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2種內(nèi)固定方式治療不穩(wěn)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(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點實驗室，河北 石家莊 050051)

[關(guān)鍵詞]骨折固定術(shù)；有限元研究；治療結(jié)果

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.03.028

不穩(wěn)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(yī)師面臨的難點之一。生物力學(xué)證實2枚骶髂螺釘與可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定骨盆后環(huán)的效果相似[1-2]，但均不能達(dá)到最堅強固定[3]。本課題組應(yīng)用三維有限元法比較可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘與傳統(tǒng)2枚骶髂螺釘固定骨盆后環(huán)的穩(wěn)定效果。

1資料與方法

1.1完整骨盆模型的構(gòu)建隨機(jī)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(zhì)破壞。應(yīng)用SIEMENS公司的64排螺旋CT機(jī)對志愿者進(jìn)行掃描，掃描平面：第1腰椎至股骨小轉(zhuǎn)子層面(坐骨結(jié)節(jié)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(shè)備拷貝到個人電腦中。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01(Materialise公司，比利時)軟件，利用該軟件的區(qū)域增長功能對圖像進(jìn)行分割、填充，通過三維計算功能構(gòu)建出整個骨盆結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。再將數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 12中建立幾何模型的空間拓?fù)湫畔ⅲ瑯?gòu)造柵格網(wǎng)，最后完成曲面擬合。將實體化的文件導(dǎo)入大型通用有限元分析軟件Abaqus 6.11-1(SIMULIA公司，法國)中進(jìn)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(jìn)行材料屬性的賦值。將骶骨和左右髖骨的名字進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的英文命名，以免在Abaqus中操作“復(fù)制模型”時出現(xiàn)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(biāo)位置是在Mimics中已經(jīng)確定好的，所以在Abaqus中不必重新確定坐標(biāo)，只需要在Abaqus中進(jìn)行裝配命令。骨盆諸骨裝載完成后即需進(jìn)行韌帶的構(gòu)建，根據(jù)各韌帶的解剖位置在實體模型表面選取相應(yīng)的節(jié)點重建韌帶的起止點。本模型中共構(gòu)建了骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶髂關(guān)節(jié)骨間韌帶、骶棘韌帶、骶結(jié)節(jié)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(xiàn)不收斂的幾率，本模型將骶髂關(guān)節(jié)之間和恥骨聯(lián)合之間的連接設(shè)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(jìn)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(shù)值以壓強表示。本研究模擬正常人的體質(zhì)量500 N，根據(jù)公式P=F/S計算得出加載的壓強值。將所得數(shù)值輸入到Abaqus中。完成骶骨面的加載后，需要進(jìn)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(cè)髖臼處進(jìn)行約束，完全固定髖臼。設(shè)置完加載和約束以后，下一步則需要設(shè)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(shè)置完畢，最后進(jìn)行提交JOB工作，對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，全面分析模型的應(yīng)力、移位變化，提交作業(yè)。

1.2骨盆骨折模型及內(nèi)固定器械的制備根據(jù)可調(diào)式微創(chuàng)接骨板和骶髂螺釘?shù)男螤?，采用UG(Siemens PLM Software公司，德國)軟件制備2種內(nèi)固定器械。在不影響有限元分析的前提下，對螺釘模型進(jìn)行簡化，忽略螺紋形態(tài)，將螺釘簡化為圓桿。將完整的骨盆模型經(jīng)過左側(cè)恥骨聯(lián)合和左側(cè)骶孔制備成Tile C型不穩(wěn)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(nèi)固定器械分別進(jìn)行材料屬性的賦值。將相同的韌帶裝配到2種內(nèi)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(shù)值保持一致。設(shè)置完畢后，對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，全面分析固定模型的應(yīng)力及骨折縫隙的分離移位值，提交作業(yè)。

2結(jié)果

2.1完整骨盆模型的應(yīng)力分布在骶骨上表面施加500 N垂直作用力時，模型兩側(cè)的髂骨應(yīng)力分布基本上完全一致。應(yīng)力的傳導(dǎo)經(jīng)兩側(cè)的骶骨翼，通過骶髂關(guān)節(jié)，向斜下方經(jīng)兩側(cè)坐骨大切跡的附近，再經(jīng)兩側(cè)的髂骨弓狀線，最終傳導(dǎo)至雙髖臼(圖1)。模型所受的最大應(yīng)力位于骨盆模型背側(cè)坐骨大切跡的附近。骨盆模型的前環(huán)即恥骨聯(lián)合和恥骨支受力比較小。骨盆模型的主要穩(wěn)定和負(fù)重結(jié)構(gòu)均在骨盆后方，而骨盆前方的結(jié)構(gòu)以支撐作用為主。

圖1完整骨盆模型的應(yīng)力分布

2.2固定模型的應(yīng)力分布2種內(nèi)固定方式固定骨盆模型后，約束雙側(cè)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(fù)一定程度的應(yīng)力傳導(dǎo)。但是，其應(yīng)力分布并非完全對稱，骶髂螺釘固定的模型在損傷側(cè)的受力大于未損傷側(cè)(圖2)；而可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定的模型的應(yīng)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(yīng)力分布

圖3可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定的骨盆模型的應(yīng)力分布

2.3骨折縫隙的分離移位值測量骶骨左側(cè)第四骶孔下緣內(nèi)側(cè)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(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定模型的1.531 mm。

3討論

不穩(wěn)定骨盆骨折是一種嚴(yán)重的創(chuàng)傷，有較高的致殘率和致死率，選擇合適的治療方法至關(guān)重要。骨盆位于人體的中部，是一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，具有力學(xué)傳導(dǎo)和保護(hù)內(nèi)臟器官的功能。骨盆環(huán)的穩(wěn)定性60%依賴于骨盆后環(huán)的穩(wěn)定。因此，治療不穩(wěn)定型骨盆骨折首先應(yīng)該恢復(fù)骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。微創(chuàng)內(nèi)固定技術(shù)是確定的療法。常見的內(nèi)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(diào)式微創(chuàng)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(shù)，被認(rèn)為是最堅強的內(nèi)固定方式[4]。然而，骶髂螺釘固定技術(shù)需要術(shù)者具備豐富的臨床經(jīng)驗和冗長的學(xué)習(xí)曲線，醫(yī)患雙方也要暴露于大量的輻射當(dāng)中。張英澤教授模擬骨盆后環(huán)骶髂復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了可調(diào)式微創(chuàng)接骨板，經(jīng)生物力學(xué)試驗證實，其固定骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性與2枚骶髂螺釘相似。但是，有文獻(xiàn)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(yīng)用可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定骨盆后環(huán)的固定方法，并用有限元法與傳統(tǒng)的2枚骶髂螺釘固定進(jìn)行比較。

生物力學(xué)試驗是骨科常用的驗證手段，但當(dāng)比較不同內(nèi)固定器械對骨盆骨折的固定效果時，標(biāo)本的質(zhì)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(fù)及前續(xù)內(nèi)固定物對后續(xù)內(nèi)固定物的影響，均可影響到最終的試驗結(jié)果[5]。因此，依靠計算機(jī)輔助手段進(jìn)行數(shù)字化模擬生物力學(xué)進(jìn)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(xué)研究領(lǐng)域日益廣泛應(yīng)用的主要原因之一。將所建的有限元模型運算后得到的結(jié)果與臨床現(xiàn)象進(jìn)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(jié)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(jīng)兩側(cè)的骶髂關(guān)節(jié)到兩側(cè)的坐骨大切跡附近，再經(jīng)髂骨的弓狀線到達(dá)雙側(cè)髖臼。此傳導(dǎo)方式與理論知識、實驗研究的結(jié)果相一致。

骶髂螺釘技術(shù)穿透三層骨皮質(zhì)，達(dá)到“中心型”固定的效果?？梢曰謴?fù)一定程度骨盆環(huán)的力學(xué)傳導(dǎo)，相比之下，微創(chuàng)可調(diào)式接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘同時實現(xiàn)了“后方+中心型”的固定方式，可以更好地恢復(fù)骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性。在本研究中，可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定的模型的應(yīng)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(tǒng)的2枚骶髂螺釘固定的骨盆骨折模型。

綜上所述，可調(diào)式微創(chuàng)接骨板聯(lián)合單枚骶髂螺釘固定不穩(wěn)定骨盆骨折的穩(wěn)定效果優(yōu)于傳統(tǒng)的2枚骶髂螺釘?shù)墓潭ǚ椒ā?/p>

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(本文編輯：劉斯靜)

[中圖分類號]R681.6

[文獻(xiàn)標(biāo)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(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士，從事骨盆創(chuàng)傷相關(guān)研究。*通訊作者。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(81271975)；河北省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究重點課題(ZL20140290)

[收稿日期]2016-01-20；[修回日期]2016--