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2种内固定方式治疗不稳定骨盆骨折的有限元研究

2023-08-29 17:46 作者:医学有限元  | 我要投稿

  不稳定骨盆骨折多由高能量损伤所致,选择适 合的固定方法是骨科医师面临的难点之一。生物力 学证实2枚骶髂螺钉与可调式微创接骨板固定骨盆 后环的效果相似[1-2],但均不能达到最坚强固定[3]。 本课题组应用三维有限元法比较可调式微创接骨板 联合单枚骶髂螺钉与传统2枚骶髂螺钉固定骨盆后 环的稳定效果。

1 资 料 与 方 法 

1.1 完整骨盆模型的构建 随机选取1例健康男 性志愿者(已 签 署 知 情 同 意 书),35岁,体 健。X 线 片检查证实骨盆无畸形、肿瘤、骨折等骨质破坏。应 用SIEMENS公司的64排 螺 旋 CT 机 对 志 愿 者 进 行扫描,扫描平面:第1腰椎至股骨小转子层面(坐 骨结节平面以下),扫描层厚1.00mm,共获取二维 CT 图像352层,存 储 格 式 为 DICOM,通 过 移 动 存 储设 备 拷 贝 到 个 人 电 脑 中。将 数 据 导 入 Mimics 10.01(Materialise公司,比 利 时)软 件,利 用 该 软 件 的区域增长功能对图像进行分割、填充,通过三维计 算功能构建出整个骨盆结构的三维形态。再将数据 以STL格式导入工程软件 GeomagicStudio12 中建立几何模型的空间拓扑信息,构造栅格网,最后 完成曲面拟合。将实体化的文件导入大型通用有限 元分析软件 Abaqus6.11-1(SIMULIA 公司,法国) 中进行 装 载、材 料 属 性 的 赋 值 以 及 加 载 运 算。在 Abaqus中对骨盆模型进行材料属 性 的 赋 值。将 骶 骨和左右髋骨的名字进行标准的英文命名,以免在 Abaqus中操 作“复 制 模 型”时 出 现 错 误,名 字 确 定后,就可以将各个部分的模型放在一起。这里的坐 标位 置 是 在 Mimics 中 已 经 确 定 好 的,所 以 在 Abaqus中不必重新确定坐标,只需要在 Abaqus中 进行装配命令。骨盆诸骨装载完成后即需进行韧带 的构建,根据各韧带的解剖位置在实体模型表面选 取相应的节点重建韧带的起止点。本模型中共构建 了骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶髂关节骨间韧带、骶 棘韧带、骶结节韧带。所建韧带均使用弹簧连接单 元模拟。为 简 化 操 作 过 程 及 减 少 出 现 不 收 敛 的 几 率,本模型将骶髂关节之间和耻骨联合之间的连接 设置为“耦合”的面与面连接,将韧带与骨面的连接 用“耦合”的面与点连接在一 起。骨 盆 约 束 完 毕 之 后,要进行对骨盆的骶骨面的受力加载,选定骶骨岬 的上面为加载面,加载的数值以压强表示。本研究 模拟正常人的体质量500N,根据公式P=F/S计算 得出 加 载 的 压 强 值。将 所 得 数 值 输 入 到 Abaqus 中。完成骶 骨 面 的 加 载 后,需 要 进 行 边 界 的 约 束。 本研究模拟人体双足站立位时在静载荷作用下的骨 盆受力变化,因此需要在双侧髋臼处进行约束,完全 固定髋臼。设置完加载和约束以后,下一步则需要 设置分析步。由于整体骨盆的有限计算是在静载荷 下完成的,因此 只 需 要 初 始 步 和“step-1”2个 步 骤。 一切设置完毕,最 后 进 行 提 交JOB 工 作,对 模 型 进 行数据检查,全面分析模型的应力、移位变化,提交 作业。

1.2 骨盆骨折模型及内固定器械的制备 根据可 调 式 微 创 接 骨 板 和 骶 髂 螺 钉 的 形 状,采 用 UG (SiemensPLMSoftware公司,德国)软件制备2种 内固定器械。在不影响有限元分析的前提下,对螺 钉模型进行 简 化,忽 略 螺 纹 形 态,将 螺 钉 简 化 为 圆 杆。将完整的骨盆模型经过左侧耻骨联合和左侧骶 孔制备成 TileC型不稳定骨盆骨折模型。 1.3 骨盆骨折模型的装配及有限 元分析 在 Abaqus中将骨盆模型各个部分及内固定器 械 分 别 进行材料属性的赋值。将相同的韧带装配到2种内固定方式置入的骨盆骨折模型中。将各部件之间的 连接方式、约束面、加载面及数值保持一致。设置完 毕后,对模型进行数据检查,全面分析固定模型的应 力及骨折缝隙的分离移位值,提交作业。

2 结  果

2.1 完整骨盆模型的应力分布 在骶骨上表面施 加500N 垂直作用力时,模型两侧的髂骨应力分布 基本上完全一致。应力的传导经两侧的骶骨翼,通 过骶髂关节,向斜下方经两侧坐骨大切迹的附近,再 经两侧的 髂 骨 弓 状 线,最 终 传 导 至 双 髋 臼(图 1)。 模型所受的最大应力位于骨盆模型背侧坐骨大切迹 的附近。骨盆模型的前环即耻骨联合和耻骨支受力 比较小。骨盆模型的主要稳定和负重结构均在骨盆 后方,而骨盆前方的结构以支撑作用为主。

2.2 固定模型 的 应 力 分 布 2种 内 固 定 方 式 固 定 骨盆模型后,约束双侧髋臼,于骶骨上方施加500N 垂直作用力,2种固定方式的模型均能恢复一定程 度的应力传导。但是,其应力分布并非完全对称,骶 髂螺钉固定的模型在损伤侧的受力大于未损伤侧 (图2);而可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固 定的模型的应力分布更接近于完整的骨盆模型(图 3)。

2.3 骨折缝隙的分离移位值 测量骶骨左侧第四 骶孔下缘内侧壁的分离情况,骶髂螺钉固定的模型 的骶骨骨折缝隙分离移位值是1.749 mm,大 于 可 调式 微 创 接 骨 板 联 合 单 枚 骶 髂 螺 钉 固 定 模 型 的 1.531mm。

3 讨  论

     不稳定骨盆骨折是一种严重的创伤,有较高的 致残率和致 死 率,选 择 合 适 的 治 疗 方 法 至 关 重 要。 骨盆位于人体的中部,是一个环状结构,具有力学传 导和保护内 脏 器 官 的 功 能。骨 盆 环 的 稳 定 性60% 依赖于骨盆后环的稳定。因此,治疗不稳定型骨盆 骨折首先应该恢复骨盆后环的稳定性和连续性。微 创内固定技术是确定的疗法。常见的内固定器械包 括骶髂螺钉、张力带接骨板、三角固定装置以及可调 式微创接骨板。2枚骶髂螺钉同时置入第一骶椎是 临床常用的固定技术,被认为是最坚强的内固定方 式[4]。然而,骶髂螺钉固定技术需要术者具 备 丰 富 的临床经验和冗长的学习曲线,医患双方也要暴露 于大量的辐射当中。张英泽教授模拟骨盆后环骶髂 复合体的结构,设计出了可调式微创接骨板,经生物 力学试验证实,其固定骨盆后环的稳定性与2枚骶 髂螺钉相似。但是,有文献报道2枚骶髂螺钉并不 能提供最坚强的固定[3]。本课题组提出应用可调式 微创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定骨盆后环的固定 方法,并用有限元法与传统的2枚骶髂螺钉固定进 行比较。

     生物力学试验是骨科常用的验证手段,但当比 较不同内固定器械对骨盆骨折的固定效果时,标本 的质量和来源更是要考虑的主要问题,骨盆破坏操 作的不可重复及前续内固定物对后续内固定物的影 响,均可影响到最终的试验结果[5]。因此,依靠计算 机辅助手段进行数字化模拟生物力学进行测试的方 法逐渐成了一种重要的测试手段,这也是三维有限 元分析法在骨科生物力学研究领域日益广泛应用的主要原因之一。将所建的有限元模型运算后得到的 结果与临床现象进行比较,可以验证模型的有效性。 本研究中,完整骨盆模型的运算结果显示,在人体位 于双足站立位时,上半身的载荷由骶骨上面经两侧 的骶髂关节到两侧的坐骨大切迹附近,再经髂骨的 弓状线到达双侧髋臼。此传导方式与理论知识、实 验研究的结果相一致。

     骶髂螺钉技术穿透三层骨皮质,达到“中心型” 固定的效 果。可以恢复一定程度骨盆环的力学传 导,相比之下,微创可调式接骨板联合单枚骶髂螺钉 同时实现了“后方+中心型”的固定方式,可以更好 地恢复骨盆后环的稳定性。在本研究中,可调式微 创接骨板联合单枚骶髂螺钉固定的模型的应力分布 更接近于完整的骨盆模型,其骨折缝隙的分离移位 值也小于传 统 的2枚骶髂螺钉固定的骨盆骨折模 型。

     综上所述,可调式微创接骨板联合单枚骶髂螺 钉固定不稳定骨盆骨折的稳定效果优于传统的2枚骶髂螺钉的固定方法。


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