单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的力学分布差异

doi:10.12307/2021.310

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (33): 5254-5258.doi: 10.12307/2021.310

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的力学分布差异

古金山，杨朝晖，栗树伟

山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001

收稿日期:2021-01-18 修回日期:2021-01-20 接受日期:2021-03-10 出版日期:2021-11-28 发布日期:2021-08-02
通讯作者: 杨朝晖，博士，主任医师，山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001
作者简介:古金山，男，1994年生，山西省太原市人，汉族，山西医科大学在读硕士，医师。

Mechanical difference between anterior approach and anterior combined with posterior approach in the treatment of acetabular both-column fractures

Gu Jinshan, Yang Chaohui, Li Shuwei#br#

#br#

Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China

Received:2021-01-18 Revised:2021-01-20 Accepted:2021-03-10 Online:2021-11-28 Published:2021-08-02
Contact: Yang Chaohui, MD, Chief physician, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
About author:Gu Jinshan, Master candidate, Physician, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
髋臼双柱骨折：为Judet-Letournel分型中的一种类型，在AO分型中的典型类型是c1.2型骨折，前柱多段骨折延伸至髂嵴，超过一半的患者有较大的后柱骨折。
死亡冠：是Stoppa或改良Stoppa入路中经常遇到的血管，位于耻骨联合外4-6 cm处，关于其来源尚无统一定论，目前为止大多数学者认为“死亡冠”是闭孔血管与髂外或腹壁下动静脉的异常吻合支。由于“死亡冠”两端连接着大血管系统，在经前入路行髋臼手术时应当警惕。
背景：对于移位较大的髋臼双柱骨折，手术是其治疗的金标准，但目前针对髋臼双柱骨折的手术治疗方式存在较大争议，尚无一致定论。
目的：利用有限元方法建立髋臼双柱骨折内固定有限元模型，分析比较单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折时力学分布差异性，从力学角度为临床治疗提供新思路。
方法：选取1名成年男性志愿者进行骨盆CT扫描，将CT扫描得到的骨盆髋臼数据导入Mimics，Geomagics和Hypermesh等软件对其进行处理，并在ABAQUS中分别建立髋臼双柱骨折模型、单一前路固定髋臼双柱骨折及前后联合入路治疗髋臼双柱骨折内固定有限元模型，比较在两种不同内固定方式时，髋臼双柱骨折内固定系统的生物力学差异性。
结果与结论：①在两种髋臼双柱骨折内固定模型中，髋臼的应变位移量无显著差异；②单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，最大应力集中在髋臼前柱、髋臼顶及四方区；③前后联合入路固定髋臼双柱骨折模型中，应力均匀分布，最大应力集中在髋臼顶，四方区应力明显减小；④单一前路固定髋臼双柱骨折模型的股骨颈最大应力大于前后联合入路固定髋臼双柱骨折模型；⑤结果表明，在单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，后柱未产生额外应力，但在四方区及股骨颈应力更加集中，且大于前后联合入路固定模型；因此对于经前路固定稳定的髋臼双柱骨折，不需要额外经后路固定髋臼后柱，但对于有创伤性股骨头坏死倾向、下肢力线畸形、骨质疏松老年患者或极度肥胖患者，采用前后联合入路方式为佳。

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

关键词: 髋臼, 骨折, 骨折固定术, 内, 生物力学, 有限元分析, 双柱, 前入路, 联合入路

Abstract: BACKGROUND: Surgery is the gold standard for the treatment of both-column acetabular fractures with large displacement, but the surgical treatment for both-column acetabular fractures is controversial and there is no consensus.
OBJECTIVE: The finite element model of acetabular both-column internal fixation was established by using the finite element method to analyze and compare the difference of mechanical distribution between anterior approach and anterior combined with posterior approach in the treatment of acetabular both-column fractures, and to provide new ideas for clinical treatment from the perspective of mechanics.
METHODS: An adult male was selected to undergo pelvic CT scan. The CT scan data of pelvic acetabulum were imported into Mimics, Geomagics and Hypermesh software for processing. Acetabular both-column fracture model and finite element models of single fixed anterior acetabular both-column fractures and anterior combined with posterior approach in the treatment of acetabular both-column fractures were established in the ABAQUS. The biomechanical differences of the internal fixation system for acetabular both-column fractures under two different internal fixation methods were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the amount of acetabular strain displacement between the two types of acetabular both-column fracture internal fixation models. (2) In the model of acetabular both-column fracture with single anterior fixation, the maximum stress was concentrated in the anterior acetabular column, the top of the acetabulum and the quadripartite area. (3) In the model of acetabular both-column fracture fixed by anterior combined with posterior approach, the stress was evenly distributed; the maximum stress was concentrated at the top of the acetabulum, and the stress in the quadripartite area was significantly reduced. (4) The maximum stress of femoral neck in the model of acetabular both-column fracture fixed by a single anterior approach was greater than that in the model of acetabular both-column fracture fixed by a combined anterior and posterior approach. (5) The results indicate that in the acetabular both-column fracture model with a single anterior fixation, no additional stress was observed in the posterior column, but the stress was more concentrated in the quadrisquare zone and the neck of the femur, and more than in the model with combined anterior and posterior approach. Thus, the additional posterior fixation of the posterior acetabular column is not necessary for the stabilization of the acetabular both-column fracture by anterior fixation. However, for the elderly patients with traumatic femoral head necrosis tendency, lower limb line deformity, osteoporosis or extreme obesity, the combination of anterior and posterior approach is preferred.

Key words: ">acetabulum, , ">fractures, fracture fixation, internal, biomechanics, finite element analysis, both-column, anterior approach, combined approach

中图分类号:

古金山, 杨朝晖, 栗树伟. 单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的力学分布差异[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5254-5258.

Gu Jinshan, Yang Chaohui, Li Shuwei. Mechanical difference between anterior approach and anterior combined with posterior approach in the treatment of acetabular both-column fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(33): 5254-5258.

图/表（结果） 7

2.1 髋臼有限元模型的应力和位移变化在整个模型中，内固定系统的应力分布情况是研究的重点。单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，内固定物应力集中在前柱及四方区，最大应力为17.30 MPa；前后联合入路模型中，内固定物应力均匀分布于前柱、四方区及后柱，最大应力为37.07 MPa，见图3，表2。从应变云图中可发现，骨盆上方应变位移量较大，应变位移变化趋势均为自近端至远端逐步变小，符合受力的一般特点，见图4。从应变位移数值来看，单一前路固定髋臼双柱骨折时，髋臼后柱应变位移量为0.033-0.119 mm，前后联合入路固定髋臼双柱骨折时，髋臼后柱应变位移量为0.035-0.121 mm，见表2，说明两种内固定模式均能达到稳定效果。从上述力学分析中可看出，在两种模型中，内固定系统应力集中均出现在钢板及螺钉处。髋臼应力分布区域基本一致，但在单一前路固定模型中应力略小。从应力及应变位移分布图可看出，当前路固定稳定时，髋臼后柱受力无明显增加，内固定系统无明显移位倾向。

此外，对股骨进行力学分析时发现，在两种内固定方式中，虽然股骨头及股骨颈应变位移无显著差异，但在前后联合入路方式中，股骨颈应力承载区域应力明显减小，说明前后联合入路的固定模式对下肢生物力学曲线有明显的改善，且可降低股骨颈处应力集中现象，见图5，6。

2.2 典型病例病例1采用单一Stoppa入路治疗髋臼双柱骨折，行单一前路固定后取得满意疗效。从术后CT三维重建及断层扫描中可明确看到骨折达到满意复位标准，无需再行后路固定治疗。术后1年复查X射线片显示：骨折愈合良好，股骨头无坏死迹象，见图7。

病例2术前闭孔斜位X射线片中可看到“反马刺征”，见图8，为髋臼双柱骨折的又一典型影像学表现。
病例2采用Stoppa+K-L联合入路治疗髋臼双柱骨折，从术后CT三维重建及断层扫描中可明确看到骨折达到满意复位标准。术后1年复查X射线片检查显示：骨折愈合良好，股骨头无坏死迹象，见图8。
通过临床实践发现，单一前路与前后联合入路均能对髋臼双柱骨折进行满意复位及内固定，术后均可恢复髋臼稳定性，对比术后影像学发现髋臼后柱骨折复位效果无显著差异性，两种手术方式均能达到满意的预后效果。

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(责任编辑：WJ，ZN，ZH)

引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟，三维有限元分析试验。
1.2 时间及地点于2021年1月在山西医科大学第二医院骨科完成。
1.3 对象选取1名来自山西医科大学第二医院体检的健康成年男性志愿者，29岁，体质量70 kg。另收集2例于2020年3月在山西医科大学第二医院采取两种内固定方式治疗髋臼双柱骨折的典型临床影像学资料用于结果验证。试验获得山西医科大学第二医院医学伦理委员会批准，批准号：(2021)YX第(031)号。
试验所需仪器和软件均由山西医科大学第二医院影像科提供，包括64排螺旋CT(德国Siemens公司)，Mimics 17.0医学建模软件(比利时Materialise公司)，Geomagic Studio 2013软件(美国Geomagic公司)，Hypermesh 14.0软件(美国Altair公司)，Abaqus 6.13软件(美国Dassault公司)。
1.4 方法
1.4.1 髋臼及内固定模型的逆向重建利用螺旋CT扫描机获得正常骨盆数据，三维重建并设计及路两种治疗固定方式。并对髋臼模型和内固定物进行网格划分网格类型为C3D10M，股骨网格尺寸为1.5 mm[14]，内固定物网格尺寸为1 mm。研究过程中将所涉及到的髋臼材质认为是各向同性且均质的材料属性，且该种做法已被前人证明对仿真结果基本无影响[12，15-16]，具体材料属性见表1。

1.4.2 髋臼有限元模型的建立将上述处理好的模型导入
ABAQUS软件中，对髋臼与内固定物进行装配，分别建立3种模型：①髋臼双柱骨折模型，见图1；②单一前路固定髋臼双柱骨折的模型，见图2A；③前后联合入路固定髋臼双柱骨折的模型，见图2B。根据正常人体骨盆髋臼的运动对模型进行边界条件和载荷的设定。为简化模型的运算，将内固定物与髋臼之间设定为绑定约束，参考以往文献的方法进行内固定修复[17-21]。施加载荷时应符合人体实际受力，正常运动状态下，人体股骨头受到的外部载荷为正常人体质量的两三倍。至此，髋臼有限元模型建立完毕。
1.5 主要观察指标模拟人体站立的生理姿势，模拟重力方向，由上向下加载载荷，大小为600 N。取髋臼骨折线上各节点组成骨折线路径，测量骨折线路径上各节点的位移大小，比较两种内固定模式中髋臼区应变位移及应力分布变化。结合临床实际病例验证有限元分析结论合理性。

讨论

试验依据临床实际操作情况，构建了单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的两种三维有限元模型，在施加相同条件负载的情况下，对其进行生物力学分析及对比。研究发现，在两种髋臼双柱骨折内固定模型中，髋臼的应变位移量无显著差异，说明两种内固定方式均能达到相同的稳定作用，这与临床实际相符[22-25]。在前后联合入路固定髋臼双柱模型中，最大应力出现在前方髋臼顶处，该结果与人体正常站立时髋关节受力分布相仿。有学者认为，髋臼的后柱在髋臼区承重方面发挥了巨大的作用[26]，由于坐骨周围附着韧带牵拉作用，股骨头推顶后柱发生向内、向后移位[27-28]。试验发现与之相符，在前后联合入路固定髋臼双柱骨折模型中，髋臼后壁和髋臼后柱的内固定区呈现出更大的应力，可能是螺钉在对抗压力时产生应力集中，说明固定髋臼后柱的螺钉钛板在承重时发挥着固定作用，与股骨头的推顶力相对抗。
在单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，应力集中分布在髋臼前柱、髋臼顶及四方区，并且该模型在四方区的最大应力分布点多于前后联合入路固定模型，说明在单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，四方区的组合钛板及螺钉在阻挡骨块向内侧移位时承受着更大的对抗力。对于存在四方区骨折的骨质疏松患者，由于骨量减少、骨质较差，螺钉置入困难[29-30]，在行内固定手术时常发生退钉、螺钉松动、钛板拔出等内固定失效现象，而四方区的解剖复位是髋臼预后功能恢复的关键[31]。因此，对于存在骨质疏松的髋臼双柱骨折患者，单一前路固定方式应该慎重选择。
另外，在试验中发现，单一前路固定髋臼双柱骨折模型中，股骨颈最大应力为9.70 MPa；而在前后联合入路固定髋臼双柱骨折模型中，股骨颈最大应力为7.46 MPa。其原因尚不明确，课题组认为其原因可能为前后联合入路固定髋臼双柱骨折时，髋臼前柱及后柱均接近于正常生理状态，髋关节周围韧带及肌张力更加均衡，因此股骨颈处应力较小。而单一前路固定髋臼双骨折模型中，因髋臼后柱未固定牢靠，后柱仍存在移位倾向，导致力在传导时分布不均，造成股骨颈处应力较大。
试验存在一些局限性。正常情况下，人体髋关节是一个复杂的系统，此次研究所创建的模型忽略了肌肉、韧带和软组织等构造，并没有完全模拟出人体髋关节环境，模型所创建的边界条件也并不能完全代表真实运动，分析结果和真实情况存在一定的差异，所得出的结论仅可从理论上为临床髋臼双柱骨折内固定提供生物力学借鉴。在未来的研究工作中，将进一步完善骨盆模型，增加肌肉韧带建模，使结果更接近真实情况。
试验通过对髋臼双柱骨折经不同手术方式固定后的力学分析及临床实际比较发现：对于大部分髋臼双柱骨折，经单一前路治疗可达到稳定效果，当髋臼固定稳定时，应力在髋臼前柱及四方区均匀分布，未对髋臼后柱产生额外应力。在模拟负重过程中，髋臼应变云图与经前后联合入路治疗髋臼双柱骨折模型相比无显著差异，说明两种治疗方式对髋臼术后稳定性无明显影响。因此，对于经前路固定稳定的髋臼双柱骨折，不需要额外经后路固定髋臼后柱，既可减少对患者的损伤、减少异位骨化等并发症的发生概率，又能为患者在减少诊疗费用的同时获得满意的治疗效果。
在前后联合入路固定模式中，对股骨颈应力改变明显，单一前路固定髋臼双柱骨折模型中股骨颈最大应力大于前后联合入路固定髋臼双柱骨折模型。负载工况下，前后联合入路固定中股骨应力集中现象明显减小，分布相比较均匀，间接提升了整个骨盆及下肢力学的稳定性。因此，对于有创伤性股骨头坏死倾向、下肢力线畸形、骨质疏松老年患者或极度肥胖患者而言，其骨质和力学传递效应不佳，在单一前路治疗中其股骨受应力较大，股骨颈更容易出现应力集中与分布不均，此时采用前后联合入路方式为佳，可降低其股骨颈处应力，有利于患者后期恢复。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

单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的力学分布差异

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