股骨小转子缺损及复位固定的生物力学比较
【关键词】 股骨小转子缺损 螺钉固定 生物力学
【摘要】 ［目的］测试股骨小转子缺损及复位固定对股骨上端生物力学性能的影响，探讨股骨转子间骨折小转子固定的必要性。［方法］采集国人新鲜股骨上段标本，模拟骨折造成股骨小转子缺损和股骨小转子广泛缺损以及重新将小转子复位螺钉固定，分别测量股骨上端的强度、刚度和扭转力学性能。［结果］股骨小转子缺损和广泛缺损会导致股骨应力集中，强度分别增加31%、37%；股骨刚度分别下降29%、51%；股骨抗扭强度分别下降33%、54%。小转子固定后则应力集中下降25%、28%，刚度提高20%、31%，抗扭强度增加23%、29%，力学性能明显恢复。［结论］股骨小转子缺损或广泛缺损，导致股骨抵御外载荷及抗扭力学性能显著下降。提示股骨转子间骨折治疗中小转子固定是不容忽视的因素。
【关键词】 股骨小转子缺损 螺钉固定 生物力学
biomechanical comparison between the defect of femur lesser trochanter and the replacement and fixation
cao peifeng,hong yongping,wang yijin,et al.
department of surgery,hospital of zichuan,zibo 255100,china
abstract：［objective］to test the biomechanical performance effect on the upper femur under conditions of the defect of femur lesser trochanter and replacement and fixation;and to discuss the necessity of lesser trochanter fixation of femoral intertrochanteric fracture.［method］some specimens of the upper sections of fresh chinese femurs were collected. through simulating fracturing,some defect and even broader defect of the lesser trochanter were caused. the lesser trochanter was fixed. last, the strength, rigidity and the twisting force of the upper section of the femur were measured respectively.［result］the defect and even broader defect of femur lesser trochanter would cause stress concentration of femurs.the strength increased 31% and 37% respectively while the rigidity reduced 29% and 51% respectively and the anti-twisting strength reduced 33% and 54%. after the lesser trochanter had been fixed, the stress concentration would reduce 25% and 28%, the rigidity would increase 20% and 31%, and the antitwisting strength would increase 23% and 29%. the mechanical performance would be obviously recovered. ［conclusion］the defect and broader defect of the femur lesser trochanter will cause significant decrease in the mechanical performance of the femur when resisting external load and twisting. in the treatment of the femoral intertrochanteric fracture,the fixation of the lesser trochanter is an important factor.
key words：defect of femur lesser trochanter; screw fixation; biomechanics
股骨转子间骨折是老年人常见病、多发病，evans/jensen ⅳ、ⅴ型骨折都合并小转子的骨折或广泛骨折，过去虽从临床观察中发现小转子及其周围骨折缺损会影响到骨折的稳定，是一个比较重要的因素，但缺乏可靠的生物力学数据加以佐证。www.11665.COM我们经过生物力学测试，证明小转子缺损严重影响股骨近端的力学性能，小转子骨折块的复位固定，可使股骨近端力学性能明显改善，对于纠正股骨距的骨质缺损、缩短骨折愈合时间、防止髋内翻和内固定失效的发生具有重要意义［1］。
1 材料与方法
实验标本选用国人新鲜股骨上1/2段10具20根，男6例，女4例，平均61岁，体重70 kg。标本封装储存于-40℃冰柜内保存，实验前逐级解冻。将标本随机分组：设n组为完整正常对照组；a组为小转子单纯缺损组（模拟小转子骨折用电锯切除小转子）；b组为小转子广泛缺损组 (模拟evans/jensen ⅳ型骨折用电锯切除小转子基底及周围形成后内侧缺损)；c组为小转子单纯缺损重新固定组；d组为小转子广泛缺损重新固定组。c、d组小转子复位后均用单枚直径4.5 mm皮质骨螺钉固定。模拟单足站立负重，考虑外展肌参与工作，在股骨头上布置a、b、c、d 4枚电阻应变片式传感器。u、v为水平向和垂直向高精度数显光栅位移传感器。标本在we-5生物力学万能材料试验机上加载，载荷级别为0，250，500，750，1 000 n生理载荷，加载速度为2.0 mm/min。测量各组在股骨上的应力分布及头部移位情况，以比较5组的生物力学性能。所有标本的力学模型在结构模拟、材料力学性能、加载、复位与固定均保持一致，以提高检测精度，并预先测量股骨头的机械力学性质［2］（图1）。
数据处理：应用统计软件spss 10.0，在ibm1834微机上计算，然后进行统计学最小二乘法处理，student t检验和kruskalwallish法，分析各组之间差异。各组力学数据均以均方差表示。设显著性差异水平为p<0.05。
2 结 果
2.1 载荷-应变变化（图2）
股骨测点上载荷-应变值变化的测量结果：（1）股骨小转子单纯缺损后，导致股骨上应变比正常组明显增加，股骨拉伸侧增加43%，压力侧增加48%。统计显示具有显著性差异（q:4.48, p<0.05）；（2）股骨小转子广泛缺损，股骨拉伸侧增加48%，压力侧增加52%；（3）股骨小转子单纯缺损复位固定组内外侧应变比缺损组下降27%、24%，统计显示具有显著性差异（q:3.724，p<0.05），应变水平接近正常组；（4）小转子广泛缺损复位固定组比小转子广泛缺损组股骨内外侧应变分别下降14%、18%。统计显示具有显著性差异（q:3.014,p<0.05）。
2.2 载荷-位移变化
股骨头的水平位移(u)和垂直位移(v)的试验结果见表1。表1 股骨小转子缺损与固定的位移变化（略）
结果表明：(1)股骨小转子单纯缺损比正常组u、v位移分别增加31%和27%，统计显示具有显著性差异（q:3.767,p<0.05）;(2)股骨小转子广泛缺损组比正常组u、v位移分别增加50%，统计显示具有显著性差异（q:3.908, p<0.05）;(3)小转子单纯缺损复位固定组比小转子单纯缺损组 u、v位移分别下降24%、21%。统计显示具有显著性差异（q:3.767，p<0.05），已基本达到正常完整标本位移的水平;(4)小转子广泛缺损复位固定组比小转子广泛缺损组u、v位移分别下降41%、40%，统计显示具有显著性差异（q:3.864,p<0.05）,说明小转子固定组稳定性好，位移比较小。
2.3 股骨上的应力强度和刚度
(表2)表2 股骨小转子复位固定后的应力强度和刚度（略）
2.3.1 股骨的应力强度
是指股骨受力时应力集中所达到的力的强度。（1）股骨小转子单纯缺损比正常组内外侧应力分别增加33%、29%，统计显示具有显著性差异（q: 3.864, p<0.05）;(2)股骨小转子广泛缺损组比正常组内外侧应力分别增加37%、32%，统计显示具有显著性差异（q: 3.976,p<0.05）;(3)小转子单纯缺损复位固定组比小转子单纯缺损组内外侧应力分别下降28%和24%，统计显示具有显著性差异（q: 3.724,p<0.05），已基本达到正常的水平;(4)小转子广泛缺损复位固定组比小转子广泛缺损组内外侧应力分别下降25%、21%，统计显示具有显著性差异（q: 3.626,p<0.05）;(5)小转子单纯缺损复位固定组比正常组内外侧应力分别增加6%，此时无统计学意义;(6)小转子广泛缺损复位固定组比正常组内外侧应力分别增加17%、14%，统计显示具有显著性差异（q:3.242,p<0.05）。
2.3.2 股骨的刚度
股骨的刚度是指股骨在载荷作用下，抵抗变形的能力大小，抵抗股骨垂直变形的能力称为股骨的轴向刚度（ef），抵抗股骨水平剪切变形的能力称为股骨的剪切刚度（gf）。试验结果表明：(1)股骨小转子单纯缺损股骨轴向刚度和剪切刚度比正常组分别下降27%和31%，统计显示具有显著性差异（q: 3.774,p<0.05）;(2)股骨小转子广泛缺损组股骨轴向刚度和剪切刚度比正常组分别下降50%、52%，统计显示具有显著性差异（q: 3.874, p<0.05）;(3)小转子单纯缺损复位固定组股骨轴向刚度和剪切刚度比小转子单纯缺损组分别增加20%、24%，也有明显差异（q: 3.578, p<0.05）;(4)小转子广泛缺损复位固定组股骨轴向刚度和剪切刚度比小转子广泛缺损组分别增加40%、41%，统计显示具有显著性差异（q: 3.472, p<0.05）;(5)小转子单纯缺损复位固定组股骨轴向刚度和剪切刚度比正常组分别下降8%、9%，接近正常刚度水平，此时无统计学意义；（6）小转子广泛缺损复位固定组股骨轴向刚度和剪切刚度比正常组分别下降17%、19%，也有一定差异（q: 2.301,p<0.05）。
2.4 股骨的抗扭力学特性
抗扭力学特性是指抗扭强度（扭矩mn）和抗扭刚度（gjp）的大小。根据扭转力学试验，5种不同状态的股骨扭转力学性能（表3）。表3 股骨小转子切除与固定最大扭矩和扭转刚度值（略）
结果表明：（1）股骨小转子单纯缺损的最大扭矩和扭转刚度比正常组分别下降33%、30%，统计显示具有显著性差异（q: 3.876, p<0.05）;(2)股骨小转子广泛缺损组最大扭矩和扭转刚度比正常组分别下降54%、53%，统计显示具有显著性差异（q:4.378,p<0.05）;(3)小转子单纯缺损复位固定组股骨最大扭矩和扭转刚度比小转子单纯缺损组分别增加29%、24%，统计呈显著性差异（q: 3.841，p<0.05），此时股骨的扭转力学性能接近正常标本的水平；（4）小转子广泛缺损复位固定组最大扭矩和扭转刚度比小转子广泛缺损组分别增加19%、14%，统计显示具有显著性差异（q: 2.432,p<0.05）;(5)小转子单纯缺损复位固定组股骨最大扭矩和扭转刚度比正常组分别下降9%、10%，此时无统计学意义；（6）小转子广泛缺损复位固定组股骨最大扭矩和扭转刚度比正常组分别下降43%、46%，统计显示具有显著性差异（q:4.378,p<0.05）。
3 讨 论
3.1 股骨小转子是构成股骨上端完整结构的重要组成部分，它与股骨矩一起支撑如同悬臂梁的股骨头部，是髋关节传递应力的主要途径而具有内在的稳定性。生物力学上该处是抗屈曲、抗内翻应力的最主要部位，它的存在加强了干骺部承受压力的能力，缩短了股骨颈这一“悬梁”的力臂。股骨矩是股骨上端的内部负重系统，股骨小转子单纯缺损时，损伤已波及股骨距，广泛缺损时则合并了股骨距的完全损伤。彻底破坏了这一重要的桁架结构，丧失了承载压缩载荷、加强股骨颈基底和将股骨头传来的载荷均匀地传向股骨内侧皮质的作用［3］。
3.2 小转子缺损使股骨上端的生物力学性能显著下降，生物力学实验结果表明，股骨小转子缺损和广泛缺损会导致股骨上段明显的应力集中、股骨头的载荷-应变、载荷-位移增大，股骨刚度下降，抗扭强度和刚度明显减弱，使股骨抵御外载荷及抗扭力学性能显著下降，严重的扭转不稳定和抗变形能力的衰竭则出现髋关节不稳现象。在临床使用dhs固定后内侧皮质缺损的不稳定型转子间骨折时，失败率达6%～19%［4］，充分说明小转子及其周围骨质的完整，是股骨近端稳定的重要因素。
3.3 股骨小转子单纯缺损和广泛缺损螺钉固定后比缺损时力学性能明显恢复，股骨上应变会下降23%、25%，应力集中下降25%、28%，刚度提高20%、31%，抗扭强度和刚度增加23%、29%，从应力分布结果来看，力学的变化证实小转子复位固定的重要性，小转子复位固定的力学意义是恢复股骨距完整形态以提供悬臂梁式强有力的三角支撑，使股骨整体力学性能得到恢复和改善，增加抵抗外载荷的能力。
3.4 股骨小转子固定的方法及注意事项：（1）股骨小转子内固定多用螺钉［5，6］，从本实验结果来看，单纯小转子缺损螺钉固定可靠，固定后的各项力学性能均接近正常水平，而小转子广泛缺损的单枚螺钉固定效果则不理想，即使固定后能提高抗扭力学强度和刚度，但仅提高14%～19%，很难抵抗扭转变形，因此作者认为对小转子的广泛缺损应该用2枚以上螺钉固定［6］，以提高固定力增加稳定性；（2）在使用螺钉固定时操作比较困难，为了减少创伤、方便操作，为此我们设计了小转子复位瞄准器，并在临床初步应用，效果良好；（3）对于粗隆间骨折小转子粉碎不能固定时则必须选择无须重建内侧皮质连续性的髓内固定方法固定或小粗隆截骨股骨远端内移重建后内侧骨皮质连续性［6，7］，减少并发症的发生。
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