崔蕴威，吴　涛，李　升，陈　伟，邢　欣，张英泽(河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)



·论著·

学研究重点课题(ZL20140290)

三医院工程师，医学硕士，从事骨科三维有限元及3D打印技术相关

研究。

应用有限元法比较3种内固定器械固定不稳定骨盆骨折的效果

崔蕴威，吴涛，李升，陈伟，邢欣，张英泽*(河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

[摘要]目的通过构建完整骨盆的有限元模型，应用有限元法对3种内固定物治疗不稳定型骨盆骨折的疗效进行比较。方法随机选取1名成年健康男性，经CT扫描，层厚1mm，影像资料以医学数字成像和通信格式保存。应用Mimics、Geomagic Studio、SolidWorks、Abaqus等软件建立完整骨盆的三维有限元模型。建立不稳定骨盆骨折的有限元模型，分别置入3种不同的内固定器械，模拟对骶骨施加500 N垂直负荷，计算骨盆模型的最大位移值、应力值、应变值及骶骨骨折断端的缝隙移位值，进行比较。结果在500 N垂直载荷下，应力经骶骨、两侧骶髂关节、髂骨弓状线至双侧髋臼。通过分析结果可知在500 N的载荷下，内固定后的骨盆模型发生应变很小。骨盆模型整体发生的位移依次是骶髂螺钉固定的模型(1.86 mm)、可调式微创接骨板(6.89 mm)、张力带接骨板(9.10 mm)。骨盆模型中骶骨骨折缝隙的分离移位值依次是骶髂螺钉固定的模型(1.75 mm)、可调式微创接骨板(3.00 mm)、张力带接骨板(8.03 mm)。结论完整的骨盆是个稳定的力学结构。三维有限元方法证实2枚骶髂螺钉固定骨盆的稳定性大于可调式微创接骨板固定骨盆的稳定性，更大于张力带接骨板固定骨盆的稳定性。

[关键词]骨盆；骨折；内固定器；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损伤导致，约占成人骨折的3.64%[1]，其中不稳定型骨盆骨折约占68.3%，是一种严重的创伤，文献报道病死率高达19%[2-4]。骨盆为一闭合环状结构，其稳定性主要依靠骨盆后环的完整性[5]。因此，治疗的目的就是最大程度恢复骨盆后环的连续性及稳定性。内固定已经成为治疗骨盆后环损伤的确定性治疗方法[6]，常用的方法包括骶髂螺钉、张力带接骨板、三角固定器械等[7-9]，但它们都具有各自的局限性。我院模仿骨盆后环的结构和力学传导特征研发了可调式微创接骨板(minimally invasive adjustable plate,MIAP),生物力学试验表明其稳定骨盆后环的稳定性与2枚骶髂螺钉相似，优于张力带接骨板[10-13]。有限元法(finite element method,FEM)将一个连续的个体分割为有限个单元，再利用相关的软件对它们进行合成，并研究每一个单元，从而得到与真实个体相似的材料质地、机械性能、结构及物理参数等[14-15]，实现对整体进行力学分析的目的。本研究采用三维有限元分析法模拟不稳定型骨盆骨折及3种内固定物，比较2枚骶髂螺钉、张力带接骨板和可调式微创接骨板固定骨盆后环的稳定性。

1资料与方法

1.1完整骨盆模型的构建选取1名健康男性志愿者(已签署知情同意书)，35岁，体健。X线检查证实骨盆无畸形、肿瘤、骨折等骨质破坏。应用SIEMENS公司的64排螺旋CT机对志愿者进行扫描，扫描平面：第一腰椎至股骨小转子层面(坐骨结节平面以下)，扫描层厚1.00 mm，共获取二维CT图像352层，存储格式为医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)，通过移动存储设备拷贝到个人电脑中。将数据导入Mimics 10.01(Materialise公司，比利时)软件，利用该软件的区域增长功能对图像进行分割、填充，通过三维计算功能构建出整个骨盆结构的三维形态。再将数据以STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio 12中建立几何模型的空间拓扑信息，构造栅格网，最后完成曲面拟合。将实体化的文件导入大型通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1(SIMULIA公司，法国)中进行装载、材料属性的赋值以及加载运算。在Abaqus中将骨盆模型进行材料属性的赋值。本研究中对于骨盆材料的属性赋予是参照相关文献中骨盆材料的属性进行赋值的(表1)。将骶骨和左右髋骨的名称进行标准的英文命名，以免在Abaqus中操作“复制模型”时出现错误，名称改好以后，就可以各个部分的模型放在一起。这里的坐标位置是在Mimics中已经确定好的，所以在Abaqus中不必重新确定坐标，只需要在Abaqus中进行装配命令，就可以将骶骨、耻骨联合和左右髋骨装配到一起。骨盆诸骨装载完成后即需进行韧带的构建，根据各韧带的解剖位置在实体模型表面选取相应的节点重建韧带的起止点。本模型中共构建了骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶髂关节骨间韧带、骶棘韧带、骶结节韧带(图1)。所建韧带均使用弹簧连接单元模拟，韧带设置的具体参数参照文献设定(表2)。为简化操作过程及减少出现不收敛的概率，本模型将骶髂关节之间和耻骨联合之间的连接设置为“耦合”的面与面连接。将韧带与骨面的连接用“耦合”的面与点连接在一起。骨盆约束完毕之后，要进行对骨盆的骶骨面的受力加载，选定骶骨岬的上面为加载面，加载的数值以压强表示。本研究模拟正常人的体质量500 N，根据公式P=F/S计算得出加载的压强值为4.2 N/mm2。把数值输入到Abaqus中。完成骶骨面的加载后，需要进行边界的约束。本研究模拟人体双足站立位时在静载荷作用下骨盆的受力变化，因此需要在双侧髋臼处进行约束，完全固定髋臼。设置完加载和约束以后，下一步则需要设置分析步。由于整体骨盆的有限计算是在静载荷下完成的，因此只需要初始步和“step-1”2个步骤。一切设置完毕，最后进行提交JOB工作，对模型进行数据检查，全面分析模型的应力、应变及位移变化，提交作业。

表1骨和耻骨联合的属性

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

材料弹性模量E(MPa)泊松比(u)髂骨皮质骨170000.3髂骨松质骨1320.2骶骨皮质骨61400.3骶骨松质骨14000.3耻骨联合 50.45

表2各组韧带的强度

Table 2The stiffness coefficient of ligament

材料 刚度系数K(N/mm)骶棘韧带 1400骶结节韧带 1500骶髂前韧带 700骶髂后韧带(长)1000骶髂后韧带(短) 400

1.2骨盆骨折模型及内固定器械的制备根据可调式微创接骨板、骶髂螺钉和张力带接骨板的形状，采用UG(Siemens PLM Software公司，德国)软件制备3种内固定器械。试验在不影响有限元分析的前提下，对螺钉模型进行简化，忽略螺纹形态，将螺钉简化为圆杆。将完整的骨盆模型经过左侧耻骨联合和左侧骶孔制备成Tile C型不稳定骨盆骨折模型。

1.3骨盆骨折模型的装配及有限元分析在Abaqus中把骨盆模型的各个部分及内固定器械分别进行材料属性的赋值。将相同的韧带装配到不同内固定置入的骨盆骨折模型中。将各部件之间的连接方式、约束面、加载面及数值保持一致。设置完毕后，对模型进行数据检查，全面分析模型的整体应力、应变、位移变化，内固定的应力分布以及骨折缝隙的分离移位值，提交作业。

2结果

2.1完整骨盆模型的应力分布在骶骨上表面施加500 N垂直作用力时，模型两侧的髂骨的应力分布基本上完全一致。应力的传导经两侧的骶骨翼，通过骶髂关节，向斜下方经两侧坐骨大切迹的附近，再经两侧的髂骨弓状线，最终传导至双髋臼(图2)。

模型所受的最大应力位于骨盆模型背侧坐骨大切迹的附近。骨盆模型的前环即耻骨联合和耻骨支受力比较小。骨盆模型的主要稳定和负重结构均在骨盆后方，而骨盆前方的结构以支撑作用为主。

2.2完整骨盆模型的应变分布完整模型在施加载荷时的应变均集中在左、右两侧的骶髂关节，且绝对值比较小，最大值为0.007 4；骨盆前方耻骨联合处的应变非常小，可以忽略不计。模型的其他骨性结构无明显应变发生(图3)。

2.3完整骨盆模型的位移分布垂直加载500 N直接作用于骶骨上，发生的位移最大值可达1.099 mm。模型的位移变化以此处为中心，向两侧逐渐扩散的同时也逐渐减小，至两侧髂骨翼附近时位移变化为0(图4)。

2.4固定模型的应力分布情况3种内固定器械固定骨盆模型后，约束双侧髋臼，于骶骨上方施加500 N的垂直作用力，3种模型的应力分布类似完整的骨盆模型。但3种固定后的模型应力分布不是完全相对称的。骶髂螺钉固定的模型在损伤侧的受力大于未损伤侧；而另2组的未损伤侧受力较大。在模型加载500 N的垂直负荷条件下：①骶髂螺钉的最大应力是439.69 MPa，出现在上方螺钉的骶骨骨折处(图5A)；②张力带接骨板的最大应力值是1 836.54 MPa，出现在接骨板的折弯处，靠近钉板结合部位(图5B)；③可调式微创接骨板的最大应力值为1 335.69 Mpa，位于钉板结合部位(图5C)。应力分布见图6。

图1 完整骨盆三维有限元模型Figure1 Threedimensionalfiniteelementmodelofthewholepelvis图2 完整骨盆模型的应力分布Figure2 Streedistributionofthewholepelvicmodel图3 完整骨盆模型的应变分布Figure3 Straindistributionofthewholepelvicmodel图4 完整骨盆模型的位移分布

Figure 4Displacement distribution of the whole pelvic model

图5内固定的应力分布情况

A.2枚骶髂螺钉;B.张力带接骨板;C.可调式微创接骨板

Figure 5The stress nephogram

图6固定模型的应力分布情况

A.2枚骶髂螺钉固定的骨盆模型;B.张力带接骨板固定的骨盆模型;C.可调式微创接骨板固定的骨盆模型

Figure 6The stress nephogram of the pelvic model

2.5固定模型的应变分布情况3种内固定器械固定骨盆模型后，在500 N的载荷下，发生的应变都很小：骶髂螺钉最大应变值是0.02 mm；可调式微创接骨板最大应变值是0.05 mm；张力带接骨板最大应力值是0.09 mm。

2.6固定模型的整体位移分布情况3种内固定器械固定骨盆模型后，模拟正常人的体质量，在骶骨上方加载500 N的负荷，固定双侧髋臼，整体骨盆发生位移变化：骶髂螺钉整体位移值是1.86 mm；可调式微创接骨板最大应变值是6.89 mm；张力带接骨板最大应力值是9.10 mm。

2.7骨折缝隙的分离移位值测量骶骨左侧第四骶孔下缘内侧壁的分离情况，骶髂螺钉固定的模型的骶骨骨折缝隙分离移位值是1.75 mm，大于可调式微创接骨板固定的模型的3.00 mm，更大于张力带接骨板固定的模型的8.03 mm。

3讨论

3.1骨盆的三维有限元模型的建立意义鉴于目前实体标本的来源稀少，且单例的价格非常昂贵，许多有临床指导意义的骨盆生物力学试验不能顺利的进行，或者由于标本的例数较少而无强有力的说服力。当模拟内固定器械对骨盆骨折的固定效果时，标本的质量和来源更是要考虑的主要问题，骨盆破坏操作的不可重复及前续内固定物对后续内固定物的影响，均可影响到最终的试验结果。因此，依靠计算机辅助手段进行数字化模拟生物力学进行测试的方法逐渐成了一种重要的测试手段，这也是三维有限元分析法在骨科生物力学研究领域日益广泛应用的主要原因之一。由于人体骨骼的结构都不均一、形状大都不规则，骨小梁呈现出各向性的特点，难以准确模拟，有限元建模中松质骨与皮质骨之间的界面也与真实的人体骨骼情况存在差异，所以有限元模型与真实骨骼情况并非完全一致。尽管数字化模型存有上述缺陷，但已经可以在一定程度上反映实体标本的力学性能，可以替代实体标本开展一些生物力学试验[16-17]。随着对骨盆解剖结构研究的不断深入，计算机及相关分析软件的不断发展，模型赋值的方式也不断改进，使得骨盆有限元模型的精度有了很大的提高。Phillips等[18]构建了包含韧带和肌肉的完整骨盆的有限元模型，并对加载后的模型进行了分析，发现其更加逼真于正常实体，但与没有肌肉、韧带的骨盆有限元模型相比，无显著的差异。骨盆三维有限元模型的建立和应用，可以更好地测试骨盆及其相关的器械生物力学特性。

3.2验证三维有限元模型的有效性三维有限元分析是目前研究骨盆生物力学的一种重要的工具，应用骨盆有限元分析可对骨盆模型在外力作用下产生的应变、应力及其位移的分布进行分析、评价。相比尸体模型的生物力学试验研究，三维有限元分析具有如下优点：①不受试验样本数量的限制；②试验结果的误差比较小；③试验的重复性比较好。但是，由于建模时选取的原始资料不同，建模的方法不一致，网格划分也不太相同，材料的属性赋值还没有统一的标准等差异，有限元的分析运算结果与传统生物力学相比有误差存在，而且，每一个研究者的分析结果也大不相同。因此，三维建模完成后即需要验证其有效性[19]。三维有限元模型进行有效性验证的方法通常有3种。①骨盆有限元建模时选用扫描一具尸体标本收集CT资料，进行有限元运算及分析，将尸体标本制成同样条件的试验标本，进行生物力学试验；再将两者的结果相对比，以确定有限元模型的有效性；此方法比较严格，结果可靠性最高。但是，由于尸体标本的个体差异较大，因此需要更多的样本量，增加了工作强度和工作量。②查找与本研究相类似的试验，将得出的结果与已发表的结果相对比，得出验证结论；此法的工作量虽然较小，但是由于研究人员选定的试验条件和观察的指标不尽相同，因此这种方法不如上一种方法严格，且已发表的相似文献也比较难找。③就是将三维有限元模型运算后得到的结果与临床现象相印证，虽然此法操作简便，但是其验证效果相比上2种方法较差。本研究运算结果显示在人体位于双足站立位时，上半身的载荷由骶骨上面经两侧的骶髂关节到两侧的坐骨大切迹附近，再经髂骨的弓状线到达双侧髋臼。此传导方式与理论知识、试验研究的结果相一致[20-21]。由此说明，本研究所建立的骨盆三维有限元模型是可靠、有效的，可以利用此模型进行相关的生物力学研究。此外，本模型中施加的垂直载荷为500 N，是模拟一正常人体的体质量值，由应变情况可知，人体的骨盆结构非常稳定，在生理载荷下，骨盆的容积、形态基本上无明显的变化，这有助于保护腔内的重要脏器以及稳定负重。

3.3三维有限元对3种内固定器械固定骨盆后环的比较在本研究中，将完整的骨盆模型制备成经左侧骶骨和耻骨联合骨折的Tile C型不稳定骨盆骨折模型，复位成功后，采用接骨板固定耻骨联合，骨盆后环分别采用2枚骶髂螺钉、张力带接骨板和可调式微创接骨板固定。固定模型的应变分布显示骨盆模型在500 N的载荷下发生的形变也很小，足以起到保护内脏器官的功能。

3.3.1骶髂螺钉固定技术2枚骶髂螺钉同时置入骶1椎体固定骨盆后环被认为是最坚强的固定方式[22]。有学者通过生物力学试验证实应用2枚骶髂螺钉比1枚骶髂螺钉更加稳定[23-24]。骶髂螺钉固定骨盆环属于“两点”固定，螺钉经过三层皮质骨进入骶1椎体内，可提供稳定的固定[25-26]。Yinger等[24]、Padalkar等[27]通过生物力学试验证实，2枚骶髂螺钉固定骨盆后环的稳定性明显优于使用张力带接骨板。与本模型显示的结果一致。

3.3.2可调式微创接骨板固定技术可调式微创接骨板根据骨盆后环解剖结构设计，模拟骶髂复合体的“吊桥”结构，使用时无需预弯，可以更好地贴附骶髂关节后侧，通过长纹螺钉固定于两侧髂骨和骶骨内，并可通过调节连杆的长度对骨折断端进行加压或分离，以实现骨盆后环的稳定。

3.3.3张力带接骨板固定技术张力带接骨板虽可有效地稳定骨盆后环骨折，但由于使用时需要预弯接骨板使其适应骨盆后环结构，从而降低了钢板的强度，甚至损坏其螺纹结构[28]。此外，与骶髂螺钉和可调式微创接骨板同时固定骶骨和髂骨相比，张力带接骨板仅通过固定两侧的髂骨来稳定骨盆后环，因此，张力带接骨板在整体模型的位移值和骨折缝隙的分离移位值方面均明显差于骶髂螺钉和可调式微创接骨板固定的模型。

3.4本研究的特点及存在的问题本研究将成年志愿者的CT影像资料、三维重建软件Mimics 10.01、三维图像后处理软件Geomagic Studio 12、大型三维实体化软件SolidWorks 2014及大型通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1序贯结合起来，模拟Tile C型不稳定骨盆骨折模型并置入3种不同的内固定物后，加载500 N的垂直作用力并进行运算、分析，取得了与试验生物力学相一致的结果，进而证实了模型的有效性，可以继续开展相关的研究。

但是，由于本研究涉及了计算机技术、数学、三维有限元分析、影像学等众多内容，并受研究者个人的理论知识层面、经验水平及试验条件等因素的影响，本研究还存在一些问题，需进一步改善。①本研究没有加载肌肉及腰椎、股骨结构，且接触的层面之间仅进行了简单的连接，与真实情况存在一定的差异。②骨是一种非均质、异向性的结构，目前还不能通过数学的方法将此结构精确地表达出来，故所建模型的精度也不可避免地有所降低。

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(本文编辑：刘斯静)

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

[中图分类号]R311

[文献标志码]A

[文章编号]1007-3205(2016)02-0137-06

通讯作者*。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[作者简介]崔蕴威(1986- )，男，河北保定人，河北医科大学第

[基金项目]国家自然科学 (81271975)；河北省医学科

[收稿日期]2015-12-14；[修回日期]2016-01-05