四枚螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元研究与临床疗效分析

饶志涛,张英琪,陈 雷,王家骐,王树青

同济大学附属同济医院骨科,上海 200065

股骨颈骨折是常见的骨折,临床上常根据患者的年龄和骨折的分型来确定手术方案,如骨折内固定术或髋关节置换术。Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的骨折线与水平面成角大于50°,常发生于中青年,平行螺钉、动力髋螺钉(dynamic hip screw,DHS)结合抗旋螺钉等滑动加压装置是最常用的内固定方式。由于损伤暴力大,骨折端垂直剪切力也大,易产生内固定失败及股骨头坏死等并发症[1-4]。

研究报道多种辅助固定的方式可对抗垂直剪切应力,但目前缺乏有效的生物力学测试,也未得到临床的一致认可[5-6]。本研究拟采用有限元模型(finite element model,FEM)分析方法,探讨Pauwels Ⅲ 型股骨颈骨折常用不同内固定的生物力学特性,并回顾同济大学附属同济医院骨科自2011年开始采用四枚螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折31例的临床疗效,报告如下。

1 材料与方法

1.1 有限元分析研究

1.1.1 股骨颈骨折-内固定三维模型的建立

数据选择和骨折模型的建立:应用64 排多层螺旋CT(SOMATOM Sensation Open,Siemens AG,Erlangen,Germany)对正常成人股骨模型进行逐层扫描,获得DICOM格式医学数字图像通讯标准CT数据。将得到的DICOM数据导入Mimics 18.0软件,通过阈值分割,手工勾勒,边缘光滑等处理,获得股骨三维模型。骨折平面根据Pauwels Ⅲ型骨折特征确定,使得骨折面与水平面夹角为70°。在股骨外表面模型基础上,划分皮质骨及松质骨。松质骨采用不均匀偏置手段,偏置2 mm,且股骨干部分皮质骨增厚。在3-matic软件中进行网格划分操作,导出有限元模型,进入ABAQUS中进行分析。

不同固定方式下分组如下,进行三维模型组装,螺钉均为6.5 mm空芯加压螺钉,螺钉尖端固定至股骨头皮质下5 mm左右 (图1) 。

1.1.2 材料参数以及载荷工况

材料假定为各向同性、连续、均质的线弹性体。材料属性按皮质骨、松质骨、紧固螺钉的弹性模量(N/mm2)分别选取137000 、1370 、206000 ,泊松比分别选取0.3 、0.3 、0.3 。骨折面摩擦系数设置为0.2。

A:组1,三枚平行倒三角螺钉固定;B:组2,横向螺钉结合平行倒三角四枚螺钉固定;C:组3,DHS结合防旋螺钉固定

本部分模型载荷参数为股骨远端底面固定,约束X、Y、Z 3个方向的自由度。在股骨头上表面附近建立参考点,与股骨头表面自由度耦合,施加自重载荷(图2)。应力加载采用目前常用的简化模型,主要考虑骨盆髋臼窝作用于股骨头上的力。故于股骨头加载自重载荷600 N(接近普通人体步行周期中点数据),平均作用于股骨头与髋臼接触面,沿轴向向下。有限元计算网格模型单元类型为三维四面体10节点单元。

1.1.3 评价指标

有限元施加载荷后的结果由彩图及数字显示。观察并记录各分组模型的应力和位移云图,骨折断端的位移与应力、内固定物的应力与位移变化等,据此对3种内固定生物力学稳定性进行评价。

1.2 临床资料

1.2.1 一般资料

共31例新鲜闭合性骨折,男17 例,女14 例;年龄19～63 岁,平均(43.6±10.5)岁;致伤原因:摔伤18 例,坠落伤9例,车祸伤4 例;股骨颈骨折均为Pauwels Ⅲ型,根据Garden 分型:Ⅰ型4 例,Ⅱ型11 例,Ⅲ型12 例,Ⅳ型4 例。

1.2.2 手术方法

患者无明显手术禁忌则尽早手术(24～36 h内),对于有合并内科疾病的患者,积极调整,争取在48 h内手术。手术采用全身麻醉或腰麻,仰卧位,牵引床上C 型臂X 线机透视下进行手法复位或股骨头、干互动复位[7]。根据Garden指数判断复位标准(Garden指数在155°～180°者认为复位满意),可经皮固定或行股骨近段外侧长3～4 cm纵行切口固定,骨折端复位不良的采用切开复位(改良Smith-Peterson入路)。透视定位下平行于股骨颈纵轴向股骨头方向置入3 枚导针,呈倒“品”字形;然后,在股骨距上方自大粗隆中部向股骨距垂直于骨折线方向固定1 枚导针(注意调整前后方向,避免螺钉间的撞击)。先进行平行螺钉的加压固定,然后固定横向螺钉,对骨质疏松较明显的患者,螺钉尾部加用垫圈。螺钉长度以尖端距股骨头软骨下0.5～1.0 cm为宜,C 型臂X 线机正侧位透视最后确定骨折复位固定情况。螺钉均为强生辛迪思6.5 mm空芯螺钉。

1.2.3 术后处理与随访

术后24 h 内使用抗生素预防感染,鼓励患者术后早期功能锻炼,2个月内不负重活动,骨折完全愈合后进行完全负重锻炼。嘱患者术后1、3、6、12、24月定期随访,拍摄X线片了解骨折愈合及有无股骨头坏死等情况,必要时进行MRI检查辅助诊断。末次随访时根据Harris评分评估患髋关节功能。

2 结果

2.1 有限元模型分析的应力和位移结果

计算各组模型的骨折端应力和位移值、内固定承受的应力和位移值,形成应力和位移云图(图3)。

从计算云图可知各组骨折端应力最大值、位移最大值、内固定应力最大值,设定载荷600 N,计算内固定的垂直刚度为600/骨折端位移(N/mm)。三组固定模型的最大应力和位移结果见表1。

A-C分别代表1-3组图2 有限元模型及网格划分A-C represented group 1 to group 3 respectivelyFig.2 Finite element model and mesh division

3.1-3.3表示图3中组1-3,a-d分别表示骨折端的应力值(MPa),骨折端的位移值(mm),内固定的应力值(MPa),内固定的位移值(mm)图3 各组模型的应力和位移云图

分组骨折端应力/MPa骨折位移/mm螺钉应力/MPa螺钉位移/mm垂直刚度/N·mm-115.4350.7709118.80.7683778.3123.8600.7421107.30.7376808.5232.9580.6593105.20.6133910.06

三组模型中,比较骨折端和螺钉承受的应力以及位移均为:组3<组2<组1,而内固定的垂直刚度为:组1<组2<组3。提示,DHS结合防旋钉固定组力学稳定性最强,其次四枚螺钉固定组,力学稳定性最弱的是平行三枚螺钉固定组。Pauwels Ⅲ型股骨颈的垂直应力较大,联合横向垂直骨折线螺钉的四枚螺钉固定方式,可增大对抗垂直剪切应力的作用。

2.2 临床随访结果

31例患者,受伤至手术时间平均28 h(12～48 h)。手术时间平均57 min(28～130 min)。闭合复位29例,切开复位2例,无血管、神经损伤、感染、深静脉血栓等并发症发生,股骨颈复位质量根据Garden指数,Ⅰ级27例,Ⅱ级4例。本组随访24个月及以上(24～62个月)24例(77.4%)。骨折平均愈合时间16.3周(12～24)周,无骨不愈合,无内固定断裂。3例(12.5%)股骨头坏死,其中2例螺钉向外滑移,股骨颈缩短约1 cm,骨折虽愈合,但术后14、18个月股骨头坏死。按髋关节功能Harris 评分评定,平均(80±8.5)分,优良率83.3%。典型病例见图4,5。

3 讨论

股骨颈骨折的并发症发生率与损伤程度、骨折类型、复位质量等因素密切相关,与内固定方式的相关性尚不确切[6,8]。但对于有着特殊生物力学特点的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的临床并发症与内固定选择的关系需要进一步探讨。本研究通过有限元分析和病例报告研究,探讨横向螺钉结合平行倒三角四枚螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的力学稳定性和临床疗效。

3.1 三维有限元模型的验证及结果分析

在前期研究中,Stoffel等[9]采用尸体标本研究Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学稳定性,结果DHS固定的整体刚度为:(688.8±132.6)N/mm,大于三枚平行螺钉的刚度(584.1±156.6)N/mm在Amanian等[10]所报道的另外一项Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的尸体标本生物力学研究中,DHS固定的生物力学稳定性也超过7.3 mm空芯螺钉,两者的整体刚度分别为(245±51)N/mm和(166±50)N/mm。这些与我们的有限元分析结果的趋势是一致的。本研究中,DHS和平行三枚螺钉固定的刚度分别为910.06 N/mm 和778.31 N/mm,与标本分析存在一定差异,其原因可能与个体解剖特征,骨骼强度和骨折形态有关。Gümüstas 等[11]生物力学研究证实,增加横向螺钉可以显著提高平行螺钉固定的力学稳定性。以上验证表明,本研究中骨折固定模型的计算结果可靠。

A、B:正侧位X线示左髋Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折;C、D:采用闭合骨折复位,四枚螺钉固定,术后2年正侧位X线片,骨折完全愈合,无骨坏死;E、F:术后5年,X线片无骨坏死,拔出内固定

A: Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折,B: 骨折闭合复位,四枚螺钉固定; C:术后14个月,螺钉向外移位,股骨头坏死;D: 髋关节严重疼痛、活动受限,行全髋关置换术

3.2 Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的内固定选择

Liporace等[4]报道Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折76例,其中62例随访2年,股骨头坏死发生率为11%,其中采用三枚平行螺钉骨不愈合发生率为19%,DHS组发生率为8%。尽管DHS固定的生物力学稳定性优于平行螺钉,但DHS固定软组织损伤较大,出血多,手术过程较复杂,手术时间相对较长。早期有报告DHS固定相对于四枚平行螺钉固定后的股骨头坏死率,前者是后者的3.2倍[12]。Zhang等[13]回顾性队列研究DHS结合防旋螺钉、三枚空心钉以及股骨近端锁定接骨板固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折67例,发现股骨头坏死15例(22.4%),骨折不愈合8例(11.9%),内固定方式可导致不同的手术结果,DHS结合防旋钉固定方式存在更高的股骨头坏死发生率,骨折不愈合更常见于锁定接骨板固定组。DHS粗大的动力螺钉的滑动加压作用强大,可提供良好的骨折端稳定性,但骨折端粉碎会出现股骨头颈明显短缩,骨折端会持续存在微动,可导致后期股骨头坏死[14]。Enocson等[3]报道137例Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折采用DHS结合防旋螺钉固定,平均随访(2.2±8.8)年,再手术率18%。本组患者采用改良的4枚螺钉固定方式,随访无骨折不愈合发生,股骨头坏死率仅为12.5%。

虽然DHS固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折能够提供良好的力学稳定性,骨折不愈合发生率低,但手术创伤相对螺钉固定较大,且并未降低股骨头坏死的发生率。三枚平行螺钉固定不能提供较好的力学稳定性,再手术率较高。本研究的四枚螺钉固定方式,即一枚横向螺钉结合三枚倒三角平行螺钉,生物力学分析增加了骨折端的稳定性,尤其是抗纵向剪切应力的作用,同时交叉固定方式对股骨颈长度有一定的维持,可以减少股骨头颈的微动和短缩[15]。另外,螺钉固定手术创伤相对小,操作简单,复位良好的情况下尚可经皮内微创固定。

笔者体会,临床上使用横向螺钉结合平行倒三角四枚螺钉固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时,需要注意以下事项:(1)骨折应尽可能解剖复位,良好复位是保证骨折愈合,减少股骨头坏死的首要因素;闭合复位不能达到复位标准时,应该果断转为切开复位,减少反复复位对股骨头血供的破坏,本组2例切开复位均发现在骨折端有碎裂骨片卡压。(2)进行四枚螺钉固定,需设计导针(螺钉)的空间位置分布,以免4枚6.5 mm螺钉在股骨头颈内相互阻挡。(3)固定顺序先进行平行螺钉的充分加压固定,然后进行横向螺钉的交叉固定。(4)术中注意保护股骨头凹处的血供,螺钉尽可能避免置入在此部位,尤其是股骨颈骨折移位明显时。(5)术后功能锻炼循序渐进,患髋关节完全负重应待骨折完全愈合。