有限元法分析不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0352

摘要/Abstract

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文题释义：

骨盆稳定性：其影响因素较多，包括骨盆环、韧带等。国外学者研究表明，在复杂性骨盆骨折中40%骨盆稳定性源于前环结构，60%骨盆稳定性源于后环结构。由此看出，骨盆环在提高复杂骨盆骨折力学稳定中具有重要的作用。

骨盆骨折的内固定治疗：内固定治疗骨盆骨折的方法包括螺钉固定、外支架及重建接骨板，不同的内固定方法均有其优缺点及适应证，且有关不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折力学稳定性的对比研究报道较少。

摘要

背景：切开复位内固定可用于不同类型骨盆骨折治疗中，有助于降低并发症发生率，但是其固定效果缺乏力学验证。

目的：对不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性进行有限元分析。

方法：选择健康男性1名作为观察对象，采用64排螺旋CT常规扫描，层厚1 mm，获得二维CT数据，以医学数字成像、通信格式进行存储。利用Mimics、Geomagic studio及Abaqus软件完成志愿者骨盆有限元模型，建立复杂骨盆骨折有限元模型，分别置入3种不同的内固定器械，完成不同内固定方法治疗骨盆骨折的模型，内固定完成后模拟向骶骨施加500 N垂直负荷，计算相应的力学参数，比较不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性。

结果与结论：①志愿者CT数据下建模后，正常的骨盆三维有限元模型测量点a点位移为0.53 mm，应力负荷正常生理，并且骶髂关节受力位移与既往有限元生物力学分析相似，课题建立的有限元模型成功；②在模型加载500 N垂直负荷下，螺钉固定受最大应力为440.85 MPa，集中在复杂性骨盆骨折部位；重建接骨板最大受力为1 332.56 MPa，位于钉板结合部位；外支架最大受力为1 834.85 MPa，位于钉板结合部位；③在模型加载500 N垂直负荷下，螺钉固定应变、整体位移、分离位移值均低于重建接骨板和外支架(P < 0.05)；重建接骨板应变、整体位移、分离位移值均低于外支架(P < 0.05)；④提示3种内固定物相比，采用螺钉内固定治疗复杂性骨盆骨折能获得更优的稳定性；利用有限元分析能反映不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折力学的稳定性，临床治疗时应根据每位患者的实际情况选择合适的内固定方法，开展个体化治疗。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-8446-5216(王叙进)

关键词: 螺钉内固定技术, 切开复位内固定, 骨盆骨折, 64排螺旋CT, 骨盆有限元模型, 内固定器械, 力学稳定性, 力学参数

Abstract:

BACKGROUND: Open reduction and internal fixation can be used for different types of pelvic fractures, which can reduce the incidence of complications. However, there is a lack of mechanical study on its fixation effect.

OBJECTIVE: To investigate the mechanical stability of different kinds of internal fixations for complex pelvic fractures by finite element analysis.

METHODS: One healthy man was selected. Two-dimensional CT data were obtained by 64-slice spiral CT scan. The data were obtained by medical digital imaging and stored by communication format. The finite element model of the pelvis was established using the software of Mimics, Geomagic studio and Abaqus, and the finite element model of the complex pelvic fracture was established. Three kinds of internal fixators were implanted to treat the pelvic fracture, and then 500 N vertical load was applied to the sacrum. The corresponding mechanical parameters were calculated, and the mechanical stability of different internal fixation methods was compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The displacement of a point in the normal three-dimensional finite element model of pelvis was 0.53 mm, and the stress load was normal, the force displacement of the sacroiliac joint was similar to the previous finite element biomechanical analysis, suggesting that the finite element model was established successfully. (2) Under the vertical load of 500 N, the maximal stress of screw fixation was 440.85 MPa, which was concentrated on the fracture parts. The maximum stress of the reconstructed bone plate was 1 332.56 MPa, concentrating on the nail-plate connection. The maximum force of the outer stent was 1 834.85 MPa, concentrating on the nail-plate connection. (3) Under the vertical load of 500 N, the order of strain distribution, overall displacement, and separation displacement values was as follows: screw fixation < reconstructed bone plate < outer stent (all P < 0.05). (4) These results indicate that the screw fixation obtains the best stability for complex pelvic fractures compared with other methods through finite element analysis. In clinical practice of pelvic fractures, individualized treatment is recommended.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Pelvis, Fractures, Bone, Bone Nails, Internal Fixators, Biomechanics, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王叙进，方诗元，徐磊，杨家照. 有限元法分析不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(27): 4354-4358.

Wang Xu-jin, Fang Shi-yuan, Xu Lei, Yang Jia-zhao. Mechanical stability of different internal fixations for complex pelvic fractures by finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(27): 4354-4358.

图/表（结果） 1

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引言

根据骨盆骨折原因可将其分为高能量骨盆骨折与低能量骨盆骨折，占成人骨折的2.3%-4.2%，占多发伤的25%^[1]，且多数患者为高能量损伤(包括坠落伤、交通伤及挤压伤)引起的不稳定性骨盆骨折^[2]。同时，骨盆骨折患者常伴有严重的合并伤，形成复杂性骨盆骨折，具有较高的临床死亡率、致残率。因此，加强骨盆骨折患者治疗对改善患者预后、降低临床死亡率具有重要的意义^[3]。保守治疗、外固定治疗均为骨盆骨折患者中传统的治疗方法，虽然能满足临床基本治疗需要，但是远期疗效不甚理想，治疗过程中弊端较多^[4]。国内学者研究表明，通过内固定能实现骨盆骨折断端的复位，实现骨盆环的连续性、稳定性，成为复杂性骨盆骨折的首选治疗方法^[5]。

骨盆稳定性的影响因素较多，包括骨盆环、韧带等。国外学者研究表明，在复杂性骨盆骨折中40%骨盆稳定性源于前环结构，60%骨盆稳定性源于后环结构^[6]。由此看出，骨盆环在提高复杂骨盆骨折力学稳定中具有重要的作用。内固定治疗骨盆骨折方法包括螺钉固定、外支架及重建接骨板，不同的内固定方法均有其优缺点及适应证^[7]，且有关不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折力学稳定性的研究尚未见报道^[8]。有限元分析法是一种数学建模方法，能将有机的整体根据研究需要拆分为若干个单元，再利用合成软件进行装配，实现每一位单元的独立研究^[9]。同时，有限元分析能获得与真实材料更加接近的物理参数，完成对某一个整体性能的研究^[10]。目前复杂性骨盆骨折内固定治疗方法较多，但是其力学稳定性尚缺乏验证。课题以2017年10月到安徽省立医院体检的健康男性1名作为对象，探讨不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性并进行有限元分析，报道如下。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2017年10月在安徽省立医院完成。

1.3 对象 选择2017年10月在安徽省立医院体检的健康男性1名作为观察对象，32岁，身高173 cm，体质量62 kg。

纳入标准：①志愿者经过影像学检查最终证实无肿瘤、畸形、骨折等骨质破坏；②能遵循医嘱完成相关检查、体检；③签署知情同意书。

主要仪器：64排螺旋CT(GE公司，美国)，Mimics 10.01(Materialise公司，比利时)，通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1(SIMULIA公司，法国)，UG软件(Unigraphics NX，Siemens PLM Software Texas，USA)，三维图像后处理软件(Geomagic Studio12，Geomagic公司，美国)，计算机(惠普)。

1.4 方法

1.4.1 CT数据的获取志愿者入院后行常规CT检查，采用64排螺旋CT对其行常规扫描，设置层厚1 mm，扫描范围从L₁达到股骨小转子层面，从而获得二维CT数据，并将获得的数据、图像以医学数字成像、通信格式进行存储^[11]。

1.4.2 骨盆三维有限元模型建立将获得的数据传输到Mimics 10.01软件中，利用软件功能按钮构建志愿者三维骨盆结构，将能获得的数据、图像以STL格式进行存储、备用。同时，将STL格式数据传输到三维图像后处理软件(Geomagic Studio 12)软件中，完成三维图像的空间拓扑信息，构建栅格网，完成曲面拟合，获得实体化三维模型^[12]。

1.4.3 有限元模型建立将实体化三维模型数据传输到通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1软件中，结合人体骨盆属性等对材料进行装在、赋值，尽可能与人体骨盆性质相同^[13]，见表1。将骶骨与左、右髋骨进行重命名，避免在模型复制中发生错误，重命名完毕后将不同部分的模型放置在一起，在Abaqus中点击装配命令，完成骶骨、耻骨、左右侧髋骨的安装，最后向骨盆周围添加韧带，保证韧带的位置与实体模型位置相同，见图1^[14]。

1.4.4 施加载荷有限元模型建立完毕后对骨盆骶骨面进行加载，确定骶骨上作为加载面，加载量为500 N，计算加载压强为4.2 N/mm²并将获得的数据输入模型中完成边界的约束，模拟志愿者双足站立骨盆所受力，固定髋臼，完成加载、约束后进行初始步与“step-1”，上述操作步骤完成后提交Job工作完成对所有数据模型的检查，分析模型应力、位移、移位情况，完成骨盆三维模型建立^[15]。

1.4.5 复杂性骨盆骨折模型建立及内固定方法 ①建模方法：复杂性骨盆骨折前、后环均有损伤，可以为单侧或双侧，为了减少数据量骨折模型建立时以单侧骶髂关节损伤为主，骨折线选择右侧骶髂关节，去除右侧骶髂关节约束及骶髂前韧带、骶结节韧带约束，完成骨盆骨折TileC模型^[16]；②内固定方法：分别取可调式微创接骨板、螺钉固定和张力带接骨板，利用UG软件完成3种内固定方法软件完成内固定器械形态(为了简化模型，避免对有限元分析产生影响，螺钉模型进一步简化，并且建模过程中忽略螺纹形态)，根据每一种固定方法设置不同部分器械材料属性，包括弹性模量、泊松比、刚度系数，在通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1对复杂性骨折进行不同方法内固定。将相同韧带装配到不同内固定装置的骨盆模型中，必须不同内固定方法约束面、加载相同，检查整个模型数据无误后提交，计算相应的力学参数，比较不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性^[17]。

1.5 主要观察指标 ①志愿者正常骨盆力学的有限元分析；②复杂性骨盆骨折不同内固定方法应力分布；③复杂性骨盆骨折不同内固定下应变分布、整体位移、分离位移值。

1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0软件处理，计量资料采用x(_)±s表示，行t 检验，采用通用有限元分析软件Abaqus 6.11-1建立复杂性骨盆骨折模型，P < 0.05提示差异有显著性意义。

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讨论

复杂性骨盆骨折属于是一种相对严重的创伤，具有发病率高、死亡率高、治愈率低等特点，临床上如何选择合适的方法治疗对改善患者预后具有重要的意义^[18-19]。从人体解剖学角度来说，骨盆位于人体中部，属于是一个环状结构，具有力学传导、内脏保护等多种作用^[20-21]。复杂性骨盆骨折内固定治疗方法包括：螺钉固定、外支架及重建接骨板，2枚螺钉固定同时置入S₁属于常用的内固定方法，被视为最坚强的内固定方法^[22-23]。但是，螺钉固定技术对于医生的专业技能相对较高，且具备相对丰富的临床经验、冗长的学习曲线^[24]。国内学者模拟骨盆后环骶髂复合体结构，涉及出可调式微创接骨板，并且该内固定方法经过生物力学试验得到证实^[25]。张力带接骨板也是复杂性骨盆骨折常用的内固定方法，包括有张力带接骨板、中和接骨板与支持接骨板。目前，由于复杂性骨盆骨折实体标本相对较少，并且单例价格昂贵，诸多具备临床指导意义骨盆骨折无法顺利完成，导致骨盆骨折至今尚未取得突破性进展^[26-27]。

依靠计算机辅助手段针对临床获得数据进行数字化模拟完成生物力学测试成为目前研究的重要方法和手段，使得三维有限元分析法在骨科生物力学研究中发挥了重要的作用。此次研究中志愿者CT数据下建模后正常的骨盆三维有限元模型测量点a点位移为0.53 mm，应力负荷正常生理，并且骶髂关节受力位移与既往有限元生物力学分析相似，课题建立的有限元模型是成功的，能为课题后续研究奠定基础。三维有限元分析是目前研究生物力学的重要方法，通过对骨盆进行建模并且在外力作用下产生相应的应变、应力及位移分布进行准确评价，从而能了解骨盆的受力情况，有助于指导临床治疗^[28-29]。三维有限元分析与实体模型相比具有以下优点：①该方法所需样本数量相对较少(1例患者即可完成有限元模型建立)；②试验结果均由计算机计算获得，结果误差相对较少，受人为因素干预较小； ③具有良好的可重复性，只需要对患者进行CT检查即可^[30-31]。为了进一步验证不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折的力学稳定性，此次课题建立完整的骨盆模型，并且经左侧骶骨、耻骨联合骨折完成复杂骨盆骨折模型建立，建模成功后分别采用螺钉固定、张力带接骨板及可调式微创接骨板进行固定，结果表明，在模型加载500 N垂直负荷下，螺钉固定受最大应力为440.85 MPa，集中在复杂性骨盆骨折部位；重建接骨板最大受力为1 332.56 MPa，位于钉板结合部位；外支架最大受力为1 834.85 MPa，位于钉板结合部位，提示在相同的垂直负荷下螺钉固定所受应力最小，能获得更好的力学稳定性。国内学者研究表明，利用2枚螺钉固定比1枚螺钉固定更加稳定。螺钉固定内固定属于“两点”固定法，固定时螺钉经过3层皮质骨进入S₁椎体内，从而能获得稳定的力学性能^[32]。国外学者通过生物力学结果表明，2枚螺钉固定内固定骨盆后能获得稳定的力学^[8]。可调式微创接骨板主要根据骨盆后环解剖结构设计而成，模拟“吊桥”结构，通过相对较长的螺纹钉固定在两侧髂骨、骶骨中，根据对连杆长度的调节能实现骨折断端的分离，从而能稳定骨盆；张力带接骨板虽然能满足复杂性骨盆骨折治疗需要，但是治疗过程中需要进行预弯接骨板，容易降低钢板强度，甚至会影响螺纹的结构。此次研究中在模型加载500 N垂直负荷下，螺钉固定应变、整体位移、分离位移值均低于重建接骨板和外支架(P < 0.05)；重建接骨板板应变、整体位移、分离位移值均低于外支架(P < 0.05)。因此，复杂性骨盆骨折患者治疗过程中应加强患者影像学检查，了解骨盆骨折的位置、性质及类型，根据每一位患者实际情况选择合适的内固定方法，从而获得稳定的力学性能，降低术后并发症发生率，使得患者的治疗更具合理性、科学性^[33]。

综上所述，将螺钉固定内固定技术用于复杂性骨盆骨折中能获得良好的稳定性，更加接近正常骨盆；利用有限元分析能反应不同内固定方法治疗复杂性骨盆骨折力学稳定性，临床治疗时应根据每一位患者实际情况选择合适的内固定方法，使得患者的治疗更具科学性、合理性。

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