隆1黄祥祥1钱约男1刘良乐1张元勋2钟熙强1蔡春元1*

1(温州医科大学附属第三医院关节外科，浙江 温州 325200)2(温州医科大学附属第三医院医学工程科，浙江 温州 325200)

探讨髋臼骨折块不同旋转方向的台阶状移位对髋臼应力分布及大小等的影响，以期为临床治疗髋臼骨折及预后评估提供一定的理论指导。 采用5具成人骨盆标本(10个髋关节)，其中男性尸体标本3例，女性2例，年龄在23～66岁，平均年龄38.7岁。排除骨折、畸形、发育未完全及退行性病变。分别测量完整髋臼 (I组)、解剖复位(K组)、不同台阶移位(A组：1 mm、B组：2 mm、C组:3 mm、D组：4 mm；a组：-1 mm、b组：-2 mm、c组: -3 mm、d组：-4 mm)时髋臼与股骨头之间的接触特性。所获数据经统计分析软件进行分析比较差异。结果表明，完整髋臼负重区平均应力为(3.06±0.27) MPa，骨折后负重区应力有增大趋势。K组的平均应力为(2.98±0.50) MPa，当内旋使台阶移位达到2 mm或更大，当外旋使台阶移位达到3 mm时，负重区平均应力显著性增大。负重区的峰值应力在完整髋臼为 (5.05±0.38)MPa，骨折后负重区峰值应力有增大趋势。解剖复位组的平均应力为(5.58±0.72) MPa(与完整髋臼负重区峰值应力相比P>0.05); 当内旋使台阶移位达到1 mm或更大，外旋使台阶移位达到3 mm或更大时，负重区峰值应力与完整髋臼有显著性差异。 髋臼双柱骨折产生的台阶状移位改变正常髋关节的生物力学特性，使髋关节的接触面积、平均应力以及峰值应力均发生重新分布。

髋臼；关节面；台阶状；生物力学

引言

髋臼骨折是一种严重的关节内骨折，由于骨折类型多样，局部解剖复杂，治疗难度较大。1980年，Letournel 及Judet等对髋臼骨折的分类、X 线结果、手术方式等进行研究，并且对大宗病例进行长期临床随访，证实髋臼骨折复位程度与预后显著相关，从而得出对于移位的髋臼骨折应采取手术治疗[1]。

在骨折移位方面，正常的人体力学环境下，可能发生的移位有3种：裂缝状移位、阶梯状移位和混合型移位。Hak等研究发现轻微的台阶状位移即可导致髋臼关节面应力的增加[2]。髋臼的应力负荷越大，其软骨细胞更易退变凋亡，最终继发创伤性关节炎。目前国内外已有较多不同台阶状移位距离对髋臼生物力学改变的研究。但是笔者发现，髋臼骨折中骨折块出现外旋或内旋地移位，不同方向地移位所形成的台阶方向是不同的，而既往文献未多加关注不同方向的台阶状移位。故笔者在尸体标本上对不同方向旋转所形成的台阶状移位及移位大小进行生物力学研究，期望研究数据为临床治疗髋臼骨折提供一定的理论指导。

1 材料和方法

1.1 材料

5具成人骨盆标本(10个髋关节)，上方至少保留腰5椎体，下方至少保留股骨20 cm，来源于温州医科大学解剖教研室。其中男性尸体标本3例，女性2例，年龄在23～66岁，平均年龄38.7岁。纳入标准：髋关节囊、韧带等软组织完整。排除标准：骨折、畸形、发育未完全及退行性病变。

1.2 方法

1.2.1 骨盆固定姿势

参考Olson等[3]的骨盆固定姿势，即骨盆模型单足站立位，冠状面上股骨内收15°，矢状面上内旋5°～10°[4]。利用小钢板固定于髂嵴外侧并连接于底座上，以模拟髋外展肌肉群。

1.2.2 力的加载

利用BOSE生物力学机，加载速度10 N/s，加载负荷500 N，加载时间2 min。骨盆、股骨和夹具整体放入BOSE生物力学加载机中测试，为减少实验误差，每具骨盆标本测量3次，而结果取3次的平均值。

1.2.3 髋臼标记孔的建立和关节面的分区

去除股骨，钻头于髋关节顶点两侧各30°由内而外钻孔标记(标记为A和B)以及在髋臼中心点钻孔O。在研究实验中保证插入1 mm克氏针插入孔隙，从而确保髋臼与压敏片之间相对位置的参照点。A、B两点同髋臼中心点O连线的延长线与髋臼边缘相交点标记为C和D两点。髋臼关节面被BD连线和AC连线分为三部分：两条连线之间区域为髋臼负重区，两侧分别为髋臼前、后壁。髋臼标记孔的建立和关节面的分区如图1所示。

图1 髋臼标记孔的建立和关节面的分区Fig.1 The establishment of acetabular mark hole and the articular surface of the partition

1.2.4 压敏片使用方法

本研究所选取的为超低压型压敏片，其压力显示范围为0.5～2.5 MPa。星型12瓣裁剪压敏片使压敏片与股骨头更匹配。防止压敏片受潮，在压敏片上下表面套上乳胶套，制作成乳胶套-压敏片-乳胶套的结构。

1.2.5 标本分组及测试顺序

完整髋臼测试组为I组；完成I组测试后人为制作髋臼双柱骨折模型。解剖复位并钢板固定骨折后进行力学测试，记为K组；骨块内旋移位1、2、3、4 mm台阶后再钢板固定进行力学测试，分别记为A、B、C、D组；骨块外旋移位-1、-2、-3、-4 mm台阶后再钢板固定进行力学测试，分别记为a、b、c、d组。上述模型分别给予生物力学BOSE机测试。

1.2.6 实验数据采集及处理

参考樊继宏[5]的方法，将着色后压敏片的色度转变为平均应力(MPa)和峰值应力(MPa)，同时记录臼顶负重区及前后壁的平均应力(MPa)和峰值应力(MPa)。

1.2.7 数据分析

利用SPSS 13．0软件(美国)对数据进行分析，Dunnett- t检验进行多组数据均数的比较，P<0.05认为有统计学意义。

2 实验结果

2.1 平均应力

各组前壁平均应力见表1，A组、B组与I组前壁平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而C组、D组与完整髋臼前壁平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块内旋台阶位移达到3 mm或更大时，前壁平均应力与完整髋臼显著性差异(P<0.05)。在外旋组中，a组与完整髋臼前壁平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而b组、c组和d组与完整髋臼前壁平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块外旋台阶位移达到2 mm或更大时，前壁平均应力与完整髋臼前壁平均应力有显著性差异(P<0.05)。

Tab.1 Average stress consequences of different step- off displacement of both- column acetabular fractures

标本前壁负重区后壁完整髋臼(I组)2.31±0.213.06±0.271.14±0.19解剖复位(K组)2.31±0.092.98±0.501.08±0.431mm移位(A组)2.35±0.263.21±0.451.08±0.252mm移位(B组)2.88±0.594.20±0.65*0.95±0.253mm移位(C组)3.01±0.45*4.46±0.55*1.09±0.124mm移位(D组)3.52±0.28*4.27±0.19*0.79±0.20*-1mm移位(a组)2.44±0.273.11±0.311.28±0.23-2mm移位(b组)2.94±0.31*3.63±0.501.22±0.26-3mm移位(c组)3.13±0.33*4.00±0.64*1.17±0.26

注：与完整髋臼相比：*：P<0.05。

Note：Compared with the intact acetabulum:*:P<0.05.

图2 髋臼骨折台阶状移位对平均应力的影响 Fig.2 The step displacement effect on the mean stress

各组髋臼负重区平均应力见表1，K组和I组髋臼负重区平均应力无统计学意义(P>0.05)，A组与I组髋臼负重区平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，B组、C组和D组与I组髋臼负重区平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)，所以骨块内旋台阶位移达到2 mm或更大时，负重区平均应力显著性增大(P<0.05)。在外旋组中，a组、b组与I组髋臼负重区平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而c组和d组与I组髋臼负重区平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块外旋台阶位移达到3 mm，负重区平均应力显著性增大。

各组后壁平均应力见表1，K组和I组髋臼后壁平均应力无统计学意义(P>0.05)，A组、B组和C组与I组后壁平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，D组与完整髋臼后壁平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块内旋台阶位移达到4 mm时，后壁平均应力显著性减小(P<0.05)。在外旋组中，a组、b组和c组与I组髋臼后壁平均应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而d组与I组髋臼后壁平均应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块外旋台阶位移未使后壁的平均应力发生显著性改变。髋臼骨折台阶状移位对平均应力的影响如图2所示。

2.2 峰值应力

各组前壁峰值应力见表2，K组与I组峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，A组、B组、C组和D组与I组前壁峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块内旋台阶位移达到1 mm或更大时，前壁峰值应力与完整髋臼有显著性差异(P<0.05)。在外旋组中，a组与完整髋臼前壁峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而b组、c组和d组与完整髋臼前壁峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块外旋台阶位移达到2 mm或更大时，前壁峰值应力与完整髋臼有显著性差异(P<0.05)。

Tab.2 Peak stress consequences of different step- off displacement of both- column acetabular fractures

标本前壁负重区后壁完整髋臼(I组)2.36±0.405.05±0.381.96±0.15解剖复位(K组)2.80±0.505.58±0.722.08±0.171mm移位(A组)4.07±0.49*6.97±0.50*1.86±0.292mm移位(B组)3.98±0.50*8.16±0.50*1.83±0.19*3mm移位(C组)5.14±0.50*8.96±0.47*1.04±0.23*4mm移位(D组)7.08±0.54*9.37±0.36*0.97±0.26*-1mm移位(a组)3.07±0.855.72±0.552.26±0.50-2mm移位(b组)3.70±0.77*6.03±0.762.18±0.38-3mm移位(c组)4.60±0.58*7.24±0.55*2.24±0.48-4mm移位(d组)5.18±0.90*8.06±0.93*1.50±0.53

与完整髋臼相比：*为P<0.05。

Note：Compared with the intact acetabulum:*:P<0.05.

各组髋臼负重区峰值应力见表2，K组与I组髋臼负重区峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，A组、B组、C组和D组与I组髋臼负重区峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块内旋台阶位移达到1 mm，负重区峰值应力与完整髋臼有显著性差异(P<0.05)。在外旋组中，a、b组与髋臼负重区峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，而c组、d组与完整髋臼负重区峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块外旋台阶位移达到3 mm，负重区峰值应力与完整髋臼有显著性差异(P<0.05)。

各组髋臼后壁峰值应力见表2，K组与I组髋臼后壁峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，A组与I组髋臼后壁峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。B组、C组和D组与I组髋臼后壁峰值应力相比差异有统计学意义(P<0.05)。所以骨块内旋台阶位移达到3 mm或更大时，后壁峰值应力与完整髋臼有显著性差异(P<0.05)。在外旋组中，a组、b组、c组和d组与完整髋臼后壁峰值应力相比差异无统计学意义(P>0.05)，所以骨块外旋台阶位移未使后壁峰值应力与完整髋臼发生显著性改变(P>0.05)。髋臼骨折台阶状移位对峰值应力的影响如图3所示。

图3 髋臼骨折台阶状移位对峰值应力的影响Fig.3 The step displacement effect on the peak stress

3 讨论

目前已有较多对累及髋臼关节面的移位骨折的生物力学研究，髋臼关节面的骨折产生的裂隙状移位和台阶状移位，均可引起髋关节的接触面积的改变。接触面积减少，局部的应力集中，单位软骨内应力的增加，导致头臼磨损，从而增加了继发性创伤性关节炎的发病率。负重面应力增大，在裂缝状移位时髋臼上方的接触面积较完整，髋臼有所增大，而在台阶状移位中接触面积减小，2～4 mm 的台阶状移位就可使关节面应力发生显著性提高，故台阶状移位对髋臼的应力分布影响更大[6]，关节软骨更易发生退变凋亡，从而继发创伤性关节炎。Matta 等[7]对大量髋臼骨折病例进行观察研究，他们制定了骨折移位3 mm 作为手术与非手术的分界标准及术后临床疗效的评价标准，以后的学者沿用了这个标准。本研究对不同方向旋转所形成的台阶状移位以及移位程度进行生物力学研究，以了解髋臼骨折继发性匹配出现问题时，其髋臼和股骨头之间的生物力学变化

3.1 髋臼和股骨头之间的生物力学变化。

Matta等[7]研究发现，髋臼骨折手术解剖复位组同复位不良组患者的早期疗效无显著统计学差异，然而在长期随访中发现，解剖复位组预后明显好于复位不良组。Malkani等[8]在力学解剖研究中指出，当髋臼骨折解剖复位固定时，其关节面峰值应力无显著变化，然而有1 mm的台阶状位移，其峰值应力增加20%，但与解剖复位组相比无统计学差异，随着台阶状移位增大到2 mm时，峰值应力增加50%，与解剖复位组相比有统计学差异。Malkani等指出台阶移位越大，对髋臼峰值应力的影响越明显[8]。所以，临床上，大多数骨外科医师主张手术切开复位治疗移位的髋臼骨折。Chapurlat等[9]研究显示，髋臼骨折解剖复位、良好复位、一般复位患者手术疗效优良率差异显著，且多因素分析显示复位质量是影响手术疗效的独立因素。Kohbe等[10]研究表明，髋臼骨折的手术切开解剖复位能显著降低髋臼骨折髋关节创伤性关节炎的发生概率。决定髋臼骨折复位效果的关键因素就是骨折部位的显露，因为它为主刀医师提供所需的视野范围。然而髋臼周围血管神经密集，而髋臼骨折术中暴露困难、创伤大、术后并发症较多，盲目追求解剖复位，手术中稍有不慎即可导致严重后果[11]。正由于髋臼特殊解剖位置，较其他部位更为抽象，使得骨科医生、尤其是基层医院的医生很难做到解剖复位[12]。

所以，本研究旨在寻找怎样的复位水平即可达到解剖复位的效果，并对不同程度的移位进行了深入研究，通过实验数据分析，髋臼骨折后解剖复位可较好地保持髋臼和股骨头原有的生物力学特性。

3.2 缺点与不足

本研究存在一定的局限性。首先，每位患者的骨盆标本存在骨盆形状、髋臼几何参数和骨密度的不同，而这些可能影响标本力学加载的正确性。其次，人为制作的髋臼骨折模型与实际骨折模型存在不同，力学加载可能出现骨折移位的实验数据与正常数据稍有不同。第三，由于尸体标本的稀缺性，每具骨盆标本不得不进行多次内固定，可能导致钢板内固定稳定性下降，从而影响测量准确度。所以，仍需要更多同类力学研究进一步的比较和论证。

4 结论

本研究对不同程度的移位和位移方向进行了研究，通过对研究数据分析，笔者发现髋臼骨折后解剖复位可获得良好的生物力学特性及生理功能。如若未能解剖复位，无论位移大小和方向均会造成负重区平均应力增大。其中内旋移位台阶达到2 mm时引起髋臼负重区应力显著性改变，而外旋移位台阶达到3 mm时才会引起平均应力显著性增大。同时，无论内外旋转移位均造成前壁平均应力逐步增大而后壁平均应力减小。在3个不同区域应力研究中笔者发现，台阶状移位在1～3 mm左右即可发生应力显著性改变，所以手术的目的应追求解剖复位以减小台阶移位程度。若在术中因各种原因如骨缺失等导致无法解剖复位，应避免内旋台阶状移位，因为内旋移位台阶达到2 mm即可引起髋臼负重区应力的显著性改变，从而减少创伤性关节炎的发生。

笔者进一步深入研究发现，髋臼骨折块不同的旋转位移方向不同对髋臼应力的分布有着直接影响。根据研究结果，骨折块内旋位移达到3 mm时髋臼前壁平均应力显著增大，达到4 mm时后壁平均应力显著减小；而外旋位移达到2 mm时就有前壁平均应力的显著改变，但后壁在骨折块移位4 mm时仍未出现显著改变。所以内旋移位对髋臼骨折的峰值应力改变较外旋移位影响更大。而对于峰值应力，髋臼骨折块内旋位移在1 mm，其髋臼前壁和负重区的峰值应力显著增大，在位移达到3 mm时，髋臼后壁的峰值应力出现显著减小；而在外旋移位组中，当台阶达到2 mm时出现髋臼前壁的峰值应力明显增大，在外旋3 mm台阶位移时，髋臼负重区的峰值应力也开始明显增大，但髋臼后壁的峰值应力在整个测试中均未出现显著改变。所以，笔者认为手术时应对旋转移位特别是内旋移位给予充分重视。

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Biomechanical Consequences of Different Step- Off Displacement of Both- Column Acetabular Fractures

Dong Yilong1Huang Xiangxiang1Qian Yuenan1Liu Liangle1Zhang Yuanxun2Zhong Xiqiang1Cai Chunyuan1*

1(Department of Joint Surgery, The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou 325200， Zhejiang, China)2(Department of Medical Engineering, The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou 325200，Zhejiang, China)

acetabulum; articular surface; step- off; biomechanical

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.017

2016- 04- 08， 录用日期:2016- 12- 05

温州市科技局项目基金(Y20140593)

R318

D

0258- 8021(2017) 03- 0370- 05

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: dongyilongdel@sina.com