Vancouver B2型股骨假体周围骨折锁定板或皮质骨板不同内固定方式的生物力学分析

doi:10.12307/2021.262

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (30): 4787-4792.doi: 10.12307/2021.262

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

Vancouver B2型股骨假体周围骨折锁定板或皮质骨板不同内固定方式的生物力学分析

董巍1，张天一1，路博1，王一凤1，宫树森2，樊国峰1

1河北中石油中心医院骨科，河北省廊坊市 065000；2河北省文安县医院，河北省廊坊市 065000

收稿日期:2020-12-22 修回日期:2020-12-25 接受日期:2021-01-30 出版日期:2021-10-28 发布日期:2021-07-29
通讯作者: 樊国峰，硕士，主任医师，河北中石油中心医院骨科，河北省廊坊市 065000
作者简介:董巍，男，1982年生，河北省廊坊市人，汉族，2015年德国波恩大学毕业，博士，副主任医师，主要从事创伤及关节外科方面的研究
基金资助:
河北省医学科学研究重点课题计划(20160906)，课题名称：基于定量CT与定量超声的骨质疏松治疗早期疗效评估，项目负责人：樊国峰；廊坊市科技支撑计划项目(2017013045)，课题名称：基于有限单元法的人工髋关节股骨假体周围骨折手术治疗的优化仿真研究，项目负责人：董巍

Biomechanical analysis of different internal fixation methods of locking plate or cortical bone plate for Vancouver type B2 fracture

Dong Wei1, Zhang Tianyi1, Lu Bo1, Wang Yifeng1, Gong Shusen2, Fan Guofeng1

1Department of Orthopedics, Hebei PetroChina Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China; 2Wen’an Country Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China

Received:2020-12-22 Revised:2020-12-25 Accepted:2021-01-30 Online:2021-10-28 Published:2021-07-29
Contact: Fan Guofeng, Master, Chief physician, Department of Orthopedics, Hebei PetroChina Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China
About author:Dong Wei, MD, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Hebei PetroChina Central Hospital, Langfang 065000, Hebei Province, China
Supported by:
the Key Project Plan of Medical Science Research in Hebei Province, No. 20160906 (to FGF); the Science and Technology Support Project of Langfang, No. 2017013045 (to DW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
股骨假体周围骨折：为人工髋关节置换后的严重并发症，其特点为假体周围股骨组织在直接或间接暴力作用下发生断裂，如处理不当可能导致患肢功能丧失，影响患者活动能力并造成长期卧床并可能危及生命。
Vancouver分型：为股骨假体周围骨折常用分型方法。A型骨折位于假体近端，大转子或小转子骨折；B型骨折发生在假体柄周围或刚好在其下端(B1型骨折假体固定牢固，B2型骨折假体松动但无明显估量丢失，B3型骨折假体松动并伴有骨量丢失)；C型骨折发生于距假体尖端较远部位。
背景：股骨假体周围骨折是髋关节置换后的严重并发症，有多种治疗方案，但目前对各种治疗方案疗效的对比尚无针对性研究。
目的：基于有限元分析方法，对Vancouver B2型股骨假体周围骨折不同手术方案进行比较。
方法：采集30例健康志愿者的股骨数据，并扫描初次、翻修髋关节假体及锁定板外形数据。将所采集的数据进行三维建模，模拟Vancouver B2型股骨假体周围骨折的不同手术方式，模拟不同类型下的载荷，记录皮质骨板组、锁定板组、皮质骨板+皮质骨板组、皮质骨板+锁定板组在不同载荷下的骨折端位移，并进行统计学分析。
结果与结论：①在2 300 N压力载荷作用下，皮质骨板组的位移显著大于其他3组，差异有显著性意义(P < 0.05)；锁定板组的位移显著大于皮质骨板+皮质骨板组、皮质骨板+锁定板组，差异有显著性意义(P < 0.05)；而皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板+锁定板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)；②在40 N•m扭矩载荷作用下，皮质骨板组与皮质骨板+皮质骨板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)；锁定板组与皮质骨板+锁定板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)；皮质骨板组、皮质骨板+皮质骨板组的位移显著大于锁定板组、皮质骨板+锁定板组，差异有显著性意义(P < 0.05)；③提示对于Vancouver B2型股骨假体周围骨折，在更换翻修假体后，若稳定性较差，应尽量选择锁定板内固定，并依据骨量情况，选择是否加用同种异体皮质骨板捆扎固定。
https://orcid.org/0000-0002-9718-8761 (董巍)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 股骨, 假体周围骨折, Vancouver分型, 内固定, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Periprosthetic fractures are severe complications after hip arthroplasty. The treatments could be varied. However, there is still a lack of validated comparison of these treatments.
OBJECTIVE: To compare different treatments of Vancouver type B2 fracture based on finite element analysis.
METHODS: The data of femurs of 30 healthy volunteers, primary and revision prosthesis and locking compress plate were collected. The data were input into finite element analysis software. Different surgeries for Vancouver type B2 fracture and different types of loads were simulated. The fracture end offset of the cortical bone plate group, locking plate group, cortical bone plate + cortical bone plate group, and cortical bone plate + locking plate group under different loads were recorded, and statistical analysis was performed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under 2 300 N force load, the offset of cortical bone plate group was significantly greater than that of the other three groups (P < 0.05). The offset of locking plate group was significantly greater than that of cortical bone plate + cortical bone plate group and cortical bone plate + locking plate group (P < 0.05). However, the offset of cortical bone plate + cortical bone plate group was not significantly different from that of cortical bone plate + locking plate group (P > 0.05). (2) Under 40 N•m torque load, there was no significant difference in offset between cortical bone plate group and cortical bone plate + cortical bone plate group (P > 0.05). There was no significant difference in the offset between the locking plate group and the cortical bone plate + locking plate group (P > 0.05). The offset of cortical bone plate group and cortical bone plate + cortical bone plate group was significantly greater than that of locking plate group and cortical bone plate + locking plate group (P < 0.05). (3) For Vancouver type B2 fracture, after stem revision, if it is not stable enough, locking plate should be used as first choice, and adding a allograft strut could be sensible if necessary.

Key words: femur, periprosthetic fractures, Vancouver classification, internal fixation, finite element analysis

中图分类号:

董巍, 张天一, 路博, 王一凤, 宫树森, 樊国峰. Vancouver B2型股骨假体周围骨折锁定板或皮质骨板不同内固定方式的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(30): 4787-4792.

Dong Wei, Zhang Tianyi, Lu Bo, Wang Yifeng, Gong Shusen, Fan Guofeng. Biomechanical analysis of different internal fixation methods of locking plate or cortical bone plate for Vancouver type B2 fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(30): 4787-4792.

图/表（结果） 6

2.1 模型单元、节点数模型建立完成后，股骨(30例样本平均值)、髋关节假体、锁定板、皮质骨板单元及节点数见表2。

2.2 压力载荷下骨折端位移在2 300 N压力载荷作用下，各组数据行方差齐性检验，F=1.446，P=0.223，可进行方差分析(表3及图2，3)。皮质骨板组的位移显著大于其他3组，差异有显著性意义(P < 0.05)；锁定板组的位移显著大于皮质骨板+皮质骨板组、皮质骨板+锁定板组，差异有显著性意义(P < 0.05)；而皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板+锁定板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.3 扭矩载荷下骨折端位移在40 N?m扭矩载荷作用下，各组数据行方差齐性检验，F=0.935，P=0.426，可进行方差分析(表3及图2，3)。皮质骨板组与皮质骨板+皮质骨板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)；锁定板组与皮质骨板+锁定板组的位移相比差异无显著性意义(P > 0.05)；皮质骨板组、皮质骨板+皮质骨板组的位移显著大于锁定板组、皮质骨板+锁定板组，差异有显著性意义(P < 0.05)。
2.4 各组压力载荷比较在2 300 N压力载荷作用下，对各组数据进行配伍组设计的方差分析，各组骨折端位移差异有显著性意义。两两比较结果：皮质骨板组与锁定板组、皮质骨板+皮质骨板组、皮质骨板+锁定板组相比差异有显著性意义(P < 0.05)；锁定板组与皮质骨板+皮质骨板组、皮质骨板+锁定板组相比差异有显著性意义(P < 0.05)；皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板+锁定板组相比差异无显著性意(P > 0.05)，见表4及图4。

2.5 各组扭矩载荷比较在40 N?m扭矩载荷作用下，对各组数据进行配伍组设计的方差分析，各组骨折端位移差异有显著性意义。两两比较结果：皮质骨板组、皮质骨板+皮质骨板组相比差异无显著性意义(P > 0.05)；锁定板组、皮质骨板+锁定板组相比差异无显著性意义(P > 0.05)；皮质骨板组、皮质骨板+皮质骨板组与锁定板组、皮质骨板+锁定板组相比差异有显著性意义(P < 0.05)，见表4及图4。

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引言

随着国内人民生活水平的提高及人口老龄化程度加重，人工髋关节置换手术数量逐年增加，与此同时，各种术后并发症也日益增多，其中股骨假体周围骨折是人工髋关节置换术后的严重并发症，若处理不当，可能导致患者生活自理能力丧失、长期卧床，进而发生危及生命的相关并发症。美国梅奥医学中心提供的数据显示，在1969至1999年间，该中心共为30 329例患者行全髋关节置换术，其中1 249例患者最终出现了股骨假体周围的骨折。而瑞典国家髋关节置换登记系统的注册数据显示，股骨假体周围骨折是目前股骨假体翻修第三常见的因素，约占所有假体翻修病例的9.5%，约70%的股骨假体骨折患者存在假体松动，其中约23%的患者在骨折发生时即诊断为假体松动，而约47%的患者在手术中诊断为假体松动。初次全髋关节置换术后约0.4%的患者出现股骨假体周围骨折，而髋关节置换翻修术后约2.1%的患者出现股骨假体周围骨折，因此对假体周围骨折及时合理的手术治疗成为临床医生广泛关注的问题。
目前国际上多采用Vancouver分型对股骨假体周围骨折进行分类，其中Vancouver B2型骨折是其中的常见类型[1]。针对此类骨折，因为假体松动故需更换股骨柄翻修假体，通常为广泛涂层非骨水泥型加长柄。同时对于骨折稳定性较差及骨质较差的患者，多数学者建议辅助内固定以获得早期稳定性，辅助内固定方式可选择锁定板及同种异体皮质骨板捆扎等[2-7]。但受到客观条件的限制，目前尚无针对不同手术方式之间进行比较的研究。此次研究从数字医学角度，应用有限元分析方法对骨折进行模拟，并对不同手术方式后的生物力学情况进行分析。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计三维有限元分析，计算机模拟实验，配伍组设计的方差分析结合LSD事后检验。
1.2 时间及地点于2016年1月至2020年1月在河北中石油中心医院骨科完成。
1.3 对象入选30例志愿者，男13例，女17例，年龄(65.4±6.7)岁。
纳入标准：①年龄50周岁及以上；②能正常行走。
排除标准：①存在可能导致继发性骨质疏松的相关疾
病，如甲状旁腺功能亢进等；②既往有左股骨骨折外伤史；③既往有神经肌肉性疾病史。
1.4 材料 M/L Taper初次置换非骨水泥股骨柄(美国捷迈邦美)，Wagner SL翻修股骨柄(美国捷迈邦美)，锁定钛板(常州奥斯迈)，同种异体皮质骨板(上海亚朋生物技术有限公司)，见表1。

1.5 主要观察指标
1.5.1 获取股骨及皮质骨板数据 CT扫描入选志愿者股骨及同种异体皮质骨板，将扫描结果以DICOM格式导入Mimics 17.0。在Mimics中选择阈值，并应用区域增长及布尔运算等功能重建股骨3D模型，依据CT灰度值由Mimics为骨骼模型赋材料属性(Young’s modulus，Poisson’s ratio)[8]。
1.5.2 获取假体及锁定板数据三坐标测量仪(瑞典Hexagon公司)对M/L Taper及Wagner假体及锁定板外形进行扫描，导入Geomagic Studio 12。以圆柱体模拟锁定螺钉，忽略螺钉细小螺纹结构，以减少运算量，且并不影响模拟精度[9]。
1.5.3 建立髋关节初次置换模型将扫描所获得的3D外型数据导入ABAQUS 6.11中：①参照捷迈邦美公司人工全髋关节置换技术指导手册(M/L Taper假体)，模拟初次髋关节置换术后股骨模型；②以M/L Taper股骨柄下缘为标准，以5 mm宽间隙模拟Vancouver B2型骨折[10]；③将M/L Taper假体移除，再次参照捷迈邦美公司技术指导手册(Wagner假体)，模拟翻修手术模型。
1.5.4 建立髋关节翻修模型选择265 mm Wagner SL假体，以保证其骨折线远端部分长度大于2倍股骨直径[11]，以此为基础，增加锁定板螺钉固定(单层皮质)、皮质骨板捆扎等辅助固定。共分为4组：①外侧皮质骨板钛缆捆扎；②外侧锁定板螺钉固定、钛缆捆扎；③外侧+前侧皮质骨板钛缆捆
扎；④外侧锁定板螺钉固定+前侧皮质骨板钛缆捆扎(图1)。

1.5.5 建立有限元模型通过tie(绑定约束)模拟股骨、假体、锁定板、皮质骨板及钛缆间的接触关系。并参照Ti-6Al-4V
材料属性为金属内固定物赋材料属性(Young’s modulus
110 GPa，Poisson’s ratio 0.3)。划分体网格：股骨、皮质骨板、锁定板及人工髋关节假体为不规则形状，故采用适应性较强的10节点四面体单元(C3D10M)为其划分网格，在保证模拟计算精度的前提下降低划分网格的难度；以同直径圆柱体模拟螺钉，8节点六面体单元(C3D8)为其划分网格，以降低计算量。股骨远端节点约束所有自由度；分别施加2 300 N垂直向下的压力及40 N•m的扭矩于股骨头顶端，模拟完全负重及扭转应力[12-14]。
1.6 主要观察指标记录4组骨折内固定模型的骨折端单元在不同载荷作用下的位移。
1.7 统计学分析采用SPSS 25.0对结果数据进行统计学分析，采用配伍组设计的方差分析，以Levene方法进行方差齐性检验，P < 0.05为差异有显著性意义。同时，用最小显著性差异法(LSD)两两比较各组数据，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

人工髋关节置换术后股骨假体周围骨折是一种发生率较低的骨折，但近年来随着人工关节置换数量的增加，以及人民群众预期寿命的延长，此类骨折数量也在逐年增长。
Vancouver分型是股骨假体周围骨折的常用分型方法[15]，其中又以B2型骨折最为常见，其治疗方案多样也因术者的不同观点而存在争议[16]。
目前，针对B2型骨折手术方案的临床研究，多为观察某一种手术方式的治疗效果，缺乏对于多种不同手术方式之间的比较。此次研究选择了30例中老年志愿者采集股骨数据，其年龄分布符合股骨假体周围骨折患者实际情况，同时对每一个股骨模型分别模拟4种不同的手术方式，并对结果进行配伍组设计的方差分析，这种方法有效避免了因患者个体差异原因而产生的偏倚，使得不同手术方式之间更具有可比性。
有限元方法是应用计算机技术通过合理选择单元类型及单元尺寸，将结构连续的模型划分为有限个小的单元，尽管单元数量巨大，但却可以借助高性能的计算机中央处理器，通过数学方法对模型在受力情况下的变化进行模拟推演，随着技术进步，这一技术已经越来越多的应用于临床医学领域[17-29]。在有限元分析过程中，为模型划分单元后，还需要为每个单元赋予材料属性(如杨氏模量、泊松比等)，不同的材料属性在载荷的作用下将发生不同的变化，从而可能显著影响分析结果。对于人体骨组织，其材料属性并不是均一的数值，既往的有限元分析研究中，多采用将皮质骨和松质骨分别赋值的方法，这种简单的划分忽略了骨组织的渐变性，使得部分单元的材料属性与实际情况并不符合。同时，在皮质骨与松质骨交界面附近的单元，因为其材料属性发生骤然变化，在载荷作用下将产生应力集中等后果，影响有限元分析结果的合理性和准确性。此次研究中，以CT灰度值为基础，通过计算公式为每一个单元分别赋予材料属性，有效避免了应力集中并最大程度地还原了骨组织本来的生物学特征。
Vancouver B2型股骨假体周围骨折通常需更换假体，同时大部分需配合其他内固定方式以维持稳定，其中最常用的内固定方式为锁定板内固定，但应用锁定板内固定时，因髓腔内有股骨假体柄存在，故螺钉多为单层皮质固定，其固定效果受到一定影响，故多同时加用钛缆捆扎固定；在此基础上，有学者将同种异体皮质骨板钛缆捆扎应用于Vancouver B2型骨折，并取得良好效果[30-31]。应用同种异体皮质骨板捆扎固定，在为骨折端提供初始稳定性的同时，还可以为骨折提供更好的愈合环境。皮质骨板中含有丰富的可以促进骨折愈合的生长因子，可以促进骨诱导成骨；同时皮质骨板可以提供更多骨量，通过自体骨与异体骨之间的爬行替代完成骨折愈合。在骨折愈合的后期(4-6个月)，皮质骨板的强度会有比较明显的降低，但此时股骨干骨折多已初步愈合，因此皮质骨板强度的下降多不会引起骨折再移位等严重后果。动物实验发现，在植入同种异体皮质骨板2周后，骨折处无骨痂，其强度仅为正常时的20%；4周后，可见骨痂形成，其强度上升至40%；8周后，自体骨与异体骨已初步愈合，强度也达到了正常时的60%-80%；12周后，自体骨与异体骨已紧密结合，其强度已与正常时无明显区别；接下来的过程中，自体骨与异体骨愈合部位还将进一步改造塑形并逐渐向正常骨形态恢复。有国外研究发现，同种异体皮质骨板移植后3个月时可见骨痂，皮质骨板两端变圆钝，6个月时已可见明显愈合表现。
压力载荷方面，皮质骨板组与锁定板组采用单纯外侧固定，因与皮质骨板组的皮质骨板相比，锁定板组的锁定板材质硬度较高，不易发生形变，故在压力载荷下，锁定板组锁定板固定后骨折端位移较小。皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板+锁定板组采用前侧+外侧固定，与皮质骨板组及锁定板组单纯外侧固定相比，皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板+锁定板组加用前侧固定可以有效减少骨折端在冠状面上的位移，因而可以获得更稳定的固定效果。同时也可以发现，皮质骨板+锁定板组与皮质骨板+皮质骨板组相比，虽然骨折端位移进一步减小，但这种差异并无显著性意义，说明在前侧+外侧固定前提下，骨折稳定性已经较高，故锁定板较大的硬度并不能提供相应的优势。
扭矩载荷方面，皮质骨板组单皮质骨板与皮质骨板+皮质骨板组双皮质骨板相比差异无显著性意义，皮质骨板钛缆捆扎固定时，钛缆收紧时的张力在皮质骨板和股骨干之间产生压力，进而产生摩擦力，这种压力和摩擦力在一定程度上可以避免皮质骨板和股骨干发生位移，从而实现骨折端的稳定。但在扭矩载荷方向与钛缆捆扎方向一致的情况下，这种固定方式的稳定性受到了一定影响。皮质骨板+皮质骨板组与皮质骨板组相比，尽管增加了一块皮质骨板，但其在扭矩载荷作用下，稳定性依然没有明显改善。与之相对应的是，尽管锁定板上的螺钉多为单层皮质固定，但与皮质骨板捆扎相比，其显然能够提供更好的抗扭转稳定性，锁定板组与皮质骨板+皮质骨板组对比可知，在扭矩载荷下，即使单独使用锁定板，也会比双侧皮质骨板捆扎提供更加可靠的稳定性。同样的，皮质骨板+锁定板组与锁定板组对比可知，在单独应用锁定板的基础上，增加一块皮质骨板捆扎，并不能提供更好的抗扭转稳定性。
此前，有研究针对Vancouver B2型股骨假体周围骨折更换不同长度股骨假体及是否同时应用锁定板固定的骨折端稳定性进行对比[32]。结合此次研究的结果可以发现，在更换股骨柄的同时，使用锁定板或皮质骨板配合钛缆捆扎，可以提供更好的稳定性，这也与通常的临床经验相符合。
考虑到同种异体皮质骨板的生物学特性在后期骨折愈合过程中可能发挥的积极作用，可将其作为股骨假体周围骨折手术内固定材料的选择。但若仅使用皮质骨板捆扎作为内固定，即使同时在前侧及外侧使用2块，依然不能提供良好的抗扭转稳定性。因此，建议将其作为锁定板固定的补充，以便在压力及扭矩载荷下均能够提供更好的初期稳定性。但同时也应注意到，在股骨前侧和外侧同时放置内固定物，将不可避免地增大手术创伤和骨膜剥离范围，从而对骨折愈合产生不利影响。因此，在临床工作中，还应从每个病例的实际情况出发，若锁定板固定后骨折稳定性较好，且骨量丢失不严重，可单独应用锁定板进行内固定。
此次研究基于有限元分析方法，对Vancouver B2型股骨假体周围骨折4种内固定方式下骨折的稳定性进行比较，其结论可以作为临床工作中制定手术方案的参考依据。但同时此次研究也存在一些有待改进的方面：①模拟的骨折类型为简单横行骨折，然而多数Vancouver B2型骨折患者存在斜型骨折线，甚至多条骨折线，在后续的进一步研究中，作者将针对这类骨折进行模拟分析；②选择了载荷作用下骨折端的位移作为评价指标，但在实践中，仍有其他指标可供参考；③所使用的锁定板为常用的直形板，但在临床工作中靠近股骨近端的骨折多采用大转子钩板固定，其固定效果有待于进一步研究明确。
结论：对于Vancouver B2型股骨假体周围骨折，在更换翻修假体后，若稳定性较差，应尽量选择锁定板内固定，并依据骨量情况，选择是否加用同种异体皮质骨板捆扎固定。单独应用同种异体皮质骨板捆扎无法提供可靠的稳定性。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Vancouver B2型股骨假体周围骨折锁定板或皮质骨板不同内固定方式的生物力学分析

Biomechanical analysis of different internal fixation methods of locking plate or cortical bone plate for Vancouver type B2 fracture

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