长板与拉力螺钉固定治疗髋臼后柱骨折的建模及稳定性比较

评估长钢板和逆行经皮拉力螺钉内固定治疗髋臼后柱骨折的生物力学稳定性。

长板与拉力螺钉固定治疗髋臼后柱骨折的 建模及稳定性比较

代元元 章莹 夏远军 谢会斌 郭晓泽 朱昌荣

1.代元元，广州军区广州总医院骨科医院，广州510010；

2.广州中医药大学研究生院，广州510405

【摘要】目的评估长钢板和逆行经皮拉力螺钉内固定治疗髋臼后柱骨折的生物力学稳定性。方法利用有限元建模软件建立逆行经皮拉力螺钉（A）和长钢板(B)固定髋臼后柱骨折模型，模拟站立位和坐位，以相同的加载方式对两种模型进行三维有限元分析。结果在站、坐位时，髋臼后柱骨折髋臼处最大应力(A 分别为12.35 MPa、3.30 MPa；B分别为9.75 MPa 、2.87 MPa)、最大位移（A分别为0.45 mm、0.38 mm；B 分别为0.44 mm、0.32 mm）及骨折线上各节点位移均数（A 分别为0.404±0.049 mm、0.341±0.020 mm；B分别为0.381±0.055 mm、0.300±0.019 mm）均为A>B,A、B间差异具有明显差异。结论长钢板固定髋臼后柱骨折较逆行经皮拉力螺钉具有较好的力学稳定性。

【关键词】髋臼； 后柱骨折； 有限元分析； 生物力学

【中图分类号】R683.41；R318.01

【文献标识码】A

【DOI】
10.13418/j.issn.1001-165x.2016.02.019

髋臼骨折多累及后柱，单纯髋臼后柱骨折为一种简单骨折，其固定方式主要为钢板固定和螺钉固定。近年来，随着人们对骨盆解剖学及其生物力学的深入研究，骨盆髋臼骨折的固定方式及力学稳定性亦取得巨大进展。髋臼后柱骨折常采用长或短的重建钢板固定，且髋臼后柱骨折采用长钢板固定至坐骨节结较短钢板固定未达坐骨节结时具有较高的力学稳定性。髋臼后柱骨折亦可采用逆行拉力螺钉固定，其置入方式主要有两种：一种是以坐骨结节中心为置入点，该种置入方式已被国内外普遍认可，且对于该种置入方式的解剖学测量亦相对较多；另一种是以坐骨小切迹为置入点，近年来国内部分学者对其研究，并认为其具有良好的生物力学稳定性。但对于髋臼后柱骨折钢板、螺钉固定之间的力学稳定性研究较少。因此，本实验应用有限元技术建立单纯髋臼后柱骨折模型，采用髋臼后柱长钢板和逆行经皮拉力螺钉两种方式固定，并对其力学稳定性进行研究，为临床治疗提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取健康成年男性志愿者一名，38 岁，身高173cm。64 排双源螺旋CT 机，德国Siemens 公司。软件包括：医学图像处理软件Mimics 10.1( 比利时Materialise 公司)，逆向工程软件Geomagic Studio 2013（美国Geomagic 公司），3D 设计软件Slidworks 2012（法国Dassault Systemes 公司），有限元分析软件Ansys 14.5（美国ANSYS 公司）。

1.2 方 法

1.2.1 获取骨盆CT 数据对志愿者从L5至股骨中上1/3 进行CT 断层扫描，层厚0.7 mm，扫描过程中要求志愿者直立体位并保持不动，扫描后图像以DICOM格式保存在CT 机中，刻录光盘，从而获得骨盆CT 图像，共379 张。

1.2.2 建立骨盆模型将获取的骨盆CT 图像的DICOM 格式文件导入Mimics 10.1 中，以148～1550Hu 建立涂层，并对蒙板进行分割、擦除、填充等处理，建立骨盆三维模型，并以STL 格式文件保存。再导入Geomagic Studio 软件中进行模型曲面光顺、优化、拟合等处理，并以STEP 格式保存。将曲面优化处理后的骨盆模型导入Slidworks 软件中，进行各骨间的装配，同时修整S1 上椎间盘和双股骨下端截面，使截面平整以利于在有限元分析时可均匀受力。最后再将骨盆模型导入Ansys 软件中，进行关节接触设置（通过Ansys 软件中的接触设置功能，设置为骨间一定距离内的骨面为相互接触的关节面，来模拟骶髂关节、双侧耻骨间的耻骨联合和髋关节间关节接触）与精细网格划分，并根据各韧带起止解剖结构，以弹簧形式简易模拟与髋臼前后柱相关的骨盆周围韧带（相关韧带模型参数[：骶棘韧带，刚度值为1500 N/mm；骶结节韧带，刚度值为1500 N/mm；腹股沟韧带，250 N/mm。）构建骨盆有限元模型。对模型的各种材料进行属性赋值，将骨视为均一整体，采用加权平均的方法分别赋予其单一的材料属性，得出相应的材料参数（表l）。建立正常骨盆模型，单元数140771，节点数439722 个（图1）。

1.2.3 验证骨盆模型的有效性解剖形态验证：通过测量未优化处理的原始骨盆三维模型和优化处理后的有限元骨盆模型的骨性突出点间的距离，利用t 检验来分析比较两者间的差异。测量结构包括（表2）：髂前上棘至髂后上棘（A）、髂前上棘至坐骨大切迹最高点（B）、髂嵴最高点至坐骨结节（C）、坐骨结节至同侧耻骨结节（D）、髋臼窝的最大纵轴（E）、髋臼窝的最大横轴（F）、骶骨岬至髂前下棘（G）、双侧骶髂关节上想缘（H）、S1 椎体中央前后缘（I）。结果表明，两种模型在解剖形态上无明显差异（P＞0.05）。

力学特性验证：将骨盆模型导入Ansys 软件中，固定股骨近端截面，约束其六个方向的自由度，模拟生理站立位；以S1 椎体上终板面设为钢性面，向下施以500 N的载荷，模拟重力,分析得出正常骨盆模型总体应力云图（图2）和应变云图（图3）。图2 显示：站立位时，应力主经骶骨向两侧骶髂关节、髂骨，前经弓状线，后经坐骨大切迹，经髋关节达双侧股骨，传导至耻骨支、耻骨联合和坐骨结节的应力较小，应力主要是沿着骶骨向髋臼的连线进行传导，骨盆前环受力较小。图3 显示：骨盆的的整体形变，是以骶骨为中，向两侧呈波浪式减弱，左右两侧基本对称。以上结果与理论认识及相关研究符合，本研究建立的模型有效。

1.2.4 建立髋臼后柱骨折固定模型将验证有效的正常骨盆模型再次导入Solidworks 软件中，利用曲面或线性分割建立髋臼后柱骨折模型，笔者建立单一左侧髋臼后柱骨折模型，骨折端分离移位小于1 mm，再建立髋臼后柱两种内固定模型（图4）：A 髋臼后柱骨

折逆行经皮拉力螺钉固定，进钉点位于坐骨结节中心，沿后柱轴，在髂前上棘与髂后上棘突出点连线的中点出钉；B 髋臼后柱骨折重建钢板固定，从坐骨结节至髋臼上方置板，钢板远端达坐骨结节中点。钛板均模拟AO重建钛板(普通型，上海辛迪思公司)，普通螺钉均模拟AO 3.5 mm 皮质骨螺钉(普通型，上海辛迪思公司)，拉力螺钉模拟6.5 mm 中空拉力螺钉。材料均模拟钛合金，弹性模量为110 GPa，泊松比为0.3。

1.2.5 内固定模型约束及加载分别将两种髋臼后柱骨折内固定模型导入Ansys 软件中，先后对双侧坐骨结节及双侧股骨下端进行约束，限制其6 个方向的自由度，分别模拟坐位、站位骨盆受力。于S1 椎体上终板设置刚性面，在几何中心给予载荷，大小为500

N。假设条件为本实验所涉及的生物材料的力学特性均为均质连续和各向同性。

1.2.6 检测指标及分析 检测指标包括：（1）取髋臼内侧壁经过髋臼后缘至髋臼下缘骨折线上各节点组成一骨折线路径，测量骨折线路径上各节点位移，求平均位移，比较其大小，位移越大则越不稳定（图5）。（2）比较各种内固定方式上髋臼区最大位移及最大应力，位移及应力越大则越不稳定。应用SPSS19.0 软件，进行单因素方差分析比较差异，P>0.05 为有统计意义。

2 结果

从表3 中可见，在二种骨折内固定模型中，骨折线上各节点平均位移均表现为拉力螺钉大于长钢板固定，两者差异均有明显统计学意义（P>0.05）。图6中显示，站位时两种固定模式的位置差别较小，但在站位时髋臼区位移和最大位移均较大。表4 和图7 中可发现，在站位和坐位时，髋臼区骨折线上的最大位移和最大应力，均为拉力螺钉大于长钢板固定。

3 讨论

单纯髋臼后柱骨折是一种较简单的髋臼骨折，对于移位明显的骨折，骨折复位后可采用后柱钢板、后柱拉力螺钉及两者的联合进行骨折内固定，虽然后柱钢板联合后柱拉力螺钉固定较后柱板和后柱拉力螺钉固定具有较高的固定强度，但其操作复杂，且增加了患者经济负担，而单一的后柱钢板或后柱拉力钉亦可达到临床固定要求，因此临床上多应用开放复位钢板内固定或逆行拉力螺钉固定微创治疗。

髋臼后柱骨折钢板固定方法不同，其后柱的生物力学稳定性亦不同。吴淑琴等在研究髋臼横断骨折的生物力学中发现，长钢板固定至坐骨节结较短钢板固定未达坐骨节结时具有较高的力学稳定性，但其未排除前柱骨折的影响。吴啸波等在尸体骨盆上采用不同方式钢板内固定单一后柱骨折，近骨折线两侧各四枚螺钉固定时，骨折端的位移最小，固定也最稳定，并认为髋臼后柱钢板固定与经盆面拉力螺钉固定（以骨盆界限外侧10~20 mm区域内，骶髂关节前方30 mm处为进钉点，螺钉方向与方形区平行并指向坐骨棘）无明显差异。笔者在实验中采用长钢板固定髋臼后柱骨折，远端达坐骨结节中心部位，可以部分避开髋臼危险区，同时增加螺钉固定部位。文献 道中，至于髋臼后柱骨折拉力螺钉固定方式主要有两种：一是以髂前上棘与髂后上棘的中点，至坐骨结节中心点的连线为后柱轴进钉；二是以弓状线后端与髂前上棘连线的中点，至坐骨小切迹中点的连线为后柱轴进钉。大部分学者认为经坐骨结节中心部的固定方式具有较好的生物力学性能，坐骨结节位置较浅，利于微创手术治疗，但部分学者认为达坐骨小切迹或坐骨棘的固定模式更符合髋臼后柱骨折的生物力学要求。本研究在髋臼后柱骨折模型建造中分采用后柱长钢板和经坐骨结节中心的逆行经皮拉力螺钉固定方式，具有一定的代表性。

本实验以站位和坐位对两种内固定治疗髋臼后柱骨折术后模型进行力学特性分析及对比。站位和坐位，在骨折线上节点位移均数、最大位移和最大应力，均表面为长钢板固定小于拉力螺钉固定，两者差异具有明显统计学意义，特别坐位以后柱承力为主时。这说明髋臼后柱骨折，长钢板固定的稳定性要优于逆行经皮拉力螺钉固定，具有良好的力学稳定性。

实验不足：一是，在骨材料属性设置方面，本实验采用加权平均的方法推导不同骨块的弹性模量，将骨材料看作单一各向同性的线弹性材料；二是，该实验对软组织的生物力学性能采用了简化处理，采用接触设置和简易挂弹簧的方式，这使得仿真结果可能与临床实际存在差异；三是，由于本实验模型规模较大，在当前硬件水平下很难模拟关节面间复杂的非线性接触行为，因而采用了合理简化。随着生物力学基础研究的进一步深人及计算机运算能力的逐渐增强，包含软组织的非线性接触计算将逐渐得以实现。

【参考文献：略】

| 版 | 权 | 声 | 明 |

医学空间—医学学术社群平台

四大主版块：MS.TV，医学文献，行业资讯，医友圈