全髋关节置换术后仪表盘损伤致髋臼假体周围骨折的生物力学研究：损伤阈值与性别差异分析

《International Journal of Legal Medicine》：Experimental Biomechanical study on the consequences of dashboard injury of the pelvis after total hip replacement

随着全髋关节置换术(THR)的普及，术后患者遭遇交通事故时发生髋臼假体周围骨折的风险日益增加，但其损伤阈值尚不明确。本研究通过体外生物力学实验，模拟仪表盘损伤机制，旨在确定导致髋臼假体周围骨折所需的临界力与能量。研究结果表明，造成损伤的平均力为5852 N，且男性骨盆的损伤阈值显著高于女性。该研究为法医病理学评估此类损伤提供了重要的生物力学依据，并为改善车辆安全设计提供了数据支持。

　　

随着全球人口老龄化的加剧，全髋关节置换术(Total Hip Replacement, THR)已成为治疗终末期髋关节疾病最成功的手术之一。在一些发达国家，该手术的年手术率已超过300/10万人口。这意味着，越来越多的人体内携带着一个“人工髋关节”生活。这些患者往往希望维持积极的生活方式，包括驾驶机动车，这导致他们遭遇交通事故的风险也随之增加。在交通事故中，一种典型的损伤机制是“仪表盘损伤(Dashboard Injury)”，即车辆发生正面碰撞时，乘员膝盖撞击仪表盘，巨大的冲击力沿着股骨向上传导，最终作用于髋关节。对于正常髋关节，这可能导致髋臼骨折或髋关节脱位；但对于已接受THR的患者，情况则更为复杂和棘手。

THR术后患者遭遇高能量创伤时，可能发生多种损伤，包括股骨假体周围骨折、髋臼假体周围骨折、假体松动或脱位等。其中，髋臼假体周围骨折虽然相对罕见，但由于接受THR的患者基数庞大，其绝对数量正在逐年增加。这类骨折的治疗极具挑战性，通常需要复杂的手术重建，且预后往往不佳，给患者带来巨大的痛苦和经济负担。然而，目前科学界对于这类骨折的了解非常有限。一个核心的未解之谜是：究竟需要多大的冲击力，才会导致髋臼假体周围发生骨折？这个“损伤阈值”是未知的。了解这一阈值，不仅有助于法医病理学家在事故后更准确地评估损伤机制，还能为改进车辆安全设计、保护这一特殊人群提供关键数据。

为了回答这个问题，来自匈牙利德布勒森大学和佩奇大学的研究团队在《International Journal of Legal Medicine》上发表了一项研究。他们通过一项严谨的体外生物力学实验，首次量化了导致THR术后髋臼假体周围骨折所需的临界力与能量，并揭示了性别差异在这一过程中的重要作用。

为了开展这项研究，研究人员设计了一套巧妙的实验装置。他们从11具无创伤死亡史的人类尸体上获取了半骨盆标本，其中5例为男性，6例为女性，平均年龄为68.3岁。所有标本均被植入骨水泥型髋臼假体。随后，研究人员构建了一个模拟仪表盘损伤的撞击框架。他们将半骨盆标本固定在框架上，并用一根金属杆模拟股骨，其近端连接着股骨头假体，与植入的髋臼杯形成关节。通过释放一个摆锤结构，从不同高度撞击金属杆的远端，从而模拟膝盖受到撞击、力沿股骨传导至髋臼的过程。实验过程中，研究人员使用力传感器精确记录每次撞击的峰值力，并逐步增加撞击能量，直至肉眼观察到骨盆发生损伤为止。

研究结果

损伤阈值与能量

实验结果显示，导致骨盆发生损伤所需的平均峰值力为5852 N，范围在3950 N至8386 N之间。从能量角度看，造成损伤所需的最小撞击能量约为4 J。这表明，在仪表盘损伤中，至少需要约4000 N的力和4 J的撞击能量，才能导致髋臼假体周围发生骨折。这一数据为评估此类损伤提供了重要的生物力学阈值。

损伤模式

研究人员观察到了多种损伤模式，这些模式反映了冲击力在骨盆内的不同传导路径和失效机制：

• •
  单纯假体松动：在1例标本中，仅观察到髋臼杯松动伴随骨水泥断裂，未发生骨性骨折。
• •
  假体松动合并后柱骨折：在3例标本中，冲击力主要导致髋臼后柱发生骨折，同时伴有假体松动。
• •
  假体松动合并髋臼底骨折：这是最常见的损伤模式，在6例标本中发生。冲击力直接作用于髋臼底部，导致其发生骨折。
• •
  复合损伤：在1例标本中，同时发生了假体松动、后柱骨折和髋臼底骨折，表明冲击力巨大且传导复杂。

性别差异

分析结果发现，性别是影响损伤阈值的一个重要因素。男性骨盆发生骨折所需的力显著高于女性。在女性标本中，骨折大多发生在5000 N以下的力；而在男性标本中，骨折大多发生在6000 N以上的力。这一差异可能与男性骨盆骨骼结构更粗壮、骨密度更高有关。

研究结论与讨论

本研究通过体外生物力学实验，首次确定了导致全髋关节置换术后髋臼假体周围骨折的损伤阈值。研究结果表明，在仪表盘损伤中，至少需要约4000 N的力和4 J的撞击能量才能造成损伤。更重要的是，研究揭示了显著的性别差异，男性骨盆的损伤阈值远高于女性。这一发现对于法医病理学具有重要意义，它提供了评估此类损伤的客观生物力学标准。在交通事故调查中，法医可以根据损伤情况，结合车辆碰撞数据，更准确地推断事故的严重程度和损伤机制。

然而，研究人员也指出了研究的局限性。首先，这是一项体外实验，无法完全模拟活体环境。在真实事故中，肌肉、韧带和结缔组织的保护作用，以及座椅的能量吸收能力，都可能提高实际的损伤阈值。其次，标本在发生可见骨折前可能经历了多次撞击，这可能导致微骨折的发生，从而削弱了骨骼的强度，影响了最终结果的准确性。此外，本研究仅模拟了髋关节处于中立位时的撞击，而现实中髋关节的屈曲、外展或内收角度都会显著改变力的传导路径和损伤模式。

尽管如此，这项研究为理解THR术后患者在高能量创伤中的生物力学行为迈出了重要一步。未来，结合更大样本量、更精确的骨密度测量以及更复杂的撞击角度模拟，将能更全面地揭示这一复杂问题的全貌。最终，这些数据将不仅服务于法医鉴定，更将为汽车制造商改进安全设计、保护日益增多的THR术后人群提供宝贵的科学依据。