空芯钛棒治疗早期股骨头坏死的体外生物力学实验及临床应用

胡长波，杨新明

(河北北方学院附属第一医院骨科，河北 张家口 075000)

近年来股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head,ONFH)发病率逐渐增高，且患者年龄呈现年轻化，若早期ONFH得不到有效治疗势必引起股骨头塌陷，最终导致髋关节功能严重受限。治疗早期ONFH的方法众多，疗效报道不一[1-3]，但其共同的目标均是保留自身股骨头，延缓人工髋关节置换的时间。研究表明，股骨头负重区域软骨下骨的生物力学性能随股骨头缺血坏死的发展逐渐降低，当应力增大到一定程度时，软骨下骨小梁最终断裂、股骨头塌陷[4]。因此，在众多“保头”方法中，如何防止早期股骨头塌陷问题成为重中之重，其中关节镜辅助下经皮微创髓芯减压、植骨联合空芯钛棒支撑治疗早期ONFH的手术方法得到国内外诸多专家的认可[5-9]，但关于空芯钛棒防止股骨头塌陷的体外生物力学研究及分析鲜见报道。本实验通对生物力学测试及典型病例疗效的总结，探讨空芯钛棒设计的合理性及实用性。

1 材料与方法

1.1一般资料 成人尸体股骨标本15只，福尔马林浸泡，由河北北方学院人体解剖学教研室提供，所有标本经放射线透视证实无病理性改变，软组织均被剔除干净，随机分为正常组(A组)、 髓芯减压组(B组)、髓芯减压+空芯钛棒置入组(C组)，每组5只标本。同时回顾性分析2005年3月—2014年11月采用髓芯减压+植骨+空芯钛棒置入方法治疗的早期ONFH且随访资料完整的患者(74侧髋)，进行X线分期变化对比。纳入标准：按照国际骨科循环学会(Association Research Circulation Osseous，ARCO)分类，均为股骨头缺血性坏死Ⅱ期病例。排除标准：ARCO 分期Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ的股骨头缺血性坏死者，合并髋关节骨关节炎、髋关节撞击、髋臼发育不良者，既往存在感染者。

1.2方法 A组为正常股骨头颈标本，不作任何处理。B组：C形臂X线透视下在股骨外侧大转子下2 cm处，将直径2 mm导针钻入股骨头外上方头下2 mm区域，依次用直径6，8，10 mm空心钻去除骨至预定区。经此骨隧道插入特制的长柄刮匙，透视引导下模拟临床股骨头坏死清除病灶，刮除直径约1.0 cm骨组织制造成骨破坏区。C组：在B组造模基础上，选择长度合适空芯钛棒，透视下沿髓心减压孔缓缓打入至钉尾粗螺纹起始处，然后拧入粗螺纹，使棒顶尖至股骨头骨缺损区即股骨头软骨下，支撑软骨下骨。

1.3生物力学测定 将股骨标本固定于实验机夹具内，模仿正常人站立时承受压力的情况，标本在矢状面处于中立位，冠状面股骨干内收15 °；使用502胶将压力形变变应片黏贴于股骨转子窝、股骨矩、股骨大转子下三处，连接电线接入电桥后转入计算机；实验温度18 ℃，实验过程中向标本喷洒生理盐水以保持湿度在70%。在股骨头顶部逐渐加载至300 N，此时标本未破坏，记录A、B、C 3组股骨转子窝、股骨矩、股骨大转子下三处的应变，重复测量共3次，取平均值；最后一次加载至股骨头塌陷，股骨头塌陷的标准：位移增加但负荷不增加的点即破坏极限点。加载时要平稳，加载速度1.5 mm/min，实验机内计算机记录应变、位移等数据。

1.4统计学方法 应用SPSS 13.0统计软件分析数据。计量资料比较分别采用F检验和SNK-q检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1股骨头加压后的应变 A、B、C 3组在加压至300 N时，标本尚未破坏。股骨转子窝、股骨矩2处的应变：A、C组之间差异无统计学意义(P>0.05)，A、C 2组均大于B组(P<0.05)；股骨大转子下的应变：A、C组之间差异无统计学意义(P>0.05)，A、C 2组均小于B组(P<0.05)。见表1。

组别股骨转子窝股骨矩股骨大转子下A组491.06±25.28469.24±25.22368.90±33.20B组288.53±18.24∗230.70±19.22∗883.27±53.38∗C组432.43±44.73#415.86±38.57#586.87±29.36#F值54.79694.315207.731P值0.0000.0000.000

*P值<0.05与A组比较 #P值<0.05 与B组比较(SNK-q检验)

2.2造成股骨头塌陷的最大载荷 A、B、C 3组加压致股骨头塌陷的最大载荷不同。B组明显小于A、C 2组(P<0.05)；A、C 2组之间差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

组别股骨头塌陷时最大载荷A组3 182.34±166.48 B组1 863.17±85.75∗C组3 210.65±294.46#F值73.020P值0.000

*P值<0.05 与A组比较 #P值<0.05 与B组比较(SNK-q检验)

2.3手术前后病变分期的X线观察 手术前后X线对比观察,ⅡA期15髋、ⅡB期34髋、ⅡC期25髋,计74髋，术后24个月随访:原ⅡB期5髋病变加重,其中1髋进展并稳定在ⅡC期、末次随访未进一步加重,4髋进展为ⅡC期并且又进一步加重为Ⅲ期、最终行全髋关节置换；原ⅡC期中有6髋病变加重并且发生股骨头塌陷,末次随访时(均>30个月)行全髋关节置换。见表3。

表3 手术前后ARCO分期变化结果Table 3 Results of ARCO staging before and after surgery (髋数)

3 讨 论

目前股骨头缺血性坏死的治疗主要分为非手术与手术治疗2种。非手术治疗主要针对青少年人群，原因在于青少年处于生长发育期，自我修复能力较强，病变的股骨头伴随身体的发育可以得到自我修复。对于成年患者，非手术治疗效果并不理想，手术治疗是针对成年患者的主要方法。在多种多样的手术治疗方法中，髋关节置换是公认的、成熟的方法[10]，但对于中青年患者来说，人生中将面临一次或多次的翻修手术，这对于患者的生理、心理均是严重的打击，给患者及家属造成沉重的经济负担。有文献显示，股骨头缺血性坏死患者的平均年龄为35岁[11]，对于此类患者，主要目的是缓解疼痛，延长股骨头的使用寿命，延缓关节置换的时间。根据病情的轻重及年龄选择不同的手术方法，常见的方法有骨移植、钽棒支撑、血管移植、髓芯减压[12-15]。骨移植目前主要为自体或异体腓骨移植，可以为坏死股骨头的修复提供血运支持、机械支撑及骨修复的帮助，同时还可以防止股骨头再次塌陷。血管移植目前主要为移植旋髂深血管、旋股外血管或联合移植，目的是为坏死的股骨头重新提供血运。钽棒的使用可有效防止坏死股骨头的塌陷，为其提供机械支撑。髓芯减压经过不断的发展，成为治疗早期ONFH的主要方法之一[16]。该方法通过降低股骨头内压缓解关节疼痛，且不破坏原有的残余血运供应，髓芯减压合并植骨还可以提供部分机械支撑，创伤小、操作简单均为其优点。但许多文献显示，当前各种手术方法，包括髓芯减压，效果并不令人满意[17-18]。自体腓骨移植康复时间较长，腓总神经麻痹，股骨近端容易发生骨折等并发症[19]。异体腓骨移植存在骨吸收或排异反应，价格昂贵。钽棒的支撑效果虽然明确，但价格高昂，且目前暂无明确报道钽棒有助于促进骨修复[20]， 同时随着钽棒的深入研究，其失败的案例也逐渐增多 。髓芯减压合并植骨可在短时间解决髓芯减压缺乏结构支持的缺陷，但因长期缺乏机械支撑造成的股骨头塌陷无法缓解。

针对上述治疗现状，本实验研制了一种空芯钛棒，试图对已经发生塌陷的股骨头进行支撑或对未塌陷的股骨头起到支撑和预防塌陷的作用。并在髓芯减压处进行植骨，有助于头颈部生物力学的恢复及骨性融合，且不妨碍远期髋关节置换。空芯钛棒具有以下设计优点：①空芯钛棒采用弹性模量与人体骨骼接近的钛合金，具有良好的组织相容性，与钽棒相比，其成本低、价格低，减轻了患者的经济负担；②钛棒的空芯设计便于导针的进出，置入时可先行使用导针进行定位，提高定位的准确性，实现精准置钉，降低了定位时对骨组织的破坏，空芯的设计在短时间内形成通道，起到了减压的作用，空芯内部由于内表面光滑，不利于骨形成，可达到长期减压的效果；③棒身的光杆设计及棒头处1/3圆形设计，使得进棒时阻力更小，棒头处1/3圆形设计与股骨头的圆形结构相对应，可更紧密的紧贴软骨下骨；④棒尾采用粗螺纹设计可以使钛棒崁入外侧皮质骨，钛棒棒杆的直径为10 mm，粗螺纹外直径为11 mm，这种头小尾大的设计结合粗螺纹的咬合力，有效防止了棒尾的脱出或棒头向软骨面穿透的可能；⑤钛棒的整体长度为75 ～110 mm，每5 mm递增，符合我国平均股骨颈长度，可供不同年龄的患者选择；⑥棒尾末端的设计选择了深度为3.5 mm的内六方凹口，长距离的咬合接触有助于空芯钛棒的进入或取出，使手术操作变得更简单省力，且不易滑扣。

本实验结果显示，在股骨头未损毁的前提下，加载至300 N时，正常组应变值由大到小依次为股骨转子窝、股骨矩、股骨大转子下，并且较为接近。这说明正常情况下对股骨头施加压力，应变主要集中在股骨矩、股骨转子窝，应力分布较为均匀。髓芯减压组应变值由大到小分别为股骨大转子下、股骨转子窝、股骨矩。髓芯减压后，股骨头颈处由于骨性缺损的存在，正常的解剖结构发生破坏，内侧压力骨小梁与外侧拉力骨小梁均进行调整，原有的力学传导发生改变，导致股骨头负重的应变由股骨矩、股骨转子窝，变为股骨大转子下。髓芯减压+空芯钛棒置入组应变值由大到小分别为股骨大转子下、股骨转子窝、股骨矩。正常载荷时，股骨头各部位应力值不同，当应力超过承受能力的峰值时，骨小梁发生局部的微骨折，而骨自身重建不足以代偿时，微骨折进一步加重，最终导致股骨头塌陷，ONFH其实质是以骨小梁微骨折为病理基础的。 正常的股骨头颈处的应力集中部位在小转子上方及股骨矩处，从股骨头至股骨矩方向上的主压力以骨小梁为主要承重结构。髓芯减压后，在股骨颈内形成的通道，造成正常的股骨颈结构发生变化，导致骨小梁调整，加压时应力主要集中在股骨大转子下，同时3处的应变分布并不均匀。而置入钛棒后，钛棒自身具有一定的力学强度, 置入不仅填充了髓芯减压后的骨缺损，而且钛棒与骨有相近的弹性模量相当，故在股骨头内有相近的应力和应变模式，与受区一起，共同承担载荷，加压时应变仍主要集中于股骨大转子下，但三处应变分布较髓芯减压组更为接近，说明应力分布更为均匀，虽然没有完全恢复至正常的生物力学特点，但更趋于正常。其次，当加压至股骨头塌陷时，3组的最大载荷值从小到大依次为髓芯加压组(B组)、正常组(A组)、髓芯加压+空芯钛棒置入组(C组)，A、C组之间差异无统计学意义，A、B组之间及B、C组之间差异均有统计学意义。这说明髓芯减压后由于股骨颈正常的结构被破坏，导致生物力学特点发生变化，股骨头抗压能力减弱；而置入空芯钛棒后，股骨头抗压的能力增强，并趋于正常，说明空芯钛棒具有良好的支撑作用，可有效防止股骨头塌陷。

本研究回顾性分析采用髓芯减压+植骨+空芯钛棒置入的方法治疗ONFH Ⅱ期的患者(74髋)，进行X线分期变化对比，ⅡA期效果最好，ⅡB期5例和ⅡC期6例加重(均为皮质激素类股骨头坏死)。说明此类手术方法对ONFH Ⅱ期疗效肯定，但皮质激素类股骨头坏死有局部塌陷的风险，这可能与皮质激素类股骨头坏死骨髓组织中血管内皮生长因子减少有关，通过抑制骨细胞合成骨形态发生蛋白，从而抑制骨髓基质干细胞向成骨细胞的分化，皮质激素类股骨头坏死成骨能力弱；手术治疗后这种抑制成骨的作用仍存在，进而导致骨量丢失、病情进展。因此，对于皮质激素类股骨头坏死，临床中应谨慎选择此类手术方法。

本实验研究的空芯钛棒植入后，股骨头受压时的应力分布、承载负荷均更接近正常，有助于减压后股骨头颈处生物力学性能的恢复，对髓芯减压后股骨头塌陷有较好的支撑作用，这为临床治疗早期ONFH，提供了新的思路，值得临床深入研究和推广。

本实验样本量较少、实验操作过程中可能存在失误，且模拟正常人站立时股骨头承受压力的情况并未考虑股骨头周围软组织的影响，有待今后进一步研究。