股骨颈骨折术后不同动作时股骨力学特性研究

王 颖，马剑雄，柏豪豪，卢 斌，孙 磊，王 岩，田爱现，董本超，靳洪震，秦国宁，李 岩，马信龙

股骨颈骨折是临床常见的一种创伤性骨折，因其术后并发股骨头坏死的概率较高[1]，导致股骨颈骨折被称为“未解决的骨折”[2]。早期股骨颈骨折并发股骨头坏死被认为是血运遭到破坏引起[3-5]。近几年随着研究的深入，力学因素在股骨颈骨折术后并发股骨头坏死过程中的作用逐渐被人们所认同[6-8]。本研究将日常动作作为股骨受力环境，探究股骨颈骨折术后股骨的受力影响，为更深一步研究患者术后股骨头坏死发生机制提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2015年1月—2017年12月在天津医院行股骨颈骨折内固定术的患者30例。经X线检查均无多发骨折、病理性骨折、双侧股骨颈骨折、陈旧性骨折、骨肿瘤畸形、骨折不愈合及股骨头坏死，且术后评价骨折复位质量良好。

1.2 仪器设备 Light Speed 64排螺旋CT机（GE公司，美国）；交互式医学图像三维重建软件 Mimics 22.0（Materialise公司，比利时）；逆向工程软件Geomagic Studio 2014（Geomagic公司，美国）；网格划分软件Hypermesh 13.0（Altair公司，美国）；人体建模仿真系统AnyBody 6.0（AnyBody公司，丹麦）；有限元分析软件Abaqus 2019（Dassault Simulia公司，美国）。

1.3 股骨颈骨折模型建立及术后复位质量的定量测量 对纳入患者股骨进行CT扫描，参数设置为球管电压120 kV，电流150 mA，层厚0.625 mm，获得股骨DICOM数据，并将数据导入Mimics软件中，利用阈值分割、蒙版编辑、布尔操作等命令重建患者双侧股骨三维模型，由于本实验后期不考虑内固定的应力分析，因此个别包含内固定的患者数据在建立模型时不对内固定进行三维重建。然后对健侧的股骨颈进行镜像操作，与患侧股骨颈进行匹配，以大转子、小转子和股骨干匹配良好为准。然后对患侧股骨颈术后复位质量进行定量化测量（图1），测量参数包括股骨头小凹最低点位移、股骨头中心位移、股骨头偏转角度。

图1 股骨颈骨折复位质量定量化参数示意图

1.4 肌骨模型的建立 在AnyBody软件模型管理库中选择通用人体模型，删除与本实验无关的肌肉与上肢骨骼，骨骼仅保留颅骨、颈椎、胸椎、腰椎、骨盆、股骨、胫腓骨和全足；肌肉则保留骨盆至足部的所有肌肉；建立下肢肌骨模型。

1.5 坐标系的统一与模型匹配 由于股骨颈骨折模型的坐标系与AnyBody软件中建立的肌骨模型坐标系不同，为保证AnyBody软件中的肌肉元素与动作仿真产生的环境变量可以准确的加载到股骨颈骨折模型上，需要将股骨颈骨折模型与肌骨模型进行局部坐标统一及位置匹配。但由于患者身高等因素导致个体化股骨存在大小差异，因此在进行坐标统一之前分别根据患者身高对AnyBody软件中建立的肌骨模型进行缩放。缩放方法则采用软件中自带方法，该方法在步态模型与上肢肱骨模型缩放实验中有过成功案例[9-10]。然后将股骨颈骨折模型与肌骨模型同时导入到Geomagic Studio软件中，通过标记相同部位的方式使两种模型自动匹配，主要以大转子与小转子部位匹配良好为准。

1.6 股骨颈骨折有限元模型的建立 股骨颈骨折模型与肌骨模型匹配后，在Geomagic Studio软件中进一步对股骨颈骨折模型进行预处理，包括模型降噪，快速光顺，构造格栅，精确曲面及拟合曲面等处理。最后将处理好的模型导入到Hypermesh软件中进行网格划分，建立股骨有限元模型。

1.7 逆向动力学分析

1.7.1 动作模拟 在AnyBody软件中，对30例患者模型统一按照70 kg体重进行模拟，完成四个日常动作，包括站立、下蹲、起立和步行，如图2。其中站立动作则以一个节段完成。下蹲动作则以九个节段完成，人体模型由站立位逐渐下蹲，每下蹲一节段髋关节与膝关节弯曲15°，则下蹲时膝关节与髋关节由0°逐渐弯曲至135°；起立动作同下蹲，同样以九个节段完成，则起立动作时膝关节与髋关节由弯曲135°逐渐伸直至0°[11]。步行过程则以四个节段完成，分别是双足站立、单足站立、足跟离地和足趾离地[12]。动作完成后将过程中产生的关节力、肌肉力、力矩及约束条件生成环境变量。

图2 日常动作模拟图

1.7.2 有限元分析 将有限元模型导入Abaqus有限元分析软件中，对材料属性进行赋值[13]，材料属性见表1。再利用AnyBody软件中的AnyFE2Abq插件功能，将动作模拟生成的环境变量加载到股骨颈有限元模型上，实现逆向动力学分析，最后观察不同动作时股骨颈应力分布及应力峰值。同时采集股骨颈附近6个感兴趣区域的应力值，具体位置如图3，分别为股骨颈上端股骨头下位置（1号），股骨颈外侧靠近大转子位置（2号），股骨颈下端股骨头下位置（3号），股骨颈内侧下端靠近小转子位置（4号），股骨内侧小转子下端（5号）和股骨外侧大转子下端（6号）。

图3 股骨颈6个应力感兴趣区域位置

表1 材料属性

1.8 统计分析 应用IBM-SPSS 21版本软件进行统计分析，计量资料首先使用 Shapiro-Wilk 检验判断数据是否为正态分布，模型载荷与应变量均为正态分布数据，且方差齐性，以（）表示。采用单因素方差分析的方法对不同动作间股骨颈的应力值进行比较；P＜0.05 表示差异具有统计学意义。

2 结果

经三维测量，30例患者术后股骨颈模型的股骨头小凹最低点平均位移为（9.22±4.42）mm，股骨头中心平均位移为（5.32±2.98）mm，股骨头平均偏转角度为（19.73±11.61）°。有限元分析结果显示，站立时股骨受力主要集中于股骨干部位，股骨颈等部位应力较小；步行过程中股骨颈上下方和外侧皮质是应力主要集中的部位，其余部位的应力相对较小，并且在足趾离地时股骨近端所受最大应力达到最大。起立动作时应力主要由股骨干向股骨距及股骨颈上端延伸，最大应力集中于股骨颈内侧股骨距位置并延伸至股骨干；下蹲动作时应力主要由股骨干逐渐向股骨颈方向延伸，而最大应力集中于股骨干的部位（图4）。

图4 不同动作时股骨颈的应力云图

四个不同动作下，站立时股骨颈受力最小（18.97±7.80）MPa，其次是起立（61.74±114.38）MPa、步行（66.85±36.18）MPa，下蹲时股骨颈受力最大（1607.04±869.58）MPa。经统计分析，仅起立与步行之间不具有显著性差异（P=0.82），其余不同动作时股骨颈应力之间均有显著性差异（P＜0.05），如图5。对股骨颈附近6个感兴趣区域的应力测量结果显示，在几个不同动作过程中，5号位置应力最大，其次是4号，1号位置应力最小（见表2和图6）。

图5 不同动作时股骨颈的平均应力峰值

图6 不同动作时股骨颈附近6个感兴趣区域的平均应力峰值

表2 不同动作时股骨颈附近6个感兴趣区域的应力均值（MPa）

3 讨论

本课题组前期研究发现，临床评价股骨颈骨折术后复位质量良好的患者，经三维测量，股骨头依然存在较为明显的空间移位[14]。本研究纳入的30例患者中，经三维测量30例股骨头分别存在不同程度的空间移位。因本研究不考虑复位质量对股骨应力的影响，数据分析时未对移位程度进行区分。实验中为避免产生其他个例误差，逆向动力学分析时，人体模型参数采用统一设置处理，应力结果也采用30例模型的应力平均值，此实验方法使本研究结果针对术后不同复位质量患者都适用。

本研究的逆向动力学分析方法与杨挺等[15]曾报道的实验方法相同，他的研究中仅模拟了步态一种动作状态，且研究结果中步态动作过程中股骨颈应力分布的变化与本研究结果也相同。另外通过不同动作的应力峰值可得，四种动作中，站立时股骨颈承受的应力值显著小于其他动作时的应力值；起立和步行两个动作时，股骨颈受力差异不显著，下蹲时股骨颈受力最大，且应力均值较其他动作具有显著性差异。该结果与汪松等[16]的结果存在一定的差异，他们认为随着股骨受力逐渐增大的动作顺序应该是站立、坐、蹲、正常行走，即下蹲和行走与本研究结果存在相反的顺序。此差异性也许是两种不同的研究方法造成的，笔者认为本研究的逆向动力学分析方法与结果更具有可靠性。

股骨作为人体主要的承重器官，几乎承担了人体全部重量，尤其在股骨颈处，由于其特殊的杠杆结构，特定动作下需要承受数倍于体重的载荷[17]。有研究证实，运动强度级别影响着骨内小梁结构与强度的变化，动物实验也有证实[18]，负重会增加骨小梁的断裂，降低股骨头的生物力学性质。因此，负重产生的应力被认为是股骨头坏死塌陷的直接外部因素。有临床随访研究发现，股骨头坏死多发生在股骨颈骨折术后1.5～3年之间[19]。Frost“力学调控系统假说”[20]解释了应力对股骨头坏死发生发展的影响。Frost认为“力学调控系统”可以感受外界应力的刺激，并产生对应的应变反应，从而实现骨代谢的调节。股骨颈骨折术后可负重时，股骨会因应力的刺激，产生应变变化，当股骨承受到的应力超出最大骨强度时，股骨颈受力部位内的骨小梁会出现局部微骨折，进而激发骨修复、塑性或改建等反应[21]。当长期存在的高应力刺激远远大于骨改建的补偿时，小梁微骨折则得不到有效修复，甚至无法修复。长此以往，骨小梁则会出现疲劳损害，甚至永久性骨折，此时骨的力学性能就会被降低，最终因持续积累发生应力骨折、股骨头塌陷坏死等结果[22]。

另外本研究在有限元分析结果中，对股骨颈附近6个部位的应力值进行观察，1～3号位置多为股骨颈骨折线的上端两侧和下端两侧，5、6号位置分别代表小转子和大转子的应力传导。结果发现5号位置在几个不同动作过程中应力值最大，其次是4号位置，1号位置应力最小，说明股骨受力后应力主要经股骨头下小转子位置向股骨干进行传导。由于有限元网格化处理，每个感兴趣区域都由多个网格组成，每个网格都有一个应力值，为减少误差，本作者在操作中选取各感兴趣区域内3～5处应力值，并取平均值，从而尽可能准确的反映出待观察位置的应力大小。

综上所述，患者在股骨颈骨折术后康复过程中应尽可能较少股骨负重。本研究结果中，下蹲时股骨承受的应力较其他三种动作时大，因此本研究建议患者在日常活动过程中，尽可能地借助外部环境的支撑减少身体施加到股骨上的应力。另外，本研究的不足之处在于将日常动作作为一个过程采集，未对动作进行分节段的应力采集及分析，因此下一步可以更细致地对动作过程中股骨应力变化及应力峰值变化进行分析研究。