空芯鈦棒治療早期股骨頭壞死的體外生物力學實驗及臨床應(yīng)用

胡長波，楊新明

(河北北方學院附屬第一醫(yī)院骨科，河北 張家口 075000)

近年來股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head,ONFH)發(fā)病率逐漸增高，且患者年齡呈現(xiàn)年輕化，若早期ONFH得不到有效治療勢必引起股骨頭塌陷，最終導致髖關(guān)節(jié)功能嚴重受限。治療早期ONFH的方法眾多，療效報道不一[1-3]，但其共同的目標均是保留自身股骨頭，延緩人工髖關(guān)節(jié)置換的時間。研究表明，股骨頭負重區(qū)域軟骨下骨的生物力學性能隨股骨頭缺血壞死的發(fā)展逐漸降低，當應(yīng)力增大到一定程度時，軟骨下骨小梁最終斷裂、股骨頭塌陷[4]。因此，在眾多“保頭”方法中，如何防止早期股骨頭塌陷問題成為重中之重，其中關(guān)節(jié)鏡輔助下經(jīng)皮微創(chuàng)髓芯減壓、植骨聯(lián)合空芯鈦棒支撐治療早期ONFH的手術(shù)方法得到國內(nèi)外諸多專家的認可[5-9]，但關(guān)于空芯鈦棒防止股骨頭塌陷的體外生物力學研究及分析鮮見報道。本實驗通對生物力學測試及典型病例療效的總結(jié)，探討空芯鈦棒設(shè)計的合理性及實用性。

1 材料與方法

1.1一般資料 成人尸體股骨標本15只，福爾馬林浸泡，由河北北方學院人體解剖學教研室提供，所有標本經(jīng)放射線透視證實無病理性改變，軟組織均被剔除干凈，隨機分為正常組(A組)、 髓芯減壓組(B組)、髓芯減壓+空芯鈦棒置入組(C組)，每組5只標本。同時回顧性分析2005年3月—2014年11月采用髓芯減壓+植骨+空芯鈦棒置入方法治療的早期ONFH且隨訪資料完整的患者(74側(cè)髖)，進行X線分期變化對比。納入標準：按照國際骨科循環(huán)學會(Association Research Circulation Osseous，ARCO)分類，均為股骨頭缺血性壞死Ⅱ期病例。排除標準：ARCO 分期Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ的股骨頭缺血性壞死者，合并髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎、髖關(guān)節(jié)撞擊、髖臼發(fā)育不良者，既往存在感染者。

1.2方法 A組為正常股骨頭頸標本，不作任何處理。B組：C形臂X線透視下在股骨外側(cè)大轉(zhuǎn)子下2 cm處，將直徑2 mm導針鉆入股骨頭外上方頭下2 mm區(qū)域，依次用直徑6，8，10 mm空心鉆去除骨至預(yù)定區(qū)。經(jīng)此骨隧道插入特制的長柄刮匙，透視引導下模擬臨床股骨頭壞死清除病灶，刮除直徑約1.0 cm骨組織制造成骨破壞區(qū)。C組：在B組造?；A(chǔ)上，選擇長度合適空芯鈦棒，透視下沿髓心減壓孔緩緩打入至釘尾粗螺紋起始處，然后擰入粗螺紋，使棒頂尖至股骨頭骨缺損區(qū)即股骨頭軟骨下，支撐軟骨下骨。

1.3生物力學測定 將股骨標本固定于實驗機夾具內(nèi)，模仿正常人站立時承受壓力的情況，標本在矢狀面處于中立位，冠狀面股骨干內(nèi)收15 °；使用502膠將壓力形變變應(yīng)片黏貼于股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩、股骨大轉(zhuǎn)子下三處，連接電線接入電橋后轉(zhuǎn)入計算機；實驗溫度18 ℃，實驗過程中向標本噴灑生理鹽水以保持濕度在70%。在股骨頭頂部逐漸加載至300 N，此時標本未破壞，記錄A、B、C 3組股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩、股骨大轉(zhuǎn)子下三處的應(yīng)變，重復測量共3次，取平均值；最后一次加載至股骨頭塌陷，股骨頭塌陷的標準：位移增加但負荷不增加的點即破壞極限點。加載時要平穩(wěn)，加載速度1.5 mm/min，實驗機內(nèi)計算機記錄應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)。

1.4統(tǒng)計學方法 應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)。計量資料比較分別采用F檢驗和SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1股骨頭加壓后的應(yīng)變 A、B、C 3組在加壓至300 N時，標本尚未破壞。股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩2處的應(yīng)變：A、C組之間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，A、C 2組均大于B組(P<0.05)；股骨大轉(zhuǎn)子下的應(yīng)變：A、C組之間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，A、C 2組均小于B組(P<0.05)。見表1。

組別股骨轉(zhuǎn)子窩股骨矩股骨大轉(zhuǎn)子下A組491.06±25.28469.24±25.22368.90±33.20B組288.53±18.24?230.70±19.22?883.27±53.38?C組432.43±44.73#415.86±38.57#586.87±29.36#F值54.79694.315207.731P值0.0000.0000.000

*P值<0.05與A組比較 #P值<0.05 與B組比較(SNK-q檢驗)

2.2造成股骨頭塌陷的最大載荷 A、B、C 3組加壓致股骨頭塌陷的最大載荷不同。B組明顯小于A、C 2組(P<0.05)；A、C 2組之間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表2。

組別股骨頭塌陷時最大載荷A組3 182.34±166.48 B組1 863.17±85.75?C組3 210.65±294.46#F值73.020P值0.000

*P值<0.05 與A組比較 #P值<0.05 與B組比較(SNK-q檢驗)

2.3手術(shù)前后病變分期的X線觀察 手術(shù)前后X線對比觀察,ⅡA期15髖、ⅡB期34髖、ⅡC期25髖,計74髖，術(shù)后24個月隨訪:原ⅡB期5髖病變加重,其中1髖進展并穩(wěn)定在ⅡC期、末次隨訪未進一步加重,4髖進展為ⅡC期并且又進一步加重為Ⅲ期、最終行全髖關(guān)節(jié)置換；原ⅡC期中有6髖病變加重并且發(fā)生股骨頭塌陷,末次隨訪時(均>30個月)行全髖關(guān)節(jié)置換。見表3。

表3 手術(shù)前后ARCO分期變化結(jié)果Table 3 Results of ARCO staging before and after surgery (髖數(shù))

3 討 論

目前股骨頭缺血性壞死的治療主要分為非手術(shù)與手術(shù)治療2種。非手術(shù)治療主要針對青少年人群，原因在于青少年處于生長發(fā)育期，自我修復能力較強，病變的股骨頭伴隨身體的發(fā)育可以得到自我修復。對于成年患者，非手術(shù)治療效果并不理想，手術(shù)治療是針對成年患者的主要方法。在多種多樣的手術(shù)治療方法中，髖關(guān)節(jié)置換是公認的、成熟的方法[10]，但對于中青年患者來說，人生中將面臨一次或多次的翻修手術(shù)，這對于患者的生理、心理均是嚴重的打擊，給患者及家屬造成沉重的經(jīng)濟負擔。有文獻顯示，股骨頭缺血性壞死患者的平均年齡為35歲[11]，對于此類患者，主要目的是緩解疼痛，延長股骨頭的使用壽命，延緩關(guān)節(jié)置換的時間。根據(jù)病情的輕重及年齡選擇不同的手術(shù)方法，常見的方法有骨移植、鉭棒支撐、血管移植、髓芯減壓[12-15]。骨移植目前主要為自體或異體腓骨移植，可以為壞死股骨頭的修復提供血運支持、機械支撐及骨修復的幫助，同時還可以防止股骨頭再次塌陷。血管移植目前主要為移植旋髂深血管、旋股外血管或聯(lián)合移植，目的是為壞死的股骨頭重新提供血運。鉭棒的使用可有效防止壞死股骨頭的塌陷，為其提供機械支撐。髓芯減壓經(jīng)過不斷的發(fā)展，成為治療早期ONFH的主要方法之一[16]。該方法通過降低股骨頭內(nèi)壓緩解關(guān)節(jié)疼痛，且不破壞原有的殘余血運供應(yīng)，髓芯減壓合并植骨還可以提供部分機械支撐，創(chuàng)傷小、操作簡單均為其優(yōu)點。但許多文獻顯示，當前各種手術(shù)方法，包括髓芯減壓，效果并不令人滿意[17-18]。自體腓骨移植康復時間較長，腓總神經(jīng)麻痹，股骨近端容易發(fā)生骨折等并發(fā)癥[19]。異體腓骨移植存在骨吸收或排異反應(yīng)，價格昂貴。鉭棒的支撐效果雖然明確，但價格高昂，且目前暫無明確報道鉭棒有助于促進骨修復[20]， 同時隨著鉭棒的深入研究，其失敗的案例也逐漸增多 。髓芯減壓合并植骨可在短時間解決髓芯減壓缺乏結(jié)構(gòu)支持的缺陷，但因長期缺乏機械支撐造成的股骨頭塌陷無法緩解。

針對上述治療現(xiàn)狀，本實驗研制了一種空芯鈦棒，試圖對已經(jīng)發(fā)生塌陷的股骨頭進行支撐或?qū)ξ此莸墓晒穷^起到支撐和預(yù)防塌陷的作用。并在髓芯減壓處進行植骨，有助于頭頸部生物力學的恢復及骨性融合，且不妨礙遠期髖關(guān)節(jié)置換?？招锯伆艟哂幸韵略O(shè)計優(yōu)點：①空芯鈦棒采用彈性模量與人體骨骼接近的鈦合金，具有良好的組織相容性，與鉭棒相比，其成本低、價格低，減輕了患者的經(jīng)濟負擔；②鈦棒的空芯設(shè)計便于導針的進出，置入時可先行使用導針進行定位，提高定位的準確性，實現(xiàn)精準置釘，降低了定位時對骨組織的破壞，空芯的設(shè)計在短時間內(nèi)形成通道，起到了減壓的作用，空芯內(nèi)部由于內(nèi)表面光滑，不利于骨形成，可達到長期減壓的效果；③棒身的光桿設(shè)計及棒頭處1/3圓形設(shè)計，使得進棒時阻力更小，棒頭處1/3圓形設(shè)計與股骨頭的圓形結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，可更緊密的緊貼軟骨下骨；④棒尾采用粗螺紋設(shè)計可以使鈦棒崁入外側(cè)皮質(zhì)骨，鈦棒棒桿的直徑為10 mm，粗螺紋外直徑為11 mm，這種頭小尾大的設(shè)計結(jié)合粗螺紋的咬合力，有效防止了棒尾的脫出或棒頭向軟骨面穿透的可能；⑤鈦棒的整體長度為75 ～110 mm，每5 mm遞增，符合我國平均股骨頸長度，可供不同年齡的患者選擇；⑥棒尾末端的設(shè)計選擇了深度為3.5 mm的內(nèi)六方凹口，長距離的咬合接觸有助于空芯鈦棒的進入或取出，使手術(shù)操作變得更簡單省力，且不易滑扣。

本實驗結(jié)果顯示，在股骨頭未損毀的前提下，加載至300 N時，正常組應(yīng)變值由大到小依次為股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩、股骨大轉(zhuǎn)子下，并且較為接近。這說明正常情況下對股骨頭施加壓力，應(yīng)變主要集中在股骨矩、股骨轉(zhuǎn)子窩，應(yīng)力分布較為均勻。髓芯減壓組應(yīng)變值由大到小分別為股骨大轉(zhuǎn)子下、股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩。髓芯減壓后，股骨頭頸處由于骨性缺損的存在，正常的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，內(nèi)側(cè)壓力骨小梁與外側(cè)拉力骨小梁均進行調(diào)整，原有的力學傳導發(fā)生改變，導致股骨頭負重的應(yīng)變由股骨矩、股骨轉(zhuǎn)子窩，變?yōu)楣晒谴筠D(zhuǎn)子下。髓芯減壓+空芯鈦棒置入組應(yīng)變值由大到小分別為股骨大轉(zhuǎn)子下、股骨轉(zhuǎn)子窩、股骨矩。正常載荷時，股骨頭各部位應(yīng)力值不同，當應(yīng)力超過承受能力的峰值時，骨小梁發(fā)生局部的微骨折，而骨自身重建不足以代償時，微骨折進一步加重，最終導致股骨頭塌陷，ONFH其實質(zhì)是以骨小梁微骨折為病理基礎(chǔ)的。 正常的股骨頭頸處的應(yīng)力集中部位在小轉(zhuǎn)子上方及股骨矩處，從股骨頭至股骨矩方向上的主壓力以骨小梁為主要承重結(jié)構(gòu)。髓芯減壓后，在股骨頸內(nèi)形成的通道，造成正常的股骨頸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致骨小梁調(diào)整，加壓時應(yīng)力主要集中在股骨大轉(zhuǎn)子下，同時3處的應(yīng)變分布并不均勻。而置入鈦棒后，鈦棒自身具有一定的力學強度, 置入不僅填充了髓芯減壓后的骨缺損，而且鈦棒與骨有相近的彈性模量相當，故在股骨頭內(nèi)有相近的應(yīng)力和應(yīng)變模式，與受區(qū)一起，共同承擔載荷，加壓時應(yīng)變?nèi)灾饕杏诠晒谴筠D(zhuǎn)子下，但三處應(yīng)變分布較髓芯減壓組更為接近，說明應(yīng)力分布更為均勻，雖然沒有完全恢復至正常的生物力學特點，但更趨于正常。其次，當加壓至股骨頭塌陷時，3組的最大載荷值從小到大依次為髓芯加壓組(B組)、正常組(A組)、髓芯加壓+空芯鈦棒置入組(C組)，A、C組之間差異無統(tǒng)計學意義，A、B組之間及B、C組之間差異均有統(tǒng)計學意義。這說明髓芯減壓后由于股骨頸正常的結(jié)構(gòu)被破壞，導致生物力學特點發(fā)生變化，股骨頭抗壓能力減弱；而置入空芯鈦棒后，股骨頭抗壓的能力增強，并趨于正常，說明空芯鈦棒具有良好的支撐作用，可有效防止股骨頭塌陷。

本研究回顧性分析采用髓芯減壓+植骨+空芯鈦棒置入的方法治療ONFH Ⅱ期的患者(74髖)，進行X線分期變化對比，ⅡA期效果最好，ⅡB期5例和ⅡC期6例加重(均為皮質(zhì)激素類股骨頭壞死)。說明此類手術(shù)方法對ONFH Ⅱ期療效肯定，但皮質(zhì)激素類股骨頭壞死有局部塌陷的風險，這可能與皮質(zhì)激素類股骨頭壞死骨髓組織中血管內(nèi)皮生長因子減少有關(guān)，通過抑制骨細胞合成骨形態(tài)發(fā)生蛋白，從而抑制骨髓基質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化，皮質(zhì)激素類股骨頭壞死成骨能力弱；手術(shù)治療后這種抑制成骨的作用仍存在，進而導致骨量丟失、病情進展。因此，對于皮質(zhì)激素類股骨頭壞死，臨床中應(yīng)謹慎選擇此類手術(shù)方法。

本實驗研究的空芯鈦棒植入后，股骨頭受壓時的應(yīng)力分布、承載負荷均更接近正常，有助于減壓后股骨頭頸處生物力學性能的恢復，對髓芯減壓后股骨頭塌陷有較好的支撐作用，這為臨床治療早期ONFH，提供了新的思路，值得臨床深入研究和推廣。

本實驗樣本量較少、實驗操作過程中可能存在失誤，且模擬正常人站立時股骨頭承受壓力的情況并未考慮股骨頭周圍軟組織的影響，有待今后進一步研究。