老年股骨近端骨折的生物力学特性及临床应用

柯嵩 于利 何宜谦

1.大连医科大学附属第一医院骨科，辽宁 大连 116000 2.唐山市第二医院骨科，河北 唐山 063000 3.大连理工大学工程力学系/工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116000

摔倒后股骨近端骨折是老年人最严重的损伤之一，随着人口老龄化的加重，股骨近端骨折的发生率呈明显的上升趋势。1990年全世界约166万例股骨近端骨折患者，预测2050年这一数字将达630万甚至更多。股骨近端骨折不仅给患者及家属带来身心巨大痛苦，同时也给社会带来沉重的医疗负担。Karres等[1]研究表明老年股骨近端骨折30 d内死亡率为8.9%～14%，1年内死亡率为34%。而幸存患者的自理能力和生活质量明显下降，需要看护及照顾，术后仅有1/3的患者能恢复骨折前的活动能力[2]。

既往研究表明老年人股骨近端BMD低，低能量损伤即可造成骨折，然而以往所运用的基于骨密度来诊断骨质疏松这一方法并不能准确地预测老年股骨近端骨折[3]。近年来，随着生物力学软件在医学建模上的应用及发展，利用有限元建模软件对人体骨骼进行生物力学分析及试验，来重建骨的微观结构、分析骨的力学规律成为医学研究的热点[4]。本文针对股骨近端骨折的生物力学特性以及临床应用相关研究进展进行综述，为老年股骨近端骨折的风险评估及临床治疗提供理论指导。

1 股骨近端骨折的生物力学特性及相关研究进展

国际骨科内固定研究协会将股骨头至小转子下缘以内的区域定义为股骨近端，包括股骨头、股骨颈及股骨大、小转子。股骨近端上承接骨盆，下连接股骨干。

1.1 股骨近端几何特性

股骨颈干角、股骨颈前倾角、股骨偏心距等解剖参数在股骨近端骨折的发生中占据重要角色。既往研究表明，髋关节是主要承重关节，股骨颈为悬臂梁结构，当外力作用于股骨时，其力的方向由股骨头中心至小转子内侧的股骨距，再通过股骨干传递[5]。若颈干角大于正常值，则外力距离中轴变近，对应的压力骨小梁及张力骨小梁载荷变小，但因颈干角较大，人体站立及步态平衡被打乱，摔倒概率反而增高，股骨近端骨折概率在摔倒所致的低能量作用下亦增高。反之，若颈干角小于正常值，外力离中轴变远导致弯距明显增加，骨小梁载荷变大，因老年人多伴有骨质疏松，骨结构抵抗外力能力较低，应力增加下股骨近端骨折发生率亦相应增加[6]。国内学者杜长岭等[7]利用有限元分析相关软件分析股骨近端力学特性时发现，股骨颈前倾角处于正常值时，股骨近端应力-应变及产生位移最小，当前倾角增大或减小时，股骨近端有效应力-应变及产生位移均呈增长趋势，当前倾角为0°时，股骨近端承受应力及产生的位移最大。除颈干角及前倾角以外，股骨头长度、股骨颈长度、股骨干直径等参数均与股骨颈骨折的发生率密切相关，股骨颈长度较长者，偏心距增大，外力作用下股骨颈所受剪切力增大，股骨近端骨折概率增加。股骨干直径增加理论上可增加股骨稳定性，但若是外力作用下股骨干的持续增加，因老年人骨代谢较为缓慢，骨吸收速率大于骨成长速率，导致股骨干内径外径均增加。侧方跌倒时，冲击力作用于大转子区域，因股骨头与髋臼的紧密联系而无法缓冲，而股骨干区域形变更小，冲击力便集中作用于股骨颈区域，因股骨颈区域无法蓄积能量，触地后能量的迅速释放更易造成股骨近端骨折[8]。

股骨近端几何解剖学参数能够影响骨折发生率，老年股骨近端骨折后利用健侧几何参数推测患侧数据，再对比正常股骨近端几何参数，对老年骨折预测及临床治疗评估具有重要的意义。

1.2 皮质骨力学特性

矿化骨组织是构成骨的基本材料，其中皮质骨与松质骨虽具有相似的组成成分，但其结构与特性却有很大差别。

皮质骨的抵抗骨折或形变的材料力学性能随年龄增长而发生变化。大量研究表明，随年龄增长，皮质骨的弹性模量(衡量材料变形难易程度的计量指标)逐年下降，超过35岁后，皮质骨的弹性模量每10年减少约2%[9]，但是也有部分学者认为皮质骨的弹性模量与年龄无显著相关性[10]。除了弹性模量外，皮质骨的骨强度(在失效测试中获得的最大应力)亦随着年龄增长显示下降趋势，甚至下降幅度更大，超过35岁后，每10年皮质骨强度下降2%～5%[11]。结合皮质骨的骨强度、弹性模量及其他因素，导致骨折的能量随年龄增长每10年下降10%左右，也就是说，一些低能量损伤在年轻人不会造成骨折，但却会导致老年人骨折。

皮质骨组织形态与成分随年龄的变化导致其生物力学特性随之改变。随年龄增大，骨重建由平衡向不平衡发展，当骨吸收速度超过形成速度时，骨孔隙出现，35岁后，皮质骨空隙越来越多，皮质骨孔隙率与年龄增长呈正相关[10]。这也是皮质骨弹性模量和皮质骨强度随年龄降低的原因。皮质骨骨组织矿物质含量的增加对皮质骨的韧性极为不利，在骨骼生长过程中，皮质骨矿物质含量增长迅速，但在35岁以后，并没有明显的变化[12]。此外皮质骨中胶原蛋白交联数量的变化，尤其是非酶蛋白、糖基化蛋白的交联变化，被证实在骨强度及骨韧性与年龄增长的相关性中起着重要作用，即骨胶原增加，骨强度及韧性降低[13]。其中最具特点的是戊糖素(一种非酶胶原)，随着年龄增长，皮质骨中其含量显著增加，在完整皮质骨及脱矿化皮质骨中其含量越高，皮质骨强度及韧性越低[14]。

1.3 骨小梁(松质骨)力学特性

骨小梁(松质骨)的密度、微观结构和力学特性与皮质骨有很大差异，股骨近端的不同部位及不同方向上，骨小梁的性能变化也是非常大的[15]。骨小梁的弹性模量及强度的差异可以用其微观结构的物理形态及性能参数来解释。首先最重要的是骨表观密度(即骨的重量除以它的总体积，这等同于小梁组织的密度乘以骨体积分数)，骨表观密度对松质骨被压缩时的应力-应变行为有很大的影响，有关研究表明，松质骨的弹性模量及强度的变化区间极大，大小跨度可达3个数量级，而密度变化区间只有一个数量级(0.1～1 g/cm3)，即BMD极小的变化就会对松质骨的力学性能产生极大的影响[16]。研究表明，无论男性还是女性，骨小梁的骨表观密度都随着年龄增长而显著下降，从20～75岁，随着微观结构的减少及变化，股骨近端同一层面骨小梁强度总体下降约50%[17]，这正说明了如骨质疏松症这类影响BMD、骨结构的老年疾病，对骨的力学性能及骨折风险的巨大影响。

除了表观密度，股骨近端骨小梁的空间构型与其力学特性也有着较大的关联。Van Rietbergen等[18]、Pahr等[19]研究表明，股骨近端骨组织内部存在应力-应变的均一性，基本规则满足Wolff定律(骨骼形态与功能具有一致性，骨组织具有为适应功能而改变形态的能力)，为了以最小的重量使组织的应力达到最小，以便于最有效吸收或化解冲击，形成了一个顶端朝向股骨头、相互交叉、以大包小且形态各异的多拱形复杂网状结构。此网状结构密切交织，排列有序，分为主压力小梁、次压力小梁、主张力小梁、次张力小梁及大转子小梁5组骨小梁，共同构成了符合人体生理需求的最有效承重系统[20]。随着Micro CT等技术的广泛运用，股骨近端骨小梁实现了精细可视化，相关领域研究也得到了进一步发展[21-22]。Hwang等[22]证实了不同年龄的人群，其粗隆间、股骨头和股骨颈区域的骨小梁具有明显差异，其中股骨颈外上部骨小梁退化程度最高，而股骨头及股骨颈内下部退化程度较低。Herrera等[23]进一步证明了股骨近端杆状骨与板层骨分布的区域规律，其中板层骨集中分布于股骨头及股骨颈内部，此区域是股骨近端主要负重区，当老年骨质疏松患者负重区板层骨破坏较多时，会大大增加骨折的发生率。同时，Keller等[24]运用实体力学试验，证实了股骨近端骨小梁载荷方向与内部不同夹角主压力骨小梁应力走向基本一致。老年股骨颈骨折复位或术后，若对位对线不佳，则载荷方向与应力走向出现一定角度，当角度超过临界点时，相同外力下骨小梁难以承受相应载荷，骨不愈合及再发骨折风险增高，甚至会造成股骨头坏死，陷入了恶性循坏[25]。

2 股骨近端骨折的生物力学临床应用相关研究进展

绝大部分股骨近端骨折是发生于老年人的骨质疏松性骨折，目前常规使用的基于双能X线吸收法测量BMD预测骨质疏松性骨折的敏感性很低，且误差较大[26]。近20年来国内外学者们对股骨近端生物力学性质及特征进行的深入研究，试图建立一种新的基于生物力学的方法来预测老年人骨质疏松性骨折风险，指导临床治疗。

2.1 国内研究进展

白雪岭等[27]通过将肌肉作用力与关节作用力作为分析的边界条件，代入相关软件，得出人体股骨在正常步态下的最大位移位置和最大应力部位，证实了股骨颈部位的应力集中现象，这与实际临床上股骨近端骨折部位相吻合。王杰等[28]研制出聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)人体股骨模型，通过比较尸体股骨与PMMA股骨在在轴向载荷下的生物力学性能，证实了PMMA股骨模型可以替代尸体股骨进行人体生物力学模拟试验，为国内股骨近端有关的临床实验工作发明了有效的替代工具。Lu等[29]利用多探头CT研究股骨近端骨小梁分布与老年股骨近端骨折的关系，发现老年股骨近端骨折时，主张力骨小梁和主压力骨小梁严重减少；转子间骨折时，大转子区域骨小梁严重减少而Ward区骨小梁增加。得出可以通过主张力骨小梁、主压力骨小梁、大转子区骨小梁及Ward区的平均CT值来评估老年股骨近端骨折风险，为预测老年股骨近端骨质疏松性骨折开拓了新的途径。王倞等[30]通过测量人体股骨近端松质骨矿质密度及轴向弹性模量，建立骨矿质密度与轴向弹性模量相关关系的本构方程，得出骨矿质密度与轴向弹性模量的线性和幂次回归的相关性均较高，且同部位两种回归的r2值之间无明显差异。此研究可应用于体外检测患者的骨骼质量，准确分辨骨质变化的部位，配合有限元建模进行力学分析，以此来预测老年股骨近端骨折的风险。

2.2 国外研究进展

相较于国内，国外很早就开展大量生物力学实验来预测或分析老年股骨近端骨质疏松性骨折。Van Rietbergen等[18]计算了健康尸体和骨质疏松者尸体股骨近端骨组织水平上的应变分布以定量分析健康骨与骨质疏松骨的力学特性，最后发现健康骨平均应变为304μ，安全系数为8.6；而骨质疏松平均为520μ，安全系数为4.6，证实了应变的变化是骨质疏松患者骨折的潜在因素。同一团队进一步研究发现，运用一种全新的力学图像成像法，在股骨标本受力及不受力两种状态下分别进行三维重建建模，比较两种三维图像，从而确定骨组织的变形程度，以此来预测骨折风险。然而此法存在局限性，仅仅形变量够大(>1%)时才能得出相对准确的结果，实际上低能量骨折往往达不到此形变要求[31]。

近年来，绝大多数学者认为，基于测得的BMD值，结合股骨近端几何解剖参数和力学参数，是预测股骨近端骨质疏松性骨折的最佳检测方式。Falcinelli等[32]通过大量骨质疏松女性的病例对照研究，测试了股骨近端骨折和不同载荷之间的关系，证实了基于股骨近端有限元分析骨强度的评估方法能为老年骨质疏松妇女的BMD预测骨折增加准确性。与此同时，Munckhof等[33]将三维成像技术与有限元力学分析法集成在一起，建立特定受试者的股骨近端有限元力学模型来测定获得的断裂负荷，得出其测定系数为0.773～0.95，断裂负荷的误差百分比为5%～46%，小于BMD测定相同受试者的对应参考值，证明了使用有限元力学模型来预测股骨近端骨折比单纯测定BMD效果更佳。Ariza等[34]将试验进行了拓展，摒弃以往静态受力分析的方法，力求模拟现实侧摔下的撞击效果，进行了人体股骨近端骨折在动态条件下的力学分析，将15例落塔试验下股骨近端模型的载荷及应力变化与高速摄影机实际拍摄得出的数据相互对比研究，得出股骨近端骨折的动态力学分析模型相比较于静态模型，能够更加准确地预测骨折风险，指导临床治疗。

3 总结与展望

老年股骨近端骨质疏松性骨折具备独特的生理特征及力学性能，准确预测老年股骨近端骨折、指导骨质疏松患者的个体化治疗、降低老年股骨近端骨折风险是国内外学者一直努力的方向，期待在不远的将来，基于BMD值，结合骨几何-骨生物力学参数的个体化“骨强度测量仪”悄然而至，成为预测骨折发生、指导手术治疗以及评估预后康复强有力的工具。