三种不同内固定方式治疗 Tile-C 型骨盆骨折的生物力学分析
背景:骨盆骨折是一种临床上十分常见的骨折，其中,Tile- C 型骨盆骨折是指骨 盆后环垂直及旋转均不稳定， 是不稳定骨盆损伤中最严重的一种，处理方式复杂， 并发症较多。C 型骨折后环骶髂复合体破裂是绝对的手术指征，需要及时、有效的 固定骨盆，重建骨盆后环的稳定性，减少并发症的发生。在后环骨折的固定上， 如何选择合适的固定方式，最优的固定方式是什么，目前尚无明确共识。临床上 常用的内固定方式主要包括闭合骶髂螺钉固定以及后路门形钢板固定。近些年来， 椎弓根螺钉系统也逐渐被利用到复杂骨盆骨折的固定中来，即髂腰固定。为了验 证髂腰固定与两种传统内固定方式的生物力学稳定性相比是否满意，需要对内固 定模型进行生物力学分析。三维有限元分析就是一种通过计算机建模进行生物力 学分析的方法，具有个体化以及可重复性强的优势，在规范操作下可信度高，可 用于进行三种不同内固定的生物力学分析比较。
目的：目前在生物力学方面尚未对髂腰固定与传统内固定方式做详尽的比较分析。本研究通过将髂腰固定与骶髂螺钉固定、后路门形钢板固定三种内固定方式进行 三维有限元分析，从而验证髂腰固定与传统手术方法相比是否具有可靠的生物力 学稳定性，得出固定效果较为满意的固定方法，从而给临床治疗提供有效的依据。
方法：选取 1 位正常志愿者，进行骨盆 CT 平扫，对影像文件加以处理建立正常骨 盆实体模型，并经骶孔及耻骨联合建立 Tlie-C 型骨盆骨折的有限元模型。利用建 模软件建立髂腰固定、后路门形钢板固定以及骶髂螺钉固定的零件模型，安装在 建立的骨盆骨折模型上。将得到的 3 组分别安装不同内固定的骨盆骨折模型导入 有限元分析软件中，依次安装韧带和软骨，对骨盆各零件的力学属性予以赋值， 通过固定双侧髋臼、在椎骨上方平面施加 500N 载荷，模拟双足站立时骨盆受力情 况，比较不同内固定骨折模型中最大 Von Mises 应力、骨盆总位移、骨折分离移 位、骨折面平均应力以及受伤骶骨最大应力等情况。
结果：模拟直立状态下，髂腰固定、后路门形钢板固定、骶髂螺钉固定模型的骨 盆最大位移分别为 1.65mm、1.77mm、0.59mm，内固定的最大 Von Mises 应力分别 为 168.66Mpa、95.4Mpa、101.8Mpa，骨折分离移位分别为 0.52mm、0.90mm、0.40mm， 受伤骶骨最大 Von Mises 应力分别为 8.908Mpa、20.019Mpa 以及 16.033Mpa，骨折 面平均 Von Mises 应力分别为 6.11Mpa、8.36Mpa 以及 4.22Mpa。
结论：骶髂螺钉、后路门形钢板以及髂腰固定三种骨盆骨折内固定方式的生物力 学存在一定差异。应力传导方面，三种内固定方式均能有效的恢复损伤骨盆的应 力传导路径。稳定性方面，骶髂螺钉可以提供骨折最佳的稳定性，髂腰固定稳定 性略差于骶髂螺钉固定，后路门形钢板稳定性最差。骨折面应力方面，三种内固 定模型均能保持骨折面适宜的应力刺激，促进骨折愈合。髂腰固定具有良好的生 物力学性能，可作为 Tile-C 型骨盆骨折的良好选择。
关键词:骨盆骨折 髂腰固定 有限元分析
一、前言
导致骨盆骨折的主要原因有车祸伤、挤压伤、高处坠落伤及直接暴力等， 骨 盆骨折的发病率逐年升高，目前已占全身骨折总数的 1%-3% [1]，不稳定型骨盆骨折 占所有骨盆骨折的 17% ～ 23%，其中，Tile- C 型骨盆骨折是指骨盆后环垂直及 旋转均不稳定，是不稳定骨盆骨折中最重的一种， 临床处理十分困难，尤其当患 者有明显的骨量丢失、骨质粉碎或者存在病理性骨折时，处理方式会更加复杂。C 型骨折后环骶髂复合体破裂是绝对的手术指征[2]，随着创伤骨科的发展，已有多种 技术成熟的手术方法治疗后环骶髂复合体破裂，但最佳的手术方式如何，尚有较 大争议。目前临床上经常被利用的后环内固定方法主要包括骶髂螺钉固定[3]及后路 门形钢板固定。骶髂螺钉固定是一种创伤较小的手术方式 [4]，通过闭合复位后经导 针引导下置入拉力螺钉，具有损伤小、耗时短、术后相关并发症少等多种优势， 且被众多研究者认为是治疗骨盆后环骨折的最佳固定方式。由于严重骨盆骨折的 病人一般病情较重，且可能存在复合伤，不宜进行手术时间过长或切开范围过广 的手术，所以骶髂螺钉显现出了其独有的优势并被广泛的应用于骨盆后环骨折的 治疗当中。但尽管骶髂螺钉展现出了诸多优势且以被生物力学证实稳定性很强， 但还是存在诸多问题，比如复位不佳以及骨折畸形愈合的风险，且由于是闭合复 位，不能用于骨折移位明显或者患者具有明显神经症状时，透视时间较长，有着 较长的学习曲线，很难在基层医院开展[5]。后路门形钢板采用切开复位，较骶髂螺 钉而言复位效果更加确实，且在复杂骨盆骨折或有明显神经症状时，可以充分减 压，促进神经功能恢复，有效的减少神经相关并发症。有生物力学研究证实，后 路门形钢板可取得接近于骶髂螺钉的较强的生物力学稳定性，且相对于张力带接 骨板而言具有更好的垂直和旋转稳定性，也逐渐成为了许多骨盆后环骨折可供选 择的手术方式之一。而近些年，有专家学者主张可以将椎弓根螺钉固定系统引入 不稳定骨盆后环损伤的治疗当中来，有望取得良好的疗效，髂腰固定[6]就是其中之 一。髂腰固定技术是将髂骨螺钉置于损伤部位水平的髂后上棘部位，并通过钉棒 将髂骨螺钉与腰椎椎弓根螺钉组装成一个整体的治疗方法。髂腰固定在几何层面 上实现了骨折部位的多平面三角固定，理论上可以提供很强的稳定性。
三维有限元分析是利用工程软件构建实体模型从而进行生物力学分析的一种方法 [7]。相比较于传统生物力学研究，三维有限元法具有经济、有效、个体化以及 可重复性强等优势。目前在生物力学方面尚未对髂腰固定与传统内固定方式做详 尽的比较分析。本研究的目的，是通过对髂腰固定和骶髂螺钉固定、后路门形钢 板固定三种不同的内固定方法进行三维有限元分析，从而验证髂腰固定与传统手 术方法相比是否具有可靠的生物力学稳定性，得出固定效果较为满意的固定方法， 从而给临床治疗提供有效的依据。基于如下指标：（1）内固定的 Von Mises 应力 分布；（2）内固定 Von Mises 应力峰值大小；（3）受伤骶骨 Von Mises 应力峰 值（4）骨盆模型的整体位移；（5）骶骨骨折线的分离移位大小；（6）骶骨骨折 面平均 Von Mises 应力。工作假设：三组不同的内固定骨盆骨折模型中，骶髂螺 钉生物力学性能最佳，固定效果最确实，发生骨折移位可能性最小，髂腰固定稍 差，后路门形钢板最差。
二、对象和方法
采用软件 Mimics 21.0（比利时 Materialise）、Geomagic Studio 13（美国 Geomagic）、SolidWorks 2019（美国 Simulia）和 Ansys 17.0（美国 Ansys）。使用美国 GE 公司的 CT 扫描仪采集的 DICOM 格式的原始数据，扫描切片为 0.625mm。
2.1 有限元模型的建
建立完整骨盆及 L4、L5 椎体模型，包括 2 个髋骨、1 个骶骨、2 个椎间盘、2 个骶髂软骨和 1 个耻骨联合。选取 1 位 35 岁的男性志愿者（身高 175cm，体重 70 公斤），既往没有脊柱及骨盆损伤、肿瘤、感染以及骨质疏松的病史，也没有脊 柱及骨盆退行性改变的影像学证据。签署知情同意书后，应用 16 排螺旋 CT 对志 愿者进行扫描，扫描平面从第一腰椎至股骨中段，将所得的扫描结果以 DICOM 文 件的形式导入 Mimics 21.0（比利时 Materialise）中，扫描骨盆诸骨及第 4.5 腰 椎的三维形态及曲面信息。再利用 Geomagic Studio 13（美国 Geomagic）软件重 新划分实体网格、建立格栅、拟合曲面，建立诸骨的实体模型。接下来将骨盆诸 骨及第 4、5 腰椎骨的实体模型文件导入到 SolidWorks 2019（美国 Simulia）软 件中提升实体质量并进行最终的骨盆模型组装，利用整体缩进的功能构建松质骨 模型，缩进距离为 1.5mm（代表盆骨及腰椎皮质的平均厚度）[8]，对所得松质骨模 型及之前的盆骨实体模型进行布尔运算，得出厚度为 1.5mm 的盆骨及腰椎皮质[9]， 对所有骨、软骨及椎间盘模型通过原始原点进行组装，沿骶骨左侧骶孔线性切割，将骶骨一分为二，模拟骨折线。髋骨、骶骨及腰椎模型均由骨皮质和骨松质构成， 椎间盘由终板、纤维环、髓核构成，通过布尔运算消除各组成部位间的干涉，关 节部位添加软骨，利用弹簧和梁结构制作骨盆和腰椎主要韧带，完成骨盆骨折模 型的初步建立。针对建立的骨盆骨折模型，提出几种可供选择的后环的固定方式。
2.2 治疗方式
入院时需要对患者病情及全身状况做仔细评估并检查有无合并伤，对合并伤 妥善处理后，对于明确存在垂直方向不稳的骨盆骨折患者，常规行患侧股骨髁上 骨牵引，牵引重量为体重的 1/7-1/5 之间。常规行骨盆正位、入口出口位、闭孔 斜位、髂骨斜位 X 线检查以及三维重建 CT 检查。了解骨盆是否存在解剖变异，并 进一步明确骨折类型。积极术前准备，反复清洁灌肠，防止术中肠腔积气影响透 视效果，留置导尿管。准备下一步手术治疗。
2.2.1 骶髂螺钉固定
根据体格检查有无神经症状以及影像学检查结果确认无明显神经卡压后，根 据 CT 检查结果测量 S1 骶髂螺钉通道参数及髂骨皮质密度线等相关指标，评估是 否允许骶髂螺钉置入，并确认入针点以及螺钉长度。对影像检查结果允许骶髂螺 钉置入的患者，待牵引后骨折复位或大部分复位后，且患者一般状况良好，可以 耐受手术治疗时，可行手术治疗。全身麻醉生效后，先透视骨盆入口位及出口位， 确认骨折已经复位，并且 C 臂旋转无阻挡以及透视图像清晰无遮挡后，进行消毒 铺单，先对 S1 椎体进行纯侧位透视，使骨盆两侧结构对称重叠，将导针置于臀部 体外，在针尖处切开皮肤，将导针水平刺入皮肤直达髂骨外板，在透视定位下前 进导针直至穿透 3 层皮质，透视骨盆出口位确认导针在 S1 椎体上终板与 S1 骶孔 之间，入口位上确认导针在 S1 椎体截面中点至前缘 0.5cm 之间，确认位置合适后 持续进针，直至针尖达到椎体中间，测深结果应与术前评估结果相近，空心钻扩 孔后置入螺钉。螺钉置入后透视下应达到以下标准：（1）入口位：螺钉位于椎体 前缘和后方椎管之间；（2）出口位：螺钉位于椎体上缘和相应椎孔之间；（3） 侧位：螺钉位于髂骨皮质密度线以下椎体内；（4）螺钉长度：尽量超过椎体中线。可根据情况确定是否再置入 1 枚 S2 骶髂螺钉（见图 1）
2.2.2 后路门形钢板固定
术前需结合详细的体格检查以及影像学结果回报确定有无神经损伤，待骨折 复位或大部分复位后可行手术治疗。全身麻醉生效后，将患者置于俯卧位，透视 骨盆入口、出口位。首先确认骨折是否已经复位，在体表触摸两侧髂后上棘作为 标记点，进行消毒铺单。沿做好的标志点做两条经两侧骶髂关节的切口，显露两 侧骶髂关节及骶骨棘突，咬除部分骶骨棘突，防止对钢板产生阻挡，使钢板可以 紧贴骨面。对骨折部位进行复位，若有神经损伤者可行骶管减压，对骨折进行临 时固定，安装内固定装置。选择长度合适的钢板，根据两侧髂嵴的解剖形态予以 折弯成门形，通过两侧切口间的皮桥将钢板置于两侧髂嵴之间，钢板要紧贴皮肤 和骨面之间，髂嵴的外侧面可以用骨刀凿出一定的凹槽将钢板嵌入其中，增加钢 板的稳定性，每侧各用两枚螺钉予以固定（见图 2）。
2.2.3 髂腰固定
术前需结合详细的体格检查以及影像学结果回报确定有无神经损伤，待骨折复位或大部分复位后可行手术治疗。全身麻醉生效后，将患者置于俯卧位，消毒 铺单。以脊柱棘突为标志做 L3-S4 的纵行正中切口，沿棘突分离椎旁肌肉，暴露 椎板、关节突关节以及横突，骶骨暴露骨折位置，并显露出两侧髂后上棘。在 L4/L5 椎体两侧椎弓根分别置入螺钉。将两侧髂后上棘部分骨质予以咬除，保留外骨板。将髂骨螺钉经两侧髂后上棘置入髂骨内外骨板之间，方向指向髂前下棘，将连接 棒预弯成腰骶部生理曲度对椎弓根螺钉及髂骨螺钉进行连接，在拧紧螺帽前可通 过撑开和加压对骨折进行充分复位，注意清理骨折部位的碎骨片后再进行复位， 注意防止对神经造成损伤，对合并神经损伤的患者予以椎板减压、切除骨折片减 压、马尾神经探查松解，并使用横连装置连接两侧固定系统并锁定（见图 3）。
2.3 内固定模型的建立
在 SolidWorks 2019（美国 Simulia）软件中构建骶髂螺钉、后路门型钢板及 髂腰固定的零件模型，在不影响有限元分析的前提下对部分内固定的螺纹形态予 以忽略，防止因转角过大导致网格构建失败。骶髂螺钉直径为 7.3mm，长度为 90mm；后路门型钢板长度 190mm，折弯角度 60°；椎弓根螺钉钉体直径为 6.5mm，钉尾直 径 10.5mm，螺钉长度为 45mm，髂骨螺钉直径 7mm，螺钉长度为 80mm，钉棒的直径 为 5.5mm，长度为 100mm。分别将几种内固定装配入先前建立的骨盆骨折模型中， 得到装配骶髂螺钉、门形 LCP 钢板及髂腰固定的骨盆骨折模型各 1 个（见图 4）， 将所有模型导入到 Ansys 17.0（美国 Ansys）进行下一步有限元分析
2.4 有效性验证
我们在对正常人体骨盆扫描后建立了骨盆的有限元模型，并用梁和弹簧模拟 出骨盆的主要韧带，通过固定髋臼和施加载荷模拟出人体站立时的状态。得出的 有限元分析结果中：1.应力传导路径依次通过骶骨、双侧骶髂关节、弓状线、双 侧髋臼，应力最大的部位集中在骨盆后环部位；2.整体盆骨应变十分小，在 500N 的载荷下骨盆形状和容积没有发生大的改变，说明骨盆模型十分稳定，与理论知 识及传统生物力学研究相符。我们按照 Miller 等 [10]通过尸体标本所做的生物力学 实验，在骶骨上表面添加局部坐标系，施加垂直向下 294N 的载荷以及 x、y、z 轴 方向 42Nm 的弯曲力矩，模拟腰骶部前屈、后伸、侧弯、旋转 4 种工况，观察得到 的骶骨的位移与体外实验结果相似（见表 1）。因此，我们建立的骨盆模型是有效 的，可以用于进行下一步的分析。
2.5 有限元分析
将装配好内固定的骨盆骨折模型导入 Ansys 17.0（美国 Ansys）软件中。根 据先前研究结果定义模型中各部位的材料属性 [11]（见表 2），其中内固定材料为钛 合金,钛合金有着许多固定优势（显著的耐腐蚀性、耐磨性及组织相容性） [12]，钛 合金的弹性模量为 110000Mpa，泊松比为 0.3，然后定义各组成部分之间的接触类 型，将骶骨骨折线部位的接触定义为摩擦，摩擦系数设置为 0.3，将右侧盆骨皮质 与耻骨联合的接触定义为无摩擦，其余的部位接触均定义为绑定，利用梁和弹簧连接模拟骨盆的主要韧带，韧带的相关力学属性先前已有研究（见表 3），由此完 整的带内固定的 Tile-C 型骨盆骨折的有限元模型建立完毕，对模型进行四面体网 格划分，网格大小为 2mm，固定双侧髋臼，在椎体上表面构建局部坐标系，并施加 垂直于地面的 500N 载荷，模拟双足站立时骨盆受力情况 [13]，提交作业。
2.6 评价指标
对三种不同内固定骨盆骨折模型有限元分析的结果评价基于以下指标：（1） 内固定的 Von Mises 应力分布；（2）内固定 Von Mises 应力峰值大小；（3）受 伤骶骨 Von Mises 应力峰值（4）骨盆模型的整体位移；（5）骶骨骨折线的分离 移位大小；（6）骶骨骨折面应力。手稿中没有进行统计分析，因为本研究只需模 拟一位受试者。
三、结果
3.1 正常骨盆应力分布情况及位移情况
将500N的载荷施加在模型上表面后，骨盆的应力分布双侧基本对称（见图5A）， 应力传导经双侧骶骨翼，经双侧骶髂关节，再通过弓状线，最终传导到双侧髋臼，与实际情况基本相符，说明模型的构建比较科学。盆骨应力最大的位置位于两侧 弓状线靠近骶髂关节处，为 25.31Mpa。骨盆前环应力与后环相比很小，说明主要 的持重和稳定的结构位于后环，尤其是骶髂关节复合体的位置，前环的主要起到 固定和支撑的作用。骨盆的总位移最大可达 0.416mm，位移最大的部位位于骶骨 上表面，并以此处为中心，逐渐向下、向两侧放散，位移逐渐减小，直至到达两 侧髋臼部位的位移值基本为 0（见图 5B）
3.2 三种内固定骨盆骨折模型的总位移分布
三种内固定系统的骨盆骨折模型在直立状态下均发生了较明显的整体位移， 与正常骨盆模型相比，三种内固定系统的骨盆骨折模型的总体位移分布均发生了 较为明显的变化，其中：1.骶髂螺钉骨盆骨折模型的最大总位移为 0.59mm，最大 总位移的位置位于骶尾骨部位；2.后路门形钢板骨盆骨折模型的最大总位移为 1.77mm，最大总位移的位置位于骶尾骨部位；3.髂腰固定骨盆骨折的最大总位移 为 1.65mm，最大总位移的位置位于骶尾骨部位。由此可见，三种内固定骨盆骨折 的最大位移中心均由正常骨盆模型的骶骨上表面转移到骶尾部，同时，也失去了 正常骨盆模型对称的位移分布(见图 6A)
3.3 三种内固定骨盆骨折模型的植入物最大应力
将制备得到的三种内固定系统安装在骨盆骨折模型上后，在直立状态下，骨 盆模型的应力传导均基本与正常骨盆相类似，说明三种内固定系统均可基本恢复 骨盆的正常应力传导路径（见图 6B），三种内固定模型上均表现出了明显的应力 集中，但最大应力值均明显小于内固定材料的屈服强度（见图 6C），其中：1.骶 髂螺钉骨盆骨折模型的内固定最大应力值为 101.8Mpa，最大应力的位置位于穿过骨折线处的骶髂螺钉钉体；2.后路门形钢板骨盆骨折模型的最大应力值为 95.4Mpa，最大应力的位置位于对应骨折线处的门形钢板板体；3.髂腰固定骨盆骨 折模型的最大应力值为 168.66Mpa，最大应力的位置位于髂骨螺钉与连接棒的钉棒 交界处。（见表 4）相对于内固定应力峰值最小的后路门型钢板，骶髂螺钉和髂腰 固定的最大应力分别提升了 6.7%和 76.8%。
3.5 三种内固定骨盆骨折模型的骨折分离移位值
将左右方向人为定义为 X 轴，垂直方向定义为 Z 轴，考虑到因为我们制作的 骨盆骨折模型为纵行的骨折线，而且骨折断端的分离移位主要为横向和纵向两个 方向，所以我们可以通过测量骨折线两侧相对应的两个点的 X 轴方向位移及 Z 轴 方向位移，来计算骨折端分离移位的数值。具体计算方法为定义骨折线上某一点 A 的坐标为（0,0），当在三种内固定骨盆模型上表面施加 500N 的载荷后，骨折发 生不同程度的分离，骨折线上的 A 点在左右两个骶骨骨块上分别对应点的坐标为 A1（x1，z1）和 A2（x2，z2），则在 A 点的水平发生的骨折位移大小计算方法见公 式（1），通过此方法可得出三种内固定骨盆模型在直立状态下的最大骨折分离移 位值。其中：1.骶髂螺钉骨盆骨折模型的最大骨折分离移位值为 0.40mm；2.后路 门形钢板骨盆骨折模型的最大骨折分离移位值为 0.90mm；3.髂腰固定骨盆骨折模 型的最大骨折分离移位值为 0.52mm。相对于骨折分离移位程度最小的骶髂螺钉固 定模型，后路门形钢板固定模型以及髂腰固定模型的骨折分离移位分别增加了 125%和 30%。
3.6 三种内固定骨盆骨折模型的骨折面应力
直立状态下，骶髂螺钉模型、后路门形钢板模型以及髂腰固定模型中骨折面 的最大应力分别为 8.908Mpa、20.019Mpa 以及 16.033Mpa，平均应力大小分别为 4.22Mpa、8.36Mpa 以及 6.11Mpa。
四、讨论
Tile-C 型骨盆骨折是一种高能量骨盆环损伤，常发生于多发伤患者，是创伤 患者的挑战之一。骨盆损伤的初级稳定是一种挽救生命的干预措施，其目的是稳 定患者的生命参数[14]。这些手术通常作为临时干预措施进行，尤其是在严重受伤 的情况下，但只要患者的病情允许进行进一步的治疗，我们就应该选择一种合适 的固定方式[15]，这时候我们就面临了如何选择合适的内固定方法的问题。我们需 要考量的方面有很多，包括患者的身体状况、骨盆的骨折类型、骨折的移位情况 以及复位难度的大小、内固定的固定效果等等。以往的治疗中，内固定的固定效 果的评估主要依靠医生的临床经验，但仅仅依靠临床经验来选择内固定方式显然 是不够的。评估内固定的固定效果主要通过生物力学分析来实现，传统的生物力 学分析方法主要是利用真实的人体骨盆标本通过一系列操作，制备骨折模型，再 将内固定系统安装在骨盆标本上，通过对骨盆标本的固定、载荷等操作分析内固 定的力学稳定性[14]。这种方法的优势是盆骨以及韧带等结构与真实人体较一致， 得出的结果可信度较高，但同时存在很大的局限性，包括：1.骨盆标本来之不易， 数量稀缺，价格昂贵；2.真实骨盆标本用于实验的伦理问题；3.骨盆标本的质量 难以把控；4.模拟骨折是一种破坏性操作很难重复验证。这时通过计算机建立实 体模型模拟生物力学分析的方法（即有限元分析）的优势就逐步体现出来，建模 简单，可重复性强[16]。由于人体的骨质表现出不规则的特点，不同部位的皮质厚 度也并非恒定，所以很难通过计算机准确的模拟出骨盆的真实情况，但先前已有 研究证明皮质骨的应力对皮质骨的厚度并不敏感[17,18]，且一些其他类似的有限元分 析研究中已有证明，在规范操作的前提下分析结果的可信度同样很高[19]。本实验 就是通过对真实骨盆进行扫描、建模、有限元分析，从而评价髂腰固定、后路门 形钢板固定、骶髂螺钉三种固定方式的生物力学性能。
4.1 三种内固定对骨盆骨折的固定效果评价
骨盆后环破裂对我们来讲是一个挑战，但是无论我们选择哪种内固定方式， 最终目的都是促进后骨盆环术后生物力学的恢复。所以我们认为，术后骨盆的应 力越能达到生理状态下的水平，则内固定的效果就越好。在过去的研究中，许多 研究者创建了完整的骨盆有限元模型[20-23]，并发现了骨盆的应力分布。在本研究建 立的骨盆模型中，根据应力云图显示的情况来看，骨盆后环应力传导经双侧骶骨 翼，经双侧骶髂关节，再通过弓状线，最终传导到双侧髋臼，是沿着骨盆的内环 向下传递的，与以前的的研究结果是相似的[24-26]。而在三种不同的内固定模型中应 力分布均基本沿着此路径传递，这表明在我们的研究中，生物力学的传递路径已 经被植入物恢复。
内固定最大 Von Mise 应力的大小预示着内固定断裂的风险，当最大 Von Mise 应力增加时，植入物断裂和松动的风险增加。有研究者通过建立两侧骶骨纵行骨 折的有限元模型，从而比较两种不同方式骶髂螺钉固定时的内固定断裂风险。他 们发现做双侧对称的双阶段髂骨和骶骨的固定可以最大程度的减小内固定应力， 从而降低内固定松动或断裂的风险。在我们的研究中，髂腰固定、后路门形钢板 固定、骶髂螺钉固定的内固定最大 Von Mises 应力分别为 168.66Mpa、95.4Mpa、 101.8Mpa，相对于内固定 Von Mises 峰值最小的后路门型钢板，骶髂螺钉和髂腰 固定的最大 Von Mises 应力分别提升了 6.7%和 76.8%，我们分析髂腰固定应力较 大的原因是由于固定了原本活动度较大的腰骶部，且髂骨螺钉会明显降低 L4 椎弓 跟螺钉的应力负荷，导致髂骨螺钉与连接棒的交汇处内固定局部的应力增大。本 次试验中在 500N 垂直载荷条件下的所有三种内固定模型中的内固定装置的最大 Von Mise 应力，均远远小于钛合金的屈服应力（1050Mpa）。所以本实验表明，内 固定断裂可能是内固定局部峰值应力过高引起的，但可能受到手术中多种情况的 影响（比如对内固定物反复的塑形），这常常是无法完全预见的风险。
根据应力屏蔽效应，有学者认为，内植物的应力与骨盆的应力差值越小，说 明内固定的生物相容性越好。有研究对骶髂螺钉及后路钢板两种内固定技术治疗 DenisⅠ、Ⅱ、Ⅲ型垂直骶骨骨折的生物力学相容性做了详细讨论，认为后路钢板 的生物力学相容性优于骶髂螺钉。在本研究中，髂腰固定的应力屏蔽效应是高于 骶髂螺钉固定以及后路门形钢板固定的，我们认为出现这种现象的原因与内固定固定节段较广，以及内固定只固定于两侧髂骨，使应力较多的集中在内固定上所 致。
Osterhoff 等 [27]对开书样骨盆损伤的研究中，模型在 200 N 的垂直向下的载荷 下，骶髂关节区以及骶骨的平均位移为 0.156mm，如果载荷增加，位移将会增大。此外，石等人研究了有限元模型中接触条件对完整骨盆位移的影响，发现当骶髂 关节被设定为滑动条件时，在 500 N 的垂直载荷下骶骨的最大位移为 1.3mm。在我 们的研究中，正常骶骨在 500N 的垂直载荷下的最大位移为 0.42mm，在髂腰固定、 后路门形钢板固定、骶髂螺钉固定模型中骶骨的最大位移为 1.65mm、1.77mm、 0.59mm，最大骨折分离移位分别为 0.52mm、0.90mm、0.40mm，我们认为骨盆术后 骨盆环整体位移越小，骨折部位最大分离移位越小，内固定的生物力学稳定性就 越好，由此可见，骶髂螺钉具有三种内固定模型中最佳的稳定性，髂腰固定稳定 性与骶髂螺钉固定相近，后路门形钢板稳定性最差。
在骨折面应力方面，根据 Wolff 定律[28]，活力对机械应力总是以对它最有利 的结构反应产生形态改变来适应的，低应力下骨的改建向着骨吸收的方向进行， 而高应力下骨的改建向着骨形成的方向进行。有研究表明，当骨的应变低于 50-100 微应变、应力低于 1-2MPa 时，骨组织发生吸收，而当骨的应变高于约 3000 微应 变、应力高于约 60 MPa 时，骨组织就会发生损伤。在我们的研究中，骶髂螺钉模 型、后路门形钢板模型以及髂腰固定模型中骨折面的平均 Von Mise 应力大小分别 为 4.22Mpa、8.36Mpa 以及 6.11Mpa，均在生理状态范围内，说明三种内固定均能 有效的促进骨质生长和愈合。
有研究表明，闭合复位骶髂螺钉固定与其他内固定方式相比，具有手术时间 短、切口小、失血少、住院时间短等多种优势，术中大失血及损伤股外侧皮神经 等并发症的发生率低。但同时骶髂螺钉固定存在着较大的制约，复位要求严格， 不能进行充分神经减压，骶髂螺钉过度加压反而有可能加重神经损伤。后路门型 钢板虽然手术损伤小，但生物力学稳定性较差。田云雷等[29]的临床研究中，对 21 名 Tile-C 型骨盆骨折行髂腰固定的患者进行随访，随访时间平均 13 个月。所有 患者最终均获得了骨性愈合，可自行下地行走。患者复位后骨盆位移 Matta 评分 优良率 90%，术后功能恢复 Majeed 评分优良率 86%。术中无并发症发生，术后感 染 2 例，螺钉松动 5 例，以髂骨螺钉松动最为明显（与本实验结果相符，髂腰固定装置中髂骨螺钉钉尾应力较大，容易发生松动）。整体来讲髂腰固定术手术适 应症广泛，术后优良率高。生物力学稳定性虽略差于骶髂螺钉，但在复杂的骨盆 后环骨折尤其是合并神经症状以及腰椎骨盆分离时，相比于骶髂螺钉的减压不充 分、复位困难的缺点以及后路门形钢板的固定效果欠佳的缺点，虽然髂腰固定由 于固定范围广丢失了腰骶部的活动性，但髂腰固定有着自己独有的优势。可以进 行充分地神经减压及切开复位，适用于较复杂的后环骨折，且在没有其他严重的 合并伤时，这种固定方式佩戴支具允许患者早期下地活动及功能锻炼，极大地减 少患者的卧床并发症，不失为一个优秀的选择。
4.2 实验的限制
由于本实验涉及范围较广，涉及计算机、生物力学、临床医学、影像学等多 个领域，受研究者水平所限存在以下问题，可能需要在未来的研究中进一步优化 和改善：1.由于骨骼的各向异性及骨皮质厚度的不规则性，以及未添加完整脊柱、 股骨、骨盆肌肉等元素，导致构建的骨盆模型不能完全模拟人体的真实情况；2. 不同患者之间骨质均存在明显差异，不能一概而论；3.由于在真实情况中骨折线 并不是光滑的，所以无从准确得知骨折线部位的摩擦系数，导致建模与实际情况 存在一定差异；4.所有内固定模型均基于严格的解剖复位，若非解剖复位，则本 研究结果不再有效。
4.3 治疗方式的展望与未来
尽管髂腰固定显示出了一定的优势，但本研究的结果显示，髂腰固定的生物 力学稳定性仍略差于骶髂螺钉，我们在临床工作中总结出了有望达到更强生物力 学稳定性的固定方式。我们可以利用椎弓根螺钉及钉棒系统，对患侧以垂直固定 和水平固定相结合，并通过横连系统加固形成稳定的三角形结构(见图 7)。接下来 的工作，我们要对这种三角固定方式进行生物力学分析，期望得到满意的结果对 临床工作加以佐证。
五、总结
骶髂螺钉、后路门形钢板以及髂腰固定三种骨盆骨折内固定模型的生物力学 存在一定差异。应力传导方面，三种内固定方式均能有效的恢复损伤骨盆的应力 传导路径。稳定性方面，骶髂螺钉可以提供骨折最佳的稳定性，髂腰固定稳定性 略差于骶髂螺钉固定，后路门形钢板稳定性最差。骨折面应力方面，三种内固定 模型均能保持骨折面适宜的应力刺激，促进骨折愈合。髂腰固定具有良好的生物 力学性能，可作为 Tile-C 型骨盆骨折的良好选择。
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