黃進(jìn)成,劉曦明,蔡賢華,王志華,雷建銀,張繼平

近年來,我院利用前路特殊塑形鋼板加方形區(qū)螺釘聯(lián)合后柱螺釘治療髖臼雙柱骨折,在有效復(fù)位與內(nèi)固定的同時(shí)，減少了手術(shù)創(chuàng)傷，縮短了手術(shù)時(shí)間及術(shù)中、術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。隨著研究及應(yīng)用的進(jìn)一步深入,臨床上迫切需要對(duì)該內(nèi)固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文采用三維有限元方法對(duì)其進(jìn)行分析,探討其生物力學(xué)特性,為臨床治療提供必要的生物力學(xué)依據(jù)。

材料與方法

1 材料

健康志愿者1位，男性，40歲，身高175cm。16層螺旋CT機(jī)(德國 Siemens公司)，Mimics10.1(比利時(shí) Materialise公司)，Ansys12.0-ICEM(美國ANSYS公司),Hypermesh V10.0(美國Altair公司)，Abaqus 6.10(美國達(dá)索公司)。

2 方法

2.1CT數(shù)據(jù)的獲取 對(duì)志愿者骨盆(從L5至股骨上1/3)進(jìn)行CT斷層掃描，層厚0.5mm，掃描過程中要求志愿者在骨盆縱軸方向上保證不動(dòng)，掃描后將圖像以DICOM格式保存在CT機(jī)中，刻錄光盤，從而得到骨盆橫截面的CT圖像共473張。

2.2正常骨盆模型的建立 以DICOME格式將文件導(dǎo)入醫(yī)學(xué)建模專用軟件Mimics10.1中。進(jìn)行骨盆的數(shù)字化三維重建。導(dǎo)入到Ansys12.0-ICEM中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并根據(jù)各韌帶起止點(diǎn)解剖位置在模型表面選取相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)建立韌帶群。皮質(zhì)骨被定義成厚度為1.5mm[1]。骨盆三維有限元模型參數(shù)見相關(guān)文獻(xiàn)[2-5]。整個(gè)骨盆模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為115940，單元數(shù)為112002(圖1)。

圖1 骨盆三維有限元模型

3 模型有效性的驗(yàn)證

將模型導(dǎo)入Abaqus 6.10軟件。模擬雙腳站立位。于S1椎體上終板設(shè)置剛性面，給予均勻分布載荷，模擬重力方向，大小為600N。邊界條件： 為接近生理狀態(tài)，只對(duì)股骨近端截面進(jìn)行約束，限制6個(gè)方向的自由度(圖2)。從弓狀線起點(diǎn)經(jīng)弓狀線、恥骨上支至恥骨聯(lián)合處作路徑1； 沿髖臼緣前、上和后緣作路徑2； 沿右骶骨岬經(jīng)右髂骨、右坐骨、右恥骨下支至恥骨聯(lián)合處作路徑3。分別作出3條路徑的應(yīng)力-路徑曲線(圖3)。

圖2a顯示應(yīng)力經(jīng)骶骨向雙側(cè)骶骨翼、骶髂關(guān)節(jié)、髂骨，斜向下經(jīng)弓狀線、坐骨大切跡，傳導(dǎo)至恥骨支及恥骨聯(lián)合受力較小，結(jié)合圖3應(yīng)力分布曲線可看出，應(yīng)力沿骶骨向髖臼的連線進(jìn)行傳導(dǎo)，骨盆前環(huán)受力較小。圖2b位移以骶骨為中心，形成向兩側(cè)逐漸減弱的波浪形分布。從3條路徑可以看出,沿路徑1應(yīng)力在弓狀線起點(diǎn)處較大,后應(yīng)力逐漸減小，至恥骨支應(yīng)力稍增大; 沿路徑2應(yīng)力在髖臼后上方較大; 沿路徑3應(yīng)力分布在骶骨岬、骶髂關(guān)節(jié)及髖臼穹頂內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)應(yīng)力較大，且沿髖臼后柱應(yīng)力逐漸減少，但至坐骨結(jié)節(jié)應(yīng)力稍有集中。這一結(jié)果與理論認(rèn)識(shí)及相關(guān)研究結(jié)果基本符合[5-7]。證明本研究建立的模型是有效的。

a.應(yīng)力云圖(MPa) b.位移云圖(mm)

圖2 有限元模型計(jì)算結(jié)果

圖3 路徑1、2、3上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布

4 骨折內(nèi)固定模型的建立

通過網(wǎng)格的刪減建立髖臼雙柱骨折模型(圖4)。分離移位<1mm。再建立A、B、C 3種內(nèi)固定模型(圖5)。鈦板均模擬AO重建鈦板(普通型，辛迪思公司)，螺釘均模擬AO 3.5mm皮質(zhì)骨螺釘(普通型，辛迪思公司)。材料均模擬鈦合金，彈性模量為110GPa，泊松比為0.3[3]。后柱拉力螺釘在髂前上棘與坐骨棘連線與骨盆內(nèi)面交點(diǎn)后上方5～25mm、弓狀線外側(cè)10～ 25mm區(qū)域內(nèi)進(jìn)釘,方向與方形區(qū)平行指向坐骨棘,所用螺絲釘長(zhǎng)度為50～100mm。盡量保證螺釘與后柱主要骨折線角度在60°～90°范圍內(nèi)。其余內(nèi)固定方式參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]。螺釘與骨組織、螺釘帽與鋼板之間的約束是根據(jù)本研究模擬的螺釘尺寸，取預(yù)緊力大小87kgf，根據(jù)螺釘帽和螺紋部分面積的不同，施加于螺釘上，方向與接觸面積垂直[11]。

圖4 髖臼雙柱骨折有限元模型

a b c

圖5 3種內(nèi)固定模型。a.雙柱鈦板; b.單純前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘; c.前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘聯(lián)合后柱螺釘

5 模型的約束加載與假設(shè)

將建好的有限元模型導(dǎo)入Abaqus 6.10軟件。先后對(duì)坐骨結(jié)節(jié)及股骨下端進(jìn)行約束，限制其6個(gè)方向的自由度。分別模擬坐位(Ⅰ)、站位(Ⅱ)骨盆受力。于S1椎體上終板設(shè)置剛性面，在幾何中心給予載荷，方向模擬站立位時(shí)重力方向，大小為600N。假設(shè)條件為本實(shí)驗(yàn)所涉及的生物材料的材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)連續(xù)和各向同性。

6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

6.1取髖臼內(nèi)側(cè)壁經(jīng)過髖臼后緣至髖臼下緣骨折線上各節(jié)點(diǎn)組成一骨折線路徑，測(cè)量骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)的位移。比較骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)的位移大小。位移越大則越不穩(wěn)定。

6.2比較各種內(nèi)固定模型上髖臼區(qū)最大位移及最大應(yīng)力，位移及應(yīng)力越大則越不穩(wěn)定。

7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，先進(jìn)行方差齊性判斷，再進(jìn)行單因素方差分析比較差異，如果差異有顯著性意義時(shí)再用最小顯著差異t檢驗(yàn)兩兩多重比較，P<0.05表示有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

從圖6及表1可以看出，在各種骨折模型上，對(duì)于骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)平均位移均表現(xiàn)為A>B>C，經(jīng)單因素方差分析發(fā)現(xiàn)在坐位時(shí)，A與B、C的差異均具有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，但B與C及站位時(shí)三者的差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。從表2可以發(fā)現(xiàn)，在坐位及站位下，各種內(nèi)固定模型上，髖臼區(qū)的最大位移及最大應(yīng)力均表現(xiàn)為A>B>C。

圖6 分別在坐位(Ⅰ)、站位(Ⅱ)下，A、B、C 3種內(nèi)固定后模型骨折線上節(jié)點(diǎn)的位移比較

表1 坐位(Ⅰ)、站位(Ⅱ)下，骨折線上節(jié)點(diǎn)位移比較及方差分析

Pa： A與B比較的顯著性； Pb： A與C比較的顯著性； Pc： B與C比較的顯著性

表2 坐位(Ⅰ)、站位(Ⅱ)下，3種內(nèi)固定術(shù)后髖臼區(qū)最大位移及最大應(yīng)力

討 論

對(duì)于累計(jì)方形區(qū)的髖臼雙柱骨折，雙柱鈦板為臨床上最常采用的固定形式。但需要前后聯(lián)合入路進(jìn)行復(fù)位與固定，導(dǎo)致暴露損傷大、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、失血量大及術(shù)后感染等并發(fā)癥發(fā)生率高等缺點(diǎn)。為了達(dá)到對(duì)骨折的有效復(fù)位與固定，減少手術(shù)創(chuàng)傷，有學(xué)者經(jīng)單一前入路用重建鈦板固定前柱，再在髖臼上緣平行于方形區(qū)通過重建鈦板用3顆長(zhǎng)螺釘進(jìn)行內(nèi)固定，但這種內(nèi)固定需要避開髖臼最薄處，在髖關(guān)節(jié)周圍進(jìn)行，稍有不慎螺釘就會(huì)進(jìn)入關(guān)節(jié)，導(dǎo)致內(nèi)固定失敗[12-13]。如何在對(duì)骨折進(jìn)行有效內(nèi)固定的前提下，減小手術(shù)創(chuàng)傷，并防止螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)，再次成為了研究的焦點(diǎn)。我院從2005年開始采用前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘治療髖臼雙柱骨折取得了一定的效果。但實(shí)踐操作中我們發(fā)現(xiàn)，后柱復(fù)位后，如不先進(jìn)行簡(jiǎn)單的固定，不利于方形區(qū)螺釘?shù)闹踩?，甚至?dǎo)致復(fù)位的丟失，反復(fù)復(fù)位使手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)并增加手術(shù)創(chuàng)傷。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，骨折復(fù)位滿意后,首先用1～2枚后柱螺釘對(duì)其進(jìn)行固定，更有利于方形區(qū)的復(fù)位及特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘?shù)墓潭?。從而進(jìn)一步增強(qiáng)了內(nèi)固定的效果,方便了復(fù)位固定，并擴(kuò)大了單一前入路手術(shù)的適應(yīng)證。

本實(shí)驗(yàn)在以前柱承力為主的站位及以后柱承力為主的坐位對(duì)3種內(nèi)固定治療髖臼雙柱骨折術(shù)后模型進(jìn)行了較全面的力學(xué)特性分析及對(duì)比。在坐位狀態(tài)下，A、B、C 3種內(nèi)固定模型在骨折線節(jié)點(diǎn)位移均數(shù)上表現(xiàn)為A>B>C,且A與B和C之間的差異具有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在站位時(shí)骨折線節(jié)點(diǎn)位移均數(shù)亦表現(xiàn)為A>B>C，三者差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。坐、站位下髖臼處的最大應(yīng)力及最大位移均表現(xiàn)為A>B>C，這說明前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘聯(lián)合后柱螺釘內(nèi)固定治療髖臼雙柱骨折較雙柱鈦板內(nèi)固定具有明顯好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。具有不亞于單純前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘內(nèi)固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性。加上該內(nèi)固定具有較雙柱鈦板內(nèi)固定更小的創(chuàng)傷，又有較單純的前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘更方便的復(fù)位及更廣的適應(yīng)證，因此在臨床上值得嘗試。

目前在髖臼雙柱骨折治療中存在手術(shù)創(chuàng)傷大、出血多、操作難度大，術(shù)后并發(fā)癥較多等主要問題。然而其治療的關(guān)鍵又是精確的骨折復(fù)位和穩(wěn)定的內(nèi)固定，為了達(dá)到這一目的，亟需研究更安全、微創(chuàng)、穩(wěn)定的手術(shù)方式。本文對(duì)骨盆模型進(jìn)行了各向同性材料的賦值，在不失真的情況下對(duì)骨盆模型進(jìn)行了一系列形態(tài)學(xué)處理，完成了骨盆和內(nèi)固定物的重建。模擬了髖臼雙柱骨折模型，并對(duì)該骨折模型進(jìn)行了3種方式的內(nèi)固定，并進(jìn)行了有限元模擬與分析，比較其不同力學(xué)特性指標(biāo)。根據(jù)比較結(jié)果得出3種方式穩(wěn)定性差異，驗(yàn)證了前路特殊塑形鈦板加方形區(qū)螺釘聯(lián)合后柱螺釘內(nèi)固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為髖臼雙柱骨折的治療提供了一種不僅更穩(wěn)定、而且更微創(chuàng)、安全的內(nèi)固定方式。但模型本身忽略了肌肉對(duì)骨盆生物力學(xué)的影響，在骨盆模型及內(nèi)固定模型上也進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，分析結(jié)果和真實(shí)情況有一定的差異。在未來的研究工作中，將不斷完善該骨盆模型，增加肌肉的建模，并且在更多的髖關(guān)節(jié)位置下進(jìn)行分析，使分析實(shí)驗(yàn)條件更接近真實(shí)狀況。

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