魏國強，車麗芳，牛曉芬，張 凱，王 一，史國鵬，白 靈，王海燕，李筱賀,4，許陽陽

(1.長治市人民醫(yī)院康復醫(yī)學科，山西 長治046000；2.烏蘭察布市第二醫(yī)院骨科，內蒙古 烏蘭察布 012000；3.內蒙古醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖教研室，內蒙古 呼和浩特010110;4.內蒙古醫(yī)科大學數(shù)字醫(yī)學中心，內蒙古 呼和浩特 010110)

骨盆骨折的發(fā)生率約為3%，病死率為10%～16%，骨盆環(huán)損傷相對罕見，發(fā)生率為0.03‰～0.23‰[1-4]。骨盆骨折通常是由高沖擊力創(chuàng)傷所致，如汽車碰撞、高處跌落、車輛撞傷，多發(fā)生于年輕人[5]。數(shù)字醫(yī)學是研究數(shù)字技術、信息技術、計算機技術、通信技術、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術在醫(yī)學領域的應用規(guī)律和發(fā)展趨勢，探討計算機科學、信息學、電子學等與醫(yī)學相互交叉或結合而形成的新理論、新知識、新技術和新產(chǎn)品，挖掘基于數(shù)字化條件而衍生的新模式、新流程和新機理。本研究利用數(shù)字醫(yī)學技術中三維重建方法，以真實的骨折模型去模擬探討骨折后在不同姿勢下運動康復訓練的機械反應，從而為骨盆骨折的力學行為和建模提供參考，同時有助于指導骨折后康復訓練。

早期康復運動對于骨盆骨折患者的術后管理非常重要。多項指南建議骨盆骨折后需早期運動，包括床椅轉移、床上坐位訓練、坐帶有扶手的椅子、使用輔助設備行走等[6-7]。適當負重會引起相鄰骨性骨折組件之間的微小運動，刺激骨折愈合。在康復訓練和日常活動中雖不清楚患者實際承受的準確重量、骨愈合的具體程度，但在臨床康復中很少發(fā)生過載荷導致的并發(fā)癥。然而，過載和欠載都會使康復效果受到影響?？祻陀柧氈刑幪幋嬖谏锪W，而大多有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)研究沒有與康復訓練結合。因此，了解不同康復訓練方法的潛在優(yōu)勢和弱點至關重要[8]。本研究基于CT影像資料，利用Mimics、Geomagic、Hypermech、Abaqus軟件建立人體骨盆三維模型，利用FEA方法分析骨盆骨折在不同坐位姿勢下的生物力學行為，以期為臨床提供必要的生物力學依據(jù)，使患者骨折后不同坐位姿勢下的力學變化可視化。

1 材料與方法

1.1 研究對象

患者，女，52歲，體質量55 kg，2020年8月被兩汽車連續(xù)相撞后就診于長治市人民醫(yī)院。病史：雙肺挫裂傷，右側氣胸；雙側胸膜增厚；右側胸壁多發(fā)積氣；右側鎖骨及多發(fā)肋骨軟骨骨折；坐骨、恥骨骨折伴盆腔積液積血；左股骨下段骨折。內科治療：頭部及口腔傷口清創(chuàng)縫合，補液，輸注紅細胞等。外科治療：右鎖骨切開復位鈦板內固定術，左股骨行閉合復位髓內釘內固定術，骨盆骨折(Tile A型)保守治療。于2020年9月轉入康復醫(yī)學科進行康復治療。選取該患者DICOM格式原始骨盆影像資料進行研究。

1.2 實驗設備及相關軟件

CT掃描設備：64排128層螺旋CT機(Siemens，德國)，薄片厚度1.25 mm，間距1.25 mm，重建層厚度0.625 mm，重建間距0.625 mm。3D重建軟件：Mimics 21.0，3-matic 13.0(Materialise，比利時)；Geomagic Studio 2013(Raindrop Geomagio Inc，美國)；Hypermesh 2019(Atair Corporation，美國)；Abaqus 2020(Dassault System，法國)。臺式電腦：CPU，inter(R)Core(TM)i7-9700 CPU@3.00GHz 八核；RAM內存，32.0 G。

1.3 建模方案

將患者骨盆CT影像資料以DICOM格式導入Mimics 21.0圖像處理軟件中讀取數(shù)據(jù)，提取L5與骨盆模型，于3-matic 13.0中模擬L5～S1椎間盤，將各模型導入Geomagic Studio 2013軟件中生成實體模型，再導入Hypermesh 2019軟件中進行網(wǎng)格劃分，用T3D2線單元模擬韌帶，再用Mimics 21.0利用灰度值對模型進行材料屬性定義與賦值，采用Abaqus 2020對生成模型進行裝配、約束條件的界定等處理，然后進行力學分析；骨盆重建模型見圖1。

a：正面觀；b：背面觀

1.4 材料特性定義

由于人體結構屬于非線性的變化，屬性材料若按照骨皮質和骨松質來賦值，其實是按線性屬性處理，為了體現(xiàn)骨骼的非線性特點，可以利用Mimics 21.0按照CT資料灰度值賦屬性。以大量文獻為參考，定義材料楊氏模量與泊松比，骨質結構以灰度值賦值，為非線性結構；椎間盤定義為彈性結構(表1)。

表1 材料屬性[9-11]

使用經(jīng)驗公式以十種材料屬性對骨性部分進行賦值[12]:

D=-13.4+1 017Gv

E=-388.8+5 952D

D為材料密度，Gv為CT圖像灰度值，E為材料彈性模量，Mimics 21.0中有限元網(wǎng)格(FEA Mesh)標簽下(Materials)命令可設置

1.5 定義接觸、設置邊界條件和施加載荷

設置上、下關節(jié)突，骶髂關節(jié)軟骨接觸定義摩擦系數(shù)為0.15[13]，設置纖維環(huán)與髓核為tie連接，椎體與韌帶的接觸為tie連接。于L5上終板施加垂直地面的力400 N[14]，模擬患者上半身體質量，于坐骨結節(jié)位置添加固定約束，進行骨盆中立位、前傾10°位、前傾20°位、后傾10°位、后傾20°位5個工況的研究(圖2)。

圖2 骨盆不同姿勢

1.6 觀察位置

位置1：恥骨上支與右側髂骨的骨折斷面；位置2：上方游離骨與恥骨上支的骨折斷面(未與右髂骨相連)；位置3：坐骨支的骨折斷面；位置4：恥骨下支的骨折斷面(圖3)。

a：骨折斷端正面觀；b：骨折斷端背面觀

2 結果

實驗得到應力云圖，并繪出不同坐位姿勢骨盆應力云圖(圖4、5)。

a：骨盆前面觀；b：骨盆后面觀；c：骨折斷端

位置1(恥骨上支與右側髂骨的骨折斷面)：中立位(2.15 MPa)與前傾10°位(2.18 MPa)應力值分布相似，前傾20°位(5.25 MPa)應力值達到峰值，后傾10°位(3.38 MPa)與后傾20°位(3.63 MPa)應力值分布相似。

位置2(上方游離骨與恥骨上支的骨折斷面)：不同姿勢下此處應力值分布較小，中立位(0.11 MPa)，前傾10°位(0.11 MPa)，前傾20°位(0.27 MPa)，后傾10°位(1.71 MPa)應力值達到峰值，后傾20°位(0.13 MPa)。

位置3(坐骨支的骨折斷面)：中立位(2.50 MPa)與前傾10°位(2.55 MPa)應力值分布相似，前傾20°位(6.08 MPa)應力值達到峰值，后傾10°位(4.17 MPa)到后傾20°位(3.33 MPa)應力值略有下降。

位置4(恥骨下支的骨折斷面)：中立位(1.56 MPa)與前傾10°位(1.59 MPa)應力值分布相似，前傾20°位(3.78 MPa)應力值達到峰值，后傾10°位(1.53 MPa)到后傾20°位(1.94 MPa)應力值略有上升。

a：中立位；b：前傾10°位；c：前傾20°位；d:后傾10°位；e:后傾20°位

骨盆前傾20°位的應力值在位置1(恥骨上支與右側髂骨的骨折斷面)、位置3(坐骨支的骨折斷面)、位置4(恥骨下支的骨折斷面)均明顯增大，說明在此體位下對骨盆骨折斷端影響最大，其次是骨盆后傾10°位與后傾20°位。應力大小次序：前傾20°位>后傾20°位>后傾10°位>前傾10°位>中立位(圖6)。

圖6 骨折斷端位置應力值

3 討論

基于計算機斷層掃描的股骨有限元模型已被廣泛用于估計骨的剛度和強度。FEA也已廣泛應用于矯形支具研究[15-18]、脊柱內固定生物力學研究[19-20]、外科器械的設計[21]、椎間盤退變生物力學研究[22]、脊柱動態(tài)生物力學研究[11]等醫(yī)學領域，且在骨盆生物力學中具有非常重要的地位[23]。很多學者通過有限元模型對骨盆進行了研究，高應超等[24]建立坐位骨盆三維有限元模型分析其生物力學特征，指出建立的人體骨盆三維有限元模型可以較客觀地反映人體骨盆的解剖結構和力學特性，具有較高真實性和精確度，能滿足臨床骨盆重建模擬仿真分析的需要。Li等[25]通過建立有限元模型對外固定下的骨盆骨折在不同姿勢包括站立時的力學特征進行了研究，指出骨盆上的應力區(qū)域隨著姿勢的變化而變化，骨盆在中立位更穩(wěn)定，這意味著骨盆中立位可能比其他傾斜位置骨折愈合更好。Xu等[26]通過建立骨盆有限元模型，指出通過手法使骶髂關節(jié)產(chǎn)生位移與韌帶產(chǎn)生應變可能是骶髂關節(jié)疼痛緩解的一種機制。張玉東等[23]通過構建人體跌坐條件下骨盆有限元模型與瓷磚地面碰撞，發(fā)現(xiàn)應力與應變在骶髂關節(jié)處最大。因此，通過有限元方法對骨盆進行生物力學分析是目前比較常用的方法之一。

本研究利用真實患者的骨盆模型，通過骨折斷端接觸位置的應力變化，探索其在骨盆不同坐位姿勢下的力學變化，結果顯示骨盆中立位對于骨折斷端影響最小，而骨盆前傾位與骨盆后傾位應力分布均變大，而且傾斜角度越大，應力會越大；對于骨折部位而言，坐骨支與恥骨下支連接處較恥骨上支應力分布更大，提示患者進行早期康復時，推薦骨盆中立位或較小角度(<10°)的傾斜位置進行訓練；骨盆前傾20°位的應力值在位置1(恥骨上支與右側髂骨的骨折斷面)、位置3(坐骨支的骨折斷面)、位置4(恥骨下支的骨折斷面)均明顯增大，說明在此體位下對骨盆骨折斷端影響最大，其次是骨盆后傾10°位與后傾20°位；應力大小次序：前傾20°位(5.25 MPa)>后傾20°位(3.63 MPa)>后傾10°位(3.38 MPa)>前傾10°位(2.18 MPa)>中立位(2.15 MPa)；應力增大為骨盆前傾或后傾對骨折處產(chǎn)生了剪切力所致；并且可很明顯發(fā)現(xiàn)斷端接觸面存在明顯應力集中現(xiàn)象，由于不同患者恢復速度存在差異性，人體修復環(huán)境的復雜性，無法確定不同骨折愈合時期，但是通過此案例可以得出以下觀點：①骨折會改變骨盆形態(tài)學特征，造成力學分布改變；②骨折后愈合處會比以往承受更大負荷，使得穩(wěn)定性下降；③骨盆FEA可以預測骨骼穩(wěn)定性。

綜上，坐位姿勢下，骨盆傾斜角度越大，骨盆的應力值越大，且相同角度下，前傾比后傾應力值大，而中立位骨盆應力分布最小，提示骨盆骨折后運動訓練早期應在中立位，逐漸變化傾斜角度。本研究通過探討康復訓練(不同坐位訓練)在骨盆骨折中的力學變化，可為臨床康復訓練的體位選擇提供參考，但為了訓練過程中安全，康復訓練方法需謹慎選擇。