不同内固定方式治疗骨盆前环骨折的生物力学研究
研宄生：李焕龙
中文摘要
【目的）本研宄通过有限元方法分析前皮下内固定支架及桥接组合式内固定系统(皮下双棒､皮下单棒､骨表面单棒)治疗骨盆前环骨折的稳定性及内固定应力情况,为验证桥接组合式内固定系统可有效治疗骨盆前环骨折提供理论依据｡
【方法】通过一名健康志愿者的CT数据,建立正常骨盆有限元模型,验证其有效性后模拟骨盆前环骨折,再分别模拟前皮下内固定支架(A组)､桥接组合式内固定系统骨表面单棒组(B组)､桥接组合式内固定系统皮下双棒组(C组)及桥接组合式内固定系统皮下单棒组(D组)治疗骨盆前环骨折｡模拟人体站立位,在500N垂直载荷下对不同内固定方式进行有限元分析,评估各组生物力学特性｡评价指标:(1)计算骨盆及内固定装置的位移(整体位移､水平方向位移),**位移越大骨盆整体稳定性越差｡各组连接棒的**水平位移越大,连接棒越容易脱出,内固定越容易失效｡(2)计算骨盆及内固定装置应力集中部位及**应力值,同时对骨盆左右应力分布进行对比,应力集中部位**应力越大越容易发生内固定失效｡(3)测量两骨折断端的位移,位移越大骨折越不容易愈合｡
【结果】四组内固定装置都可以有效的恢复骨盆的生物力学完整性｡4种内固定方式治疗骨盆前环骨折后,骨盆整体应力分布及传导与完整骨盆模型大约一致,应力主要分布于骶骨各椎体前缘､骶骨翼､骶髂关节､髂骨弓状缘､坐骨切迹和股骨内侧｡4种内固定方式下耻骨骨折间的**位移范围在0.55-0.99mm之间,坐骨支骨折间的位移远小于2cra｡因此,4种内固定方式在治疗骨盆前环骨折时,均可实现稳定固定,且可通过适宜的微动促进耻骨骨折愈合｡A､D组固定原理相似,但是锁定结构不同,A组的**水平位移大约是D组1.6倍,因此,桥接组合式内固定系统的连接棒滑出风险更低,锁定结构更稳定｡D组皮下桥接组合式内固定应力遮挡效应最小,B组骨面桥接组合式内固定应力差**,应力遮挡效应最明显｡皮下连接棒具备一定的弧度,可以恢复骨盆前环的生理重建,力学相容性更好｡各模型**应力远低于钛合金和骨的屈服应力,发生内固定断裂及继发性骨折的风险很低,安全性良好｡
【结论】1.皮下椎弓根螺钉固定及桥接组合式内固定系统在治疗骨盆前环骨折时,均可产生适宜微动促进骨折愈合｡2.四种内固定方式均能恢复骨盆的应力分布,皮下固定较骨面固定生物力学相容性更好｡3.桥接组合式内固定系统与椎弓根螺钉系统相比,连接棒的滑出风险更低｡
关键词：骨盆前环骨折;有限元分析;桥接组合式内固定;皮下内支架
材料与方法
1材料
选择一名既往无外伤及手术史的健康成年男性志愿者,32岁,身高172cm,体重62kg｡行X线检查骨盆及双下肢无肿瘤､骨折､畸形､骨质疏松等疾病且下肢力线正常,并签署知情同意书｡昆明医科大学附属延安医院64排螺旋CT机(SIEMENS 公司,德国),
Mimics21.0(Materialize公司,比利时),Geomagic2013(GeomagicIncorporation公司,美国),Solidworks2016软件(Dassauh公司,法国)､Ansysl9.0软件(ANSYS公司,美国)｡固定材料均模拟我科临床实践中最为常用的品牌和规格｡INFXI固定系统模拟直径6mm长55-70mm的钛合金螺钉(弹性模量llOGPa,泊松比为0.3)｡桥接组合式内固定系统,棒直径5nun,选择相应型号的螺钉和固定块(弹性模量110GPa,泊松比为0.3)｡
2方法
2.1CT数据的获取
于昆明医科大学附属延安医院放射科对志愿者骨盆(从第4腰椎至双侧股骨上三分之一)进行CT断层扫描(64排128层螺旋CT机),扫描层厚0.5mm｡扫描过程志愿者平躺且身体长轴成一直线,扫描完成后将图像以DIC0M格式保存,拷贝至个人电脑,从而得到骨盆的CT图像共915张｡本研宄已获得昆明医科大学附属延安医院医学伦理委员会批准,志愿者对本研宄知情同意并已签署知情同意书｡
2.2骨盆3D模型的建立
将骨盆DIC0M格式的CT图像导入到Mimics21.0软件中,不同组织在软件中以不同的灰度值体现,首先进行阈值划分(Thresholding),根据系统默认的骨骼灰度值(226-1648HU),生成目标图像(图1)｡应用图层编辑(EditMasks)､区域增长(RegionGrowing)､填补空洞(CavityFill)等功能对目标图层进行分割､填充,重建出包含双侧髂骨､左右股骨中上段及骶骨共5个骨骼的三维几何模型,以STL文件格式保存(图2)｡
2.3骨盆模型的有限元分析前处理一曲面拟合
将Mimics21.0生成的骨盆各骨性部件以STL格式导入逆向工程GeomagicStudi〇2013软件中对各部件进行降噪､优化处理｡使用“网格医生”功能诊断模型中多边形网格存在问题及缺陷,然后使用软件的松弛､去除特征､快速平滑删除钉状物等功能修复骨盆模型｡依次使用精确曲面､探测轮廓线､构造曲面并修理曲面､构造并编辑格栅､拟合曲面等功能,根据骨骼形状生成合适的曲面片,最后将各曲面自动拟合形成Nurbs曲面,得到STP格式的皮质骨模型(图3A)｡根据病人CT数据在mimic软件中测量骨盆皮质骨厚度同时查阅文献[18],最后确定皮质骨厚度为2mm｡将曲面拟合后的皮质骨在保留曲面片格局的情况下,将曲面转为多边形｡然后,应用Geomagicstudio2013软件中的偏移整体功能构建松质骨｡再次应用网格医生及自动修复功能,确定模型无错误后重复皮质骨生成曲面片步骤得到松质骨STP格式模型。
2.4骨盆模型的有限元分析前处理一建立关节软骨及内固定物模型
将Geomagicstudio2013软件中获得的STP文件,导入Solidworks2016软件中转换为零件格式｡因为所有骨骼均来自同一个CT数据,原点相同,以原点为中心进行配合组装｡根据解剖学及影像学资料,在双侧骶髂关节､双侧髋关节及耻骨联合等关节间隙内应用拉伸凸台､等距曲面､分割等命令构建出骶髂关节软骨､髋关节软骨及耻骨联合等骨连接｡(图4)
通过切除零件命令建立累及一侧耻骨上下支中段骨折的骨盆骨折模型｡再建立前皮下内固定支架(A组模型)､紧贴骨面的桥接组合式内固定系统(B组模型)､皮下双棒桥接组合式内固定系统(C组模型)和皮下单棒桥接组合式内固定系统(D组模型)四种内固定模型(图5)｡前皮下内固定支架系统参数:髂骨椎弓根螺钉直径6.5mm,长度35-80mm,固定棒直径6.Onrn(厦门大博医疗器械有限公司,厦门,中国)｡桥接组合式内固定系统参数:锁定螺钉直径5.5mm,长度50-80mm,固定棒直径5mm(天津威曼医疗器械有限公司,天津,中国)｡材料均模拟钛合金,弹性模量为110GPa,泊松比为0.3｡
固定位置模拟如下:
皮下固定:螺钉选取前下棘外缘为进针点､指向髂后上棘,位于坐骨大切迹上方,螺尾与骨面距离30mm,3钉固定｡
骨面固定:将固定装置于骨折表面,骨折两侧各打入2枚螺钉,左侧垮耻骨联合,螺钉避免植入髋臼｡
2.5骨盆模型韧带的建立及求解一ANSYS19.0
2.5.1骨盆有限元模型的韧带的建立及材料属性赋值
随着生物力学的发展,人们认识到附着在骨骼上的肌肉及韧带对整体的平衡和稳定极其重要｡因此需要在骨盆模型中构建相关的初带以提高生物力学结果的准确性｡但从医学影像学数据中提取骨盆主要韧带的三维实体模型太过繁琐｡因此,研究者通常采用弹簧连接单元或仅受张力的离散轴向连接器模拟韧带,本模型中共构建了5组主要初带:骶髂前韧带､骶髂后韧带､骶髂关节骨间韧带､骶棘韧带和骶结节韧带｡初带的起止点､軔带数量､材料属性均参考既往文献[5_￣21]｡将在SolidWorks2016中制作好的装配体导入Ansysl9.0中,在geometry命令中对骨盆皮质骨､松质骨､韧带､软骨､固定器械等模型赋予相关的材料属性(图6,表1)
2.5.2骨盆有限元模型的接触关系､约束及加载
因为髋关节为滑动关节,胡畔等[3]对不同接触关系进行了比较,得出将双侧髋关节设为“无摩擦有限滑动”可以更好的仿真人体生物力学特性｡因此本实验有限元模型将双侧髋关节接触关系设为“无摩擦有限滑动”｡骶髂关节属微动关节将接触条件设为摩擦,摩擦系数设为0.15[22]｡耻骨联合的骨与软组织､固定装置与骨及骨与韧带的接触关系均设置为绑定连接｡将骶骨上表面设置为刚性面,施加大小为500N的载荷,以模拟人的体重,方向为重力方向｡对双侧股骨近端横截面进行约束,限制6个方向的自由度,模拟人体站立位[23’24]｡进行网格划分时骨骼采用8节点6面体网格,单元边长控制为2mm,固定装置则采用精度较高的20节点6面体网格,单元边长控制为lmm[25’26]｡网格划分完成后模型见图7,各模型网格划分后节点及单元数见表2｡
２．６评价指标
（１）计算骨盆及内固定装置的位移，位移（整体位移、水平方向位移）越小，骨盆环整体稳定性越好。通过比较不同内固定模型的**位移，进而对其稳定性进行比较。（２）计算骨盆及内固定装置**应力，同时对骨盆左右**应力进行对比。**应力越大，内固定断裂失效的风险越高；螺钉与骨的交界面**应力越大，内固定物越容易发生松动。
结果
１正常骨盆有限元模型有效性的验证
１．１解剖形态的有效性验证
在3D模型从多个视图中测量骨性标志之间的距离｡在Mimics21.0软件中测量未经任何处理的原始骨盆三维模型,在Solidworks2016软件中的最终进行有限元分析的三维模型｡冠状位:测量双侧小转子最内侧之间的距离(A)､双侧坐骨结节最低点的距离(B)､双侧坐骨嵴最内侧之间的距离(C)矢状位:髂后上棘至耻骨联合之间的距离(D)､耻骨联合至坐骨嵴之间的距离(E)横断位:双侧髂嵴之间的距离(F)､右侧髂至左侧髂后上棘之间的距离(G)｡在统计学分析软件spss21.0中,采用t检验比较两者间的差异,P<0.05有统计学差异｡统计学结果为:其t=-0.119,P=0.909>0.05,差异无统计学意义｡因此,进行有限元分析的骨盆模型解剖学形态及大小与人体的骨盆实物相符,仿真性良好｡(图8)
1.2骨盆模型位移及应力分布验证
在Ansys19.0软件中对正常的骨盆模型进行有限元分析,约束双侧股骨远端,限制其6个方向的自由度｡于骶骨上端施加大小为500N的载荷,方向与重力方向一致｡得到应力云图和位移云图(图9).骨盆**位移(形变)1.55mm,位移分布沿髂骨向下呈波浪式减弱,两侧对称｡这与国内外相关的研究结果基本保持一致%28]｡骶骨应力经两侧骶髂关节传至髂骨,沿弓状线及坐骨切迹,传导至髋关节和坐骨结节｡骨盆前环的应力经髋关节传导至股骨｡**应力为25MPa,应力集中区域位于骶髂关节前缘､髋臼后上缘､坐骨切迹和弓状线｡Fan丫等[29]的研宄中对正常骨盆模型施加500N载荷髂骨**应力25MPa,Lei等[3°]人相同载荷下正常骨盆模型髂骨**应力25MPa｡与本的研究结果相一致｡综上所述,说明本研究建立的骨盆有限元分析模型准确性和可靠性均可｡
2不同内固定方式治疗骨盆骨折的生物力学结果
2.1 A组的位移及应力分布
A组骨盆整体及皮下内固定支架的位移分布见图10,骨盆整体位移分布左右不对称,右侧较左侧大,分布规律为由双侧髂嵴和坐骨结节向髋臼方向逐渐减小,**位移位于右侧髂嵴周围区域,大小为3.33mm｡椎弓根镙钉位移分布呈由螺帽向远端逐渐减小趋势,各个螺钉的**位移由右向左逐渐减小,右侧椎弓根锡钉位移**为1.28mm｡连接杆水平位移分布呈由左向右逐渐增大分布,**位移位于连接杆最右侧,为0.25mm｡骨折横断面的整体位移分布由外向内逐渐减小,**位移位于右侧坐骨支截面,大小为1.27mm｡
A组骨盆整体及皮下内固定支架的应力分布见图11,骨盆整体应力主要分布于骶骨各椎体前缘､骶骨翼､骶髂关节､髂骨弓状缘､坐骨大切迹及股骨内侧｡**应力位于第5骶椎椎体后缘,为49.42MPa｡
双侧髂骨应力分布左右对称,主要分布于髂骨弓状缘､坐骨大切迹和髋臼后上缘,**应力位于右侧髂骨骶髂关节前缘,为30.15MPa｡
椎弓根镙钉间应力分布由右向左逐渐减小,螺钉应力主要集中于钉棒结合部,**应力分布于右髂前上棘镙钉上,为50.92MPa｡
连接杆应力分布由耻骨联合螺钉附近向两端逐渐减小,**应力分布于耻骨螺钉附近,为40.38MPa｡
2.2 B组位移及应力分布
B组骨盆整体及骨面桥接组合式内固定的位移分布见图12,骨盆整体位移分布左右大致对称,由双侧髂嵴和坐骨结节向髋白方向逐渐减小,**位移位于两侧髂嵴周围区域,大小为2.97mm｡
螺钉位移分布呈由螺帽向远端逐渐减小趋势,各个螺钉的**位移由最靠近骨折区位置向两侧逐渐增大,最左侧镙钉位移**,为1.30mm｡
连接杆水平位移分布由骨折两侧的螺钉中点向左右两侧渐减小,**位移位于骨折两侧的螺钉中点处,为0.05mm｡
骨折横断面的整体位移分布由外向内逐渐减小,**位移位于右侧坐骨支截面,大小为1.59mm｡
B组骨盆整体及内固定装置的应力分布见图13,骨盆整体应力分布与正常骨盆相似主要集中于:骶骨各椎体前缘､骶骨翼､骶髂关节､髂骨弓状缘､坐骨大切迹及股骨内侧｡**应力位于第5骶椎椎体后缘,为58.93MPa｡
双侧髂骨应力分布左右对称,主要分布于髂骨弓状缘､坐骨大切迹和髋臼后上缘,**应力位于右侧骼骨骶髂关节前缘,为31.59MPa｡
桥接棒的应力分布由中间向两端逐渐减小,**应力分布于耻骨联合左侧镙钉周围区域,为51.86MPa｡
螺钉应力分布由螺帽向螺钉远端逐渐减小,**应力分布于耻骨联合左侧螺钉上,为25.59MPa｡
2.3C组位移及应力分布
C组骨盆整体及皮下双棒桥接组合式内固定的位移分布见图14,骨盆整体位移分布左右大致对称,由双侧髂嵴和坐骨结节向髋臼方向逐渐减小,**位移位于右侧髂嵴周围区域,大小为2.96mm｡
螺钉位移分布呈由螺帽向远端逐渐减小趋势,各个螺钉的**位移分布由耻骨上螺钉向两侧逐渐减小,左右大致对称,耻骨上的镙钉位移**,为1.67mm,最小位移位于左侧螺钉远端,为0.42mm｡
桥接棒水平位移分布由左向右逐渐减小,双棒分布一致,**位移位于左侧桥接棒上,大小为0.41mm｡骨折横断面的整体位移分布由外向内逐渐减小,**位移位于右侧坐骨支截面,大小为1.71mm｡
C组骨盆整体及内固定装置的应力
分布见图15,骨盆整体应力分布与正常骨盆相似主要集中于:骶骨各椎体前缘､骶骨翼､骶髂关节､髂骨弓状缘､坐骨大切迹及股骨内侧｡**应力位于第1骶椎椎体后缘,为39.54MPa｡
双侧髂骨应力分布左侧较右侧大,左侧应力集中区域较右侧更广泛,右侧主要分布于骶髂关节前缘､坐骨切迹､髋白后缘以及髂前上棘螺钉交界处｡左侧除上述外,还集中于髂骨翼,**应力:左右均位于髂骨骶髂关节前缘,左侧为18.39MPa｡右侧为12.41MPa｡
桥接棒的应力分布主要集中于螺钉和桥接棒接触部位,双棒应力分布一致,**应力位于右侧棒与镙钉接触部位,为42.95MPa｡
螺钉应力分布由螺帽向螺钉远端逐渐减小,**应力分布于右侧髂前上棘螺钉上,大小为42.71MPa｡
2.4D组位移及应力分布D组骨盆整体及单棒皮下桥接组合式内固定的位移分布
见图16,骨盆整体位移分布左右不对称,分布规律呈由双侧髂嵴和坐骨结节向髋臼方向逐渐减小,**位移位于左侧髂嵴周围区域,大小为3.32mm｡
螺钉位移分布呈由螺帽向远端逐渐减小趋势,各个螺钉间的位移大小:耻骨上螺钉>左侧髂前上棘螺钉>右侧髂前上棘螺钉,耻骨上的镙钉位移**,为1.48mm,最小位移位于右侧螺钉远端,为0.44mm｡
桥接棒水平位移分布由左､右两端向内部逐渐减小,**位移位于左侧桥接棒远端,大小为0.16mm,最小位移位于骨上螺钉和右侧髂前上棘螺钉之间,为0.07mm骨折横断面的整体位移分布由外向内逐渐减小,**位移位于右侧坐骨支截面,大小为1.54mm｡D组骨盆整体及内固定装置的应力分布见图17,骨盆整体应力分布与正常骨盆相似主要集中于:骶骨各椎体前缘､骶骨翼､觝髂关节､髂骨弓状缘､坐骨大切迹及股骨内侧｡**应力位于**骶椎椎体后缘,为29.33MPa｡
双侧髂骨应力分布左侧较右侧大,应力主要集中于骶髂关节前缘､髂骨弓状缘､坐骨切迹､髋臼后､上缘,**应力位于髂骨骶髂关节前缘,左侧为22.96MPa｡右侧为17.19MPa｡
桥接棒的应力分布主要集中于螺钉和桥接棒接触部位,**应力位于右侧棒与镙钉接触部位,为29.89MPa｡螺钉应力主要分布在高出骨面的螺钉部分,**应力分布于右侧髂前上棘螺钉上,大小为14.52MPa｡
讨论
随着经济水平的提高,城镇化的进展,高能量损伤导致的骨盆骨折较前明显增多｡骨盆骨折的治疗目的是修复其解剖学形态从而恢复骨盆力学性能｡骨盆是人体力学传递的重要结构,其解剖学结构及生物力学性能复杂｡骨盆前环是骨盆承重弓的重要部分,由双侧耻骨上下支及耻骨联合构成｡手术治疗不稳定骨盆骨折已经成为骨科医生的共识｡在不稳定的骨盆骨折中,骨盆前环的固定会降低骨折畸形愈合率及后环骶髂螺钉松动率,且允许早期负重进行功能锻炼[31’321｡近年来,骨盆前环的INFIX固定因其创伤小､稳定性良好,在临床中被广泛应用｡INFIX固定是通过自然肌间隙将椎弓根螺钉植入两侧髂前下棘上缘,两螺钉之间由连接杆链接,连接杆具备一定弧度以模拟生理重建前环｡髂前上棘与髂后上棘连线至髋臼上方的骨质较厚,为INFIX固定提供了稳定的钉骨结合区域｡生物力学研究显示,INFIX比外固定架的更稳定[33]｡在Hoskins等[34]进行的前瞻性临床研宄中,使用直径为l0mm的椎弓根螺钉股外侧皮神经损伤并发症高达57%｡他们认为在确保稳定性的前提下,应尽可能减小椎弓根螺钉直径｡其次,在INFIX中螺钉帽尾与连接杆成叠加关系,这使得局部皮肤张力增高,从而增加牵张性股外侧皮神经损伤的发生｡桥接组合式内固定系统通过块将钉和杆水平连接,可以有效避免牵张性股外侧皮神经损伤的发生,存在理论上的优势｡INFIX与桥接组合式内固定系统固定原理相同,但锁定结构截然不同｡有限元分析在比较不同内固定方式的生物力学上有独特的优势｡本研宄建立了高仿真性骨盆前环骨折有限元模型,对比模型中内固定物的应力以及位移,我们可以更好的了解,不同内固定方式下的生物力学恢复及骨折稳定性｡
1有限元分析模型有效性验证
有限元分析法是使用计算机软件对简化的数学模型求解,从而评估整个物理实体的应力和应变分布｡因为其可重复性､准确性及经济成本低等优点被广泛应用｡Shim等[35]使用内部运算法则对骨盆CT扫描层厚大的和扫描层厚小的数据生成的模型进行了有限元分析结果对比,两种模型的应力分布与传统生物力学结果均表现出良好的一致性｡因此,基于CT数据建立的有限元分析法能对骨盆生物力学进行准确的预测｡但是模型的前处理､连接方式､材料属性､网格划分等众多因素都会对结果准确性造成影响37]｡因此,需要对有限元分析结果进行验证,明确结果的准确性及真实性｡有限元分析的有效性有多种验证方式,可靠性也各不相同｡Anderson等[38]通过尸体研宄来验证,得出限元分析结果可以很好的预测生物力学实验,两者相关性很强｡同时他们的研宄表明,骨皮质厚度的准确性比骨松质骨的材料属性对结果影响更大｡尸体研宄可以直接对比数据采集实体的生物力学结果与有限元分析结果之间的差异,是目前**的验证方式｡但尸体标本存在难以获得,成本较高及不能重复使用等缺点｡宋虎等[39]将自己的正常骨盆有限元模型应力和位移结果与同类国内外研宄进行对比,以此验证结果的有效性｡由于有限元分析的软件各有不同,每个人对数据处理的经验不同,这一验证方法准确性较尸体研究低｡有限元分析因为具有很高的可重复性,因此,这种验证方法有一定的科学依据且较为便捷,是目前应用最多的一种方法｡本研宄采用这一方法从正常骨盆的应力及位移结果上进行验证,同时我们认为模型几何重建的准确性也至关重要｡因此,我们对mimic软件中生成的原始模型与前处理完成的骨盆模型进行了对比,测量在骨盆模型可识别的解剖特征之间的距离,统计学结果显示,有限元前处理未改变骨盆原始几何结构｡
在相同施加相同载荷的情况下本研究构建的骨盆模型,位移及应力在分布规律和实验结果上均与其他类似研宄结果大致相同,在几何结构上与原始模型无明显差异｡因此认为本研究构建骨盆有限元模型准确可靠｡
2有限分析在骨盆生物力学中的应用
人在行走时髋关节受力为体重的3-4倍,骨盆在人体负荷转移中起着重要作用｡因其解剖结构复杂,导致研宄其生物力学比较困难｡20世纪80年代有限元分析法首次被引入医学领域,大大提高了骨科医生对骨豁在人体中的力学作用的认识｡20世纪90年代Dalstra等[4°]建立并验证了**个高保真性人体骨盆的三维有限元模型(FEM)｡他们的研宄显示**应力出现主要在髌臼边缘上外侧部分和坐骨切迹｡骨盆皮质骨的厚度呈非均匀分布,大小在0.7-3.2mm之间｡后来,学者们围绕如何建立准确的骨盆有限元模型这一主题,进一步研究了皮质骨厚度､髋关节中软骨接触条件､初带张力和肌肉对骨盆生物力学的影响[19’38’41]｡早期研宄者将骶髂关节､髋关节及耻骨联合的接触条件设置为绑定,随着研宄的深入人们逐渐认识到将骨盆各关节设为绑定,模型过于简化,不能很好的模拟人体｡骶髂关节在受力时存在微小的旋转和平移,属于微动关节[42]｡Shi等[27]研宄表明将骶髂关节接触关系设置为绑定,将导致关节周围初带的张力降低及骨盆各骨中的应力分布发生改变｡模拟微动的骶髂关节时滑动接触比绑定更准确,因此本研宄将骶髂关节接触设置为滑动接触,摩擦系数为0.15｡髋关节是人体承重**的关节,完整的骨盆有限模型须纳入髋关节进行分析｡早期的研宄中为方便计算在骨盆模型中通过约束髋臼以替代股骨[43_45]｡最近的研究显示约束髋臼以省略股骨近端会导致模型过度约束,从而影响髋关节和耻骨周围区域的应力分布[18_24]｡Clarke等[46]进行了一项有关骨盆有限元模型的多因素敏感性研宄,他们的研宄结果显示将髋关节接触关系设置为滑动比绑定更准确｡本研宄中骨盆模型既保留了股骨近端,同时将髋关节接触条件设为无摩擦有限滑动,与真实的髋关节更相符｡Garcia等[47]首次应用有限元方法对外固定和内固定进行比较,得到具有**生物力学性能的内固定方式,为临床治疗提供指导｡目前有限元分析己经在评估骨折内固定生物力学特性､假体的磨损及疲劳等方面成为最实用的工具之一,并在复杂病例的术前策划方面**潜力｡8此1^等[48]以一个实际病例为基础,利用骨折患者的CT数据建立骨盆模型,通过有限元分析发现模型中的高应变位置和临床实践中发生种植体松动位置一致｡证实基于患者自身的CT数据建立的有限元模型可以为临床医生规划出生物力学稳定性良好的内固定方式｡
本研宄将INFIX固定､桥接皮下固定及桥接内固定添加到同一个骨盆前环骨折模型中,在ansysl9.0软件中赋予相同的材料属性､接触条件､网格大小及载荷后,对比骨折的移位､内固定的应力分布差异｡规避了手术技术､骨密度､骨解剖结构及骨折类型等因素的影响｡
3不同内固定装置治疗骨盆骨折的力学特性
3.1不同内固定方式的应变特点分析
随着骨折愈合相关因素研宄的深入,B0原则(BO,BiologicalOsteosynthesis)已经成为骨科医生的共识,越来越强调间接复位､非坚强固定以及保护软组织｡骨痂的形成会受到骨间运动的影响,＇当骨折两断端间位移大于2cm时,骨折间位移过大导致骨折无法愈合[49]｡有研宄显示骨折间的位移在0.1-lmm范围内时可以促进骨折愈合｡
本研宄中通过有限元模拟､分析了不同固定装置下骨折间的位移情况｡研宄结果显示,所有内固定方式下耻骨骨折间的**位移范围在0.1-lmra之间,坐骨支骨折间的位移远小于2cm｡因此,我们认为4种内固定方式在治疗骨盆前环骨折时,均可实现稳定固定,且可通过适宜的微动促进耻骨骨折愈合｡INFIX和OBS的螺钉间应力通过圆形的棒的进行传导,断裂风险较低,临床中未锁紧及所承受的应力过大时,常发生连接棒从锁定结构中滑出,导致内固定失效｡本研宄中,我们计算了不同4种内固定中连接棒的水平位移,研究结果显示B组**水平位移最小为0.05mm,A､C､D组的**水平位移分别是B组的5倍､8.2倍､3.2倍｡A､D组固定原理相似,但是锁定结构不同,A组的**水平位移大约是D组1.7倍,因此我们认为桥接组合式内固定系统的连接棒滑出风险更低,锁定结构更稳定｡B､C､D组均为桥接组合式内固定,C､D组分别是B组的8.2倍和3.2倍,该结果与临床经验相符｡我们认为多螺钉锁定可以明显降低连接棒滑出风险,而在双棒固定时于两侧增加螺钉或使用端头块固定可能是有必要的｡骨盆的**位移与正常骨盆越接近,骨盆环的稳定性恢复越好｡本研宄结果显示4种内固定方式均高于正常骨盆,整体稳定性相似｡组间比较显示A､D组稍高于B､C组｡我们认为,皮下双棒固定及骨面多螺钉可稍提高整体稳定性｡
3.2不同内固定方式的应力特点分析
3.2.1.应力分布特点
4种内固定方式治疗骨盆前环骨折后,骨盆整体应力分布及传导与完整骨盆模型大约一致,应力主要分布于骶骨各椎体前缘､骶骨翼､骶髂关节､髂骨弓状缘､坐骨切迹和股骨内侧｡**应力分布位置B､D组与完整骨盆摸型一致,均位于**骶椎椎体后缘｡A､C组**应力位于第5骶椎椎体后缘,位置较完整骨盆模型降低,而连接杆的应力较B､D组显著增加｡这一改变可能与A､C组中连接杆整体直径更大有关｡完整骨盆模型**应力右侧>左侧,骨面固定与完整骨盆相同,而皮下固定则右侧<左侧｡我们认为骨折后骨盆前环联结弓完整性破坏,皮下固定应力通过皮下连接棒传递至左侧,一定程度上改变了两侧髂骨的应力分布情况｡
3.2.2生物力学相容性及应力分析
根据应力遮挡和应力集中原理,术后骨盆应力与原始骨盆应力差和骨折固定后骨盆与内固定装置的应力差越小,应力遮挡越小,二者的力学相容性越好[53]｡本研宄中各组骨盆术后应力与原始骨盆应力差大小:D组(3.54MPa)<C组(13.75MPa)<八组(23.63MPa)<8组(33.14MPa)｡骨折固定后骨盆与内固定装置的应力差绝对值大小:D组(0.56MPa)<八组(1.5MPa)<C组(3.41MPa)<8组(7.07MPa)9结果显示D组皮下桥接组合式内固定应力遮挡效应最小,治疗骨盆前环骨折时力学相容性优越｡B组骨面桥接组合式内固定应力差**,应力遮挡效应最明显｡我们认为可能存在以下几点原因:①A､C､D组为皮下固定而B组为骨面固定,皮下固定两侧螺钉均植入髋白上缘骨皮质较厚部位,该处为骨盆力学传导的重要组成部分,因此更多的力经该处传导至内固定系统上,使得内固定系统与骨盆的力学相容性更高｡②皮下固定支架通过棒连接两侧髂骨,同时棒具有一定的弧度,对骨折断端进行解剖重建的同时可以重建生理前环,生物力学与正常骨盆前环更接近,力学相容性更好｡③骨面固定螺钉间的距离更近,固定螺钉更多,固定更坚强,因此应力遮挡效应明显｡**应力越高内固定断裂及继发骨折的风险越高,钛合金的屈服应力为l050MPa,骨盆骨的屈服应力为150MPa[54]｡本研究中各模型的**应力29.33MPa-58.93MPa之间,远低于150MPa,因此各模型发生内固定断裂及继发性骨折的风险很低,安全性良好｡
4文章局限性
分析有限元分析是一种将复杂整体简化为小的单元,从而进行离散求解的仿真技术｡本研宄建立的骨盆模型未考虑韧带及软骨以外的其他软组织对骨盆生物力学产生的影响｡同时使用弹簧替代骨盆中的主要初带,无法对韧带形态进行模拟,与从核磁共振数据中提取目标韧带相比准确性稍低｡实体解剖中皮质骨在骨盆各骨中的不同位置厚度大小不一,我们采用均一皮质骨厚度模型趋于理想化｡由于从CT数据中提取的信息有限,目前还没有可靠的方法从CT数据中获得骨及软组织特性,因此,将所有材料设置为均质､线性及各向同性,也许这是未来可以努力的方向｡力学实验证实螺钉与连接杆之间存在旋转及滑动,本研宄中椎弓根螺钉与连接棒､桥接棒与固定块之间的接触关系全部设置为绑定,未能很好的体现螺钉与连接棒之间的滑动｡本研究中设置的是单纯的前环骨折,临床中较少见,对合并骨盆后环骨折的情况未进行探讨｡随机选用一名志愿者的个体CT数据进行建模,无法避免个体特异性的出现,其能否代表全体特征有待证实｡因实验条件有限,模型及实验结果的验证,主要是通过与既往同类研宄进行对比｡若通过基于尸体研宄进行的体外实验进行验证将大大提髙本研宄的可靠性
结论
本研宄建立了完整的骨盆有限元模型,通过有限分析研宄了4种内固定技术治疗骨盆前环骨折的生物力学｡我们可以得出以下几点结论:
1皮下椎弓根螺钉固定及桥接组合式内固定系统在治疗骨盆前环骨折时,均可产生适宜微动促进骨折愈合｡
2.四种内固定方式均能恢复骨盆的应力分布,皮下固定较骨面固定生物力学相容性更好｡
3桥接组合式内固定系统与椎弓根螺钉系统相比,连接棒的滑出风险更低
参考文献：略