經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的有限元對比研究

張 瀟，楊曉東，夏 廣，李 濤，王 華，樊仕才

采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折作為臨床可選內(nèi)固定方案之一，適用于骨折移位不明顯或部分無法行開放手術(shù)的患者，具有經(jīng)濟、微創(chuàng)的特點，有利于患肢早期功能鍛煉［1－2］，但螺釘置入位置不佳則會造成周圍血管神經(jīng)損傷、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎甚至固定失穩(wěn)、斷釘?shù)刃g(shù)后并發(fā)癥。由于坐骨結(jié)節(jié)［3－4］位置表淺，易于捫及，目前臨床多選擇該區(qū)域置入螺釘。有學(xué)者［5］通過研究提出以坐骨小切跡為進針點的不同置釘方案，認(rèn)為較之前方法存在一定優(yōu)勢。解剖學(xué)研究提示該兩種骨性通道存在明顯差異，但相關(guān)的力學(xué)對比研究尚未見報道。本研究通過建立髖臼后柱骨折模型，應(yīng)用有限元法對生理狀態(tài)下兩種內(nèi)固定方案的穩(wěn)定性進行比較，進而為臨床應(yīng)用提供參考。

材料與方法

1 實驗標(biāo)本與內(nèi)固定物

健康成年人，男性，47歲，體重76kg，排除全身嚴(yán)重疾患及外傷史，行骨盆正側(cè)位X線片排除骨折及其他骨質(zhì)病變情況。內(nèi)固定材料:半螺紋空心拉力螺釘，長度100mm，直徑6.5mm(實驗中以虛擬圓柱體代替)。

2 CT數(shù)據(jù)獲取

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院影像科提供的64排螺旋CT機(Siemens，德國)，垂直于身體縱軸進行CT掃描，掃描層厚為0.5 mm，得到醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)格式完整骨盆斷層掃描圖片626張。

3 骨盆三維有限元模型的建立及有效性驗證

3.1 將DICOM圖片導(dǎo)入Mimcs14.0軟件，進行三維重建，結(jié)果以光固化(STL)格式輸出，利用Geomagic軟件生成曲面，Proe5.0進行實體建模。對模型進行平滑、除噪點、鋪面等修飾處理，結(jié)果以初始化圖形交換規(guī)范(IGES)格式輸出。將保存文件導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys14.5中，結(jié)合骨盆骨質(zhì)“三明治”樣結(jié)構(gòu)定義模型單位，定義皮質(zhì)骨的厚度為1.5mm，皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的材料屬性簡化為結(jié)構(gòu)連續(xù)、密度均勻的線彈性材料，同時添加骨盆周圍韌帶等相關(guān)結(jié)構(gòu)，參考相關(guān)文獻賦予具體材料屬性［6］，完成后的模型自動網(wǎng)格劃分，節(jié)點490 227個，網(wǎng)格295 806個(圖1)。

圖1 骨盆有限元模型

3.2 模型有效性驗證 將模型導(dǎo)入Ansys 14.5軟件，模擬雙腳站立位。于S1椎體上終板設(shè)置剛性面，給予均勻分布載荷，模擬重力方向，大小為500N。邊界條件:為接近生理狀態(tài)，對髖臼雙側(cè)關(guān)節(jié)面及恥骨聯(lián)合進行約束，限制6個方向的自由度，得到骨盆模型的位移和應(yīng)力分布云圖。通過觀察，筆者發(fā)現(xiàn)所建骨盆的應(yīng)力經(jīng)由骶骨、骶髂關(guān)節(jié)沿髖臼后柱和弓狀緣進行傳遞，骶髂關(guān)節(jié)和坐骨大切跡周圍應(yīng)力較大，與理論知識和相關(guān)研究相符，證明了模型的有效性。

4 髖臼后柱骨折逆行拉力螺釘固定模型的建立

應(yīng)用Solidworks 2010軟件打開髖骨實體，參考吳嘯波等［7］的方法，建立后柱骨折模型，利用網(wǎng)格刪減，在左側(cè)髖關(guān)節(jié)面2點鐘和6點鐘方向進行切割，將一側(cè)髖骨分割成髖部零件和后柱部零件(圖2a)。參考相關(guān)文獻［3，5，8］所述置釘方案分別在后柱坐骨結(jié)節(jié)(A方案)和坐骨小切跡處(B方案)模擬置入拉力螺釘，完成手術(shù)固定模型的建立(圖2b、c)，骨折塊間摩擦系數(shù)0.5u，螺釘與骨塊摩擦系數(shù)1.0u。

圖2 骨折模型及不同內(nèi)固定方案。a．髖臼后柱骨折模型;b．經(jīng)坐骨小切跡內(nèi)固定方案;c．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)內(nèi)固定方案

5 靜力加載及評價指標(biāo)

模擬人體雙腿直立位和坐位的生理姿勢，模擬重力方向，對骨盆施加軸向載荷。具體方式為分別約束雙側(cè)髖臼和坐骨結(jié)節(jié)，向S1骶骨椎體上表面均勻垂直加壓，壓力大小選擇500N。統(tǒng)計髖臼關(guān)節(jié)面骨折線節(jié)點位移和內(nèi)固定螺釘應(yīng)力，并進行統(tǒng)計學(xué)分析。

6 統(tǒng)計學(xué)分析

所得數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS19.0軟件統(tǒng)計分析，方差齊性判斷后，應(yīng)用兩樣本t檢驗對數(shù)據(jù)進行比較，P＜0.05提示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1 關(guān)節(jié)面骨折線節(jié)點位移 具體位移數(shù)值均數(shù)及比較結(jié)果見表1。

表1 關(guān)節(jié)面骨折線位移均數(shù)比較(μm)

2 后柱拉力螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力 具體應(yīng)力分布及數(shù)值見表2和圖3。

表2 不同體位拉力螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值(Mpa)

圖3 后柱拉力螺釘應(yīng)力云圖。a．經(jīng)小切跡站位;b．經(jīng)小切跡坐位;c．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)站位;d．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)坐位

討 論

開放手術(shù)作為髖臼后柱骨折的傳統(tǒng)首選治療方法，存在創(chuàng)傷大、血管神經(jīng)損傷和異位骨化發(fā)生率高等術(shù)后并發(fā)癥［9－10］。隨著骨盆髖臼骨折微創(chuàng)治療的不斷發(fā)展，Starr、Gay等［1，11］報道了采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘技術(shù)固定髖臼后柱骨折，取得了滿意臨床療效，認(rèn)為該技術(shù)適用于無明顯移位和粉碎程度較輕的骨折治療，具有經(jīng)濟、微創(chuàng)的特點。Mouhsine等［2］總結(jié)21例老年復(fù)雜髖臼骨折微創(chuàng)治療經(jīng)驗，認(rèn)為該技術(shù)在免去開放手術(shù)創(chuàng)傷的同時，保證了患肢早期功能鍛煉，縮短了臥床時間，對老年患者意義更大。但髖臼后柱骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺釘置入過程中，如果螺釘位置不佳，則易導(dǎo)致螺釘誤入關(guān)節(jié)或穿出骨板，造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎和周圍血管神經(jīng)損傷，甚至骨折固定不牢固、斷釘?shù)葒?yán)重并發(fā)癥［12］。

目前，髖臼后柱經(jīng)皮逆行拉力螺釘存在不同置釘方案，其中大部分學(xué)者選擇坐骨結(jié)節(jié)為進針點。國內(nèi)張大保等［3］通過對國人骨盆相關(guān)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)坐骨結(jié)節(jié)表面存在一點，可與髂前髂后上棘構(gòu)成等腰三角形，提出以髂前髂后上棘連線中垂面為參考平面的置釘方案，得出螺釘與水平面、冠狀面和矢狀面的夾角分別為(72.02±6.05)°、(14.71±6.98)°和(8.61±3.96)°。有作者［7－8，13－14］通過解剖學(xué)研究，得出髖臼后柱骨性通道的長軸穿出點位于坐骨小切跡中點附近，髖臼后柱軸線與冠狀面夾角為男性(33.41±2.18)°、女性(31.56±2.71)°，與矢狀面夾角男性(21.74±1.19)°、女性(19.15±1.24)°，提出了髂前上棘和弓狀線后端連線的中點與坐骨小切跡中點連線的置釘方案。認(rèn)為該置釘方案不僅可以避免坐位時釘尾的直接受力，減少坐位不適感，而且螺釘更符合生物力學(xué)要求，固定更穩(wěn)，較前者存在優(yōu)勢。相關(guān)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)兩置釘通道解剖參數(shù)存在明顯差異，但力學(xué)定量對比研究未見有報道。

通過有限元法對比受力前后骨折線位移和螺釘應(yīng)力分布后發(fā)現(xiàn)，骨折模型在站立位和坐位時表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。通過不同體位下兩種內(nèi)固定方案的對比，得出站立位時兩種內(nèi)固定方案骨折線位移值相近且差異無明顯統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.004＜0.05)。坐位時經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘最大位移均值為(6.52±0.38)μm，明顯小于經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)置釘?shù)?7.27±0.48)μm水平，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.932＞0.05)，表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)穩(wěn)定性，分析主要原因為站立位變坐位時，骨盆受力區(qū)由臼頂負(fù)重區(qū)轉(zhuǎn)為坐骨結(jié)節(jié)直接受力的結(jié)果。由于重力傳導(dǎo)途徑的改變，拉力螺釘受力亦表現(xiàn)出明顯的不同，坐位時應(yīng)力達到36.053Mpa，明顯大于站立位時(6.747Mpa)水平，且站立位時螺釘受力集中于骨折線周圍，而坐位時螺釘尾部為主要的受力區(qū)域(圖3)，但其應(yīng)力強度均明顯小于螺釘?shù)那姸龋瑐?cè)面證實了后柱逆行拉力螺釘內(nèi)固定的可行性。

本實驗支持經(jīng)坐骨小切跡置釘生物力學(xué)穩(wěn)定性更優(yōu)的結(jié)果。采用有限元法具有經(jīng)濟、可重復(fù)操作的優(yōu)點，但由于年齡和性別等因素造成的骨盆形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性差異，其結(jié)果與實際情況必然存在一定不同，同時由于骨折移位、粉碎程度和周圍軟組織的復(fù)雜性，實際操作尚需結(jié)合患者實際情況綜合考慮后決定置釘方案。

［1］Starr AJ，Reinert CM，Jones AL．Percutaneous fixation of the columns of the acetabulum:a new technique［J］．JOrthop Trauma，1998，12(1):51－58.

［2］Mouhsine E，Garofalo R，Borens O，et al．Percutaneous retrograde screwing for stabilisation of acetabular fractures［J］．J Care Injury，2005，36(11):1330－1336.

［3］張大保，王鋼，孟祥翔，等．髖臼后柱經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定可行性的數(shù)字模型研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2009，27(3):288－291.

［4］嵇鵬，吳乃慶，司衛(wèi)兵．髖臼后柱逆行經(jīng)皮拉力螺釘固定的應(yīng)用解剖［J］．中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2006，6(6):441－443.

［5］尹維剛，史增元，胡蔭，等．經(jīng)皮坐骨小切跡拉力螺釘內(nèi)固定髖臼后柱骨折的應(yīng)用解剖與臨床應(yīng)用［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2007，27(2):140－142.

［6］張景僚．骨盆三維有限元模型的建立及其分析［D］．第一軍醫(yī)大學(xué)，2007.

［7］吳嘯波，張奇，郭明珂，等．髖臼后柱骨折模型建立及髖臼后柱骨折鋼板內(nèi)固定和拉力螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性比較［J］．中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13(52):10236－10240.

［8］毛海蛟，史增元，尹維剛，等．經(jīng)坐骨小切跡髖臼后柱打釘入路的應(yīng)用解剖與導(dǎo)向器研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2014，32(2):121－124.

［9］魏丹，王躍，袁加斌，等．復(fù)合髖臼骨折手術(shù)中后方入路的特點和選擇［J］．創(chuàng)傷外科雜志，2010，5(4):392－394.

［10］胡建華，張曉星，茍景躍．前后聯(lián)合入路治療復(fù)雜髖臼骨折［J］．創(chuàng)傷外科雜志，2011，4(3):297－299．

［11］Gay SB，Sistrom C，Wang GJ，et al．Percutaneous screw fixation of acetabular fractures with CT guidance:preliminary results of a new technique［J］．AJR Am J Roentgenol，1992，158(4):819－822．

［12］張丕軍．髖臼后柱骨折逆行經(jīng)皮拉力螺釘置釘導(dǎo)向裝置研制與初步驗證［D］．南方醫(yī)科大學(xué)，2013．

［13］王慶賢，張英澤 潘進社，等．髖臼后柱拉力螺釘內(nèi)固定的應(yīng)用解剖學(xué)［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2004，23(6):596－598．

［14］范永盛，尹維剛，史增元，等．三維重建模型模擬拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2013，31(3):241－245.