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2种内固定方式治疗不稳定骨盆骨折的有限元研究

吴涛，崔蕴威，吕红芝，程晓东，杨光，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)

[关键词]骨折固定术；有限元研究；治疗结果

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.03.028

不稳定骨盆骨折多由高能量损伤所致，选择适合的固定方法是骨科医师面临的难点之一。生物力学证实2枚骶髂螺钉与可调式微创接骨板固定骨盆后环的效果相似[1-2]，但均不能达到最坚强固定[3]。本课题组应用三维有限元法比较可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉与传统2枚骶髂螺钉固定骨盆后环的稳定效果。

1资料与方法

1.1完整骨盆模型的构建随机选取1例健康男性志愿者(已签署知情同意书)，35岁，体健。X线片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1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中对骨盆模型进行材料属性的赋值。将骶骨和左右髋骨的名字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，名字确定后，就可以将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。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。所建韧带均使用弹簧连接单元模拟。为简化操作过程及减少出现不收敛的几率，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。将所得数值输入到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的骨盆受力变化，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、移位变化，提交作业。

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和骶髂螺钉的形状，采用UG(Siemens PLM Software公司，德国)软件制备2种内固定器械。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中将骨盆模型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2种内固定方式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，全面分析固定模型的应力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1)。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。

图1完整骨盆模型的应力分布

2.2固定模型的应力分布2种内固定方式固定骨盆模型后，约束双侧髋臼，于骶骨上方施加500 N垂直作用力，2种固定方式的模型均能恢复一定程度的应力传导。但是，其应力分布并非完全对称，骶髂螺钉固定的模型在损伤侧的受力大于未损伤侧(图2)；而可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的模型的应力分布更接近于完整的骨盆模型(图3)。

图2两枚骶髂螺钉固定的骨盆模型的应力分布

图3可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的骨盆模型的应力分布

2.3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1.749 mm，大于可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定模型的1.531 mm。

3讨论

不稳定骨盆骨折是一种严重的创伤，有较高的致残率和致死率，选择合适的治疗方法至关重要。骨盆位于人体的中部，是一个环状结构，具有力学传导和保护内脏器官的功能。骨盆环的稳定性60%依赖于骨盆后环的稳定。因此，治疗不稳定型骨盆骨折首先应该恢复骨盆后环的稳定性和连续性。微创内固定技术是确定的疗法。常见的内固定器械包括骶髂螺钉、张力带接骨板、三角固定装置以及可调式微创接骨板。2枚骶髂螺钉同时置入第一骶椎是临床常用的固定技术，被认为是最坚强的内固定方式[4]。然而，骶髂螺钉固定技术需要术者具备丰富的临床经验和冗长的学习曲线，医患双方也要暴露于大量的辐射当中。张英泽教授模拟骨盆后环骶髂复合体的结构，设计出了可调式微创接骨板，经生物力学试验证实，其固定骨盆后环的稳定性与2枚骶髂螺钉相似。但是，有文献报道2枚骶髂螺钉并不能提供最坚强的固定[3]。本课题组提出应用可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定骨盆后环的固定方法，并用有限元法与传统的2枚骶髂螺钉固定进行比较。

生物力学试验是骨科常用的验证手段，但当比较不同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[5]。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。将所建的有限元模型运算后得到的结果与临床现象进行比较，可以验证模型的有效性。本研究中，完整骨盆模型的运算结果显示，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、实验研究的结果相一致。

骶髂螺钉技术穿透三层骨皮质，达到“中心型”固定的效果。可以恢复一定程度骨盆环的力学传导，相比之下，微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉同时实现了“后方+中心型”的固定方式，可以更好地恢复骨盆后环的稳定性。在本研究中，可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的模型的应力分布更接近于完整的骨盆模型，其骨折缝隙的分离移位值也小于传统的2枚骶髂螺钉固定的骨盆骨折模型。

综上所述，可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定不稳定骨盆骨折的稳定效果优于传统的2枚骶髂螺钉的固定方法。

[参考文献]

[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，张奇，张英泽，等.应用微创可调式接骨板与张力带接骨板固定骶骨纵形骨折对骨盆后环应力传导的影响[J].河北医科大学学报，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]郑占乐,张晓然,于贤,等.X线引导下双针定位器置入骶髂螺钉的初步临床研究[J].河北医科大学学报,2014,35(7):842-843.

[5]吴涛，崔蕴威，张奇，等.应用2种内固定方法对骨盆后环应力传导的生物力学比较[J].河北医科大学学报，2015,36(2):125-128.

(本文编辑：刘斯静)

[中图分类号]R681.6

[文献标志码]B

[文章编号]1007-3205(2016)03-0344-03

[作者简介]吴涛(1983- )，男，河北正定人，河北医科大学第三医院主治医师，医学博士，从事骨盆创伤相关研究。*通讯作者。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[基金项目]国家自然科学基金项目(81271975)；河北省医学科学研究重点课题(ZL20140290)

[收稿日期]2016-01-20；[修回日期]2016--