2種內固定方式治療不穩定骨盆骨折的有限元研究

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2種內固定方式治療不穩定骨盆骨折的有限元研究

吳濤，崔蘊威，呂紅芝，程曉東，楊光，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)

[關鍵詞]骨折固定術；有限元研究；治療結果

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.03.028

不穩定骨盆骨折多由高能量損傷所致，選擇適合的固定方法是骨科醫師面臨的難點之一。生物力學證實2枚骶髂螺釘與可調式微創接骨板固定骨盆后環的效果相似[1-2]，但均不能達到最堅強固定[3]。本課題組應用三維有限元法比較可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘與傳統2枚骶髂螺釘固定骨盆后環的穩定效果。

1資料與方法

1.1完整骨盆模型的構建隨機選取1例健康男性志愿者(已簽署知情同意書)，35歲，體健。X線片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1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中對骨盆模型進行材料屬性的賦值。將骶骨和左右髖骨的名字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，名字確定后，就可以將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。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。所建韌帶均使用彈簧連接單元模擬。為簡化操作過程及減少出現不收斂的幾率，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。將所得數值輸入到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的骨盆受力變化，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、移位變化，提交作業。

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和骶髂螺釘的形狀，采用UG(Siemens PLM Software公司，德國)軟件制備2種內固定器械。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中將骨盆模型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2種內固定方式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，全面分析固定模型的應力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1)。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。

圖1完整骨盆模型的應力分布

2.2固定模型的應力分布2種內固定方式固定骨盆模型后，約束雙側髖臼，于骶骨上方施加500 N垂直作用力，2種固定方式的模型均能恢復一定程度的應力傳導。但是，其應力分布并非完全對稱，骶髂螺釘固定的模型在損傷側的受力大于未損傷側(圖2)；而可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定的模型的應力分布更接近于完整的骨盆模型(圖3)。

圖2兩枚骶髂螺釘固定的骨盆模型的應力分布

圖3可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定的骨盆模型的應力分布

2.3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1.749 mm，大于可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定模型的1.531 mm。

3討論

不穩定骨盆骨折是一種嚴重的創傷，有較高的致殘率和致死率，選擇合適的治療方法至關重要。骨盆位于人體的中部，是一個環狀結構，具有力學傳導和保護內臟器官的功能。骨盆環的穩定性60%依賴于骨盆后環的穩定。因此，治療不穩定型骨盆骨折首先應該恢復骨盆后環的穩定性和連續性。微創內固定技術是確定的療法。常見的內固定器械包括骶髂螺釘、張力帶接骨板、三角固定裝置以及可調式微創接骨板。2枚骶髂螺釘同時置入第一骶椎是臨床常用的固定技術，被認為是最堅強的內固定方式[4]。然而，骶髂螺釘固定技術需要術者具備豐富的臨床經驗和冗長的學習曲線，醫患雙方也要暴露于大量的輻射當中。張英澤教授模擬骨盆后環骶髂復合體的結構，設計出了可調式微創接骨板，經生物力學試驗證實，其固定骨盆后環的穩定性與2枚骶髂螺釘相似。但是，有文獻報道2枚骶髂螺釘并不能提供最堅強的固定[3]。本課題組提出應用可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定骨盆后環的固定方法，并用有限元法與傳統的2枚骶髂螺釘固定進行比較。

生物力學試驗是骨科常用的驗證手段，但當比較不同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[5]。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。將所建的有限元模型運算后得到的結果與臨床現象進行比較，可以驗證模型的有效性。本研究中，完整骨盆模型的運算結果顯示，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、實驗研究的結果相一致。

骶髂螺釘技術穿透三層骨皮質，達到“中心型”固定的效果。可以恢復一定程度骨盆環的力學傳導，相比之下，微創可調式接骨板聯合單枚骶髂螺釘同時實現了“后方+中心型”的固定方式，可以更好地恢復骨盆后環的穩定性。在本研究中，可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定的模型的應力分布更接近于完整的骨盆模型，其骨折縫隙的分離移位值也小于傳統的2枚骶髂螺釘固定的骨盆骨折模型。

綜上所述，可調式微創接骨板聯合單枚骶髂螺釘固定不穩定骨盆骨折的穩定效果優于傳統的2枚骶髂螺釘的固定方法。

[參考文獻]

[1]Wu T,Chen W,Li X,et al. Biomechanical comparison of three types of internal fixation in a type C zone Ⅱ pelvic fracture model[J]. Int J Clin Exp Med,2015,8(2):1853-1861.

[2]李升，張奇，張英澤，等.應用微創可調式接骨板與張力帶接骨板固定骶骨縱形骨折對骨盆后環應力傳導的影響[J].河北醫科大學學報，2012,33(3):344-345.

[3]Tabaie SA,Bledsoe JG,Moed BR. Biomechanical comparison of standard iliosacral screw fixation to transsacral locked screw fixation in type C zone II pelvic fracture model[J]. J Orthop Trauma,2013,27(9):521-526.

[4]鄭占樂,張曉然,于賢,等.X線引導下雙針定位器置入骶髂螺釘的初步臨床研究[J].河北醫科大學學報,2014,35(7):842-843.

[5]吳濤，崔蘊威，張奇，等.應用2種內固定方法對骨盆后環應力傳導的生物力學比較[J].河北醫科大學學報，2015,36(2):125-128.

(本文編輯：劉斯靜)

[中圖分類號]R681.6

[文獻標志碼]B

[文章編號]1007-3205(2016)03-0344-03

[作者簡介]吳濤(1983- )，男，河北正定人，河北醫科大學第三醫院主治醫師，醫學博士，從事骨盆創傷相關研究。*通訊作者。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[基金項目]國家自然科學基金項目(81271975)；河北省醫學科學研究重點課題(ZL20140290)

[收稿日期]2016-01-20；[修回日期]2016--