吳海洋，邵啟鵬，蔡賢華,尚冉冉，宋成璟，劉曦明

(1.中國(guó)人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，湖北省骨創(chuàng)傷救治臨床醫(yī)學(xué)研究中心，武漢 430070， 2.南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院研究生院，廣州 510515)

髖臼雙柱骨折是Letoumel-Judet髖臼骨折分類中較為常見(jiàn)的類型之一，其特點(diǎn)是髖臼關(guān)節(jié)面與骨盆中軸失去正常聯(lián)系，骨折線累及到髖臼前柱、后柱及方形區(qū)[1]。中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院采用自主設(shè)計(jì)的動(dòng)力化前路方形區(qū)鈦板螺釘系統(tǒng)(DAPSQ)治療此類復(fù)雜髖臼骨折獲得滿意的臨床療效[2]。既往多項(xiàng)生物力學(xué)研究也顯示出第一代DAPSQ在固定復(fù)雜髖臼骨折的優(yōu)越性[3-5]。然而，第一代DAPSQ是在傳統(tǒng)重建鈦板的基礎(chǔ)上進(jìn)行的巧妙塑形，由于鈦板塑形時(shí)術(shù)者需要考慮DAPSQ各分區(qū)長(zhǎng)度、比例、扭轉(zhuǎn)角度等一系列問(wèn)題，常使初學(xué)者難以理解DAPSQ塑形的關(guān)鍵和巧妙之處，致使術(shù)中耗時(shí)和出血量增加。針對(duì)上述問(wèn)題，課題組在第一代基礎(chǔ)上改良設(shè)計(jì)出第二代新型DAPSQ。但目前關(guān)于第二代新型DAPSQ的生物力學(xué)特點(diǎn)仍不明確，且在臨床實(shí)際實(shí)踐中，方形區(qū)螺釘多采用3或4枚，特殊情況下也使用過(guò)2枚，故有關(guān)方形區(qū)螺釘最佳置入數(shù)量也存在一定爭(zhēng)議。本研究旨在通過(guò)三維有限元分析方法，分析該新型DAPSQ的生物力學(xué)特點(diǎn)，并試圖尋找出方形區(qū)最佳置釘策略，以期為該內(nèi)固定系統(tǒng)的臨床應(yīng)用和推廣提供更多生物力學(xué)參考。

材料與方法

1 材料及軟件

1例28歲健康成年男性志愿者，影像學(xué)檢查排除先天畸形、骨折和腫瘤等病理改變。螺旋CT檢測(cè)儀(Biograph 16 HR型,德國(guó)西門子公司)；Mimics 19.0軟件(比利時(shí)Materialise公司)；Geomagic studio 12.0軟件(美國(guó)Geomagic公司)；UG NX 9.0軟件(德國(guó)Siemens公司)；ANSYS17.0軟件(美國(guó)ANSYS公司)。

2 方法

2.1建立左側(cè)髖臼高位雙柱骨折模型 采用螺旋CT機(jī)對(duì)志愿者進(jìn)行層厚1mm平掃，掃描范圍包括骶骨、雙側(cè)骨盆及股骨上段。將數(shù)據(jù)以DCOM格式導(dǎo)入至Mimics軟件中進(jìn)行骨塊提取并生成完整的骨盆CT三維模型(STL格式)。STL文件進(jìn)一步導(dǎo)入到Geomagic軟件中進(jìn)行去噪、平滑及精確曲面等修飾處理。隨后在UG軟件中進(jìn)行布爾運(yùn)算得到骶骨、雙側(cè)髖骨皮質(zhì)骨模型，并采用曲面增厚的命令模擬骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合軟骨。將上述骨盆裝配模型導(dǎo)入ANSYS17.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照骨盆內(nèi)關(guān)鍵韌帶的解剖起止點(diǎn)，采用既往研究中“彈簧單元”的方法依次重建腹股溝韌帶、骶棘韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶、骶髂韌帶等[6]。參考既往課題組高位雙柱骨折模型確定截骨骨折線，一條自髂骨翼前中1/3至坐骨大切跡，另一條起自坐骨大切跡，平行于弓狀線下緣至閉孔內(nèi)緣[4-5]。設(shè)定骨折塊之間處于完全斷裂狀態(tài)，骨塊之間設(shè)定摩擦系數(shù)為0.4。

2.2建立新型DAPSQ不同方形區(qū)螺釘固定方式的有限元模型 根據(jù)第二代DAPSQ鈦板的實(shí)物模型，在UG軟件中建立DAPSQ鈦板三維幾何圖形。鈦板及所用螺釘(3.5mm，皮質(zhì)骨螺釘)參數(shù)均由常州華森器械有限公司提供。構(gòu)建的DAPSQ鈦板總螺釘孔為15孔，其中恥骨區(qū)、方形區(qū)和髂骨區(qū)鈦板置釘孔數(shù)分別為6、4和5孔。材料屬性均模擬標(biāo)準(zhǔn)鈦合金材料(Ti-6Al-7Nb)，其彈性模量為110gPa，泊松比為0.3[7]。DAPSQ置釘順序按照既往研究描述方法進(jìn)行[2-3]，根據(jù)方形區(qū)螺釘數(shù)目建立4種內(nèi)固定模型(圖1)：A組：?jiǎn)畏叫螀^(qū)螺釘，方形區(qū)僅置入1枚螺釘且位于靠近坐骨大切跡處；B組：雙方形區(qū)螺釘組，在A組的基礎(chǔ)上增加1枚遠(yuǎn)端方形區(qū)螺釘；C組：三方形區(qū)螺釘組，在B組的基礎(chǔ)上再于方形區(qū)中間添加1枚螺釘；D組：四方形區(qū)螺釘組，方形區(qū)均勻置入4枚螺釘。另外，髂骨翼骨折均采用5孔重建鈦板及螺釘固定。

3 載荷及邊界條件

上述4種固定方式均分別在以下4種工況進(jìn)行運(yùn)算：(1)模擬坐位骨盆：以第一骶骨椎體上終板正中央為剛性平面，予以加載600N垂直該平面的坐位重力(圖1b)。在坐骨結(jié)節(jié)處施加6個(gè)自由度完全固定約束，股骨予以抑制。(2)模擬站位骨盆：加載條件與坐位骨盆相同，但對(duì)雙側(cè)股骨遠(yuǎn)端施加6個(gè)自由度完全固定約束，盡可能接近生理狀態(tài)。(3)模擬骨盆向健側(cè)旋轉(zhuǎn)：模擬站位加載條件完成后，繼續(xù)使骨盆向右側(cè)旋轉(zhuǎn)，扭矩為8N/m。(4)模擬骨盆向患側(cè)旋轉(zhuǎn)：模擬站位加載條件完成后，繼續(xù)使骨盆向左側(cè)旋轉(zhuǎn)，扭矩為8N/m。假設(shè)條件：實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)特性為各向同性、均質(zhì)且連續(xù)，受力時(shí)忽略材料變形。

4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)取髖臼內(nèi)側(cè)壁對(duì)應(yīng)方形區(qū)骨折線上的各節(jié)點(diǎn)組成骨折線路徑，測(cè)量該路徑中固定10個(gè)節(jié)點(diǎn)的橫向位移；(2)觀察并分析鈦板及螺釘應(yīng)力分布數(shù)據(jù)、應(yīng)力云圖和位移云圖。

5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1 模型有效性驗(yàn)證

有限元模型建立后首先進(jìn)行解剖標(biāo)記點(diǎn)距離和生物力學(xué)傳導(dǎo)的有效性驗(yàn)證。分別測(cè)量經(jīng)修飾后的骨盆有限元模型和Mimics軟件重建出的CT三維模型9個(gè)重要解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)距離(圖2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種骨盆模型解剖標(biāo)記點(diǎn)距離差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表1。模擬正常骨盆坐位時(shí)，600N生理載荷下應(yīng)力主要傳導(dǎo)為骶骨終板面→雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)→坐骨大切跡/弓狀線→髖臼后柱/恥骨聯(lián)合。骨盆的整體形變是以骶骨為中心，向兩側(cè)呈波浪式減弱，左、右側(cè)基本對(duì)稱，與既往文獻(xiàn)報(bào)道一致[8]。

2 位移分布比較

在模擬站位、坐位、健側(cè)旋轉(zhuǎn)和患側(cè)旋轉(zhuǎn)4種工況下，對(duì)于髖臼內(nèi)側(cè)面對(duì)應(yīng)方形區(qū)骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)平均位移均表現(xiàn)為A組>B組>C組>D組。其中坐位時(shí)，D組位移顯著低于A組和B組(P<0.05)，但與C組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。而在站位、健側(cè)旋轉(zhuǎn)和患側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，組間位移比較均表現(xiàn)為，C組和D組位移均顯著低于A組和B組(P<0.05)，但C組和D組位移比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。

圖2 CT三維重建模型。a.與有限元模型;b.解剖參數(shù)比較

表1 有限元模型與CT三維重建模型的解剖參數(shù)比較(mm)

表2 不同內(nèi)固定方式下方形區(qū)骨折線上各節(jié)點(diǎn)位移均值比較

3 內(nèi)固定應(yīng)力分析

在站位時(shí)，不同方形區(qū)螺釘組內(nèi)固定最大應(yīng)力比較表現(xiàn)為A組>C組>B組>D組，其中A組和D組最大應(yīng)力分別為99.13mPa和93.84mPa；坐位時(shí)，最大應(yīng)力比較表現(xiàn)為A組>D組>C組>B組，其中A組和B組最大應(yīng)力為162.98mPa和141.86mPa；健側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，最大應(yīng)力比較表現(xiàn)為C組>B組>D組>A組，其中C組和A組最大應(yīng)力為70.55mPa和68.33mPa；患側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，最大應(yīng)力比較表現(xiàn)為A組>B組>C組>D組，其中A組和D組最大應(yīng)力為133.76mPa和118.21mPa。四組固定模型在站位垂直載荷加載后繼續(xù)向健側(cè)旋轉(zhuǎn)均表現(xiàn)為最大應(yīng)力值減小的趨勢(shì)，而向患側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)均表現(xiàn)為最大應(yīng)力值增加趨勢(shì)，且最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于鈦質(zhì)材料的屈服強(qiáng)度(圖3)。

圖3 新型DAPSQ單方形區(qū)螺釘組站位(a)站位+患側(cè)旋轉(zhuǎn)(b)和站位+健側(cè)旋轉(zhuǎn)(c)時(shí)內(nèi)固定應(yīng)力分布圖

方形區(qū)完全置入4枚螺釘后，在站位和坐位工況下分析新型DAPSQ在固定高位雙柱骨折后應(yīng)力分布特點(diǎn)(圖4)，結(jié)果顯示新型DAPSQ應(yīng)力主要集中在靠近坐骨大切跡的鈦板螺釘結(jié)合處且靠近骨盆內(nèi)側(cè)。在4枚方形區(qū)螺釘中，以近端第1枚方形區(qū)螺釘承擔(dān)應(yīng)力最大，方形區(qū)螺釘在跨骨折線處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

圖4 新型DAPSQ四方形區(qū)螺釘固定髖臼雙柱骨折應(yīng)力分布圖(a.站位，c.坐位)和位移云圖(b.站位，d.坐位)

討 論

髖臼高位雙柱骨折常常累及髖臼內(nèi)側(cè)面的重要解剖結(jié)構(gòu)即方形區(qū)，方形區(qū)解剖位置深在，且較為薄弱[9]。前期采用數(shù)字化軟件測(cè)量得出方形區(qū)存在厚度<5mm的不可置釘區(qū)域，有學(xué)者測(cè)量發(fā)現(xiàn)該區(qū)最薄厚度僅(2.35±1.13)mm，若在此區(qū)強(qiáng)行置入螺釘時(shí)存在較高的誤入關(guān)節(jié)腔的風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。2005年以來(lái)，筆者科室采用前路特殊塑形重建鈦板加方形區(qū)動(dòng)力加壓螺釘?shù)姆椒ü潭◤?fù)雜髖臼骨折，獲得滿意的治療效果[2]。

第一代DAPSQ是采用重建鈦板進(jìn)行臨時(shí)塑形的方法，鈦板塑形過(guò)程中各分區(qū)比例、扭轉(zhuǎn)角度的設(shè)置依賴于術(shù)者經(jīng)驗(yàn)，難以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)這種術(shù)中臨時(shí)塑形操作也顯著增加手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量。為了解決上述問(wèn)題，課題組在第一代DAPSQ的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)根據(jù)DAPSQ在骨盆中的擺放軌跡進(jìn)行解剖學(xué)測(cè)量和分區(qū)，主要?jiǎng)澐譃閻u骨區(qū)、方形區(qū)和髂骨區(qū)三個(gè)部分[9]。按照上述三區(qū)的解剖長(zhǎng)度和分區(qū)比例設(shè)計(jì)不同型號(hào)的鈦板，故新型DAPSQ與第一代相比鈦板分區(qū)比例更為合理化和標(biāo)準(zhǔn)化。恥骨區(qū)和髂骨區(qū)鈦板長(zhǎng)度與第一代相比有所延長(zhǎng)，可在一定程度上增加對(duì)方形區(qū)螺釘?shù)呐まD(zhuǎn)力臂。(2)新型DAPSQ由傳統(tǒng)重建鈦板改變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化鈦板，鈦板在加工成型時(shí)恥骨區(qū)和髂骨區(qū)扭轉(zhuǎn)角度固定，這種預(yù)應(yīng)力設(shè)置減少鈦板在術(shù)中反復(fù)塑形過(guò)程中產(chǎn)生的彈性強(qiáng)度丟失，術(shù)中選用更為方便。(3)方形區(qū)螺釘孔數(shù)目設(shè)置更為合理，方形區(qū)可置釘螺孔由傳統(tǒng)的3孔為主增加至4孔，可根據(jù)術(shù)中骨折線情況合理置釘。同時(shí)方形區(qū)螺釘孔旁也增加了輔助置釘孔設(shè)計(jì)，使最后一枚方形區(qū)螺釘置入更為便捷。新型DAPSQ已從2016年起進(jìn)入筆者科室臨床使用，但關(guān)于其生物力學(xué)特點(diǎn)目前尚不清楚，且有關(guān)方形區(qū)螺釘置入數(shù)量仍存在一定爭(zhēng)議。為此課題組再一次采用有限元分析法對(duì)新型DAPSQ固定髖臼高位雙柱骨折進(jìn)行力學(xué)性能研究。有效性驗(yàn)證結(jié)果顯示，本研究建成的全骨盆模型解剖參數(shù)和力學(xué)傳導(dǎo)均與既往相關(guān)研究相符[7]，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)要求。

本研究構(gòu)建高位雙柱骨折有限元模型，并采用不同方形區(qū)螺釘數(shù)目的新型DAPSQ進(jìn)行固定。在模擬人體站位、坐位和旋轉(zhuǎn)位的狀態(tài)下分別加載垂直生理應(yīng)力和扭矩力，結(jié)果表明，4種加載方式下方形區(qū)骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)位移均數(shù)均表現(xiàn)為A組>B組>C組>D組。且在坐位時(shí)，D組與A組、B組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與C組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在站位、健側(cè)旋轉(zhuǎn)和患側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，D組與A組、B組，C組與A組、B組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，C組與D組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這說(shuō)明對(duì)于新型DAPSQ來(lái)說(shuō)，方形區(qū)螺釘置入至少應(yīng)保持在3～4枚方可達(dá)到最佳生物力學(xué)穩(wěn)定性。課題組分析原因認(rèn)為，在方形區(qū)行單枚螺釘固定時(shí)，僅形成了對(duì)后柱骨塊的線性固定，抵抗后柱骨折塊旋轉(zhuǎn)的作用較弱。而雙螺釘固定雖然能夠初步形成面固定，但由于方形區(qū)表面為特殊弧形曲面，雙螺釘僅能初步形成直平面，只有保持方形區(qū)螺釘在3枚以上時(shí)，才能保證螺釘形成比較合理的弧形曲面固定。

與第一代DAPSQ有限元研究方法不同，本研究增加了對(duì)DAPSQ旋轉(zhuǎn)位的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模型行DAPSQ固定后向患側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)，方形區(qū)骨折線平均位移和內(nèi)固定最大應(yīng)力值均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，反之向健側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。課題組分析認(rèn)為，在模擬向患側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)，骨盆承受更多向左扭轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。而該扭轉(zhuǎn)應(yīng)力方向剛好與方形區(qū)螺釘擰入方向相反，可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致螺釘跨骨折線處應(yīng)力更加集中，螺釘松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)增加，而向健側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)則與之相反。該結(jié)果與臨床實(shí)際情況相符，臨床實(shí)踐中在患者內(nèi)固定術(shù)后需要進(jìn)行翻身時(shí)，筆者也建議多向健側(cè)翻身，盡量避免向患側(cè)翻身。朱李梅等[12]通過(guò)對(duì)四種內(nèi)固定方式在旋轉(zhuǎn)位的生物力學(xué)研究也得出類似的觀點(diǎn)，其認(rèn)為不論前路還是后路的固定方式，術(shù)后患者均應(yīng)盡可能避免與螺釘擰入方向相反的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以減少對(duì)內(nèi)固定物的應(yīng)力刺激。

此外，課題組以600N生理載荷下，模擬人體站位和坐位分析新型DAPSQ方形區(qū)完全置釘后在固定高位雙柱骨折后應(yīng)力分布特點(diǎn)，結(jié)果顯示髖臼周圍無(wú)明顯應(yīng)力集中點(diǎn)，骨盆應(yīng)力傳導(dǎo)方式基本與正常骨盆力學(xué)傳導(dǎo)相符。新型DAPSQ應(yīng)力主要集中在靠近坐骨大切跡的鈦板螺釘結(jié)合處且靠近骨盆內(nèi)側(cè)，提示該處容易出現(xiàn)疲勞性斷裂，但最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于鈦質(zhì)材料的屈服強(qiáng)度。在4枚方形區(qū)螺釘中，以近端第1枚方形區(qū)螺釘承擔(dān)應(yīng)力最大，表明該螺釘固定的重要性，與第一代DAPSQ站位應(yīng)力分析結(jié)果相符，這也是本實(shí)驗(yàn)在設(shè)置排釘分布的不同組別時(shí)，以該處螺釘為基準(zhǔn)，由遠(yuǎn)及近進(jìn)行依次增加螺釘固定的原因。此外，方形區(qū)螺釘在跨骨折線處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，內(nèi)側(cè)面主要承受壓力，外側(cè)面主要承受張力，提示方形區(qū)螺釘有以方形區(qū)骨折線為中心，向骨盆內(nèi)折彎的趨勢(shì)。說(shuō)明方形區(qū)螺釘能夠阻擋后柱骨塊內(nèi)移，起到了抗水平剪切力的作用。

本研究局限性是未對(duì)各種方形區(qū)排釘分布進(jìn)行詳細(xì)研究，如三方形區(qū)螺釘組理論應(yīng)有4種排列方式，僅納入其中1種置釘方式。未來(lái)課題組將進(jìn)一步研究方形區(qū)螺釘多種排釘組合，從而篩選三或四方形區(qū)螺釘最佳排釘方法。另外本研究采用的骨盆有限元模型也進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，無(wú)法模擬出髖臼周圍軟組織及髖關(guān)節(jié)囊等組織結(jié)構(gòu)。尸體模型研究仍是生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的最佳模型[13]，目前課題組正在進(jìn)一步采用完整骨盆尸體模型進(jìn)行新型DAPSQ生物力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)比研究，相關(guān)結(jié)果有待進(jìn)一步公布。

本研究結(jié)果表明，新型DAPSQ在固定髖臼高位雙柱骨折的生物力學(xué)性能可靠，患者早期行坐位、站位及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)并不影響內(nèi)固定穩(wěn)定性。但值得注意的是，術(shù)后應(yīng)盡量避免向患側(cè)扭轉(zhuǎn)或翻身，以減少DAPSQ方形區(qū)螺釘?shù)乃蓜?dòng)或斷裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，筆者推薦在方形區(qū)應(yīng)至少置入3或4枚螺釘進(jìn)行固定，且在條件允許情況下靠近坐骨大切跡的方形區(qū)螺釘應(yīng)常規(guī)置入，以增強(qiáng)對(duì)后柱骨折塊的有效固定。