应用ALHP固定股骨粗隆间不稳定性骨折的生物力学研究
作者：李云峰，刘百伟，陆 坚，俞卫忠，王晖，何建新，刘延辉，王以进，吴永方
【摘要】 目的 通过应用解剖型股骨粗隆锁定钩板内固定系统（ALHP）固定股骨粗隆间不稳定性骨折的生物力学研究，探讨老年性股骨粗隆间骨折ALHP的生物力学性能和临床应用。方法 8具国人新鲜股骨标本进行ALHP和动力髋螺钉（DHS）固定后的生物力学对比测试。结果 两者载荷?应变、载荷?位移、强度和刚度、扭转力学性能、极限载能等统计学显示有显著性差异（P＜0.05）。结论 生物力学实验结果证明ALHP在抗张、抗压、抗弯、抗剪切方面明显优于DHS。ALHP设计合理，立体固定，整体稳定性高，有利于老年患者早期功能锻炼，防止各种并发症的发生。
【关键词】 股骨骨折；股骨粗隆；内固定；生物力学；钢板
Abstract： Objective To study the biomechanics of anatomical locked hook?plate(ALHP) for treating instable intertrochanteric fracture for providing the basis of clinical application.Methods Eight pairs of fresh mature femor specimen were respectively fixed with anatomical locked hook?plate system and DHS (dynamic hip screw),and then biomechanical results of both were compared.Results The biomechanical comparison showed that there was significant statistical difference between the anatomical locked hook?plate and DHS in load?strain,load?displacement,strength and rigidity,the ability of anti?torsion and ultimate bearing capacity（P＜0.05）.Conclusion ALHP has remarkable advantages over DHS in the ability of anti?tension,anti?compression,anti?bending and anti?cut.ALHP has better design and stronger stability.It can make aged patients exercise early and reduce the incidence of complication.
Key words:femoral fracture；femoral trochanter;internal fixation;biomechanics;plate
股骨粗隆间骨折多发于骨质疏松的老年人，近年来其发病率呈显著上升趋势。其保守需长期卧床，容易导致坠积性肺炎、泌尿系统感染及褥疮等严重并发症。国外报道老年股骨粗隆间骨折患者保守治疗的死亡率高达50%［1］，也有报告老年股骨粗隆间骨折非手术治疗组的死亡率要比手术治疗组高4.5倍［2］，而采用手术切开复位器械固定，则效果更佳［3］。作者于2006年开始研制解剖型股骨粗隆锁定钩钢板内固定系统（anatomical locked hook-plate internal fixation system,ALHP），经临床应用疗效满意，极大地降低了髋内翻畸形、肢体短缩和髋部疼痛等并发症的发病率。为了进一步论证本器械在治疗股骨粗隆不稳定骨折的优点，本文通过生物力学实验论证动力髋螺钉（DHS）和ALHP的生物力学性能，为临床提供的基础理论依据。
材料与方法
1 一般资料
采集老年骨质疏松标本8具，男性5例，女性3例；平均年龄70岁，体重68kg。标本先行剥离软组织，经X射线证实无病理缺陷、畸形、骨折或肿瘤病患者。标本封装储存于-40℃冰柜内保存。实验时逐级解冻。
2 标本的实验力学模型制作
所有标本用NORLAND公司生产的XR?36型双能X线吸收骨质密度仪测定股骨粗隆间的骨质密度值。本文取骨质密度值0.76g/cm2以下者为骨质疏松标本，仿Evans股骨粗隆间骨折类型人工形成Ⅳ型骨折。将标本随机分为实验组（ALHP）和对照组（DHS）。模拟单足站立负重，考虑外展肌参与作用，在股骨头部及股骨干部布置应变片6枚（见图1）。
图1 股骨粗隆间骨折Evans分型及内固定
生物力学实验模型图标本在WE?5生物力学实验机上加载，载荷级别分别为0、600、1200、1800N，加载速度为1.4mm/min。测量股骨粗隆部位及股骨干上应力分布及头部移位情况，以比较不同器械固定的生物力学性能。所有的标本模型、结构、材料力学性能、加载及手术创伤和固定方法尽量保持一致，以提高测量精度，并事先对股骨头的机械力学性能进行测量。
3 ALHP结构
在深入研究股骨近端解剖、复杂受力特征和治疗股骨粗隆间骨折各种内固定物优缺点的基础上，笔者设计了ALHP（见图2）。其结构包括：钩板、拉力螺钉、压定螺钉、锁定螺钉、加压螺钉。钩板主体为钩板体和粗隆钩，粗隆钩设有2个，以解剖形态钩抱粉碎的骨折块，压定螺钉可防止拉力螺钉松动退出。拉力螺钉为3枚空心螺钉，远端设置外螺纹，具有自攻功能。组合螺钉孔设有3～5个。本内固定系统特点为3根拉力螺钉固定于股骨头颈，把持力强，具有明显的分散应力的作用，防止螺钉应力集中对股骨头颈的切割。两个股骨粗隆钩固定股骨大粗隆粉碎性骨块，复位理想，固定坚强。股骨外侧钢板具有张力带作用，有效对抗剪切和旋转应力。各部分锁定装置维系整个系统的稳定性，防止骨折移位导致髋内翻畸形，有利于早期功能锻炼，防止各种并发症。
4 数据处理
应用统计软件SPSS 10.0进行统计学最小二乘法处理、t检验和方差分析，设显著性水平为P＜0.05。
结 果
1 载荷?应变变化
股骨上的正常组（N）、ALHP固定组和DHS固定组载荷?应变变化经生物力学测量（见表1）结果表明：（1）股骨张力侧（OS）ALHP系统固定比DHS系统平均应变小12%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在股骨压力侧（IS）平均应变两者比较同样小11%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（3）股骨上压力侧的应变明显比张力侧大26%。
2 载荷?位移变化
股骨粗隆间骨折在髋载荷作用下引起的位移为股骨头的下沉位移u和水平位移μ，测量结果见表2。
结果表明：（1）ALHP的下沉位移比DHS的位移小17%，水平位移小21%，并接近于正常组N，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）粗隆间骨折断面张开角α，即使在1800N力作用下，ALHP系统只有2.31°，而DHS要产生3.36°，两者相差31%（P＜0.05）。
3 股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度
股骨粗隆间骨折固定后的强度和刚度变化结果见表3。强度指股骨抵抗破坏能力的大小，刚度指股骨抵抗变形能力的大小。结果表明：（1）股骨粗隆间骨折固定后在髋载荷P=1200N力的作用下在股骨的外侧应力强度，ALHP系统比DHS高14%，内侧强度高13%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）从股骨粗隆间骨折固定后的轴向刚度（EF）和弯曲刚度（EJ）来比较，ALHP内固定系统比DHS分别高17%和23%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。
4 剪断（cut?out）试验结果
股骨粗隆间骨折固定最大的危险是在髋关节剪切应力作用下往往会产生剪断的危险，即在剪切力作用下产生剪切破坏、骨折部塌陷现象。根据所有样本在髋关节力500N时的剪断试验结果（见表4）表明：（1）ALHP剪切应力、粗隆间界面剪切力高于DHS的15%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在相同载荷作用下，从股骨粗隆界面剪切位移来看，ALHP的移位与DHS的移位相差29%，即前者剪切刚度高于后者约40%。
5 抗扭强度试验结果
股骨由于前倾角的存在，会产生髋内翻、旋转松动和移位，根据所有标本的试验结果得到粗隆间骨折内固定的扭矩-扭角关系（见表5）。结果表明：（1）采用ALHP内固定系统其最大破坏扭矩为4.11N.M，相应扭角为3.45°，而采用DHS内固定系统其最大破坏扭矩为3.48N.M，相应扭角为4.10°，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。表1 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷?应变变化关系表2 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷?位移、转角变化关系表3 股骨粗隆间骨折两种不同内固定的强度 和刚度(P=1200N) 表4 股骨粗隆间骨折固定剪断(cut?out)试验结果（髋关节力P=500N时，±s）
6 极限力学性能试验
股骨粗隆间骨折采用两种不同内固定后，按Evans分型进行极限力学性能试验。
结果表明：（1）股骨粗隆间不稳定性骨折，若以最严重的一种Evans IV型股骨粗隆间粉碎性骨折比较，采用ALHP内固定的极限能力为2160N，极限位移10.48mm，相对应DHS内固定的极限承载能力1768N，相应位移为11.32mm。两者比较相差18%，具有显著性差异（P＜0.05）。（2）按股骨粗隆间Evans分型不稳定性骨折分别试验结果为：Ⅱ型AALHP为3628N，DHS为2924N；Ⅲ型分别为2916N和2300N；Ⅳ型分别为2160N和1768N，均显示具有显著性差异（P＜0.05）。表5 股骨粗隆间骨折两种不同内固定扭矩?扭角关系
讨 论
股骨粗隆间骨折尤其是老年人不稳定骨折手术后常常会出现髋内翻、下肢短缩及外旋畸形的并发症，究其原因大多为内固定器械不理想。如以前常用的鹅头三翼钉术后并发症高达30%～40%，角钢板钉也有不少并发症，髋内翻、松动移位时有发生［4］。国内常常将DHS动力髋螺钉视作为金标准，DHS通过股骨颈的拉力螺钉固定骨折近端，另一端为板状结构固定骨折远端，具有静力加压与动力加压的双重功效，能保持良好的股骨颈干角，结构牢固，抗弯能力强，稳定性粗隆间骨折成功率达95%，因此临床上较为常用。但是对于粉碎性不稳定股骨粗隆间骨折，由于股骨颈后内侧皮质缺损，应力难以通过股骨距传导，内置物上应力增大，螺钉切割股骨头易导致钢板疲劳断裂、骨折不愈合或畸形愈合等并发症的发生，尤其是DHS有难以抗旋转的结构弱点，对骨折累及大粗隆、严重粉碎性粗隆下骨折，骨折线位于DHS进钉处时则更不适用。Simpson等［5］通过回顾性研究证实DHS的并发症为15%，尤其对于骨质疏松Evans IV型骨折的老年患者失败率更高。对此也有人采用改良型的双钉DHS，但有手术复杂，难度大，在同一股骨头颈内难以固定的缺点。
为此，我们设计了ALHP，有效地克服了上述DHS的不足，发挥整体结构的力学优势，形成几何不变的内固定系统，以拉力螺钉-锁定螺钉-钩板形成立体框架结构，加上锁定系统，坚强有力地构成了三维立体内固定系统。三根前倾10°、仰角135°松质骨拉力螺钉固定在股骨近端张力侧，恢复了张力骨小梁的连续性，静力加压使骨折断端嵌紧锚固，发挥了抗张力作用，相当于DHS动力髋优点，斜孔旋入尾端锁定的拉力螺钉使其紧贴股骨距，发挥了它的抗压作用，同时两钩合抱股骨大粗隆能提高抗弯能力达7～8倍之多，所以在这个意义上ALHP形成了立体锚固结构，发挥了股骨张力骨小梁、压力骨小梁、弯曲骨小梁的各自抗张、抗压、抗弯的作用。钩、板、钉共同承重使整个内固定系统达到了最优的重建力学体系。载荷?应变和载荷?位移变化实验证明ALHP内固定应力、应变分布均匀合理，而且固定牢固，对抗张应力、抗剪切、防止旋转的能力较强，并接近正常组，具有明显的优势，有效防止了股骨头旋转位移和髋内翻。加上我们设计了压定螺钉，有效地防止了退钉、松动、滑移的弊端。而在钉板的近端增加了两个锚钩，将不稳定骨折碎片牢牢合抱，发挥了整体力学优势，完整地重建了承重力学体系。股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度以及抗扭强度试验证明ALHP维持股骨粗隆间骨折内固定的稳定性是有保证的，抗扭强度接近于正常组，明显高于DHS内固定系统。由于整体结构坚强、牢固，尤其防止股骨粗隆间骨折剪力cut－out的破坏，发挥了积极的对抗作用，剪断（cut?out）试验结果说明ALHP抗剪能力强于对照组，有明显优势。极限力学性能试验证明使用ALHP内固定系统整体力学性能有较大的提高，充分证明使用本内固定系统具有整体力学性能优势，对股骨粗隆间骨折稳定性具有很好的支撑作用。ALHP立体固定结构有效地防止了髋内翻和旋转畸形并发症的发生。
ALHP上述一系列的整体结构经生物力学实验证实优于DHS，符合“AO”坚强固定原则，保障了老年性股骨粗隆间骨折术后的稳定性，使得老年性骨质疏松患者能早期功能锻炼，恢复肢体功能，有效地防止各种并发症的发生，具有广阔的临床应用前景。
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［4］Haidukewych GJ，Israel TA，Berry DJ.Reverse obliquity fractures of the intertrochanteric region of the femur［J］.J Bone Joint Surg（Am），2001，83-A(5）：643-650.
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