2.1   两种组合螺钉固定骨盆后骨盆应力云图   关于两种不同螺钉固定方式的力学计算，皆是借助Abaqus软件进行完成，进而绘制骨盆应力云图。两种不同组合式骶髂空心通道经螺钉固定后，骨盆所受应力损伤侧超过健康侧，见图2。



2.2   各组三维有限元骨盆模型的应力情况   凭借应力云图能够获悉，两组骶髂空心通道钉固定骨盆后都能够有效恢复骨盆生物力学的传导方向，且进一步分析可总结出，在S1处不管是置入1枚螺钉还是置入2枚螺钉，骨盆应力都小于双节段螺钉固定应力，且最大应力都位于骨折端皮质骨上，见图3，表2。



2.3   各组三维有限元骨盆模型的位移情况    该部分主要对骨盆模型位移情况作出分析，实验中为精确测量其位移量首先在S1上终板上垂直施加600 N载荷，前提条件骨盆需处于静态，此状况下不同的三维有限元骨盆皆产生应变。根据位移情况可得知，S12枚+S21枚组固定方式优于S11枚+S21枚组，见图4、表2。



2.4   两种固定方式螺钉应力分布及形变情况   凭借骶髂关节空心螺钉进行骨盆的固定，经常会发生固定钉的疲劳现象，进而造成固定钉的松动及螺钉断裂，所以对螺钉固定骨盆后螺钉的应力及形变量进行了认真计算。实验结果显示：①S11枚+S21枚组螺钉的最大应力可到达14.53 MPa，形变量约为0.088 2 mm；②S12枚+S21枚组螺钉的最大应力和形变量分别为12.35 MPa和0.081 11 mm，见图5，表2。

有关螺钉的数目和所受的应力两者存在紧密的关联性，通过分析螺钉应力图得知其呈正比关系，螺钉的抗疲劳能力愈强，则术后螺钉发生断钉的概率就会越低。此外，凭借进一步分析还能够总结出：螺钉数目愈多螺钉的形变量愈小，进而螺钉形变愈发稳定。

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在临床治疗中高能创伤是导致骶髂关节脱位的主要原因，如交通事故、跌落等都会导致骶髂关节脱位[1]。当人体骨盆环受到的力远远超过其承受范围时，会使骨盆周围的韧带和关节囊受到严重损伤，骶髂关节在力的作用下缺少相应的保护出现脱节。骶髂关节是微动关节的一种，可以在6个自由度的限制内产生耦合位移。骶髂关节处于众多韧带的保护中，诸如骶髂前、后韧带、骶髂骨间韧带、骶结节韧带及骶棘韧带等[2-4]。骶髂前韧带是一条宽而细的纤维束，在骶髂关节上部连接着骶骨骨盆表面外侧和髂骨耳郭表面前缘及耳前沟[5]。骶髂后韧带由两部分构成，分别是骶髂后部分一长一短2条韧带，其中短韧带是接近水平的状态，长韧带则具有一定的倾斜角度，共同从骶骨外侧嵴向髂骨延伸。位于关节软骨后方、骶骨转子与髂骨转子之间的骶髂韧带，由大量短而强的纤维束组成。骶结节韧带是一条部分与骶髂后长韧带融合且起始点较宽的强韧纤维束，由上而下连接着髂后上棘部分、髂嵴后部分和坐骨结节。骶骨韧带整体呈现扇形分布，韧带底端自骶尾骨侧面至坐骨棘、坐骨大小孔与骶结节韧带深面之间，其后部与阴部神经相交。骶髂前韧带因该韧带结构薄弱，对骶髂关节稳定性影响较小；骶髂后韧带及骶髂骨间韧带构成骶髂后韧带复合体，可以阻挡剪式应力及髂骨内旋，防止骶骨前移；骶结节韧带对限制骶骨的腹侧倾斜有一定的作用；骶棘韧带不仅可限制骶骨的角位移也可限制骶骨的垂直位移。

TAN等[6]基于患者骶髂关节脱位方向和是否存在合并髂骨、骶骨骨折情形，将骨折临床特征划分成４类：①Ⅰ类(前脱位)，骨折发生在髂后骨骼，造成关节向前发生脱节；②Ⅱ类(后脱位)，从髂后翼到骶髂后关节出现的骨折脱位；③Ⅲ类(新月形脱位)，髂后翼向上脱位并经髂后翼形成半月形状的骨折，主要有3个类型，ⅢA类，骨折位置经过髂骨但受损未达到骶髂关节前1/3关节面同时伴有上方大的新月型骨折块；ⅢＢ类，经髂骨骶髂关节中1/3关节面的骨折脱位；ⅢC类，髂骶关节后1/3关节面骨折脱位，且伴有轻微的新月形骨折块；④Ⅳ类(经骶髂关节脱位)，骶髂关节脱位由骶骨骨折造成。由于骨盆治疗技术的持续发展，逐渐表现出个性化与微创化的趋势，但是，骶骨解剖结构的特点造成骶髂关节螺钉置入不易实现，甚至会对骨皮质造成破坏，从而损伤处于骨质层保护下的相关器官[7]。由于骶髂关节对稳定骨盆环有重要作用，其骨折或脱位在手术上具有挑战性，如果处理不当，此类损伤可能会导致疼痛、肢体缩短、神经损伤，以及术后性功能和排尿功能障碍[8-9]。不良结果与骨盆损伤的固定不当直接相关，固定不当可能会因接骨失败和丧失骶髂关节复位而导致长期功能障碍。由于骶髂关节螺钉固定提供了关节的稳定性和微创效果，骶髂关节在S1用骶髂关节螺钉固定得到了广泛的应用[10]。基于骨盆的固定治疗选择使用骶髂空心通道螺钉同样也存在固定疲劳现象，螺钉使用的数量与骨盆骨折的程度存在较大关联性，临床研究中应将螺钉使用数量作为研究重点[11]。针对固定后的稳定性这一问题大量学者进行了相关研究，认为可延长螺钉长度贯穿皮质骨来达到上述要求。几乎没有学者凭借有限元的方法，对比分析普通长度螺钉通过调整数量变化组合方式来固定骶髂关节骨折脱位。该文凭借对人体双足站立位进行模拟，把螺钉组合方式划分成了2种，第1种是分别于S1置入2枚直径6.0 mm的螺钉、S2置入1枚直径6.0 mm的螺钉加以固定；第2种是S1置入1枚直径7.3 mm的螺钉、S2置入1枚直径6.0 mm的螺钉加以固定，对比2种螺钉固定方式与正常骨盆的应力，以及两种方式螺钉固定后螺钉所受应力。
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

1.1   设计   两种不同组合方式螺钉固定骶髂关节脱位的有限元分析。
1.2   时间及地点   实验于2020年3月至2021年3月在江西省人民医院骨科实验室完成。
1.3   材料   挑选1具防腐处理成人尸体标本(南昌大学解剖教研室提供)，标本自L4上缘至双股骨中下1/3交界处截断，剔除肌肉及软组织，保留左侧前面的骶髂前韧带及后面的骶髂骨间韧带、骶髂后韧带及骶棘韧带，刮掉右侧骶髂关节一切韧带。行骨盆正位、侧位、入口位、出口位X射线透视，排除骨盆疾患。制作成后环损伤模型。

文中借鉴的空心通道螺钉具体信息，见表1。

文中所用软件：①三维重建软件Mimics 19.0：Mimics 19.0 软件是一种能够将数据转化为三维图像的工具，能够把所扫描得到的二维平面CT 数据，变换为三维图像，且还能够对图像实施填充、分割及骨折处的复位等处理。借助Mimics 软件建模可以对模型进行数据校准，从而能够有效降低受力不均所导致的实验数据误差，妥善处理有限元分析因模型所存在的瑕疵，最终确保表面传导更为均匀。②曲面分析软件Geomagic studio：Geomagic studio作为一款曲面分析软件可用来生成三维有限元模型，这一过程需要获取大量的点云数据，在该项实验中对于NURBS曲面也可使用该软件进行自行修复。③三维模型设计软件UG：UG画图软件功能极为强大，能够进行多种类型的建模，如实体和特征性建模，此外，还可对所设计的模型实施仿真分析。④自动划分网格有限元软件Hypermesh 14.0：Hypermesh 14.0软件主要被用以有限元建模，通常存在处理速度快、质量高、可以有效缩短工作时长、降低建模的重复率等优点，为后续的有限元分析计算打下良好基础。⑤有限元素法软件Abaqus：Abaqus是一种工程模拟软件，能够实现单元性和多元性互换，在对复杂曲面进行分析时需以简单线性条件为出发点，进而参与到相应的力学运算；另外，该系统不仅包含单元库，而且也涉及到材料模型库，能够对材料和人体器官进行确切模拟。
1.4   实验方法   
1.4.1   原始图像的采集   采用的X射线扫描设备是64排螺旋扫描双源CT机(江西省人民医院影像科)，扫描L4上缘至双股骨中下1/3部位。使用螺旋CT扫描技术时对层厚、螺距以及矩阵都有着确切的要求，分别为≤1 mm、≤1、512×512，格式以DICOM格式为主，其不仅能够确保转换过程中数据的完善度，而且还能够实现医学数据和图像的交换，除此之外后期的数据格式转化也极为便捷。

严格按照实验要求为确保数据不发生丢失和损坏，实验采用(DICOM)格式保存获取的骨盆数据，并备份光盘资料或U盘资料。
1.4.2   骶髂关节脱位的建立   基于正常骨盆的三维有限元模型，去除右侧骨盆所有支持韧带，以获得单侧骶髂关节(右侧)脱位模型。
1.4.3   骶髂关节脱位骶髂空心通道螺钉的制备   实验中选择使用UG 10.0三维画图软件进行绘制骶髂空心通道螺钉，钉帽长和直径分别为85 mm和7.3 mm(或6.0 mm)，构造及格栅后选择STL格式进行保存。图1为骶髂关节脱位骶髂空心通道螺钉的制备图。

1.4.4   两种固定方式有限元模型的装配   把得到的螺钉数据以STL的格式进行存储，并导入至Mimics 19.0软件中，凭借旋转、移动等处理，把已进行模拟处理的右侧骶髂关节脱位模型，依次和两种不同组合式的骶髂空心螺钉加以组装，并对骨盆出口位、入口位螺钉进行检查，确保是否固定有效。两种不同组合式中，一种为S1置入2枚直径6.0 mm的螺钉+S2置入1枚直径6.0 mm的螺钉(命名为S12枚+S21枚组)，另一种S1置入1枚直径7.3 mm的螺钉+S2置入1枚直径6.0 mm的螺钉(命名为S11枚+S21枚组)。
1.4.5   两组螺钉固定后骨盆有限元模型的加载和约束   基于人体正常的骨盆结构可选择本模型进行模拟，对于后环复合体韧带选择使用弹性单元进行替代。有关赋值材料不但能够用以模拟耻骨联合间软骨，而且还能够用以模拟骶髂关节间软骨，再借助螺钉固定骨盆。于Abaqus软件中Boundary Condition中选择双侧髋臼边缘为约束条件，于S1上终板垂直上方选择一个点和椎体表面实施耦合链接，同时设置垂直方向下的载荷，约600 N，实现骨盆骶骨面的加载，最后采取Job求解。
1.5   主要观察指标   各组模型的骨盆最大应力、螺钉最大应力(抗疲劳程度)、模型整体位移值及螺钉形变量。

单侧骶髂关节脱位通常是高能量损伤所造成的，且骶髂关节的损伤还可能造成骨盆生物力学的不稳定及神经、血管损伤的风险[12-13]。骨盆固定选择骶髂空心钉不仅能够保障其对抗垂直剪力，而且还能够有效提供所需扭力，对于治疗骶髂关节骨折脱位效果极佳[14]。单侧骶髂关节脱位若不采取坚强内固定很容易致使后骨出现损伤，再加上骨骼相互之间不连接很容易引起其他并发症，如骶髂关节功能障碍和腰痛[15-16]。基于此，第二军医大学附属医院的著名教授杨鹏等[17]对此进行了深入研究，其认为在对骨盆进行固定时选择使用3D打印导板效果会更佳，该技术不仅能够有效减少手术时间，而且还能够精确定位，避免出血过多导致神经损伤，为避免出现术后二次损伤，一方面要对手术进行预演，另一方面还需提前确定合适的内固定物。医学科学的飞速发展为医学技术创新提供了强大的支持，推动骨折内固定今后的发展向智能化、微创伤方面靠近。
3.1   两种不同组合螺钉固定骶骨的三维有限元比较   实验通过有限元分析模拟单侧骶髂关节脱位(右侧)，分别采用两种不同组合方式的螺钉进行固定，在对生物力学进行计算时多使用有限元法，有关力学方面还需与正常骨盆模型进行比较。基于正常骨盆应力走势可通过力云图进行获取，以骶骨经骶髂关节基准点，经双侧髋臼上壁边缘传至双下肢股骨。针对骨盆的固定，以上两种方式中骨盆应力方向基本趋于一致，此两种组合方式都需借助螺钉加以固定，最后确保骨盆应力传导逐渐恢复正常，不同的骨盆模型中均具有骨盆应力，且都作用于骶骨上壁边缘，应力较小的部分多以骶骨联合处为主，最终的实验结果并无太大差异。在对骨盆进行固定时选择使用空心通道螺钉具有较佳的抗垂直剪切力，前提条件需要将周围的血管和神经走形区分开来，临床医者使用螺钉固定的过程应循序渐进，做到稳扎稳打，避免固定后出现异常状况，如骨盆失稳或者畸形愈合、螺钉的高应力等，避免术后螺钉的松动与断裂。凭借此次实验结果可得知，双节段S1 2枚螺钉固定联合S2 1枚螺钉固定时，螺钉应力和骨盆应力较双节段S1和S2各固定1枚螺钉的更优，应力更为分散，进而能够有效降低螺钉的疲劳程度。
3.2   两种内固定治疗单侧骶髂关节脱位的安全性   在骨盆骶骨椎体上同时固定多根螺钉，此技术一直以来备受国内外专家的重视，对此也进行了大量的相关研究。有研究显示S1椎弓根的平均宽度与患者性别存在较大的关联性[18]，就女性而言其平均宽度和高度分别为22.41 mm和20.32 mm，相比较于男性最窄宽度和高度略小，通过上述分析在对骨盆骶骨椎体进行固定时同样需要2枚螺钉，这与患者性别无实质关联性，这同样也为实验中在骶骨S1固定提供了相应的依据。针对S1最窄处的宽度和高度，男性患者仍大于女性患者，男性的平均宽度和高度分别19.09 mm和16.70 mm，女性的平均宽度和高度分别为15.81 mm和13.72 mm，从而可以判定在S1同样可进行螺钉固定。随着医学技术的不断创新，与外科手术相关的辅助技术也逐渐完善，其中最为常见的当属导航和计算机，今后还会逐渐朝着机器人和3D打印技术等方面发展[19]。基于患者骶髂关节的固定，对于选择空心钉的长度、直径有着确切的要求，在术前可借助上述相关技术进行精确选择，在实验过程中也可借助Mimics软件观测骶椎的固定情况，是否会对破骨皮质造成影响。
3.3   骶髂关节骨折脱位的手术治疗   在骨盆骨折中骶髂关节骨折脱位现象最为常见，其极具不稳定特性而且伴随着多种并发症，失血性休克多有发生，有着极高的致死率[20-21]。KIM等[22]对骨盆骨折死亡率进行分析，发现其最高可达到54%，对于抗休克症状选择栓塞治疗最为合适。ROMMENS等[23]通过分析骶骨棒固定手术最终总结出：此术式存在创伤小、安全且简单等特征，然而也存在一定瑕疵，主要体现在适用范围较窄，仅适用于骶骨前方韧带结构完整者，不能应用于双侧骶髂关节脱位或骨折，体型瘦弱的患者常由于内固定突出于皮下而引起不适感。骶髂关节前路钢板内固定可解剖复位，在垂直方向的固定牢固但抗旋转差，不能早期下地活动且手术创伤大、操作复杂、出血多，易损伤骶髂关节附近的L4、L5神经根[24]。目前国内外常用的骶髂关节处骨折脱位固定方式分为以下几种：骨盆外固定支架固定、骶骨棒固定、骶髂关节前、后方接骨板固定、腰骶髂联合固定(如“π”棒固定)[25]。

骨盆外固定支架作为一项固定技术，其不仅操作简单，而且安全性能相对较高[26]，在临床手术中其应用价值极高，在急诊急救时若骨盆骨折并伴有合并多发伤，选择骨盆外固定支架最为恰当，同时也更能彰显其优越性。骨盆外固定支架一方面有助于改善骨盆内容积，另一方面还有助于稳定前环骨折，除此之外对于血流动力学也能够进行良好改善，有助于提升脏器功能的活性[27]。对于骶骨棒固定手术的要求极高，首先对于骶骨棒加压速度进行精准控制，其次是避免骶神经受加压影响造成损伤，对于双侧骶髂关节出现严重的骨折脱位则不适用于此方法。仅仅选择骶骨棒进行固定的效果相对较差，主要原因在于其不具备复位效应，其次则是骨盆抗剪力方面的薄弱，这对髂后上棘完整度要求较高，因此临床应用价值较低。骨板固定时若为骶髂关节前方则需在直视下操作，在对骶髂关节脱位进行复位后还需判断其效果，为最大程度对神经根进行减压间隙植骨最为贴切，同时还能够对骶髂关节相关的软组织进行保护，从而避免出现皮肤坏死，这是确保骶髂关节骨折手术的重中之重。术中之所以会出现出血现象，主要原因在于软组织被剥离。剥离骶骨翼受骶髂关节对解剖结构影响较大，合理控制剥离的速度和数量更有助于保障L5神经根和内侧腰骶干，接骨板与骶骨翼整体差异不大，在用螺钉进行固定时其放置空间相对较小，大约有2 cm，骨折术后应做好保护措施，避免从事负重作业。从医源性角度对该技术进行分析其不仅创伤性较大，而且还伴随着较多的并发症，除此之外其还极容易导致血管和神经损伤。有关骶髂关节前方的接骨板包含多个部分，最为重要的当属“T”形接骨板 和“八”字接骨板，其次则是重建的接骨板[28]。张力带接骨板主要应用于骶髂关节后方，其生物力学稳定性与“箍桶”大致相同，在固定时皆是以“中心性”为准，也能较好地提供力学稳定性[29]。但对后方接骨板进行手术时，接骨板矫形是最难的一环节，在对其进行取出时极为不易，需要延长切口才能够实现，此外在水平加压和对抗扭转等方面也存在诸多弊端。MATTA等[30]将骶髂关节螺钉作为一种“中心性固定”，与钢板内固定相比此固定强度更甚，在手术过程中不仅创伤较小，而且对感染防护方面保护措施极为全面，能够最大程度降低并发症出现的概率。但其对术中透视要求高，仅适用于骶髂关节骨折脱位早期复位或间接复位良好者，由于需间接复位、透视下操作，置钉较困难，要求术者有良好的解剖学知识及熟练的技能。腰骶髂联合固定(如“π”棒固定)，采取后方背外侧或后正中入路，椎弓根钉置于L5或S1椎弓根内，髂骨螺钉经髂后上棘开孔置于髂骨骨板之间(方向指向髋关节)，把持力及抗拔出力较好，通过预弯的钛棒和横连杆连接形成立体框架结构，固定坚强可靠，可获得良好的复位。整套手术流程相对简单，术中有关骶髂关节上半部也可清晰进行观测到，复位方面也极具可信度；骶髂关节骨折脱位存在单侧和双侧之分，此固定方式皆可使用，总体来讲其具有着良好的复位效果。
3.4   三维有限元分析法在骶髂关节骨折脱位生物力学中的优势   基于患者所实施的螺钉固定试验受医学伦理等方面的影响很容易导致血管损伤，甚至会在患者肢体愈合过程中发生畸形现象。尸体标本的获取极为不易，其不仅来源渠道狭隘，而且成本费用相对较高，实验过程中需要重复用螺钉固定，这不仅会使得固定通道出现异常，而且还会极大程度损伤周围细胞，最后所获取的实验数据也无法得到准确保障，实体实验中有限元分析法也能够很好地规避这一弊端。二维形式的骨盆模型就是在此基础上进行构建的，其可作为传统有限元法的升级版，这些模式不能够像三维结构那样直观呈现出骨盆的特性，也无法直观地彰显骨盆在受力情况下的各种应力机制。随着计算机技术的突飞猛进，在20世纪90年代KOENEMAN等借助其建立了第一个有关骨盆的三维有限元模型，然而在使用过程中该模型无法为实验提供强有力的支持，主要原因在于所涉及到的骨盆参数数据不够完善。随着对三维有限元法进行不断的完善，现已被广泛应用于多个医疗科室，具体如骨科和口腔科。三维有限元法具有多重优势，其一，能够有效避免道德伦理方面的问题；其二，能够最大程度降低成本支出，避免实体标本超额；第三，能够对骨盆数据进行重复性验证，可靠性极具保障。有关骨盆模型相关参数也随着医学计算机技术的发展而得以逐步完善，能够满足实验的一系列需求。整体而言，对正常的骨盆数据能够精确地进行模拟，同时对于一些实验骨折标本也能够实现此操作，此外也能够为选择钢板与螺钉型号，提供科学的支持。
3.5   实验不足之处   有限元模型有一定的局限性，没有充分考虑骨盆肌肉和筋膜对其所造成的影响；基于此模型其骨盆涉及到皮质骨和松质骨2个方面，仅仅定性为均质材料而将各个部位的骨骼密度忽略很容易产生力学差异；实验中模拟人体骨盆所受压力的情形较为单一，前后侧屈时未模拟。
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

文题释义：
有限元分析法：是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。
骶髂关节脱位：骶髂关节是由骶骨和髂骨的耳状关节面构成的，为凹凸不平、互相嵌插的耳状关节面，关节囊紧张，并有许多坚强的韧带包裹，活动范围极小，当外力远远超过其承受范围时，会使骶髂关节周围的韧带和关节囊受到严重损伤，骶髂关节在力的作用下缺少相应的保护出现脱位。

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3D打印导航模板技术不但可以显著提升骶髂关节螺钉置钉的安全性与准确性，降低置钉偏差，同时还能够有效抑制神经、血管损伤等并发症，减少手术风险。除此之外，其还具有造价低廉、工艺简单等优点，所以存在着光明的临床应用前景。S1两枚螺钉加S2一枚螺钉3枚螺钉固定骶髂关节抗疲劳程度要优于两枚螺钉固定法。因此，首选3枚螺钉固定法，但若无条件进行S1双螺钉固定时，其最佳固定方法是在S1S2双节段均选择一枚螺钉进行固定。

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