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股骨颈骨折是临床一种常见创伤，约占全身骨折的3.6%，占髋部骨折的48%~54%[1]。股骨颈骨折后具有如下生物学特点：①股骨颈血运与颈轴伴行，骨折移位后存在血运被破坏的风险;②股骨颈骨皮质缺乏骨膜覆盖，愈合动力来自于内骨膜，愈合效率偏低;③股骨颈骨折属于关节囊内骨折，骨折端受关节液干扰，不宜成骨细胞形成，不利于骨折修复;④股骨颈所受的力学载荷复杂，较难维持骨折端力学稳定。上述因素使股骨颈骨折愈合结果难以预料，骨折不愈合率高达43%[2]。股骨颈骨不连对骨科医师而言是一个重大挑战，需要每位医生认真对待和探索。本文以股骨近端的力学机理为基点，简述股骨颈结构力学的认知历程，以期提升读者对治疗原则的认识和把握，为临床诊疗股骨颈骨不连提供参考。  一、股骨近端力学机理的认知历程 股骨近端位于人体躯干和下肢交界，是力学承载和传递的枢纽。股骨近端独特的形态特征承受弯、剪、拉(压)、扭等复合载荷。对于力学机理的认知有助于把握骨折的手术原则，但认知的过程曲折而漫长。 (一)骨骼形态的观察与展现 最早对骨骼进行形态结构描述的学者是伽利略(Galileo)，他于1638年提出骨骼形态多样性与力学功能的关系，并粗略描述了骨形态差异的生物学意义[3]。他可能是最早描述骨骼力学概念的学者。在百余年后的1795年，Monroe[4]高度评价了Galileo有关骨骼形态研究的意义，并指出其研究内容指引了后来者。此后的学者不遗余力地展现着骨骼形态的多样性，并用精湛的绘画技巧极大地还原了骨骼的形态。1803年内科医生Loders [5]出版有关骨结构内部形态的图集论著，其中展示了多种骨骼结构图片，但图中对股骨近端松质骨的排列规律存在错误描述。1831年Bourgery和Jacob[6]在发表的有关解剖和外科学著作中精确地描绘了股骨、胫骨、肱骨等骨骼的内部结构。骨结构的手绘插图在细节展现上与照片一样精准和真实，但如今看来，其对骨结构的阐述却存在很多错误。 (二)股骨近端力学结构分析的百年争论 19世纪30年代后期，学者们不再满足于描述骨结构，而是运用类比和分析的方式去探讨骨骼的功能意义。1838年，英国解剖学家Ward[7]首次报道了股骨的外部形态和内部骨小梁的走行特征，将股骨近端的结构特征与英国维多利亚时代的路灯相类比。他指出股骨干的形状和内部骨小梁的平行走行是为了抵抗人体体重产生的压力。他甚至还考虑了颈干角的意义，指出颈干角的存在可以为大转子附着的肌肉提供广泛的屈曲范围和力臂量值，从而维持骨盆的结构强度、稳定性和大腿肌肉空间。此外，Ward还观察到压力骨小梁、张力骨小梁及Ward三角(图1)。1849年，美国解剖学家Wyman[8]在结构上将股骨近端骨松质分为3部分：拉力部分、压力部分和交织的短小网状骨混杂部分，但第3部分的结构描述不甚准确。1851年，德裔解剖学家Engel试图用简化的几何图形来描述骨小梁结构中出现的尖拱、椭圆拱及斜向支撑之间的形态特征，但是未对其力学意义进行阐述。1858年，英国外科医生Humphry[9]公布了2项关于股骨近端骨小梁结构的重要发现：骨小梁方向垂直于股骨头关节面，两个主要的骨小梁结构垂直相交。 1867年，瑞士籍结构工程师Culmann偶然参加医学会议时对骨结构的特征规律产生浓厚兴趣，发现股骨近端骨小梁的走行规律与悬臂梁结构中施加载荷时计算出的应力线分布相似。于是Culmann[10]将费尔贝恩起重机(Fairbairn crane)比作股骨近端形状，并计算出起重机内部最大应力线的分布规律。他将股骨近端和实体的悬臂梁起重机等同，通过最大应力线的形态规律和分布特征来解释骨小梁的走行意义，即骨小梁的分布方式反映骨骼内最大应力的分布方向（图2）。Culmann首次将类比和数学的方法应用于股骨近端的力学分析中，研究成果多次被后来学者所引用。1869年德国骨科医生Wolff教授尝试用象牙锯制作极薄的骨切片，将它们放在黑暗背景上拍照，以展现骨的内部精细结构。Wolff强调了股骨内部骨小梁走行规律对功能的重要性。Wolff是Culmann应用类比思想研究股骨结构力学的有力支持者，于1892年发表了关于骨转化定律（Wolff定律）的经典著作[11]。Wolff认为，从数学比例上看，股骨的力学特征与具有相似形状结构体的荷载分布和应用机能近似。他在文中引用了Culmann对费尔贝恩起重机应力线的分析结果以及骨小梁在股骨内的分布规律作为数学证据，指出骨骼形态和功能的每一次变化，或仅是骨骼功能的每一次变化，都遵循精确的数学定律；骨骼形态和内在结构是由正常和病理情况下的静态条件所决定的（图3）。虽然这种凭借类比方法构建的数学分析得到的结果并非结论，但是其对后人的研究具有重大启发价值[12]。不过随后学术界不断有学者对Wolff的骨转换理论和功能阐述持反对意见，该理论的数理依据也受到众多学者的抨击。如瑞士籍解剖学家Zschokke坚信骨骼的内部结构仅用于抵抗压缩应力，而非牵张应力[13]。奥地利外科医生Bahr教授表示，Culmann对于股骨的数理分析完全没有考虑实际的解剖和临床研究，过度简化股骨形态并忽略了大转子等重要结构，从而否认股骨近端类比悬臂梁的分析方法，并断言其结果是完全错误的[12]。南非籍解剖学家Hammer甚至指出Wolff提出的骨功能适应理论存在矛盾[14]。 图1 Ward对股骨近端结构和路灯类比的描述 图2 悬臂梁形态的费尔贝恩起重机(左)及Culmann的力学分析图(右) 图3 Wolff有关骨小梁力学结构的分析 随后，影像学和计算机技术的快速发展使骨骼结构功能的分析更为便捷和准确。多数学者认为，骨骼的实体形态、几何参数和内部结构是骨骼适应功能及日常环境载荷所共同作用的结果。多项研究试图解释这种适应过程的理学机制。美国普渡大学解剖学系Frost教授[15,16]的Mechanostat理论指出：骨骼可以优化其结构，以便将承受外界载荷产生的应变保持在特定阈值内。该过程通过骨组织的形成、沉积、解构和重塑实现骨骼强度处在可承受的目标应变范围内。  前述研究通过骨结构功能反映骨组织在宏观进化层面的自适应能力。但是对于骨破坏已然发生的骨折，上述理论尚不能给予外科诊疗明确、直接的指导建议，基于数理分析的骨折手术治疗原则呼之欲出。
(三)股骨近端三要素稳定体系的建立 笔者团队前期在分析大量髋部骨折患者资料的基础上，运用分析力学方法，提出髋部骨折治疗的三要素整体重建力学稳定理论[17-21]。该理论的基础是通过力学推导，将维持股骨近端的稳定结构等效为力学三矢量侧边：内侧边、外侧边和上侧边。三矢量侧边共同维系股骨近端的力学稳定性。理论力学分析各侧边维持股骨近端稳定性的作用：①内侧边，形成股骨近端悬臂梁构型的斜向支撑，极大地减少了结构的弯曲应力和挠度;如不完整将引起外侧边和上侧边弯矩显著增加。②外侧边，可有效减弱生理载荷下股骨颈的滑动和偏转，从而实现骨折端稳定;如不完整将导致内侧边弯矩显著增加，甚至引起股骨颈骨折块的旋转不稳。③上侧边，连接内侧边和外侧边，使得股骨近端内、外侧结构共同抵抗生理载荷产生的弯矩，如不完整将显著增加内侧边的弯矩。此外，笔者团队通过提取366例患者股骨近端的结构参数，将股骨近端三矢量侧边的力学作用进行量化分析和权重分配(图4)。结果显示，3条侧边同时重建时，股骨近端弯矩实现分散与平衡，弯矩载荷急剧减小，仅为不完整重建时的8%~30%，从而使内固定和骨折块的应力(应变)减小，骨折端稳定，失败率降低。当内侧边重建失效时，股骨近端外侧边的弯矩载荷相较于三侧边全部重建时最大增加8倍，上侧边的弯矩载荷最大增加13倍;外侧边或上侧边重建失效时，内侧边的弯矩载荷最大增加2倍。理论力学分析结果表明，股骨近端的骨折治疗原则是要兼顾三侧边的整体重建，实现内固定和骨折端载荷分布的平衡化和最小化，实现力学稳定，避免固定物失效及骨折端移位。股骨近端三要素稳定体系可为治疗股骨近端骨折和骨折术后翻修提供理论指导，为临床病患实现早期功能锻炼、恢复肢体功能创造条件。
图4 股骨近端三要素稳定体系理论分析的弯矩趋势图：AC为外侧边，CD为上侧边，BD为内侧边 治疗股骨颈骨不连时需要综合考虑多种因素：年龄、精神状态、骨与关节情况、股骨头存活率、股骨颈再吸收程度及骨质疏松情况等。这些因素有助于外科医生选择治疗方案。方案总体分为内固定和人工髋关节置换术。对于股骨颈骨不连的外科治疗决策，医生在综合考虑各种客观因素之外，应避免治疗决策时的'失败主义'态度(即被动选择人工关节置换，而主动放弃通过固定实现骨愈合的策略)。
二、股骨颈骨不连的外科治疗 治疗股骨颈骨不连时需要综合考虑多种因素：年龄、精神状态、骨与关节情况、股骨头存活率、股骨颈再吸收程度及骨质疏松情况等。这些因素有助于外科医生选择治疗方案。方案总体分为内固定和人工髋关节置换术。对于股骨颈骨不连的外科治疗决策，医生在综合考虑各种客观因素之外，应避免治疗决策时的'失败主义'态度(即被动选择人工关节置换，而主动放弃通过固定实现骨愈合的策略)。
(一)内固定治疗原则——基于股骨近端三要素稳定体系的外科技术 笔者认为，施以各种内固定方法以达到股骨颈骨不连断端的绝对稳定是治疗的重点。同时针对局部生物环境破坏或骨缺损的情况，辅以改善成骨活力的自体骨植骨，是有效提高股骨颈骨不连治愈率的重要原则。由于股骨颈所在股骨近端部位力学条件的特殊，如要实现力学的绝对稳定，需基于股骨近端三要素稳定体系构建固定方案。任何满足股骨近端三侧边整体重建的固定策略，均能实现断端的绝对稳定，为骨不连的治疗提供重要的力学环境。 笔者团队基于三要素稳定体系设计出用于股骨近端骨不连的三角稳定固定系统，在治疗股骨颈骨不连方面取得了满意疗效。该固定系统包括股骨髁钢板、股骨近端解剖型内侧支撑钢板及配套的锁定螺钉。股骨髁钢板实现股骨近端上侧边和外侧边的结构重建，解剖型内侧支撑钢板实现内侧边的结构重建。该固定系统形成骨不连断端生理载荷下的低弯矩、自平衡的应力分布，实现骨折端和内固定的平衡稳定。此外，联合骨折部位前方的开窗植骨技术，促进形成骨愈合的生物学环境。团队前期已将该技术体系应用于15例股骨颈骨不连患者的治疗，采用Waston-Jones单一入路手术。在12~24个月的随访过程中，所有患者均实现骨折愈合，最终髋关节Harris评分平均为87.6分，无一例患者发生相关并发症[22]。典型病例图片见图5。
图5 女性患者，43岁，术前患侧髋关节正侧位X线片(A)、冠状位CT图片(B)示股骨颈骨折术后骨不连;采用三角稳定固定系统手术治疗，术中应用Waston-Jones单一入路固定(C);内固定的CT三维重建：股骨髁钢板与股骨近端解剖型内侧支撑钢板形成三角稳定结构，维持骨折端的绝对稳定，其构型可降低内固定失败风险(D);术后即刻正侧位X线片示内固定在位，骨折端复位良好(E);术后3个月正侧位X线片示已有骨愈合征象(F);术后6个月正侧位X线片示骨折端完全愈合，骨折端位置与术后相比无变化(G);术后12个月正侧位X线片示无内固定相关并发症发生(H);术后12个月CT平扫图片示断端稳定愈合(I) 股骨近端三要素稳定体系是成功治疗股骨颈骨不连的理论基础，任何满足股骨近端三侧边整体重建的技术手段均能实现力学稳定。Stacey等[23]描述了切开置入1/3管型钢板重建内侧边，配合'倒三角'形分布的拉力螺钉固定股骨颈骨折，获得稳定的力学作用并取得满意的临床疗效。Ye等[24]采用空心螺钉联合内侧支撑钢板固定股骨颈骨折患者，均实现骨折愈合而不伴随股骨颈短缩，且术后无并发症发生。Zhuang等[25]采用该技术治疗26例股骨颈骨折患者，所有患者均实现稳定固定，获得骨折愈合。美国Kunapuli等[26]通过生物力学实验证实股骨近端三侧边整体重建具有显著的力学稳定优势。理论和实践均证实，股骨近端三要素稳定体系是实现骨折断端力学稳定的重要原则。 (二)股骨颈骨不连的终极治疗策略——人工髋关节置换术 对于伴随有高龄、头部严重塌陷或骨质疏松的股骨颈骨不连患者，可采用人工髋关节置换术治疗。理论上，术后患者无需长期卧床，可早期下床活动，促进关节功能恢复。 全髋关节置换术(total hip arthroplasty, THA)在治疗股骨颈骨不连的临床结局方面尚不统一。Franzén等[27]回顾性分析了采用THA治疗的84例股骨颈骨不连患者资料，结果显示其术后功能与初次使用THA治疗股骨颈骨折的效果相当。Mabry等[28]报道了99例采用THA治疗的股骨颈骨不连患者长期随访结果，91%的患者在平均12年随访中无疼痛或仅存在轻度疼痛。Nilsson等[29]的一篇早期研究显示，术后骨不连采用THA翻修的患者长期肢体功能优于急性骨折后的初次半髋置换患者。然而，Skeide等[30]分析挪威3 876例因股骨颈骨折固定失败而行THA的患者资料发现，与THA治疗髋关节炎的临床结局相比，翻修患者的失败风险是对照组的1.35倍。一项纳入11篇THA翻修策略研究的Meta分析结果表明，与初次THA相比，股骨颈骨折内固定失败翻修的THA具有更高的术后感染、早期脱位和假体周围骨折等风险(相对危险度为3.15)[31]。Enocson等[32]报道，与初次THA相比，股骨颈骨折手术失败后的THA具有更高的深部感染风险(发生率达6%)。这可能与手术时间延长有关[33]。
三、总结 股骨颈骨不连的治疗仍是骨科领域的一个挑战。虽然人工关节置换术的发展为骨科医生治疗该疾病提供了一种保障性方案，但其仍存在失败和并发症风险。因此，坚强固定、促进愈合、保留股骨头的内固定技术仍是优先考虑的治疗手段，尤其对于青壮年患者。对骨骼力学机理的认知是掌握骨折治疗原则的重要基础，也是创伤骨科医生在面对复杂、多变的骨折疾病时重要能力的体现。相信未来的发展会更加迅猛，股骨颈骨不连的治疗会更上一个台阶，使患者获得满意的肢体功能和良好的生活质量。这些任重而道远，需要我们共同不懈的努力。
参考文献略
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