髖臼橫行骨折兩種內(nèi)固定方式的有限元分析

王慶　薛波　安林　毛偉民　葉鵬翰

[摘要]目的比較髖臼橫行骨折兩種內(nèi)固定方式的生物力學(xué)性能。方法利用有限元分析方法，使用計算機(jī)軟件建立髖臼骨折模型。模擬常規(guī)后路兩塊鋼板及Stoppa入路四方區(qū)內(nèi)側(cè)兩塊鋼板固定方式，比較兩種固定方式的生物力學(xué)性能。結(jié)果兩種固定方式中骨折塊的總位移非常接近，表明這兩種固定方式對這類髖臼骨折總的固定效果基本一致。此外，兩種固定方式中骨折塊之間的各方向的相對位移及其位移之差非常小，表明兩種固定方式在前后、內(nèi)外及上下方向的固定效果也基本一致。結(jié)論兩種固定方式生物力學(xué)性能沒有差別，Stoppa人路四方區(qū)內(nèi)側(cè)兩塊鋼板固定方式可代替常規(guī)后路兩塊鋼板進(jìn)行髖臼橫行骨折的固定。

[關(guān)鍵詞]髖臼骨折；后方入路；Stoppa入路；內(nèi)固定；生物力學(xué)

髖臼橫行骨折累及前后兩柱，選擇手術(shù)入路時，通常認(rèn)為需先從移位較大側(cè)進(jìn)入，必要時采用漂浮體位、前后聯(lián)合人路；但由于不能同時復(fù)位固定前后柱，往往導(dǎo)致主要移位側(cè)骨折復(fù)位及固定比較滿意，對次要骨折移位復(fù)位不滿意。另外，髖臼術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較高，且采用不同手術(shù)入路治療髖臼骨折，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率存在差異。

目前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，改良Stoppa入路應(yīng)用越來越廣。改良Stoppa入路顯露范圍非常廣泛，除髖臼后壁外，髖臼前后柱、四方區(qū)、恥骨聯(lián)合及骶髂關(guān)節(jié)處均能良好顯露。因此，采用改良stoppa人路治療髖臼橫行骨折或前柱伴后半橫行骨折應(yīng)是比較理想的入路。

本研究進(jìn)行了髖臼橫行骨折模型的兩種固定方式的生物力學(xué)比較，明確了內(nèi)側(cè)兩塊鋼板固定可以代替后路兩塊鋼板固定，生物力學(xué)性能沒有差別，報道如下。

1.材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

軟件條件：（1）Mimics 17.0用于CT數(shù)據(jù)重建，生成醫(yī)學(xué)模型的三角面片結(jié)構(gòu)，輸出數(shù)據(jù)在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。（2）Geomagie Studio 2013讀入Mimicsl7.0輸出的數(shù)據(jù)，對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、錯誤檢查及優(yōu)化，并重建Nurbs曲面模型。（3）NX 8.5調(diào)整各部件之間的位置關(guān)系，分割模型，裝配內(nèi)固定模型，進(jìn)行手術(shù)模擬操作。（4）Ansysworkbeneh 15.0用于材料賦值，施加載荷，接觸關(guān)系設(shè)定，網(wǎng)格劃分，完成三維有限元模型的建立及分析。

1.2方法

選擇門診就診的健康成年人，通過SIEMENS/SOMATOM Definition flash CT行薄層掃描，共獲取間隔1mm重建厚度lmm，平面分辨率512×512，每像素0.777mm的二維斷層圖像304張，保存為DICOM格式的文件。將DICOM文件導(dǎo)入Materialise公司的Mimics17醫(yī)學(xué)專業(yè)三維重建軟件中并初步建立髖骨各部分的三維模型。把初步建立好的髖骨各部分模型導(dǎo)出stl格式保存。將sd格式的模型導(dǎo)入到Geomagic Studio 2013軟件中，利用曲面重建功能建立各部件的NURBS曲面，所得髖骨各部分的曲面模型以.iges文件格式保存。

依據(jù)內(nèi)固定的參數(shù)，使用Unigraphics NX 8.5三維設(shè)計軟件的草圖功能，分別建立不同內(nèi)固定的草圖，依據(jù)測量出的尺寸數(shù)據(jù)對草圖進(jìn)行標(biāo)注，使建立的內(nèi)固定模型和實(shí)際的內(nèi)固定尺寸一致，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等建模命令建立內(nèi)固定的三維模型。在Unigraphics NX 8.5三維設(shè)計軟件中，利用軟件的編輯功能，對正常的髖骨模型進(jìn)行骨折模型的設(shè)計，參考臨床的骨折解剖結(jié)構(gòu)，利用分割體功能建立髖骨的骨折模型，骨折間保留0.5mm的骨縫。利用Unigraphics NX 8.5三維設(shè)計軟件的裝配功能，建立內(nèi)固定方式的髖骨骨折三維模型，如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行線性有限元應(yīng)力分析。假設(shè)模型中涉及的材料和組織（骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、內(nèi)固定等）均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，各部分材質(zhì)如表1所示；內(nèi)固定和骨骼之間為bonded關(guān)系，相對無滑動；股骨遠(yuǎn)端給予固定約束。應(yīng)用Ansysworkbench 15軟件來進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析有限元模型，本實(shí)驗(yàn)采用了四面體十節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分的方式，每個固定方式的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表2所示。模型載荷大小為2000N，作用于椎體上終板，垂直于終板平面。骨折模型均采用同一種加載方式，保證試驗(yàn)的統(tǒng)一性。

2.結(jié)果

設(shè)定骨折線上方骨折塊為儀；設(shè)定骨折線下方骨折塊為B。固定方式1中骨折塊a最大位移為10.209mm；骨折塊B最大位移為4.0307mm。固定方式2中骨折塊a最大位移為9.9945mm；骨折塊B最大位移為4.1301mm；詳見表3～4、圖1。

3.討論

髖臼骨折患者手術(shù)并發(fā)癥與手術(shù)入路關(guān)系密切。一般來說，擴(kuò)展的髂股入路、聯(lián)合人路或K-L入路的各種并發(fā)癥總發(fā)生率較高；改良Stoppa人路的各種并發(fā)癥總發(fā)生率較低；髂腹股溝入路的各種并發(fā)癥發(fā)生率居中。

對于累及后柱的髖臼骨折，通常使用K-L入路雙鋼板固定技術(shù)，但K-L入路術(shù)中剝離范圍大，易損傷坐骨神經(jīng)、臀上動靜脈等，術(shù)后骨化性肌炎等并發(fā)癥發(fā)生率比較高，而術(shù)后股骨頭壞死發(fā)生率也比較高。自Cole和Bolhofner于1994年報道使用改良Stoppa入路治療髖臼骨折以來，Stoppa入路應(yīng)用越來越廣泛。理論上對于前柱、前壁骨折，以及以前方移位為主的橫形、T形、前柱伴后半橫形骨折等均適用。Stoppa人路的感染率，神經(jīng)損傷，血管損傷，股骨頭壞死及骨化性肌炎等各種并發(fā)癥均比較低。因此，采用Stoppa入路對后柱骨折行復(fù)位鋼板固定技術(shù)是一個比較好的方法。本文進(jìn)行兩種固定模式的生物力學(xué)測試，以評價這兩種固定模式力學(xué)性能優(yōu)劣，為Stoppa入路固定后柱骨折提供理論依據(jù)。關(guān)于髖臼骨折內(nèi)固定的生物力學(xué)試驗(yàn)文獻(xiàn)尚不多，大多為檢驗(yàn)新型鋼板固定效果，兩種固定方式比較的文獻(xiàn)比較少見。

本研究利用TOSHIBA/Aquilion ONE 320排動態(tài)容積CT搜集人體影像學(xué)資料；利用Mimics17.0、Geomagic Studio 2013、NX 8.5和Ansysworkbench 15.0等軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行力學(xué)分析、得出初步結(jié)果。對結(jié)果進(jìn)行分析后可評價另種固定方式的優(yōu)劣。此外，本研究的結(jié)果表明固定方式1和固定方式2中骨折塊a的總位移非常接近：10.209mm-9.9945mm=0.2145mm；固定方式1和固定方式2中骨折塊B的總位移也非常接近：4.0307mm-4.1301mm=0.0994mm；表明這兩種固定方式對這類髖臼骨折總的固定效果基本一致。由表4可見固定方式1和固定方式2中的骨折塊a，B之間的各方向的相對位移及其位移之差非常小。尤其兩種固定方式相對位移之差最大在0.25mm左右，表明兩種固定方式在前后、內(nèi)外及上下方向的固定效果也基本一致。因此，采用stoppa入路對后柱骨折行復(fù)位雙鋼板固定，可達(dá)到類似K-L人路雙鋼板固定的力學(xué)效果。