盆骨重建及三釘釘棒內固定力學特性分析

包釗華，吳明暉，王建東，畢春，鄧國英

（1.201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；2.201620 上海市 上海交通大學附屬第一人民醫院創傷中心）

0 引言

盆骨骨折病死率高，并發癥多，是較為嚴重的骨折[1-2]。最新的骨折臨床調查中發現，隨著交通業和建筑業的不斷發展，每年盆骨骨折患者總量出現上升趨勢，發生率也在逐年增高[3-4]。近十年隨著微創技術的發展，微創內固定復位成為了治療骨盆骨折較常用的手段[5-7]。內固定方式種類多，內固定方式的優缺點和手術適應癥需要進行分析驗證。如何選擇合適的內固定方式仍是骨科醫師面臨的重點和難點[8-10]。通常內固定物的療效可通過生物力學及臨床實驗進行驗證，但其周期長、成本高[11]。逆向建模技術能將實物模型轉化為CAD 模型，對于包括盆骨在內的復雜結構模型建立有重大意義[12]，將其與有限元分析法結合能很好地彌補這一缺陷，此外還能實現針對不同患者提出個性化方案。

目前，有一種通過皮下植入內固定物固定盆骨前環治療不穩定損傷的微創手術方式[13]，提出了以釘棒系統治療盆骨前環骨折方案。目前釘棒系統內固定方式為二釘釘棒系統固定，手術適應性有限，不能很好利用釘棒在任一位置可配置螺釘的優勢。本研究通過逆向及正向建模技術建立高度仿真的盆骨有限元模型，模擬恥骨一側骨折并實現釘棒系統固定，在雙腿站立姿態下分析驗證了三釘釘棒系統對于骨盆生物力學功能的恢復效果、骨折固定的穩定性。

1 盆骨模型三維重建

1.1 骨骼三維建模設計流程

逆向工程是一種實現曲面重構技術的復雜系統工程，研究主要集中在實體重構方面，曲面重建是關鍵[14-15]。依據不同的數據組織方式有不同的曲面重構方法。在工業領域，為了獲得精確模型，主要使用參數化曲面。其中，NURBS 曲面精度高且具有優良的局部形狀控制能力和幾何不變性，在復雜曲面建模技術領域得到越來越廣泛的應用[16-17]。

本研究主要應用于不同固定方案的骨骼生物力學分析，骨骼外形均為不規則的復雜曲面，對精度要求較高，故決定采用基于NURBS 曲面的重構技術。如圖1 所示為NURBS 曲面，基于NURBS 曲線模型可建立其曲面參數化模型，其表達式為

圖1 NURBS 曲面Fig.1 NURBS surface

式中：——控制頂點形成控制網格；ωi，j——權因子；n，m——u，v 方向上基函數的個數。

研究給出了以下三維重構技術方案，技術路線如圖2 所示。首先，利用CT 機對所研究的骨骼部位進行掃描，得到CT 圖像并利用圖像分割技術將其余組織與骨骼進行分離，從而得到所需骨骼部分；隨后把分離出的骨骼部分在Mimics 中生成三角形網格模型，完成后將其轉換為NURBS 曲面模型并導入工業設計軟件；最后在軟件中進行三維正向設計，完成軟組織及植入物設計后進行模型總體裝配。

圖2 骨骼逆向建模技術路線Fig.2 Technical route of bone reverse modeling

1.2 盆骨三維重建

1.2.1 獲取及輸入圖像

使用雙源64 排螺旋CT 對健康志愿者進行全骨盆斷層掃描，掃描范圍從第一腰椎至雙股骨中上段，層厚為1.0 mm，掃描過程中要求志愿者保持靜息狀態，掃描獲得的骨盆CT 圖像數據共319 張，以DICOM 格式保存并輸入Mimics15.0軟件。

1.2.2 圖像分割及重建

需對圖像在Mimics 軟件中進行分割。首先根據骨骼灰度值進行閾值分割，提取出圖像中骨骼部分，默認情況下的灰度值為一般選擇226-1 464 Hu。如圖3 所示為閾值分割后圖像。隨后根據解剖經驗通過布爾運算去除非骨骼部分，并將不同骨骼圖像分離，保證橫向縱向均無相連單元。經過區域增長后獨立分割出單個骨骼，求解出三維模型，并進行平滑處理，以便有限元網格劃分，如圖4、5 所示。各部件分別以STL 格式保存。建模對象主要骨性結構包括兩側髖骨、骶骨。

圖3 閾值分割后盆骨圖像Fig.3 Image of pelvis after threshold segmentation

圖4 區域增長后髖骨模型Fig.4 Hip bone model after regional growth

圖5 平滑處理后髖骨模型Fig.5 Hip bone model after smoothing

1.2.3 盆骨模型曲面生成

將Mimics 生成的骨盆各骨性部件以STL 格式導入逆向工程軟件Geomagic Studio 12，通過刪除表面釘狀物并重新填充，刪除內部不必要的三角形單元修正缺陷。通過曲率探測獲得輪廓線并在其中創建柵格，使其覆蓋整個模型，最后通過擬合獲得NURBS 曲面片，如圖6 所示。

圖6 髖骨曲面模型Fig.6 Hip surface model

1.2.4 軟骨、韌帶正向建模及裝配

將獲得的曲面模型導入UG10.0 軟件中進行裝配。由于模型的數據來自于 Mimics，其坐標位置已經確定，當導入完成后會自動將左右髂骨、骶骨整合在一起。為了得到精確的生物力學數據，將對骨盆力學傳遞有影響的軟骨及韌帶也納入建模范圍。由于軟骨及韌帶在CT 圖像中較難單獨提取，考慮在UG10.0 軟件中依據其解剖結構逐個建立實體模型，最終完成整個模型構建如圖7。

圖7 完整盆骨模型Fig.7 Complete pelvic bone model

2 內固定力學原理及有限元模型建立

2.1 內固定力學原理

盆骨為人體上下肢力學傳遞樞紐，通常認為盆骨主要承受上半身重量，通過髖骨傳遞至股骨。如圖8 所示為其力學傳遞模型。其中，后環承受壓力，前環承受張力。盆骨前環受損后無法提供力學支持，內固定方式旨在重建該力學結構。

圖8 盆骨力學傳遞模型Fig.8 Mechanical transfer model of pelvis

釘棒系統針對前環的整體受力情況，輔助前環承受了兩側股骨間的拉力。二釘釘棒系統實現了這一基本功能，但未考慮對斷裂恥骨支的相對固定，恥骨斷裂處至恥骨聯合部分為欠約束狀態。三釘釘棒系統在此基礎上對斷裂恥骨部分進行固定，在使用釘棒輔助受力的情況下，既實現的斷裂恥骨固定，又能實現前環骨骼本身的受力，增大了前環總體剛度。

2.1 有限元模型建立

將盆骨各部分的幾何模型導入到有限元分析軟件ANSYS17.0 中，對盆骨模型進行網格劃分，并施加載荷及約束，模擬人體正常站立時骨盆上力學情況。由于骶髂關節、雙側恥骨、恥骨聯合間為微動連接，關節面間為接觸連接，設置摩擦系數為0.2，骨與韌帶之間設置為綁定連接。邊界條件及載荷方面，按照正常站立時一般情況進行分析，對完整骨骼模型垂直施加500 N 正向載荷，對雙側髖臼進行固定約束，均限制6 個自由度。根據文獻[18]，對各部分材料進行屬性賦值，材料參數見表1。

表1 盆骨材料數學Tab.1 Pelvic material mathematics

3 結果分析

3.1 正常盆骨力學分析

如圖9（a）所示為正常盆骨雙腿站立下應力云圖分布。從數值分布上可知，坐骨大切跡處所受應力最大，其值為5.40 MPa，而在兩側恥骨支和恥骨聯合處應力數值最小。應力主要集中在骶骨上部、骶髂關節、坐骨大切跡，應力分布趨勢呈對稱分布。應力主要從骶骨部分傳遞至骶髂關節，再沿著髂骨下沿傳遞，兩側應力主要分布于坐骨大切跡附近，四周應力值較小，最后應力傳遞至兩側髖臼處。如圖10（a）所示為正常盆骨雙腿站立下位移云圖分布。雙腿站立位下，正常骨盆的位移分布左右對稱，其中骶中正嵴處的位移最大，為56.3μm。骨盆位移以骶正中嵴為中心，以逐漸減弱的波浪形向外傳導，分析結果符合人體生理特征。

圖9 模型應力分布圖Fig.9 Stress distributions of models

3.2 釘棒內固定下盆骨力學分析

盆骨左側恥骨支斷裂，在兩側髂骨棘及左側處植入螺釘，并通過釘棒固定。對于盆骨釘棒系統內固定模型，其雙腿站立位下的應力與位移呈現出與正常骨盆相似的分布規律如圖9、圖10所示。如圖9（a）所示，骨盆應力在骶骨上部、骶髂關節、坐骨大切跡處相對較高，并向四周擴散減小，應力最大值位于患側坐骨大切跡處，為5.51 MPa。各模型雙腿站立下坐骨大切跡處應力如表2 所示。其中，2 釘固定模型左側應力最大，其應力值超出3 釘固定模型5.6%。從選取的坐骨大切記處應力值可以看出，3 釘釘棒系統固定后盆骨應力與正常骨盆的應力差值較小，固定效果優于2 釘釘棒系統。

表2 不同模型坐骨大切跡處應力值Tab.2 Stress values of ischial notch in different models

雙腿站立位下，三釘釘棒系統內固定呈現出與正常骨盆相似的位移分布規律，其位移分布左右對稱，同樣在骶中正嵴處位移達到最大，最大位移為56.3μm。骨盆位移以骶中正嵴為中心，向骶骨兩側傳遞，經過骶髂關節傳遞至髂骨，然后位移在髂骨處沿著兩條路徑向恥骨和坐骨擴散，一支沿著骨盆環逐漸減小，到髖臼窩處位移減小，另一支經坐骨大切跡擴散至坐骨支及恥骨處。如圖10 所示，恥骨上下兩側斷裂面兩點處總體位移量及相對位移差值均小于1 mm，對骨骼恢復有積極作用。

圖10 模型位移分布圖Fig.10 Displacement distributions of models

4 結語

針對內固定下盆骨生物力學特性問題，本文分析了盆骨外形特點，設計了正向與逆向建模相結合的技術路線，建立了與實際盆骨結構相符的模型，為有限元仿真分析準確性建立了基礎。在此基礎上，針對新提出的3 釘釘棒內固定技術，建立了固定物植入后整體模型，并在ANSYS 軟件中進行仿真。結果表明，3 釘釘棒內固定方式能夠恢復盆骨力學傳遞特性，并且能保證正常站立位置下盆骨斷裂面有較小的位移量，有利于骨骼恢復。本研究提出的骨骼重建及有限元分析方法能便捷地驗證新型骨科手術方式固定效果，為動物實驗及臨床試驗提供數據支撐，具有進一步推廣的應用價值。