邵啟鵬 ，蔡賢華 *，吳海洋 ，劉曦明

（1.中國人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，湖北武漢430070；2.南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣東廣州510515；3.天津醫(yī)科大學(xué)研究生院，天津300070）

髖臼前柱伴后半橫行骨折（anterior column and posterior hemi-transverse,ACPHT）主要累及髖臼前柱、后柱、方形區(qū)，臨床上其主要治療原則為解剖復(fù)位，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定和早期進(jìn)行康復(fù)功能鍛煉。而方形區(qū)位于髖臼內(nèi)表面，解剖位置深在，骨質(zhì)薄弱，且周圍毗鄰重要血管神經(jīng)，這使得切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)難度較大，風(fēng)險(xiǎn)很高［1］。自2005年以來，本科室蔡賢華等［2］采用第一代動力化前路方形區(qū)鈦板螺釘系統(tǒng)(dy?namic anterior plate-screw system for quadrilateral area,DAPSQ)治療復(fù)雜髖臼骨折，螺釘于方形區(qū)表面呈彈性加壓固定，既可阻擋方形區(qū)骨塊向內(nèi)側(cè)移位又無螺釘誤入關(guān)節(jié)腔之虞，取得了滿意的臨床療效。前期課題組通過尸體模型及有限元的方法證實(shí)了上述第一代DAPSQ生物力學(xué)穩(wěn)定性安全可靠［3，4］。自 2016年后，課題組在第一代DAPSQ基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列技術(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出第二代新型DAPSQ（專利號：ZL201621494131.0）供臨床使用，但其生物力學(xué)穩(wěn)定性尚不明確。故本文旨在通過有限元方法比較第二代DAPSQ與其他兩種傳統(tǒng)內(nèi)固定方式在固定髖臼ACPHT骨折上的生物性能，擬為其臨床應(yīng)用提供力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 骨盆三維模型建立

選取1名健康成年男性志愿者，予以知情同意，骨盆X線片排除骨折、畸形、腫瘤等病變。本研究獲本院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（2018024-1）。對志愿者從L5至股骨上1/3進(jìn)行螺旋CT（德國Siemens公司）掃描（層厚0.5mm），將掃描后的圖像以DICMO格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)建模Mimics 12.0（比利時(shí)Materialise公司）中，數(shù)字化三維重建后以STL格式輸出。采用Geomagic studio 2013（美國Geomagic公司）對圖形進(jìn)行smooth處理。最后利用Hyperworks19.1（美國Alatir公司）劃分網(wǎng)格并調(diào)整質(zhì)量。使用Phillips等［5］研究中的“彈簧單元”方法依次加載髂腹股溝韌帶、骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶、骶棘韌帶。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨、韌帶材料屬性賦值參考既往文獻(xiàn)［6］（表1、2）。所建骨盆三維模型采用四面體網(wǎng)格，總計(jì)生成了1 797 936個(gè)單元，359 421個(gè)節(jié)點(diǎn)。并對模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證：生理載荷600 N下，位移以骶骨為中心向兩側(cè)對稱傳導(dǎo)并逐漸減弱；應(yīng)力從雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)經(jīng)弓狀線、坐骨大切跡對稱傳導(dǎo)至雙側(cè)股骨。這均與既往實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合［7］。

表1 骨盆材料的彈性模量和泊松比

表2 骨盆各韌帶剛度

1.2 內(nèi)固定有限元模型的建立

髖臼ACPHT骨折取高位前柱型：一條骨折線起自髂前上棘，另一條起自坐骨棘上方平髂恥隆起上緣處［8］。建立三組內(nèi)固定模型（圖1a～1c所示）：骨折波及髂骨翼部分均采用五孔鈦板固定。DAPSQ組采用第二代DAPSQ固定；DCP組采用雙柱鈦板（dou?ble-column plate,DCP）［9］；ACPPS 組采用前柱鈦板聯(lián)合后柱拉力螺釘（anterior column plate and posterior column lag screw,ACPPS） 固定［10］。內(nèi)固定鈦板為3.5 mm重建鈦板；普通螺釘直徑為3.5 mm，拉力螺釘直徑為6.5 mm，均由常州華森器械有限公司提供模擬。材料屬性模擬為鈦合金，彈性模量110 gPa，泊松比 0.3［11］。

圖1 內(nèi)固定模型示意圖 1a:DAPSQ組 1b:DCP組 1c:ACPPS組

1.3 有限元模型應(yīng)力施加

將建立好的有限元模型導(dǎo)入Abaqus 2018軟件中，模擬生理站位于S1椎體加載600 N均布載荷。假設(shè)條件：實(shí)驗(yàn)所涉及的材料力學(xué)特性為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性。

1.4 測量指標(biāo)

位移測量：取髖臼骨折線上均勻分布的各節(jié)點(diǎn)（n=30）組成骨折線路徑，測量骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)的平均位移（μm），平均位移越小，表示內(nèi)固定越穩(wěn)定。

應(yīng)力測量：比較骨盆應(yīng)力分布情況及三種內(nèi)固定所受最大應(yīng)力（MPa），若超過鈦合金的屈服強(qiáng)度則可能導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。

應(yīng)力遮擋率η（%）測量：η=（1-σ有固定/σ無固定）×100%。其中，σ有固定為骨盆模型上骨組織在內(nèi)固定下的應(yīng)力，σ無固定為骨盆模型原始正常標(biāo)本上的應(yīng)力。應(yīng)力遮擋率越大，表示內(nèi)固定越堅(jiān)強(qiáng)［12］。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用IBM SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，符合正態(tài)分布且方差齊性的計(jì)量資料以±s表示。多個(gè)獨(dú)立樣本比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。P<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 位移測量結(jié)果

髖臼ACPHT骨折經(jīng)三組內(nèi)固定方式固定后，模擬雙足站立600N生理載荷下，整體位移分布云圖見圖2a,2c,2e?？梢姽桥栉灰凭許1終板最大，并以此為中心向兩側(cè)髂骨翼遠(yuǎn)端逐漸減弱，內(nèi)固定均未見明顯移位。三組骨折線路徑上各節(jié)點(diǎn)的平均位移見表3，表現(xiàn)為DAPSQ組0.05），ACPPS組與DAPSQ組和DCP組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。這說明DAPSQ與DCP強(qiáng)度相當(dāng)，且都優(yōu)于ACPPS。

2.2 應(yīng)力測量結(jié)果

髖臼ACPHT骨折經(jīng)三組內(nèi)固定方式固定后，模擬雙足站立600 N生理載荷下，應(yīng)力分布云圖見圖2b,2d,2f?？梢姽桥钁?yīng)力分布均勻，內(nèi)固定應(yīng)力主要集中于鈦板和螺釘結(jié)合處。三組內(nèi)固定方式最大應(yīng)力分見表3，表現(xiàn)為DAPSQ組>DCP組>ACPPS組（P<0.05），且內(nèi)固定最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鈦合金材料的屈服強(qiáng)度，提示三種內(nèi)固定方式均安全有效，不會發(fā)生內(nèi)固定斷裂、疲勞、失效等情況。第二代DAPSQ應(yīng)力主要集中于方形區(qū)螺釘鈦板，且以靠近坐骨大切跡的鈦板螺釘結(jié)合處最大，恥骨區(qū)及髂骨區(qū)兩端應(yīng)力較小。方形區(qū)螺釘中以近端第1枚所受應(yīng)力最大，這說明方形區(qū)近端第1枚螺釘?shù)墓潭▽τ诰S持骨折的穩(wěn)定至關(guān)重要［13］。

圖2 各組骨盆模型整體位移云圖和應(yīng)力云圖 2a:DAPSQ整體位移云圖 2b:DAPSQ應(yīng)力云圖 2c:DCP整體位移云圖2d:DCP應(yīng)力云圖 2e:ACPPS整體位移云圖 2f:ACPPS應(yīng)力云圖

2.3 應(yīng)力遮擋率測量結(jié)果

根據(jù)應(yīng)力遮擋率計(jì)算公式，分別得出骨盆模型上骨組織在內(nèi)固定下的應(yīng)力與骨盆模型原始正常標(biāo)本上的應(yīng)力，從而得出三組內(nèi)固定的應(yīng)力遮擋率見表3，結(jié)果表明：DCP組應(yīng)力遮擋率最大，DAPSQ組次之，ACPPS組最小。且DCP組與DAPSQ組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），ACPPS組與DCP組及DAPSQ組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。可能因?yàn)镈CP組恢復(fù)了髖臼倒“Y”形生理結(jié)構(gòu)，且前柱與后柱均得到堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，內(nèi)固定強(qiáng)度最大，從而表現(xiàn)為最大的應(yīng)力遮擋率。DAPSQ組表現(xiàn)為與DCP組相當(dāng)?shù)墓潭◤?qiáng)度，故應(yīng)力遮擋率與其無明顯差異。ACPPS組內(nèi)固定強(qiáng)度最小，故表現(xiàn)為最小的應(yīng)力遮擋率?？傊N內(nèi)固定方式均表現(xiàn)了較大的應(yīng)力遮擋率，均能為髖臼ACPHT骨折提供堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定，內(nèi)固定承擔(dān)了較大的應(yīng)力，從而有利于骨折的早期愈合，符合骨折切開復(fù)位內(nèi)固定的AO治療原則：解剖復(fù)位、堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定及早期行功能鍛煉。

表3 三種內(nèi)固定方式固定ACPHT的力學(xué)測量結(jié)果（±s）與比較

表3 三種內(nèi)固定方式固定ACPHT的力學(xué)測量結(jié)果（±s）與比較

指標(biāo)位移（μ m）內(nèi)固定最大應(yīng)力（M P a）應(yīng)力遮擋率（%）D A P S Q組（n=3 0）2.0 9±0.2 4 5 1.0 5±2.7 4 6 0.9 6±1.7 4 D C P組（n=3 0）2.1 1±0.2 3 4 1.0 6±2.2 4 6 2.4 9±2.0 6 A C P P S組（n=3 0）2.3 2±0.2 3 3 6.7 0±2.4 6 5 8.3 4±3.8 2 P值<0.0 0 1<0.0 0 1 0.0 0 4

3 討論

髖臼ACPHT骨折約占髖臼骨折的7%［14］，常為低能量損傷所致。該骨折常涉及方形區(qū)，而方形區(qū)骨質(zhì)極其薄弱，國人測得最小厚度處僅為（2.35±1.13）mm，有學(xué)者稱之為“不可置釘區(qū)”［15，16］。既往臨床上對這類骨折常采取DCP或ACPPS進(jìn)行固定，雖有一定療效，但存在螺釘誤入關(guān)節(jié)腔的風(fēng)險(xiǎn)。Lin等［17］則報(bào)告采用鋼絲環(huán)扎復(fù)合內(nèi)固定治療12例移位型髖臼ACPHT骨折，另還有學(xué)者采用新型內(nèi)固定策略如H板、解剖鋼板等對涉及方形區(qū)的ACPHT骨折進(jìn)行固定［14，18］，大多獲得比較滿意的臨床療效，但上述內(nèi)固定的不足之處是存在損傷血管神經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)，抗骨折分離作用有限，且多數(shù)內(nèi)固定方式仍缺乏生物力學(xué)依據(jù)。DAPSQ是蔡賢華等提出的一種新型內(nèi)固定方法，該內(nèi)固定系統(tǒng)由3～4枚螺釘在方形區(qū)內(nèi)表面形成“木筏樣”排列，可對方形區(qū)骨塊提供多點(diǎn)彈性支撐和固定［2］。方形區(qū)螺釘1/3～1/2外露于骨面，避免了螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔的風(fēng)險(xiǎn)［4］。

吳詠德［4］的有限元及尸體標(biāo)本研究表明：較1/3管型鈦板，第一代DAPSQ在固定髖臼雙柱骨折時(shí)具有更強(qiáng)的生物力學(xué)效能。但第一代DAPSQ需術(shù)中臨時(shí)塑形，對于初學(xué)者來說較難掌握，學(xué)習(xí)曲線較長。針對這個(gè)問題，課題組設(shè)計(jì)出了免術(shù)中塑形的第二代DAPSQ。與第一代DAPSQ相比，第二代DAPSQ兩端鈦板長度有所延長，理論上由此產(chǎn)生的方形區(qū)鈦板扭轉(zhuǎn)力將會增大，轉(zhuǎn)化為方形區(qū)螺釘?shù)陌殉至σ蚕鄳?yīng)增加，但目前仍缺乏相應(yīng)的生物力學(xué)依據(jù)。

鑒于此，吳海洋等［19］通過尸體實(shí)驗(yàn)得出了與前期研究相同的結(jié)論：固定髖臼雙柱骨折時(shí)，第二代DAPSQ較1/3管型鈦板具有更好的固定強(qiáng)度。傳統(tǒng)尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)是生物力學(xué)研究的金標(biāo)準(zhǔn)，但其成本較高、重復(fù)性差，容易因樣本量的不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。有限元分析因其結(jié)果不受樣本量限制，實(shí)驗(yàn)誤差小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，正日益成為骨盆生物力學(xué)研究的重要手段。故課題組擬進(jìn)一步采用有限元方法比較第二代DAPSQ與傳統(tǒng)DCP、ACPPS的生物力學(xué)穩(wěn)定性，擬為該內(nèi)固定的推廣和器械化生產(chǎn)提供更多力學(xué)依據(jù)。

本研究構(gòu)建的有限元模型采用三維四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目1 797 936個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)359 421個(gè)。所建模型仿真度及精確度高，能較好地模擬真實(shí)骨盆，對骨盆進(jìn)行力學(xué)分析。在其基礎(chǔ)之上，建立了高位髖臼ACPHT骨折模型及第二代DAPSQ、DCP及ACPPS三組相應(yīng)內(nèi)固定模型，結(jié)果顯示第二代DAPSQ在固定髖臼ACPHT骨折時(shí)，其生物力學(xué)穩(wěn)定性與DCP相當(dāng)，并優(yōu)于ACPPS。這與前期課題組的研究成果相一致［3］，進(jìn)一步證實(shí)了該內(nèi)固定方式的力學(xué)穩(wěn)定性。

但本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖谝欢ǖ木窒扌?，如忽略了肌肉對骨盆生物力學(xué)的影響，復(fù)雜關(guān)節(jié)韌帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡化處理。實(shí)驗(yàn)假設(shè)所涉及的材料力學(xué)特性為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，而實(shí)際情況恰恰相反，構(gòu)成人體組織的生物材料具有各向異性、不均勻性等特征。在未來的研究工作中，本研究將會進(jìn)一步通過尸體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第二代DAPSQ固定髖臼ACPHT骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性。