應用有限元法比較3種內固定器械固定不穩定骨盆骨折的效果

崔蘊威，吳　濤，李　升，陳　偉，邢　欣，張英澤(河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

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·論著·

學研究重點課題(ZL20140290)

三醫院工程師，醫學碩士，從事骨科三維有限元及3D打印技術相關

研究。

應用有限元法比較3種內固定器械固定不穩定骨盆骨折的效果

崔蘊威，吳濤，李升，陳偉，邢欣，張英澤*(河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

[摘要]目的通過構建完整骨盆的有限元模型，應用有限元法對3種內固定物治療不穩定型骨盆骨折的療效進行比較。方法隨機選取1名成年健康男性，經CT掃描，層厚1mm，影像資料以醫學數字成像和通信格式保存。應用Mimics、Geomagic Studio、SolidWorks、Abaqus等軟件建立完整骨盆的三維有限元模型。建立不穩定骨盆骨折的有限元模型，分別置入3種不同的內固定器械，模擬對骶骨施加500 N垂直負荷，計算骨盆模型的最大位移值、應力值、應變值及骶骨骨折斷端的縫隙移位值，進行比較。結果在500 N垂直載荷下，應力經骶骨、兩側骶髂關節、髂骨弓狀線至雙側髖臼。通過分析結果可知在500 N的載荷下，內固定后的骨盆模型發生應變很小。骨盆模型整體發生的位移依次是骶髂螺釘固定的模型(1.86 mm)、可調式微創接骨板(6.89 mm)、張力帶接骨板(9.10 mm)。骨盆模型中骶骨骨折縫隙的分離移位值依次是骶髂螺釘固定的模型(1.75 mm)、可調式微創接骨板(3.00 mm)、張力帶接骨板(8.03 mm)。結論完整的骨盆是個穩定的力學結構。三維有限元方法證實2枚骶髂螺釘固定骨盆的穩定性大于可調式微創接骨板固定骨盆的穩定性，更大于張力帶接骨板固定骨盆的穩定性。

[關鍵詞]骨盆；骨折；內固定器；有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.02.004

骨盆骨折主要由高能量損傷導致，約占成人骨折的3.64%[1]，其中不穩定型骨盆骨折約占68.3%，是一種嚴重的創傷，文獻報道病死率高達19%[2-4]。骨盆為一閉合環狀結構，其穩定性主要依靠骨盆后環的完整性[5]。因此，治療的目的就是最大程度恢復骨盆后環的連續性及穩定性。內固定已經成為治療骨盆后環損傷的確定性治療方法[6]，常用的方法包括骶髂螺釘、張力帶接骨板、三角固定器械等[7-9]，但它們都具有各自的局限性。我院模仿骨盆后環的結構和力學傳導特征研發了可調式微創接骨板(minimally invasive adjustable plate,MIAP),生物力學試驗表明其穩定骨盆后環的穩定性與2枚骶髂螺釘相似，優于張力帶接骨板[10-13]。有限元法(finite element method,FEM)將一個連續的個體分割為有限個單元，再利用相關的軟件對它們進行合成，并研究每一個單元，從而得到與真實個體相似的材料質地、機械性能、結構及物理參數等[14-15]，實現對整體進行力學分析的目的。本研究采用三維有限元分析法模擬不穩定型骨盆骨折及3種內固定物，比較2枚骶髂螺釘、張力帶接骨板和可調式微創接骨板固定骨盆后環的穩定性。

1資料與方法

1.1完整骨盆模型的構建選取1名健康男性志愿者(已簽署知情同意書)，35歲，體健。X線檢查證實骨盆無畸形、腫瘤、骨折等骨質破壞。應用SIEMENS公司的64排螺旋CT機對志愿者進行掃描，掃描平面：第一腰椎至股骨小轉子層面(坐骨結節平面以下)，掃描層厚1.00 mm，共獲取二維CT圖像352層，存儲格式為醫學數字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)，通過移動存儲設備拷貝到個人電腦中。將數據導入Mimics 10.01(Materialise公司，比利時)軟件，利用該軟件的區域增長功能對圖像進行分割、填充，通過三維計算功能構建出整個骨盆結構的三維形態。再將數據以STL格式導入逆向工程軟件Geomagic Studio 12中建立幾何模型的空間拓撲信息，構造柵格網，最后完成曲面擬合。將實體化的文件導入大型通用有限元分析軟件Abaqus 6.11-1(SIMULIA公司，法國)中進行裝載、材料屬性的賦值以及加載運算。在Abaqus中將骨盆模型進行材料屬性的賦值。本研究中對于骨盆材料的屬性賦予是參照相關文獻中骨盆材料的屬性進行賦值的(表1)。將骶骨和左右髖骨的名稱進行標準的英文命名，以免在Abaqus中操作“復制模型”時出現錯誤，名稱改好以后，就可以各個部分的模型放在一起。這里的坐標位置是在Mimics中已經確定好的，所以在Abaqus中不必重新確定坐標，只需要在Abaqus中進行裝配命令，就可以將骶骨、恥骨聯合和左右髖骨裝配到一起。骨盆諸骨裝載完成后即需進行韌帶的構建，根據各韌帶的解剖位置在實體模型表面選取相應的節點重建韌帶的起止點。本模型中共構建了骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶髂關節骨間韌帶、骶棘韌帶、骶結節韌帶(圖1)。所建韌帶均使用彈簧連接單元模擬，韌帶設置的具體參數參照文獻設定(表2)。為簡化操作過程及減少出現不收斂的概率，本模型將骶髂關節之間和恥骨聯合之間的連接設置為“耦合”的面與面連接。將韌帶與骨面的連接用“耦合”的面與點連接在一起。骨盆約束完畢之后，要進行對骨盆的骶骨面的受力加載，選定骶骨岬的上面為加載面，加載的數值以壓強表示。本研究模擬正常人的體質量500 N，根據公式P=F/S計算得出加載的壓強值為4.2 N/mm2。把數值輸入到Abaqus中。完成骶骨面的加載后，需要進行邊界的約束。本研究模擬人體雙足站立位時在靜載荷作用下骨盆的受力變化，因此需要在雙側髖臼處進行約束，完全固定髖臼。設置完加載和約束以后，下一步則需要設置分析步。由于整體骨盆的有限計算是在靜載荷下完成的，因此只需要初始步和“step-1”2個步驟。一切設置完畢，最后進行提交JOB工作，對模型進行數據檢查，全面分析模型的應力、應變及位移變化，提交作業。

表1骨和恥骨聯合的屬性

Table 1The properties, element types of all bones and pubic symphysis

材料彈性模量E(MPa)泊松比(u)髂骨皮質骨170000.3髂骨松質骨1320.2骶骨皮質骨61400.3骶骨松質骨14000.3恥骨聯合 50.45

表2各組韌帶的強度

Table 2The stiffness coefficient of ligament

材料 剛度系數K(N/mm)骶棘韌帶 1400骶結節韌帶 1500骶髂前韌帶 700骶髂后韌帶(長)1000骶髂后韌帶(短) 400

1.2骨盆骨折模型及內固定器械的制備根據可調式微創接骨板、骶髂螺釘和張力帶接骨板的形狀，采用UG(Siemens PLM Software公司，德國)軟件制備3種內固定器械。試驗在不影響有限元分析的前提下，對螺釘模型進行簡化，忽略螺紋形態，將螺釘簡化為圓桿。將完整的骨盆模型經過左側恥骨聯合和左側骶孔制備成Tile C型不穩定骨盆骨折模型。

1.3骨盆骨折模型的裝配及有限元分析在Abaqus中把骨盆模型的各個部分及內固定器械分別進行材料屬性的賦值。將相同的韌帶裝配到不同內固定置入的骨盆骨折模型中。將各部件之間的連接方式、約束面、加載面及數值保持一致。設置完畢后，對模型進行數據檢查，全面分析模型的整體應力、應變、位移變化，內固定的應力分布以及骨折縫隙的分離移位值，提交作業。

2結果

2.1完整骨盆模型的應力分布在骶骨上表面施加500 N垂直作用力時，模型兩側的髂骨的應力分布基本上完全一致。應力的傳導經兩側的骶骨翼，通過骶髂關節，向斜下方經兩側坐骨大切跡的附近，再經兩側的髂骨弓狀線，最終傳導至雙髖臼(圖2)。

模型所受的最大應力位于骨盆模型背側坐骨大切跡的附近。骨盆模型的前環即恥骨聯合和恥骨支受力比較小。骨盆模型的主要穩定和負重結構均在骨盆后方，而骨盆前方的結構以支撐作用為主。

2.2完整骨盆模型的應變分布完整模型在施加載荷時的應變均集中在左、右兩側的骶髂關節，且絕對值比較小，最大值為0.007 4；骨盆前方恥骨聯合處的應變非常小，可以忽略不計。模型的其他骨性結構無明顯應變發生(圖3)。

2.3完整骨盆模型的位移分布垂直加載500 N直接作用于骶骨上，發生的位移最大值可達1.099 mm。模型的位移變化以此處為中心，向兩側逐漸擴散的同時也逐漸減小，至兩側髂骨翼附近時位移變化為0(圖4)。

2.4固定模型的應力分布情況3種內固定器械固定骨盆模型后，約束雙側髖臼，于骶骨上方施加500 N的垂直作用力，3種模型的應力分布類似完整的骨盆模型。但3種固定后的模型應力分布不是完全相對稱的。骶髂螺釘固定的模型在損傷側的受力大于未損傷側；而另2組的未損傷側受力較大。在模型加載500 N的垂直負荷條件下：①骶髂螺釘的最大應力是439.69 MPa，出現在上方螺釘的骶骨骨折處(圖5A)；②張力帶接骨板的最大應力值是1 836.54 MPa，出現在接骨板的折彎處，靠近釘板結合部位(圖5B)；③可調式微創接骨板的最大應力值為1 335.69 Mpa，位于釘板結合部位(圖5C)。應力分布見圖6。

圖1 完整骨盆三維有限元模型Figure1 Threedimensionalfiniteelementmodelofthewholepelvis圖2 完整骨盆模型的應力分布Figure2 Streedistributionofthewholepelvicmodel圖3 完整骨盆模型的應變分布Figure3 Straindistributionofthewholepelvicmodel圖4 完整骨盆模型的位移分布

Figure 4Displacement distribution of the whole pelvic model

圖5內固定的應力分布情況

A.2枚骶髂螺釘;B.張力帶接骨板;C.可調式微創接骨板

Figure 5The stress nephogram

圖6固定模型的應力分布情況

A.2枚骶髂螺釘固定的骨盆模型;B.張力帶接骨板固定的骨盆模型;C.可調式微創接骨板固定的骨盆模型

Figure 6The stress nephogram of the pelvic model

2.5固定模型的應變分布情況3種內固定器械固定骨盆模型后，在500 N的載荷下，發生的應變都很小：骶髂螺釘最大應變值是0.02 mm；可調式微創接骨板最大應變值是0.05 mm；張力帶接骨板最大應力值是0.09 mm。

2.6固定模型的整體位移分布情況3種內固定器械固定骨盆模型后，模擬正常人的體質量，在骶骨上方加載500 N的負荷，固定雙側髖臼，整體骨盆發生位移變化：骶髂螺釘整體位移值是1.86 mm；可調式微創接骨板最大應變值是6.89 mm；張力帶接骨板最大應力值是9.10 mm。

2.7骨折縫隙的分離移位值測量骶骨左側第四骶孔下緣內側壁的分離情況，骶髂螺釘固定的模型的骶骨骨折縫隙分離移位值是1.75 mm，大于可調式微創接骨板固定的模型的3.00 mm，更大于張力帶接骨板固定的模型的8.03 mm。

3討論

3.1骨盆的三維有限元模型的建立意義鑒于目前實體標本的來源稀少，且單例的價格非常昂貴，許多有臨床指導意義的骨盆生物力學試驗不能順利的進行，或者由于標本的例數較少而無強有力的說服力。當模擬內固定器械對骨盆骨折的固定效果時，標本的質量和來源更是要考慮的主要問題，骨盆破壞操作的不可重復及前續內固定物對后續內固定物的影響，均可影響到最終的試驗結果。因此，依靠計算機輔助手段進行數字化模擬生物力學進行測試的方法逐漸成了一種重要的測試手段，這也是三維有限元分析法在骨科生物力學研究領域日益廣泛應用的主要原因之一。由于人體骨骼的結構都不均一、形狀大都不規則，骨小梁呈現出各向性的特點，難以準確模擬，有限元建模中松質骨與皮質骨之間的界面也與真實的人體骨骼情況存在差異，所以有限元模型與真實骨骼情況并非完全一致。盡管數字化模型存有上述缺陷，但已經可以在一定程度上反映實體標本的力學性能，可以替代實體標本開展一些生物力學試驗[16-17]。隨著對骨盆解剖結構研究的不斷深入，計算機及相關分析軟件的不斷發展，模型賦值的方式也不斷改進，使得骨盆有限元模型的精度有了很大的提高。Phillips等[18]構建了包含韌帶和肌肉的完整骨盆的有限元模型，并對加載后的模型進行了分析，發現其更加逼真于正常實體，但與沒有肌肉、韌帶的骨盆有限元模型相比，無顯著的差異。骨盆三維有限元模型的建立和應用，可以更好地測試骨盆及其相關的器械生物力學特性。

3.2驗證三維有限元模型的有效性三維有限元分析是目前研究骨盆生物力學的一種重要的工具，應用骨盆有限元分析可對骨盆模型在外力作用下產生的應變、應力及其位移的分布進行分析、評價。相比尸體模型的生物力學試驗研究，三維有限元分析具有如下優點：①不受試驗樣本數量的限制；②試驗結果的誤差比較小；③試驗的重復性比較好。但是，由于建模時選取的原始資料不同，建模的方法不一致，網格劃分也不太相同，材料的屬性賦值還沒有統一的標準等差異，有限元的分析運算結果與傳統生物力學相比有誤差存在，而且，每一個研究者的分析結果也大不相同。因此，三維建模完成后即需要驗證其有效性[19]。三維有限元模型進行有效性驗證的方法通常有3種。①骨盆有限元建模時選用掃描一具尸體標本收集CT資料，進行有限元運算及分析，將尸體標本制成同樣條件的試驗標本，進行生物力學試驗；再將兩者的結果相對比，以確定有限元模型的有效性；此方法比較嚴格，結果可靠性最高。但是，由于尸體標本的個體差異較大，因此需要更多的樣本量，增加了工作強度和工作量。②查找與本研究相類似的試驗，將得出的結果與已發表的結果相對比，得出驗證結論；此法的工作量雖然較小，但是由于研究人員選定的試驗條件和觀察的指標不盡相同，因此這種方法不如上一種方法嚴格，且已發表的相似文獻也比較難找。③就是將三維有限元模型運算后得到的結果與臨床現象相印證，雖然此法操作簡便，但是其驗證效果相比上2種方法較差。本研究運算結果顯示在人體位于雙足站立位時，上半身的載荷由骶骨上面經兩側的骶髂關節到兩側的坐骨大切跡附近，再經髂骨的弓狀線到達雙側髖臼。此傳導方式與理論知識、試驗研究的結果相一致[20-21]。由此說明，本研究所建立的骨盆三維有限元模型是可靠、有效的，可以利用此模型進行相關的生物力學研究。此外，本模型中施加的垂直載荷為500 N，是模擬一正常人體的體質量值，由應變情況可知，人體的骨盆結構非常穩定，在生理載荷下，骨盆的容積、形態基本上無明顯的變化，這有助于保護腔內的重要臟器以及穩定負重。

3.3三維有限元對3種內固定器械固定骨盆后環的比較在本研究中，將完整的骨盆模型制備成經左側骶骨和恥骨聯合骨折的Tile C型不穩定骨盆骨折模型，復位成功后，采用接骨板固定恥骨聯合，骨盆后環分別采用2枚骶髂螺釘、張力帶接骨板和可調式微創接骨板固定。固定模型的應變分布顯示骨盆模型在500 N的載荷下發生的形變也很小，足以起到保護內臟器官的功能。

3.3.1骶髂螺釘固定技術2枚骶髂螺釘同時置入骶1椎體固定骨盆后環被認為是最堅強的固定方式[22]。有學者通過生物力學試驗證實應用2枚骶髂螺釘比1枚骶髂螺釘更加穩定[23-24]。骶髂螺釘固定骨盆環屬于“兩點”固定，螺釘經過三層皮質骨進入骶1椎體內，可提供穩定的固定[25-26]。Yinger等[24]、Padalkar等[27]通過生物力學試驗證實，2枚骶髂螺釘固定骨盆后環的穩定性明顯優于使用張力帶接骨板。與本模型顯示的結果一致。

3.3.2可調式微創接骨板固定技術可調式微創接骨板根據骨盆后環解剖結構設計，模擬骶髂復合體的“吊橋”結構，使用時無需預彎，可以更好地貼附骶髂關節后側，通過長紋螺釘固定于兩側髂骨和骶骨內，并可通過調節連桿的長度對骨折斷端進行加壓或分離，以實現骨盆后環的穩定。

3.3.3張力帶接骨板固定技術張力帶接骨板雖可有效地穩定骨盆后環骨折，但由于使用時需要預彎接骨板使其適應骨盆后環結構，從而降低了鋼板的強度，甚至損壞其螺紋結構[28]。此外，與骶髂螺釘和可調式微創接骨板同時固定骶骨和髂骨相比，張力帶接骨板僅通過固定兩側的髂骨來穩定骨盆后環，因此，張力帶接骨板在整體模型的位移值和骨折縫隙的分離移位值方面均明顯差于骶髂螺釘和可調式微創接骨板固定的模型。

3.4本研究的特點及存在的問題本研究將成年志愿者的CT影像資料、三維重建軟件Mimics 10.01、三維圖像后處理軟件Geomagic Studio 12、大型三維實體化軟件SolidWorks 2014及大型通用有限元分析軟件Abaqus 6.11-1序貫結合起來，模擬Tile C型不穩定骨盆骨折模型并置入3種不同的內固定物后，加載500 N的垂直作用力并進行運算、分析，取得了與試驗生物力學相一致的結果，進而證實了模型的有效性，可以繼續開展相關的研究。

但是，由于本研究涉及了計算機技術、數學、三維有限元分析、影像學等眾多內容，并受研究者個人的理論知識層面、經驗水平及試驗條件等因素的影響，本研究還存在一些問題，需進一步改善。①本研究沒有加載肌肉及腰椎、股骨結構，且接觸的層面之間僅進行了簡單的連接，與真實情況存在一定的差異。②骨是一種非均質、異向性的結構，目前還不能通過數學的方法將此結構精確地表達出來，故所建模型的精度也不可避免地有所降低。

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(本文編輯：劉斯靜)

Comparison of three types of internal fixation for unstable pelvic fractures:a finite element analysis

CUI Yun-wei, WU Tao, LI Sheng, CHEN Wei, XING Xin, ZHANG Ying-ze*

(Emergency Center of Trauma, the Third Hospital of Hebei Medical University,Key

Laboratory of Orthopaedic Biomechanics of Hebei Province, Orthopaedic Research

Institution of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China)

[Abstract]ObjectiveTo build a normal pelvic finite element model and to compare the stability of unstable pelvic fractures fixed with three kinds of internal fixator by three-dimensional finite element analysis. MethodsA normal adult male was chosen randomly and scanned by computerized tomography(1 mm slice thickness). The results were conserved in digital imaging and communications in medicine format. The finite element model was made using the software of Mimics, Geomagic Studio, SolidWorks, Abaqus. The finite element model of unstable pelvic fracture was set up, and the fracture of posterior pelvic ring was fixed with three kinds of internal fixator separately. A loading of 500 N was put and the bilateral acetabulum was constrained. The strain, displacement and stress nephograms of the pelvic model and the shift of fracture gap were obtained. ResultsUnder 500 N vertical load, the stress passed through sacrum, bilateral sacroiliac joint and the arcuate line to the bilateral acetabulum. Under 500 N vertical load, the strain concentrated of the model was very small. The displacements of pelvic model were iliosacral(IS) model(1.86 mm)， minimally invasive adjustable plate(MIAP) model (6.89 mm), tension band plate(TBP) model(9.10 mm). The shift of fracture gap in pelvic model was IS model(1.75 mm), MIAP model(3.00 mm), TBP model(8.03 mm). ConclusionThe pelvis is a steady structure. Under vertical load, the stability of the unstable pelvic fractures fixed with MIAP is less than that fixed with two IS screws, and better than that fixed with TBP.

[Key words]pelvis； fractures； internal fixators； finite element analysis

[中圖分類號]R311

[文獻標志碼]A

[文章編號]1007-3205(2016)02-0137-06

通訊作者*。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[作者簡介]崔蘊威(1986- )，男，河北保定人，河北醫科大學第

[基金項目]國家自然科學 (81271975)；河北省醫學科

[收稿日期]2015-12-14；[修回日期]2016-01-05