固定髋臼后壁骨折力学研究论文

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【摘要】目的研究不同比例髋臼后壁骨折不同内固定方法的固定强度，以确定最理想的内固定方法。方法将18具骨盆标本制成左右配对的髋关节，随机分成三组，然后人为造成髋臼后壁关节面1/3骨折、2/3骨折、3/3骨折。用两枚皮质骨螺钉、重建钢板以及重建钢板加两枚皮质骨螺钉三种内固定方式固定每一组骨折，屈髋90°对模型分别进行生物力学测试，测量各组骨折块的分离位移及分离3mm时的载荷，以比较不同比例后壁骨折不同内固定方法的固定强度。结果统计显示1/3比例骨折螺钉组与钢板、钢板加螺钉组间差别无意义(P＞0.05)，2/3、3/3比例骨折螺钉组与钢板、钢板加螺钉组间差别有显著意义(P＜0.01)，而钢板组与钢板加螺钉组之间差别无意义(P＞0.05)。结论髋臼后壁1/3比例骨折，单用两枚皮质骨螺钉固定已经足够；2/3和3/3比例骨折以重建钢板内固定较为理想，在钢板之外再加两枚螺钉并不能增加内固定强度，反而增加了手术创伤及难度。【关键词】髋臼后壁；骨折；内固定；生物力学BiomechanicalEvaluationontheThreeFixationsoftheSimulatedDifferentScaleFracturesontheposteriorWallofAcetabulumLIKelun，XUGang，CHENZhihao，etal(DepartmentofOrthopaedics，YueqingFirstHospital，Zhejiang325600，China)Abstract：ObjectiveTodefinetheoptimalinternalfixationmethodbymeansofstudyingthestrengthofvariousinternalfixationsofsimulateddifferentscalefracturesOnposterioracetabularwall.MethodsEighteencadavericpelvisweremadeintohipjioints，dividedintothreegroupsrandomly.Thencausethefractureof1/3，2/3and3/3articularsurfaceoftheposteriorwallofacetabulum.Themodelswerefixedwithoneofthethreedifferentmethods：twocorticalscrews(CS)，reconstructionplate(RP)，andreconstructionplateplustwocorticalscrews(CS＋RP).Thentestswereperformedoneachmodelwith90flexionofthehip.Measurethedisplacementsofthefragmentsandtheloadingswhenthedisplacementswere3mm.ResultsThereisnosignificantdifferencebetweentheCSandRPorRP＋CS(P＞0.05)inthegroupof1/3fracture，butwithsignificance(P＜0.01)inthegroupsof2/3and3/3fractures，andnosignificancebetweentheRPandRP＋CS(P＞0.05).ConclusionItisenoughstabilitywhenfixthe1/3fracturewithCSonly；theidealmethodofintemalfixationof2/3and3/3fractureoftheposteriorwallofacetabulumisRP，whileRP＋CSisnotstrongerthanRPonlyanditmayaddmoreoperativetraumaanddifficultytooperate.Keywords：posterioracetabularwall；fracture；internalfixation；biomechanics髋臼骨折常由高能量创伤引起，随着交通与工伤事故的增加，其发病率日趋增多。后壁骨折是最常见的一种髋臼骨折(屈膝位损伤)，大约占所有髋臼骨折的1/4～1/3，Letournel［1］将其归为基本的髋臼骨折之一。对于移位的髋臼后壁骨折，近年来众多学者均主张手术治疗，目的是通过恢复关节面的正常解剖位置来保持关节的稳定以及恢复关节面的正常压力分布，从而减少创伤性关节炎的发生。但对不同面积的髋臼后壁骨折，究竟选择何种内固定方法，目前仍无定论［2］。为此，本实验用截骨法建立不同比例面积的后壁骨折模型，分别用三种常用的内固定方式加以固定，然后进行生物力学稳定性测试，并予比较研究，以确定理想的内固定方法，为临床选择及早期功能锻炼提供参考。1材料与方法1.1髋臼后壁骨折模型的建立选18具经防腐保湿处理的成人骨盆，包括髋关节和近侧1/3股骨干，排除骨骼疾病或髋臼发育不良，去除附骊的肌肉、关节囊、韧带等组织。从骶髂关节和耻骨联合处将骨盆分成左右两个髋关节，随机分成三组，每组12髋。上缘从髋臼顶点30°开始，沿髋臼缘向后基金项目：浙江省温州市医药卫生科学研究计划资助项目(2007013)到90°为骨折下缘，将这60°范围的后壁关节面纵向分为三等份。第一组髋关节用摆动锯做外侧1/3截骨，建立后壁1/3骨折模型；第二组髋关节截去外侧2/3，制成后壁2/3骨折；第三组去除外侧3/3，形成后壁3/3骨折。见图1。图1髋臼后壁不同面积骨折示意图1.2内固定方法每一组12具髋臼骨折模型中随机取出4具，将后壁骨折块单纯用两枚皮质骨螺钉(corticalscrew，CS)固定，或直接用直径3.5mm的8孔髋臼重建钢板(reconstructionplate，RP)固定，或除了髋臼重建钢板之外另加两枚皮质骨螺钉(RP＋CS)固定。这样在各组中，每4具髋臼骨折模型均由同一种内固定方法固定，并且都采用两枚直径3.5mm和长度40mm皮质骨螺钉固定后壁骨折块。在直接用重建钢板固定中，板孔内共需拧入6枚皮质骨螺钉，其中远端两枚位于坐骨结节处，两枚固定骨折块，两枚位于骨折上方；而在钢板加螺钉的方式中也需要六枚皮质骨螺钉，首先单独用两枚皮质骨螺钉固定骨折块，再将8孔重建钢板置于螺钉的内侧，远近端板孔内同样各拧入两枚螺钉。内固定由同一人操作，髋臼重建钢板在使用前应塑形，以获得与骨表面的良好匹配；固定骨折块的两枚皮质骨螺钉需背离髋臼盂唇平面30°～40°，从而避免进入关节腔内(见图2～3)。图2髋臼后壁2/3比例骨折螺钉固定示意图图3髋臼后壁3/3比例骨折螺钉固定示意图1.3力学测试将髂骨嵌夹于可作不同方向调节的万能旋转夹具中，再将股骨干用夹具固定于加载平台上。力学测试采用WE100万能材料试验机。将髋关节模型屈曲90°、内收外展及旋转中立位加载，使载荷直接作用于髋臼后壁上。载荷按200N分级加载至800N，加载速率控制在1.5mm/min，采用高精度数字显示光栅位移传感器和千分表同时测量骨折块的分离移位(精度达0.01％)，根据骨块分离位移的程度确定各种内固定的强度。分级加载测试结束后改为连续加载，记录使骨块分离3mm时所用的载荷(见图4)。图4WE100万能材料试验机加载实验1.4统计学处理用配伍组设计方差分析进行数据分析，Bartlett法进行方差齐性检验。NewmanKeuls法(q检验)进行均数间两两比较。P＜0.05为差别有显著性意义。2结果2.1不同比例的骨折与内固定的稳定性对不同比例面积的后壁骨折模型采用三种方式内固定后进行分级载荷实验(见表1)。在不同的载荷作用下，相同比例相同内固定方式的髋臼骨折位移随载荷的增加而增大。同一载荷条件下，相同比例不同内固定方式的骨折位移程度为CS＞RP＞RP＋CS经q检验，1/3比例骨折的CS、RP以及RP＋CS组间差异无统计学意义(P＞0.05)，而2/3比例和3/3比例骨折的CS组分别与RP、RP＋CS组比较，骨块分离程度有高度统计学意义(P＜0.01)，但RP与RP＋CS间差别却无统计学意义(P＞0.05)。表1髋臼后壁不同比例骨折不同内固定后载荷与位移关系2.2轴向刚度与内固定的稳定性内固定的轴向刚度是指载荷下内固定抵抗形变保持关节稳定的能力，轴向刚度越大，则抗形变能力越强，髋关节也越稳定。其力学公式是：轴向刚度EF＝P/△L，其中P为载荷，△L为形变位移。对后壁骨折模型进行不同的内固定，其轴向刚度必然不同，稳定性也随之发生改变。AO学组把骨折移位超过3mm作为内固定失败的标准，因此本文把骨折移位3mm所能承受的载荷作为最大载荷(见表2)，由此可得出相同比例面积后壁骨折三种内固定方式的轴向刚度。在1/3比例骨折时，CS的轴向刚度为(266.59±3.93)N/mm，RP为(269.62±2.38)N/mm，RP＋CS为(269.68±2.27)N/mm，经检验发现CS、RP和RP＋CS三种内固定之间差异无统计学意义(P＞0.05)。而在2/3比例骨折与3/3比例骨折模型中，CS的轴向刚度和RP、RP＋CS组间差别有显著统计学意义(P＜[1][2][3]0.01)；而RP与RP＋CS之间差别无统计学意义(P＞0.05)。从表示内固定稳定性的轴向刚度来看，上述结论和分级加载所获得结论是一致的。表2不同比例骨折不同内固定后分离3mm承受的最大载荷(±s)3讨论在所有的髋臼骨折中，后壁骨折所占比例最高。Letournel［1］报导在940例髋臼骨折中，孤立的后壁骨折占24％，另有26％合并有其他类型的后壁骨折。Chiu［3］报道在其研究的111例髋臼骨折中36例(32.4％)为孤立性后壁骨折。后壁骨折作为一种常见髋臼骨折，主要是在外力的作用下，股骨头与髋臼后壁撞击引起，如处理不当，易导致创伤性关节炎和关节功能障碍，从而降低了临床疗效。髋关节是人体的负重关节，其稳定性的维持主要依赖于髋臼的骨性阻挡作用，尤其是后壁阻挡作用更为重要。正常髋臼为一半圆形深窝，前倾20°，外倾53°，在后上方最强最深，股骨头被容纳其中并处于稳定的位置。髋臼后壁骨折后，分离移位造成后壁对股骨头的阻挡作用下降，必定会发生髋关节不稳；如果仅仅通过牵引等保守治疗既不能使关节内骨折解剖复位，也不能恢复后壁的阻挡作用和关节的稳定性，更无法进行早期功能锻炼［4］。而髋关节不稳使头臼关节接触面积减小，出现应力分布不均，从而加速关节磨损和退变，最终将引起创伤性关节炎和关节功能障碍。Moed［5］发现，髋关节不稳患者创伤性关节炎的发生率明显升高；Letournel［6］的临床研究也证实，髋关节不稳是导致关节软骨发生退变的重要原因。只有通过手术切开复位内固定治疗，可使移位的髋臼后壁骨块获得解剖复位，促使关节早期活动和磨造，进而有利于关节内软骨的愈合并提高疗效。Epstein［7］对150例髋臼后壁骨折进行长期随访发现，保守治疗者88％疗效不满意，而手术治疗者仅为37％。在Pantazopoulos等［8］治疗观察的病例中，经手术解剖复位后90％的患者有较好的临床疗效(术后2～15年，平均7年)，而留有1～3mm错位者仅有50％的患者有较好的疗效。所以，Letournel［6］认为后壁骨折中如果骨折块足够大，即使股骨头复位，但由于缺少后部骨块的阻挡，仍有向后滑脱不稳的倾向；只有手术复位内固定，才能维持其完整性和稳定性，否则创伤性关节炎将不可避免。然而后壁骨折块究竟多大才能达到足够大，以往的文献中无统一标准。1988年Keith［9］首次用CT对尸体髋臼后壁骨折与关节的稳定性作相关研究，提出后壁骨折块在20％以下时关节稳定，超过40％则稳定性受累，应手术治疗；Vailas［10］模拟髋臼后壁骨折进行生物力学测试，结果骨折小于25％关节稳定，大于50％则关节不稳，并发现在稳定与不稳定骨折之间有一过渡区。他认为当骨折处于此区时，髋关节的稳定性将取决于后侧关节囊的完整性，若关节囊撕裂，则关节失去稳定性；而Olson［11］发现，髋臼后壁骨折达1/3比例时已明显地改变了髋关节的载荷和接触特征，关节接触面积下降，髋臼顶部的接触压明显上升，表明髋臼后壁骨折使应力集中到了臼顶部，临床上这种情况如不加纠正，将不可避免地发生创伤性关节炎；宋朝晖等［12］通过研究人体在单足站立骨盆中立位时髋关节的受力情况，认为后壁骨折对髋关节生物力学影响从1/3骨折就已经开始，1/3骨折时骨折片的大小约为2.1cm×0.7cm，占后壁实际面积的16.45％。由于1/3骨折主要涉及后壁内外表面的皮质部分，骨折后破坏了皮质的完整性，导致负荷应力不能正常分散，局部应力集中，造成对髋关节生物力学行为影响率最大，因此主张将后壁骨折块占整个后壁的1/3以上作为手术标准。上述研究结果之间存在明显的差异，对其进一步分析可以看出：在Keith［9］的实验中，关节不稳的评定是靠实验者徒手进行，比较粗糙，带有相当大的主观性；Vailas［10］在实验中将髋关节在Keith的基础上增加内旋20°，在此位置髋关节更具不稳倾向，故而其实验中不稳定关节比例偏大；而Olson和宋朝晖的实验设计主观成分较少，其结果较为客观可信。因此，我们也赞同将髋臼后壁1/3比例骨折作为手术与非手术的界限。然而，对于1/3比例面积以上的髋臼后壁骨折，究竟选择何种内固定方式才能最大程度地恢复髋关节的稳定性，临床上判断较为困难。倪善军［4］建立髋臼后壁大块骨折模型，分别用CS、RP和RP＋CS固定，屈髋90°进行生物力学测试，以确定其固定强度。实验表明：RP和RP＋CS明显强于CS，与临床观察相吻合；RP和RP＋CS间的差别则无统计学意义(P＞0.05)。而孙玉强［13］用RP＋CS固定髋臼后壁骨折50例后，认为钢板至少覆盖50％的骨折块，结合拉力螺钉的作用，能对抗轴向的压力，具有更强的生物力学强度。Olson［14］也提出，髋臼后壁骨折除用重建钢板外，需另外再加用两枚螺钉固定，才能真正达到坚强而有效的内固定，但尚无相关临床报道。本实验吸取了以往教训，用截骨法建立了三种不同比例面积的后壁骨折模型，同样采用了临床上常见的三种内固定方法(CS、RP、RP＋CS)固定，屈髋90°在万能材料试验机上进行生物力学测试，测定不同内固定方法的固定强度。结果发现：在1/3比例髋臼后壁骨折中，CS、RP以及RP＋CS之间差异无统计学意义(P＞0.05)；但在2/3比例以上的后壁骨折内，RP和RP＋CS的固定强度明显大于CS，RP和RP＋CS之间差异无统计意义(P＞0.05)。1988年Davy［15］测得直腿抬高及扶单拐行走时髋臼后壁承受的载荷为体重的1.5倍，也就是说，一个50kg体重的人其髋臼后壁受到的载荷大约是735N。在本实验中，固定2/3比例和3/3比例后壁骨折的皮质骨螺钉仅能承受600N以下的最大载荷，显然不能满足内固定的需要。因此我们认为，后壁骨折块在1/3比例面积时，单纯用两枚皮质骨螺钉固定已经足够；而在2/3比例以上的骨折中，单用螺钉固定骨折块不够坚强，无法维持髋关节的稳定性，也无法早期进行功能锻炼。理想的内固定是用重建钢板，在钢板之外再加两枚螺钉并不能显著增加内固定的强度，反而将会增加手术创伤和手术时间，影响疗效并对患者无益。此外，临床上还有一类后壁骨折为粉碎性或压缩性骨折，内固定除用重建钢板外，还需加用弹性钢板［2］。总之，为了减少医源性损伤，缩短手术时间，增加髋关节的稳定性，以及早期进行功能锻炼，对于不同比例面积的髋臼后壁骨折应当选用不同的内固定方法固定。本实验为临床上内固定方式的选择提供了生物力学依据。【参考文献】［1］LetournelE.Acetabulumfractures：classificationandmanagement［J］.ClinOrthopRelatRes，1980，(151)：81106.［2］GouletJA，RouleauJP，MasonDJ，minutedfractureoftheposteriorwalloftheacetabulum［J］.JBoneJointSurg(Am)，1994，76(10)：14571463.［3］ChiuFY，LoWH，ChenTH，etal.Fracturesofposteriorwallofacetabulum［J］.ArchOrthopTraumaSurg，1996，115(5)：273275.［4］倪善军，孙俊英，王以进.髋臼后壁骨折内固定稳定性的生物力学研究［J］.医用生物力学，2004，19(1)：3134.［5］MoedBR，CarrSE，WatsonJT.Openreductionandinternalfixationofposteriorwallfracturesoftheacetabulum［J］.ClinOrthopRelatRes，2000，(377)：5767.［6］LetournelE，JudetR.Francturesofacetabulum［M］.2ed.NewYork：SpringerVerlag，1993：138140.［7］EpsteinHC.Posteriorfracturedislocationsofthehip：Longtermfollowup［J］.JBoneJointSurg(Am)，1974，56(6)：11031127.［8］PantazopoulosT，NicolopoulosCS，BabisGC，etal.Surgicaltreatmentofacetabularposteriorwallfractures［J］.Injury，1993，24(5)：319323.［9］KeithJE，BrashearHR，GuilfordWB.Stabilityofposterior[1][2][3]fracturedislocationsofthehip：Quantitativeassessmentusingcomputedtomography［J］.JBoneJointSurg(Am)，1988，70(5)：711714.［10］VailasJC，HurwitzS，WieselSW.Posterioracetabularfracturedislocations：fragmentsize，jointcapsule，andstability［J］JTrauma，1989，29(11)：14941496.［11］OlsonSA，BayBK，PollakAN，etal.Theeffectofvariablesizeposteriorwallacetabularfracturesoncontactcharacteristicsofthehipjoint［J］.JOrthopTrauma，1996，10(6)：395402.［12］宋朝晖，张英泽，潘进社，等.髋臼后壁骨折对髋臼与股骨头之间应力的影响［J］.中华创伤杂志，2002，18(2)：9193.［13］孙玉强，鲍琨，金东旭，等.髋臼后壁骨折的手术治疗［J］.中华创伤骨科杂志，2007，9(3)：205209.［14］OlsonSA，FinkemeierCG.PosteriorWallacetabularfractures［J］.OperativeTechniquesinOrthopeadics，1999，9(2)：148160.［15］DavyDT，KotzarGM，BrownRH，etal.Telemetricforcemeasurementsacrossthehipaftertotalarthroplasty［J］.JBoneJointSurg(Am)，1988，70(1)：4550.