前柱伴后半橫形髖臼骨折三種固定的有限元分析△

邵啟鵬 ，蔡賢華 *，吳海洋 ，劉曦明

（1.中國人民解放軍中部戰區總醫院骨科，湖北武漢430070；2.南方醫科大學第一臨床醫學院，廣東廣州510515；3.天津醫科大學研究生院，天津300070）

髖臼前柱伴后半橫行骨折（anterior column and posterior hemi-transverse,ACPHT）主要累及髖臼前柱、后柱、方形區，臨床上其主要治療原則為解剖復位，堅強內固定和早期進行康復功能鍛煉。而方形區位于髖臼內表面，解剖位置深在，骨質薄弱，且周圍毗鄰重要血管神經，這使得切開復位內固定手術難度較大，風險很高［1］。自2005年以來，本科室蔡賢華等［2］采用第一代動力化前路方形區鈦板螺釘系統(dy?namic anterior plate-screw system for quadrilateral area,DAPSQ)治療復雜髖臼骨折，螺釘于方形區表面呈彈性加壓固定，既可阻擋方形區骨塊向內側移位又無螺釘誤入關節腔之虞，取得了滿意的臨床療效。前期課題組通過尸體模型及有限元的方法證實了上述第一代DAPSQ生物力學穩定性安全可靠［3，4］。自 2016年后，課題組在第一代DAPSQ基礎上進行了一系列技術優化，設計出第二代新型DAPSQ（專利號：ZL201621494131.0）供臨床使用，但其生物力學穩定性尚不明確。故本文旨在通過有限元方法比較第二代DAPSQ與其他兩種傳統內固定方式在固定髖臼ACPHT骨折上的生物性能，擬為其臨床應用提供力學依據。

1 資料與方法

1.1 骨盆三維模型建立

選取1名健康成年男性志愿者，予以知情同意，骨盆X線片排除骨折、畸形、腫瘤等病變。本研究獲本院醫學倫理委員會批準（2018024-1）。對志愿者從L5至股骨上1/3進行螺旋CT（德國Siemens公司）掃描（層厚0.5mm），將掃描后的圖像以DICMO格式導入醫學建模Mimics 12.0（比利時Materialise公司）中，數字化三維重建后以STL格式輸出。采用Geomagic studio 2013（美國Geomagic公司）對圖形進行smooth處理。最后利用Hyperworks19.1（美國Alatir公司）劃分網格并調整質量。使用Phillips等［5］研究中的“彈簧單元”方法依次加載髂腹股溝韌帶、骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶結節韌帶、骶棘韌帶。皮質骨、松質骨、關節軟骨、韌帶材料屬性賦值參考既往文獻［6］（表1、2）。所建骨盆三維模型采用四面體網格，總計生成了1 797 936個單元，359 421個節點。并對模型進行有效性驗證：生理載荷600 N下，位移以骶骨為中心向兩側對稱傳導并逐漸減弱；應力從雙側骶髂關節經弓狀線、坐骨大切跡對稱傳導至雙側股骨。這均與既往實驗結果相吻合［7］。

表1 骨盆材料的彈性模量和泊松比

表2 骨盆各韌帶剛度

1.2 內固定有限元模型的建立

髖臼ACPHT骨折取高位前柱型：一條骨折線起自髂前上棘，另一條起自坐骨棘上方平髂恥隆起上緣處［8］。建立三組內固定模型（圖1a～1c所示）：骨折波及髂骨翼部分均采用五孔鈦板固定。DAPSQ組采用第二代DAPSQ固定；DCP組采用雙柱鈦板（dou?ble-column plate,DCP）［9］；ACPPS 組采用前柱鈦板聯合后柱拉力螺釘（anterior column plate and posterior column lag screw,ACPPS） 固定［10］。內固定鈦板為3.5 mm重建鈦板；普通螺釘直徑為3.5 mm，拉力螺釘直徑為6.5 mm，均由常州華森器械有限公司提供模擬。材料屬性模擬為鈦合金，彈性模量110 gPa，泊松比 0.3［11］。

圖1 內固定模型示意圖 1a:DAPSQ組 1b:DCP組 1c:ACPPS組

1.3 有限元模型應力施加

將建立好的有限元模型導入Abaqus 2018軟件中，模擬生理站位于S1椎體加載600 N均布載荷。假設條件：實驗所涉及的材料力學特性為均質、連續和各向同性。

1.4 測量指標

位移測量：取髖臼骨折線上均勻分布的各節點（n=30）組成骨折線路徑，測量骨折線路徑上各節點的平均位移（μm），平均位移越小，表示內固定越穩定。

應力測量：比較骨盆應力分布情況及三種內固定所受最大應力（MPa），若超過鈦合金的屈服強度則可能導致內固定失敗。

應力遮擋率η（%）測量：η=（1-σ有固定/σ無固定）×100%。其中，σ有固定為骨盆模型上骨組織在內固定下的應力，σ無固定為骨盆模型原始正常標本上的應力。應力遮擋率越大，表示內固定越堅強［12］。

1.5 統計學方法

采用IBM SPSS 22.0統計學軟件，符合正態分布且方差齊性的計量資料以±s表示。多個獨立樣本比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗。P<0.05認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 位移測量結果

髖臼ACPHT骨折經三組內固定方式固定后，模擬雙足站立600N生理載荷下，整體位移分布云圖見圖2a,2c,2e?？梢姽桥栉灰凭許1終板最大，并以此為中心向兩側髂骨翼遠端逐漸減弱，內固定均未見明顯移位。三組骨折線路徑上各節點的平均位移見表3，表現為DAPSQ組0.05），ACPPS組與DAPSQ組和DCP組差異無統計學意義（P<0.05）。這說明DAPSQ與DCP強度相當，且都優于ACPPS。

2.2 應力測量結果

髖臼ACPHT骨折經三組內固定方式固定后，模擬雙足站立600 N生理載荷下，應力分布云圖見圖2b,2d,2f?？梢姽桥钁Ψ植季鶆?，內固定應力主要集中于鈦板和螺釘結合處。三組內固定方式最大應力分見表3，表現為DAPSQ組>DCP組>ACPPS組（P<0.05），且內固定最大應力均遠小于鈦合金材料的屈服強度，提示三種內固定方式均安全有效，不會發生內固定斷裂、疲勞、失效等情況。第二代DAPSQ應力主要集中于方形區螺釘鈦板，且以靠近坐骨大切跡的鈦板螺釘結合處最大，恥骨區及髂骨區兩端應力較小。方形區螺釘中以近端第1枚所受應力最大，這說明方形區近端第1枚螺釘的固定對于維持骨折的穩定至關重要［13］。

圖2 各組骨盆模型整體位移云圖和應力云圖 2a:DAPSQ整體位移云圖 2b:DAPSQ應力云圖 2c:DCP整體位移云圖2d:DCP應力云圖 2e:ACPPS整體位移云圖 2f:ACPPS應力云圖

2.3 應力遮擋率測量結果

根據應力遮擋率計算公式，分別得出骨盆模型上骨組織在內固定下的應力與骨盆模型原始正常標本上的應力，從而得出三組內固定的應力遮擋率見表3，結果表明：DCP組應力遮擋率最大，DAPSQ組次之，ACPPS組最小。且DCP組與DAPSQ組間差異無統計學意義（P>0.05），ACPPS組與DCP組及DAPSQ組差異有統計學意義（P<0.05）?？赡芤驗镈CP組恢復了髖臼倒“Y”形生理結構，且前柱與后柱均得到堅強內固定，內固定強度最大，從而表現為最大的應力遮擋率。DAPSQ組表現為與DCP組相當的固定強度，故應力遮擋率與其無明顯差異。ACPPS組內固定強度最小，故表現為最小的應力遮擋率?？傊?，三種內固定方式均表現了較大的應力遮擋率，均能為髖臼ACPHT骨折提供堅強的內固定，內固定承擔了較大的應力，從而有利于骨折的早期愈合，符合骨折切開復位內固定的AO治療原則：解剖復位、堅強內固定及早期行功能鍛煉。

表3 三種內固定方式固定ACPHT的力學測量結果（±s）與比較

表3 三種內固定方式固定ACPHT的力學測量結果（±s）與比較

指標位移（μ m）內固定最大應力（M P a）應力遮擋率（%）D A P S Q組（n=3 0）2.0 9±0.2 4 5 1.0 5±2.7 4 6 0.9 6±1.7 4 D C P組（n=3 0）2.1 1±0.2 3 4 1.0 6±2.2 4 6 2.4 9±2.0 6 A C P P S組（n=3 0）2.3 2±0.2 3 3 6.7 0±2.4 6 5 8.3 4±3.8 2 P值<0.0 0 1<0.0 0 1 0.0 0 4

3 討論

髖臼ACPHT骨折約占髖臼骨折的7%［14］，常為低能量損傷所致。該骨折常涉及方形區，而方形區骨質極其薄弱，國人測得最小厚度處僅為（2.35±1.13）mm，有學者稱之為“不可置釘區”［15，16］。既往臨床上對這類骨折常采取DCP或ACPPS進行固定，雖有一定療效，但存在螺釘誤入關節腔的風險。Lin等［17］則報告采用鋼絲環扎復合內固定治療12例移位型髖臼ACPHT骨折，另還有學者采用新型內固定策略如H板、解剖鋼板等對涉及方形區的ACPHT骨折進行固定［14，18］，大多獲得比較滿意的臨床療效，但上述內固定的不足之處是存在損傷血管神經風險，抗骨折分離作用有限，且多數內固定方式仍缺乏生物力學依據。DAPSQ是蔡賢華等提出的一種新型內固定方法，該內固定系統由3～4枚螺釘在方形區內表面形成“木筏樣”排列，可對方形區骨塊提供多點彈性支撐和固定［2］。方形區螺釘1/3～1/2外露于骨面，避免了螺釘進入關節腔的風險［4］。

吳詠德［4］的有限元及尸體標本研究表明：較1/3管型鈦板，第一代DAPSQ在固定髖臼雙柱骨折時具有更強的生物力學效能。但第一代DAPSQ需術中臨時塑形，對于初學者來說較難掌握，學習曲線較長。針對這個問題，課題組設計出了免術中塑形的第二代DAPSQ。與第一代DAPSQ相比，第二代DAPSQ兩端鈦板長度有所延長，理論上由此產生的方形區鈦板扭轉力將會增大，轉化為方形區螺釘的把持力也相應增加，但目前仍缺乏相應的生物力學依據。

鑒于此，吳海洋等［19］通過尸體實驗得出了與前期研究相同的結論：固定髖臼雙柱骨折時，第二代DAPSQ較1/3管型鈦板具有更好的固定強度。傳統尸體標本實驗是生物力學研究的金標準，但其成本較高、重復性差，容易因樣本量的不足導致實驗結果出現誤差。有限元分析因其結果不受樣本量限制，實驗誤差小，重復性好等優點，正日益成為骨盆生物力學研究的重要手段。故課題組擬進一步采用有限元方法比較第二代DAPSQ與傳統DCP、ACPPS的生物力學穩定性，擬為該內固定的推廣和器械化生產提供更多力學依據。

本研究構建的有限元模型采用三維四面體網格，網格數目1 797 936個，節點數359 421個。所建模型仿真度及精確度高，能較好地模擬真實骨盆，對骨盆進行力學分析。在其基礎之上，建立了高位髖臼ACPHT骨折模型及第二代DAPSQ、DCP及ACPPS三組相應內固定模型，結果顯示第二代DAPSQ在固定髖臼ACPHT骨折時，其生物力學穩定性與DCP相當，并優于ACPPS。這與前期課題組的研究成果相一致［3］，進一步證實了該內固定方式的力學穩定性。

但本實驗模型存在一定的局限性，如忽略了肌肉對骨盆生物力學的影響，復雜關節韌帶結構進行了一定的簡化處理。實驗假設所涉及的材料力學特性為均質、連續、各向同性，而實際情況恰恰相反，構成人體組織的生物材料具有各向異性、不均勻性等特征。在未來的研究工作中，本研究將會進一步通過尸體實驗驗證第二代DAPSQ固定髖臼ACPHT骨折的生物力學穩定性。