Abstract
目的
通过医学影像分析和骨折地图技术对青壮年股骨颈骨折特征进行分析，为临床治疗提供参考。
方法
以2018年12月—2019年7月收治且符合选择标准的159例青壮年股骨颈骨折患者作为研究对象。其中，男99例，女60例；年龄18～60岁，平均47.9岁。骨折侧别：左侧77例，右侧82例。基于术前X线片及CT，观察骨折形态并根据Pauwels角及Garden分型标准分型；采用Mimics19.0图像处理软件重建股骨颈骨折三维模型，测量骨折面与人体矢状面夹角，观察骨折端有无缺损及其在断面位置；通过重建、虚拟复位和图像叠加，建立骨折地图，观察骨折线走行及分布情况。
结果
股骨颈骨折根据Garden分型标准：Ⅰ型6例，Ⅱ型61例，Ⅲ型54例，Ⅳ型38例；根据Pauwels角：外展型12例，中间型78例，内收型69例。骨折面与人体矢状面夹角为−39°～ +30°。粉碎性骨折13例（8.18%），多为Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中间型骨折，骨折块多呈宽基底三角形，主要分布于股骨头颈交界区下方。合并骨缺损26例（16.35%），多为Garden Ⅲ、Ⅳ型和Pauwels 中间型骨折，位于股骨颈后侧且大多累及2～4个象限。骨折地图示股骨颈骨折线沿头颈交界区环形分布，股骨颈上方骨折线密集，下方分散，可累及股骨距。
结论
青壮年股骨颈骨折中移位骨折（Garden Ⅲ、Ⅳ型）和不稳定骨折（Pauwels 中间型、内收型）比例高，粉碎性骨折和骨缺损进一步增加了治疗难度。临床上需要依据骨折特征确定治疗方案，对骨折进行解剖复位和有效固定。
Keywords: 股骨颈骨折, 青壮年, 骨折特征, 骨折地图, 三维重建
Abstract
Objective
To analyze the characteristics of femoral neck fractures in young and middle-aged adults by means of medical image analysis and fracture mapping technology to provide reference for fracture treatment.
Methods
A clinical data of 159 young and middle-aged patients with femoral neck fractures who were admitted between December 2018 and July 2019 was analyzed. Among them, 99 patients were male and 60 were female. The age ranged from 18 to 60 years, with an average age of 47.9 years. There were 77 cases of left femoral neck fractures and 82 cases of right sides. Based on preoperative X-ray film and CT, the fracture morphology was observed and classified according to the Garden classification standard and Pauwels’ angle, respectively. Mimics19.0 software was used to reconstruct the three-dimensional models of femoral neck fracture, measure the angle between the fracture plane and the sagittal plane of the human body, and observe whether there was any defect at the fracture end and its position on the fracture surface. Through reconstruction, virtual reduction, and image overlay, the fracture map was established to observe the fracture line and distribution.
Results
According to Garden classification standard, there were 6 cases of type Ⅰ, 61 cases of type Ⅱ, 54 cases of type Ⅲ, and 38 cases of type Ⅳ. According to the Pauwels’ angle, there were 12 cases of abduction type, 78 cases of intermediate type, and 69 cases of adduction type. The angle between fracture plane and sagittal plane of the human body ranged from –39° to +30°. Most of them were Garden type Ⅱ, Ⅳ and Pauwels intermediate type. The fracture blocks were mainly in the form of a triangle with a long base and mainly distributed below the femoral head and neck junction area. Twenty-six cases (16.35%) were complicated with bone defects, which were mostly found in Garden type Ⅲ, Ⅳ, and Pauwels intermediate type, located at the back of femoral neck and mostly involved 2-4 quadrants. The fracture map showed that the fracture line of the femoral neck was distributed annularly along the femoral head and neck junction. The fracture line was dense above the femoral neck and scattered below, involving the femoral calcar.
Conclusion
The proportion of displaced fractures (Garden type Ⅲ, Ⅳ) and unstable fractures (Pauwels intermediate type, adduction type) is high in femoral neck fractures in young and middle-aged adults, and comminuted fractures and bone defects further increase the difficulty of treatment. In clinical practice, it is necessary to choose treatment plan according to fracture characteristics. Anatomic reduction and effective fixation are the primary principles for the treatment of femoral neck fracture in young and middle-aged adults.
Keywords: Femoral neck fracture, young and middle-aged adults, fracture characteristics, fracture map, three-dimensional reconstruction
临床上将18～60岁年龄段的股骨颈骨折患者称为“青壮年股骨颈骨折患者”[1]。该群体股骨颈骨折大多为严重暴力致伤，因此骨折形态复杂，治疗困难，即使采用手术治疗，术后股骨头坏死和骨折不愈合等并发症发生率仍较高[2-3]。骨折形态是决定治疗方案和判断预后的关键因素，但目前对青壮年股骨颈骨折形态的研究较少。骨折地图技术是一种全新的描述骨折特征方法，通过对骨折线的提取叠加，可以准确地描述骨折形态和骨折线分布特征。本研究通过医学影像分析结合骨折地图技术，分析青壮年股骨颈骨折形态，旨在为临床治疗提供参考。
1. 研究对象与方法
1.1. 研究对象
患者纳入标准：① 股骨颈骨折；② 年龄18～60岁。排除标准：① 合并股骨转子区骨折；② 开放性骨折；③ 病理性骨折；④ 陈旧性骨折。
2018年12月—2019年7月，上海市浦东新区人民医院共收治483例股骨颈骨折患者，其中159例符合选择标准纳入研究。其中，男99例，女60例；年龄18～60岁，平均47.9岁。致伤原因：摔伤114例，高处跌落伤14例，交通事故伤17例，扭伤5例，其他伤9例。骨折侧别：左侧77例，右侧82例。
1.2. 研究方法
1.2.1. 图像处理
收集患者术前X线片及CT资料，观察骨折线位置、骨折形态、骨折端缺损，测量Pauwels角，根据Pauwels角以及Garden分型标准对骨折进行分型。
将CT图像以DICOM格式输入Mimics19.0图像处理软件（Materialise公司，比利时），经过灰度设定、区域增长、三维重建等处理，建立股骨颈骨折三维模型。将模型透明化，提取骨折面。测量骨折面与人体矢状面夹角（图1），如骨折面由后内向前外方向走行（头颈段后侧骨质少于前侧），数据记为“−”；骨折面由后外向前内方向走行（头颈段后侧骨质多于前侧），数据记为“+”。以股骨颈轴心为中心，将骨折面沿逆时针方向分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个象限（图2），观察骨折端有无缺损，记录其在断面的位置。
图 1.
Schematic diagram of the angle between the fracture plane and sagittal plane of the human body
股骨颈骨折面与人体矢状面夹角示意图
图 2.
Schematic diagram of the division of fracture surface quadrants
骨折面象限划分示意图
1.2.2. 绘制骨折地图
绘制过程如图3所示。将1.2.1建立的股骨颈骨折三维模型导入Geomagic Wrap 2017软件（3D Systems公司，美国），通过移动和旋转等操作复位骨折。以健侧完整股骨颈为模板，将骨折复位模型叠加于模板，两者匹配后导入3-matic软件（Materialise公司，比利时），绘制骨折线，观察骨折线走行情况。
图 3.
Schematic diagram of fracture map drawing process
骨折地图绘制流程示意图
为了更好地理解不同类型骨折的骨折线分布，将骨折线叠加图导入E-3D叠加断裂映射软件（中南大学E-3D数字医疗与虚拟现实研究中心），并转换为三维热力图，得到股骨颈上、下、前、后方4个角度骨折地图，用不同颜色表示骨折线相对频率（蓝色至红色表示发生率从低到高，线宽5 mm），从不同角度观察骨折线分布情况。
2. 结果
本组股骨颈骨折根据Garden分型标准：Ⅰ型6例，Ⅱ型61例，Ⅲ型54例，Ⅳ型38例；根据Pauwels角：外展型12例，中间型78例，内收型69例。骨折面与人体矢状面夹角为−39°～+30°。各型骨折特征详见表1、2。
表 1.
Garden classification and fracture characteristics of femoral neck fractures
股骨颈骨折Garden分型与骨折特征
| Garden分型 Garden classification |
例数 n |
粉碎性骨折 Comminuted fracture |
合并骨缺损 Combined bone defect |
| Ⅰ | 6 | 0 | 0 |
| Ⅱ | 61 | 6 | 4 |
| Ⅲ | 54 | 2 | 14 |
| Ⅳ | 38 | 5 | 8 |
表 2.
Pauwels classification and fracture characteristics of femoral neck fractures
股骨颈骨折Pauwels分型与骨折特征
| Pauwels分型 Pauwels classification |
例数 n |
Pauwels角（°） Pauwels’ angle (°) |
骨折面与人体矢状面夹角（°） Angle between fracture plane and sagittal plane of the human body (°) |
粉碎性骨折 Comminuted fracture |
合并骨缺损 Combined bone defect |
| 外展型 Abduction type |
12 | 23.6（16～30） | −23～+9 | 0 | 2 |
| 中间型 Intermediate type |
78 | 42.9（31～50） | −30～+21 | 8 | 15 |
| 内收型 Adduction type |
69 | 57.2（52～62） | −29～+37 | 5 | 9 |
本组粉碎性骨折13例（8.18%），多为Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中间型骨折，形态以“两大+一小”（即股骨头断裂伴体积较小的股骨颈碎片掉落，图4）为主，占比 61.5%（8/13）；其他形态包括3例骨质碎裂成4块、2例碎裂成5块，占比38.5%（5/13）。本组粉碎性骨折类型有横向断裂、斜向断裂和压缩型断裂，骨折块多呈宽基底三角形，主要分布于股骨头颈交界区下方。
图 4.
Schematic diagram of the comminuted fracture in shape of “two big blocks+one small block (arrow)”
“两大+一小（箭头）”粉碎性骨折示意图
合并骨缺损26例（16.35%），多为GardenⅢ、Ⅳ型和Pauwels 中间型骨折（图5），位于股骨颈后侧。根据股骨颈骨折面分区，本组5例骨缺损局限在1个象限，其余均累及2～4个象限；其中骨缺损位于第Ⅰ象限7例（26.92%）、第Ⅱ象限11例（42.31%）、第Ⅲ象限16例（61.54%）、第Ⅳ象限5例（19.23%）。
图 5.
Schematic diagram of femoral neck fracture with bone defect (arrow)
股骨颈骨折伴骨缺损（箭头）示意图
骨折地图显示股骨颈骨折线呈闭环状围绕股骨颈，起于头颈交界区上方，在股骨颈前后表面沿头颈交界线下移，并逐渐向外下移行累及股骨距，在股骨颈下方闭合成环。股骨颈上方骨折线较密集，向下移行过程中逐渐分散，股骨颈下方最分散，分析与骨折碎片主要集中于股骨颈下方有关，骨折碎片和缺损导致骨折线弥散分布，给骨折复位和固定带来一定困难。见图6。
图 6.
Map of comminuted femoral neck fracture
粉碎性股骨颈骨折地图
a. 上方视角；b. 前方视角；c. 下方视角；d. 后方视角
a. Superior view; b. Anterior view; c. Inferior view; d. Posterior view
3. 讨论
3.1. 青壮年股骨颈骨折地图表现
骨折地图技术是将骨折模型叠加于完整模型模板后提取骨折线来显示骨折的典型特征。该技术由Armitage等[4]首次报道，并应用于肩胛骨部位骨折特征分析。国内张英琪等[5]首次报道采用该技术分析股骨近端外侧壁骨折特征，明确了其骨折线分布。本课题组前期采用该技术对跟骨骨折特征进行分析[6]。本次研究共收集159例青壮年股骨颈骨折患者资料，以期明确该群体股骨颈骨折的典型特征，为分析骨折机制和制定治疗策略提供参考。
本研究结果显示青壮年股骨颈骨折患者其股骨颈上方骨折线位于头颈交界区，且呈密集分布，分析可能与股骨颈上方骨结构相对薄弱及受力方式有关。Nissen等[7]利用图像处理软件建立了骨皮质厚度及分布云图，发现所有股骨近端在头颈交界区上方均有一明显骨质薄弱区，该区域位置与本组患者股骨颈骨折线位置高度一致。Rogalski[8]的研究发现股骨颈中段骨皮质分布存在差异，上方骨皮质厚度明显低于下方，男性群体该差异更显著；股骨颈上方的骨皮质是抵御骨折的重要因素，也是最先发生骨折的部位。从骨小梁分布看，股骨颈上方主要是张力骨小梁，由于骨组织抗张应力能力较弱, 故骨折多发生在承受张力最大的部位，即股骨颈外上头颈交界处。本研究骨折地图分析结果与上述研究一致。
3.2. 青壮年股骨颈骨折形态的影像学特征
青壮年股骨颈骨折主要为高能量损伤所致，常见于交通事故伤或高处跌落伤，多为复合创伤，因此移位明显的不稳定骨折比例较高[2，9-10]。Stockton等[11]研究显示65例青壮年股骨颈骨折患者（年龄42～56岁）中，移位骨折比例达75%。本组移位骨折（Garden Ⅲ、Ⅳ型）明显多于非移位骨折（Garden Ⅰ、Ⅱ型），与既往报道结果类似。本组Pauwels 中间型和内收型骨折占比达92.5%（147/159），略高于Sarfani等[12]报道的54%，分析可能与两研究中患者数量和年龄不同有关。
粉碎性骨折合并骨缺损是青壮年股骨颈骨折的重要特征。Collinge等[13]对156例青壮年股骨颈骨折特征进行分析，其中33例Pauwels角>50°，24%为粉碎性骨折，骨缺损主要位于股骨颈下方（94%）和后侧（82%）。本组粉碎性骨折及骨缺损患者约占全部患者的25%，骨折块多呈宽基底三角形，主要位于股骨头颈交界区下方，一般为“两大+一小”形态。骨折块的宽基底便于利用骨皮质的Buttress效应，但粉碎性骨块增加了治疗难度。粉碎性骨折会导致股骨颈骨皮质发生缺损，本组骨缺损大部分位于股骨颈骨折面的第Ⅱ、Ⅲ象限（股骨颈后侧），且累及2～4个象限。骨缺损会严重降低股骨颈骨折手术固定的稳定性[14]，是骨折不愈合和股骨颈短缩的重要因素。由于骨缺损多位于股骨颈后侧，术中显露和固定极为困难，如何对其进行有效治疗是目前亟待解决的临床难题。
3.3. 青壮年股骨颈骨折特征与股骨头坏死的关系
股骨头坏死是青壮年股骨颈骨折最常见和最严重的并发症，发生率为10%～23%[15]。股骨头坏死的发生与股骨头颈血供受损相关。从解剖上看，旋股内、外侧动脉分出的上、下和前支持带动脉是股骨头颈部最重要的动脉，尤其是上支持带动脉[16-17]。支持带动脉在走行中又发出数量不等的分支进入股骨颈表面滋养孔，最后呈树根样进入股骨头软骨边缘的滋养孔，营养股骨头颈部。从骨折地图看，青壮年股骨颈骨折的骨折线主要位于股骨颈中部，是支持带动脉走行路径的中点。因此，骨折发生后势必会对股骨头血供造成破坏，尤其是移位明显时，支持带动脉受到牵拉扭曲或压迫作用，进一步加重股骨头缺血程度[18]。股骨颈骨折手术时，骨折端解剖复位有助于消除血管扭曲和压迫，恢复股骨头颈血供。因此，解剖复位应作为股骨颈骨折手术的首要原则。如果术前评估骨折复位困难或难以复位，且患者年龄偏大，可直接采用关节置换术。
3.4. 青壮年股骨颈骨折特征对治疗的指导意义
Buttress钢板（支撑钢板）辅助固定是股骨颈粉碎性骨折的最新治疗方案，通过将支撑钢板固定于股骨颈前内缘，可以中和骨折端的剪切力，促进骨折愈合。但目前临床对支撑钢板治疗的有效性存在争议，因为该方案并不能避免术后股骨颈短缩和内固定物退出等并发症[19-20]。支撑钢板术后退钉可能与骨折端在矢状面的倾斜角有关。如果倾斜角朝向前外，头颈骨折块在垂直载荷下会向前下方移位，支撑钢板可以抵住骨折尖端，发挥支撑作用并中和剪切力。但如果倾斜角朝向后外，位于前内缘的钢板只能发挥牵拉效应，不能避免骨折二次位移，内固定物退出亦难以有效避免。本研究结果显示Pauwels 内收型骨折倾斜角朝向后外，不适合Buttress钢板固定。另外，由于倾斜角的存在，股骨颈骨折采用空心螺钉内固定时，可以将螺钉适当斜向垂直骨折面植入，以更好地发挥加压作用。
本研究存在以下不足：① 样本量偏小；② 主要对股骨颈骨折特征进行分析，未分析影响骨折愈合的股骨头颈血供；③ 由于股骨颈解剖结构多样，患者CT图像存在差异，手动复位骨折、绘制骨折线及角度测量存在误差。
综上述，青壮年股骨颈骨折中移位骨折和不稳定骨折比例较高，常伴有后下方粉碎性骨折和骨缺损；骨折线在股骨颈上方密集分布、下方散在分布，可累及股骨距；股骨颈骨折面与人体矢状面存在一定夹角，这是骨折术后继发移位和影响Buttress钢板支撑效应的重要因素。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的分析及其报道
伦理声明 研究获得上海市浦东新区人民医院医学伦理委员会批准（2019-16）；患者均知情同意
作者贡献声明 徐子环、李鹏飞、苏志豪：数据收集、处理与分析；张英琪：图像处理与骨折地图生成；王永钦、倪明：数据整理分析及文章撰写
Funding Statement
上海市浦东新区新兴交叉学科-数字骨科项目（PWXx2020-08）；上海市“科技创新行动计划”港澳台科技合作项目（21410760200）
Digital Orthopedics Project of Pudong New Area of Shanghai (PWXx2020-08); Shanghai “Science and Technology Innovation Action Plan” Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Project (21410760200)
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