有限元方法在骨盆后環骨折生物力學研究中的應用

秦振書，王朝暉，羅 永，唐艷平，曾敏川，何 帥

骨盆后環是維持骨盆穩定性的主要結構，尤其骶髂關節對整個身體的運動質量起決定性作用[1]。骨盆空間結構構造復雜、個體差異大、損傷機制各不相同，給疾病診斷及手術修復帶來較大困難，因此研究骨盆后環生物力學是確診和治療骨盆骨折的關鍵。二維圖像如X線片及CT影像不夠全面，僅憑借臨床醫生的經驗進行診斷，具有一定的主觀性和差異性。目前三維有限元方法提供了一條良好的手段，特別是三維有限元與快速成型技術相結合，不僅能夠為復雜性骨折及畸形矯正的治療提供前瞻性手術設計，而且還可以為骨折復位效果提供評估方案，同時也可以避免傳統的生物力學研究方法所需器械復雜、耗材昂貴、樣本來源受限的缺點，利于更快、更深入地開展骨科臨床實踐及相關學科研究。因此，本文通過三維有限元與快速成型技術的應用對骨盆后環骨折生物力學方面的研究作一綜述。

骨盆骨折發生率逐年增高，約占全部骨創傷的3%，常由高能量暴力引起[2]。骨盆骨折致死率可達30%，致殘率達50%～60%[3]。骨盆環主要由前環和后環組成，在骨盆的穩定性作用中前環約占40%，后環約占60%[4]，因此骨盆的穩定性主要依靠骨盆后環的完整性。骶髂關節是骨盆后環的重要解剖結構，對支撐人體負載起重要作用。如果骶髂關節骨折脫位不能正確治療很可能遺留疼痛、畸形，導致殘疾、功能障礙等[5]。當前，很多學者主張盡早內固定手術是治療骶髂關節損傷的關鍵，不僅可以有效恢復骨盆環穩定性，還可以極大地改善骨折預后，越來越廣泛地引起關注。

1 骨盆后環解剖特征

骨盆環狀結構的穩定性主要由骨結構和強健的韌帶起作用，二者缺一不可。骨盆環的前方由恥骨聯合連接，后方由左右骶髂關節連接，骶髂關節是由兩塊髂骨耳狀面、骶骨骨性結構及骶結節韌帶和骶棘韌帶連接，尤其是骶髂關節前后韌帶復合結構是骨盆環穩定性的重要組成部分。Pieroh等[6]甚至認為骨盆的穩定性只需固定骨盆后環即可，前環可以不用固定。目前對骨盆后環解剖的研究還在進一步深入當中。

2 骨盆后環有限元模型的建立及其生物力學分析

2.1 有限元的發展

2.1.1有限元法的基本原理與優點 有限元法(finite element method,FEM)將空間中的物體通過相關軟件轉換成有限個節點的三維模型，再研究指定的節點，進一步通過對研究的物體進行材料賦值，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，實現對整體或者局部的應力分析。總之，任何物體理論上都可以被分解成許多有限個三角面片構成的區域，這些小區域被稱為有限元素。通過有限元法研究骨科生物力學不僅可以避免尸體標本難找、重復性差，而且具有成本低、高信度、重復性強與分析全面等優點。

2.1.2骨盆有限元模型的發展史 1943年Courant最早提出有限元素法的概念，Brekelmans 等[7]首次將有限元素法應用于骨科生物力學研究討論股骨內部應力分布，標志著有限元法在骨科生物力學研究中正式拉開序幕。1982年Vasu等[8]建立了早期的骨盆有限元二維模型，這些模型難以模擬骨盆的各種應力機制，也不能直觀地模擬處于不同平面骨盆復雜的三維結構。盡管1991年Harrigan和Harris[9]建立了骨盆的三維有限元模型，但這些骨盆模型的幾何參數過于簡單化，缺乏試驗數據支持。近年來有限元方法技術日益成熟，在人工關節、關節及其軟骨研究、脊柱、創傷骨科等方面廣泛應用。

2.1.3骨盆后環骨折分型 Pennal等[10]結合骨盆完整性、穩定性及暴力方向，提出了一種骨盆力學分型系統。A型：骨盆環損傷有裂隙和撕脫骨折，但骨盆環仍具有穩定性；B型：骨盆環的損傷主要在垂直方向穩定而旋轉不穩定，骨盆后環保持完整，但可合并髖部不穩定；C型：骨盆環旋轉和垂直方向均不穩定，骨盆后環結構完全損傷，前環出現一處或多處骨折。骨盆后方最重要的結構是骶骨，影響著后環的穩定性，骶骨骨折最常見的損傷是后方的直接暴力所致。Denis等[11]根據解剖部位將骶骨骨折分為3種類型。DenisⅠ型：骶骨翼區域骨折；DenisⅡ型：骶骨孔骨折，骨折線通過骶骨孔，未累及骶管，神經損傷約占30%，常累及L5、S1或S2神經根，臨床表現以坐骨神經癥狀為主，少數患者可出現膀胱、肛門括約肌功能異常、會陰部感覺異常及性功能障礙；DenisⅢ型：主要為骶管區骨折，累及骶管，神經損傷約占56.7%，可導致會陰部感覺異常、膀胱括約肌功能異常及性功能障礙，也稱跳躍者骨折。

2.1.4骨盆骨折有限元分析 Krishnan等[12]通過計算機模擬“開書型”骨盆骨折并進行有限元分析，實驗結果顯示: 骶髂關節復合韌帶在骨盆垂直和水平載荷的傳遞中起了重要作用，因此骨盆后環損傷可以通過有限元分析法模擬其不穩定性。Garc?等[13]通過有限元法比較不同骨盆骨折內固定后的應力分析，證實不同內固定對骨盆骨折的穩定性都有一定效果。Zhang 等[14]將髖臼骨折植入螺釘區域分為“安全區”、“相對危險區”、“絕對危險區”，通過有限元軟件建模研究分析，認為在“絕對危險區”植入螺釘風險較大，“相對危險區”植釘根據骨折類型和每位患者股骨解剖而定。Whitlow等[15]最早通過模擬骶骨骨折進行有限元分析，結果顯示，當模擬骶骨骨折時，骨折線增加時最大主應力降低83%，骨折面之間的應力降低48%。

2.2 骨盆后環生物力學分析

2.2.1骨盆后環應力分析 Fan等[16]通過有限元法建立骨盆模型，從有效強度水平、壓力分布、力轉移三個方面分別進行骨盆前柱骨折內固定系統的生物力學分析，發現所有不同的固定系統均可以達到滿意效果。李正東等[17]也通過有限元法模擬完整骨盆結構(包括關節軟骨及韌帶)基本力學，并在模擬骨盆骨折模型上施加載荷后采集位移、應變和應力等相關數據，與之前大部分骨盆有限元模型不同的是將韌帶和關節盤的影響考慮在內，通過數據分析得出骨盆穩定性取決于韌帶的完整性，特別是骨盆后方韌帶復合結構[18]。因此通過有限元法對建立的正常骨盆及模擬骨盆骨折的模型進行生物力學分析，有助于分析骨盆損傷機制和指導臨床應用。此外，通過有限元法模擬人體正常骨盆結構，施加具有現實意義的載荷，還可以分析其內部的應力和應變，得到人體骨盆結構靜態和動態響應的微觀信息[19]。

2.2.2骨盆后環骨折并發癥的預測 骶神經損傷常由骨盆后環骨折引起，特別是骶骨骨折是最常見的并發癥。螺旋CT能很好地顯示骨盆后環骨折部位，但CT檢查無法區分后環神經與軟組織，這就使臨床醫生很容易漏診骶神經及周圍軟組織的損傷。對于合并神經損傷的骨盆骨折治療方式很多，學者意見不一致。若需手術治療，主要治療方式為復位骨折塊、堅強固定，減少因骨折塊壓迫導致的骶神經損傷。Zelle等[20]指出對于合并神經損傷的患者，早期手術可促進神經功能的恢復。研究還發現，當骶髂關節每分離1cm時，真骨盆容量增加約3.1%，但是骶髂關節分離3cm并伴恥骨聯合分離10cm時，真骨盆容量增加約55%[21]；因此當骨盆環受暴力損傷時骨盆大量出血可引起骨盆容量變化，繼而引起血流動力學不穩定，進一步導致脂肪栓塞、凝血功能障礙等。

2.2.3骨盆后環損傷手術入路的研究進展 對不穩定性骨盆后環骨折，一旦失去生物力學穩定性，且合并有神經損傷一般要手術治療。手術治療的目的是恢復骨折的穩定性，促進神經功能的恢復[22]。骨盆后環骨折傳統治療方式往往是切開復位內固定，但是術前主要靠骨科醫生憑借X線、CT、MRI等影像學資料進行手術方案的設計，術中依靠醫生的臨床經驗與術者操作熟練程度決定手術的成敗，由于手術時間長、出血量大，術后患者康復周期很長。通過引入三維重建技術有利于手術治療骨盆后環骨折。Stockle 等[23]認為3D導航不僅能夠為術者提供全方位的觀察角度，而且還可以幫助術者設計出更為安全的手術方案，明顯提高骶髂螺釘置入的精確度和安全性，也可以大大降低術中血管、神經損傷的風險。目前通過3D打印技術制作出1∶1骨盆實體模型，醫生可以術前進行模擬手術以及制定更為細致的手術規劃。因此通過3D打印技術骨科醫生可以優化設計手術方案，實現手術的精確化、個性化。

3 結語

三維有限元分析在骨科的應用已經充分地滲透到正常骨骼的力學分布、骨折發生的力學機制、骨折內固定的力學比較等方面，功能越來越強大。但是三維重建與快速成型技術仍有不足之處，3D打印技術規范與評估不夠完善，三維重建模型是否能長期高強度使用，以及該技術所涉及到的知識產權、人類倫理、危險品處理等問題仍待解決。但是有理由相信，在骨科領域中，個體化治療是未來醫學發展的方向，也是每一個骨科醫生解決骨盆骨折的最佳方案。