三維有限元技術(shù)在髖臼創(chuàng)傷中的應(yīng)用進展

代元元綜述章瑩審校

三維有限元技術(shù)在髖臼創(chuàng)傷中的應(yīng)用進展

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三維有限元技術(shù)是研究骨盆髖臼骨折相關(guān)生物力學(xué)的一種常用手段，具有應(yīng)用廣泛、成本低、結(jié)果準(zhǔn)確、可重復(fù)性高的特點。該文介紹三維有限元技術(shù)在髖臼模型構(gòu)建中的應(yīng)用，同時重點圍繞有限元技術(shù)在髖臼前柱、后柱、橫形、T形、方形區(qū)骨折等方面的應(yīng)用進展進行綜述。

骨盆；髖臼；髖骨折；有限元分析；模型，解剖學(xué)；生物力學(xué)；應(yīng)力，物理；骨折固定術(shù)，內(nèi)

隨著我國現(xiàn)代化進程的加快，高能量、嚴(yán)重暴力所致髖臼骨折的發(fā)生率呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。作為骨盆的重要組成部分，髖臼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置深在，周圍重要血管神經(jīng)較為復(fù)雜，損傷類型種類繁多，這些無疑大大增加了手術(shù)的難度。開展對髖臼骨折生物力學(xué)的深入研究，有助于提升手術(shù)技巧，提高臨床療效。既往此類研究多以實體骨盆髖臼作為模型，但尸體骨盆標(biāo)本獲取困難且成本高，難以滿足實驗需要，樣本量不足亦可能導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果出現(xiàn)較大誤差；傳統(tǒng)研究手段也無法透過骨質(zhì)直接測量兩點間距離或兩線間角度。這些局限性促使人們開始尋找骨盆髖臼生物力學(xué)及解剖研究的新手段、新技術(shù)［1］。

三維有限元分析法通過相關(guān)醫(yī)學(xué)工程軟件，以CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建三維模型，應(yīng)用多種形態(tài)來分割各區(qū)域，并根據(jù)需要設(shè)置節(jié)點，對復(fù)雜物體結(jié)構(gòu)具有良好的適用性；同時還能計算模型各部位受力時其內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變改變［2-3］?？梢姡c實體骨盆生物力學(xué)研究相比，有限元技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢。本文圍繞有限元技術(shù)在髖臼模型建立，髖臼前柱、后柱及雙柱骨折中臨床應(yīng)用的相關(guān)進展綜述如下。

1　有限元技術(shù)在髖臼模型建立中的研究

1.1有限元三維建模技術(shù)

有限元技術(shù)在骨科生物力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了由二維模型到三維模型的轉(zhuǎn)變過程。起初，Brekelmans等［4］建立股骨二維模型并進行計算分析，證實了有限元技術(shù)在骨科生物力學(xué)研究領(lǐng)域的可行性。隨著計算機和CT技術(shù)的進一步發(fā)展，原始CT數(shù)據(jù)處理由早期的CT膠卷掃描成像、位圖（bitmap，BMP）格式文件發(fā)展到現(xiàn)在的DICOM標(biāo)準(zhǔn)格式文件，其最大優(yōu)點在于直接識別CT機輸出的數(shù)據(jù)，簡化了處理和轉(zhuǎn)化過程，同時減少圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，避免了格式轉(zhuǎn)換、CT膠片掃描或照相、描繪輪廓以及生成點云等過程中的數(shù)據(jù)丟失，提高了三維有限元研究的準(zhǔn)確性［5-6］。近年來，應(yīng)用于三維建模并進行相關(guān)有限元分析的軟件多為逆行工程軟件，如Mimics、Geomagic、Abaqus、Ansys［7-9］；也有部分學(xué)者采用自己編寫的軟件程序來建立骨盆髖臼有限元模型［10］，但其精確性及可靠性有待進一步探究。

1.2髖臼有限元模型構(gòu)建

三維骨模型生物力學(xué)研究的難點之一是骨及骨折固定模型的構(gòu)建，建立符合實體標(biāo)準(zhǔn)的三維骨模型，對分析結(jié)果的精確性有著極大影響。髖臼有限元模型的構(gòu)建主要包括骨、軟骨、韌帶、肌肉等組織的建立方式，材料屬性的定義，邊界條件的約束及網(wǎng)格劃分等過程。

1.2.1髖臼組織有限元建模方法骨盆骨主要由松質(zhì)骨和密質(zhì)骨組成，密質(zhì)骨包被在松質(zhì)骨表面，兩者界線不清，共同形成“三明治”結(jié)構(gòu)［11］。目前骨骼建模方法主要有直接生成法和實體建模法兩大類［12］。其中直接生成法通過分析CT圖像并獲取節(jié)點的空間坐標(biāo)，直接生成單元和節(jié)點，并最終進行分析。由于沒有實體模型形成，無法根據(jù)需求對骨盆髖臼模型進行修改，因此難以滿足實際研究的需要。而實體建模法應(yīng)用相對廣泛，先根據(jù)CT圖像數(shù)據(jù)獲取骨盆輪廓邊界，構(gòu)建三維模型后再導(dǎo)入有限元軟件中劃分網(wǎng)格，對于幾何形態(tài)復(fù)雜的骨盆髖臼結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，但過程較為復(fù)雜。

對于關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、肌肉等組織而言，由于密度差異較小，有限元軟件獲取的組織間閾值間距較小，故無法直接利用軟件生成模型?，F(xiàn)階段多采用掛彈簧或做圖重建的方式進行三維重建。

1.2.2材料屬性定義在三維有限元模型的建立過程中，材料屬性的定義方法通常有灰度值賦值法和直接設(shè)定法。灰度值賦值法是根據(jù)CT值、骨密度及彈性模量之間的經(jīng)驗公式，計算出不同單元所對應(yīng)的彈性模量，其對材料屬性的設(shè)置較為細(xì)致，但卻因此增加了后期處理難度。Scholz等［13］選擇不同經(jīng)驗公式建立三維有限元模型，并與實體模型進行對比，結(jié)果顯示，有限元模型的無阻尼共振頻率遠(yuǎn)小于實體測量值，這是因為這些經(jīng)驗公式都忽視了彈性模量對計算的影響，從而使得所建立的有限元模型缺乏剛度，由此可見，在使用經(jīng)驗公式前需要對其準(zhǔn)確性進行驗證。直接設(shè)定法依據(jù)已有的體外試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定骨、韌帶等各部分組織的彈性模量及泊松比，實驗結(jié)果會因材料屬性賦值的不同而產(chǎn)生較大差異。為了解材料屬性和應(yīng)力分布兩者之間的關(guān)系，Anderson等［14］采用直接設(shè)定法對骨盆三維有限元模型的骨表面應(yīng)力分布敏感因素進行分析，結(jié)果證實，皮質(zhì)骨厚度和彈性模量的設(shè)置是皮質(zhì)骨表面應(yīng)力分布最主要的影響因素，其次是松質(zhì)骨彈性模量。

1.2.3邊界條件目前有關(guān)髂臼的有限元研究大多針對單個髖骨或半個骨盆模型，采用的邊界條件是固定骶髂關(guān)節(jié)面和恥骨聯(lián)合面、半骨盆截面及骨盆下部［15-16］，但并未在模型中增加韌帶與肌肉因素，這使得有限元模型與實體骨盆髖臼的生物力學(xué)狀態(tài)有所不同。Phillips等［17］近似建立了包含韌帶與肌肉的骨盆三維有限元模型，根據(jù)韌帶、肌肉附著點，利用彈簧單元模擬42塊肌肉和7條韌帶，并以韌帶和肌肉作為邊界條件，結(jié)果表明，應(yīng)用韌帶和肌肉作為邊界條件可降低皮質(zhì)骨的應(yīng)力集中，從而證實了韌帶與肌肉在骨盆髖臼有限元模型中的重要性，而將韌帶和肌肉因素引入有限元模型，也使三維有限元技術(shù)在骨盆中的應(yīng)用更近完善。

2　有限元技術(shù)在髖臼骨折研究中的應(yīng)用

髖臼骨折的分類方法包括Judet-Letournel分型、watson-Jones分型、AO分型等［18-20］，目前尚無一種分類系統(tǒng)能完全精確地反映髖臼骨折的特點。臨床上以Judet-Letournel分型應(yīng)用最為廣泛，它將髖臼骨折分為5種簡單骨折和5種復(fù)雜骨折，前者包括后壁骨折、后柱骨折、前壁骨折、前柱骨折和橫形骨折；后者包括后壁伴后柱骨折、橫形伴后柱骨折、T型骨折、前柱伴后半橫形骨折以及雙柱骨折。以下主要圍繞有限元技術(shù)在髖臼前柱骨折、后柱骨折、雙柱骨折等方面的研究進行綜述。

2.1有限元技術(shù)在髖臼前柱骨折中的應(yīng)用

目前三維有限元技術(shù)在髖臼前柱骨折中的應(yīng)用較少，多數(shù)研究集中于對其解剖結(jié)構(gòu)的三維測量。周華等［21］收集155例成人骨盆CT數(shù)據(jù)，利用有限元相關(guān)軟件建立三維模型，測量得出男性髖臼前柱允許置入螺釘?shù)淖畲笾睆胶烷L度分別為（7.95±0.98）mm和（124.84±6.79）mm，女性為（6.42±1.15）mm和（120.00±7.52）mm，男女差異明顯；男、女進釘點距恥骨聯(lián)合的距離和出釘點距髂前上棘的距離分別為（15.07±2.43）mm、（18.14±4.13）mm和（59.88±5.95）mm、（56.67± 6.06）mm，男女差異有統(tǒng)計學(xué)意義，這與男性髖臼前柱弧度較女性平直有關(guān)，作者因此建議國人使用直徑6.50 mm的拉力螺釘固定髖臼前柱骨折為佳，若女性髖臼前柱弧度過大則需行鋼板內(nèi)固定。該研究進一步證實，從前柱閉孔溝至髂恥隆起的縱切面近似“直三角形”，髂恥隆起至髂前上棘近似“鈍三角形”，兩區(qū)進釘難度大，髂恥隆起處進釘通道最窄，是手術(shù)進釘最困難的地方。此外，Puchwein等［22］收集50例骨盆髖臼CT數(shù)據(jù)，利用三維重建技術(shù)構(gòu)建骨盆髖臼模型并對前柱拉力螺釘進釘?shù)拈L度、安全區(qū)域及角度進行虛擬測量，得出前柱允許置入螺釘?shù)淖畲箝L度（127.2±7.1）mm，進釘方面與矢狀面成角（39.0±3.2）°，進釘點至最窄區(qū)域的距離為（50.6±6.3）mm，最窄區(qū)（14.6± 2.4）mm，到髖關(guān)節(jié)面的距離為（3.9±1.6）mm。此類三維有限元研究樣本量充足，測量數(shù)據(jù)精細(xì)，成本較低，便于操作，較以往的尸體標(biāo)本實驗［23-24］具有明顯優(yōu)勢。

2.2有限元技術(shù)在髖臼后柱骨折中的應(yīng)用

髖臼后柱是髖臼的重要力學(xué)支持結(jié)構(gòu)之一，近年來有限元技術(shù)在其解剖結(jié)構(gòu)生物力學(xué)的研究中取得較大進展。為了制備出更貼附髖臼后柱解剖結(jié)構(gòu)的鋼板形態(tài)，提高固定強度，縮短手術(shù)時間，魏星等［25］利用三維重建軟件，對111例成人患者骨盆CT進行髖臼后柱重建，以坐骨結(jié)節(jié)頂點為起點，沿坐骨上支中線背側(cè)，經(jīng)過髖臼后壁，近端沿臀前線向髂骨翼方向延伸放置鋼板，再對鋼板放置路徑上的弧度進行統(tǒng)計測量，據(jù)此設(shè)計出新型髖臼后柱解剖鋼板。在手術(shù)過程中，髖臼后柱鋼板固定的長度對顯露范圍和手術(shù)難度造成影響，一般認(rèn)為如將鋼板固定延長至坐骨結(jié)節(jié)處，則能夠提供更好的穩(wěn)定性。為了驗證該觀點，吳淑琴等［26］建立髖臼橫斷骨折有限元模型，對比短鋼板與長鋼板對骨折固定的穩(wěn)定性，分別模擬站立位和坐位并進行加載分析后發(fā)現(xiàn)：站立位下2種固定方式均未發(fā)生移位，但在坐位時，長鋼板模型骨折位置保持良好，而短鋼板模型卻發(fā)生骨折移位；同時，在相同的加載方式下，長鋼板模型的最大位移、模型整體及髖臼的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均小于短鋼板模型，髖臼后柱骨折長鋼板固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于短板固定。

髖臼后拉力螺釘?shù)慕馄始吧锪W(xué)研究也是研究的熱點。Shim等［27］對髖臼后柱骨折三維有限元模型的研究結(jié)果提示，該模型可以很好地預(yù)測經(jīng)皮螺釘固定時骨折斷端的位移。與實體模型相比，有限元模型在水平和側(cè)向位移的差距＜1個SD，而垂直位移差距雖＞1個SD，但＜0.05 mm；經(jīng)皮螺釘固定穩(wěn)定性不如鋼板固定，但載荷最大時經(jīng)皮螺釘固定的骨折塊位移仍＜1 mm，作者認(rèn)為，實驗載荷遠(yuǎn)大于在體實際情況，所以正常狀態(tài)下螺釘固定的穩(wěn)定性足以滿足臨床需要；而當(dāng)2枚螺釘固定于骨折塊的對角線時，其穩(wěn)定性與鋼板無明顯差別。范永盛等［28］通過三維模擬經(jīng)坐骨小切跡中點后柱拉力螺釘內(nèi)固定，能夠快捷準(zhǔn)確地測量釘?shù)绤?shù)并進行術(shù)前評估，運用該方法置入拉力螺釘固定后柱骨折安全簡便；為驗證經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)和坐骨小切跡2種不同逆行拉力螺釘內(nèi)固定方案的生物力學(xué)穩(wěn)定性，有學(xué)者利用三維有限元軟件分析得出，經(jīng)坐骨小切跡中點行后柱拉力螺釘內(nèi)固定在坐位具有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，更符合髖臼后柱力學(xué)軸線［29］?？梢姡ㄟ^三維有限元技術(shù)，髖臼后柱骨折的相關(guān)生物力學(xué)研究有了進一步的發(fā)展。

2.3有限元技術(shù)在累及髖臼雙柱骨折中的應(yīng)用

對于累及髖臼雙柱骨折的生物力學(xué)有限元研究，多以橫形骨折為基礎(chǔ)［26，29］，并以橫形骨折內(nèi)固定模型來推導(dǎo)其他雙柱骨折內(nèi)固定模式的生物力學(xué)穩(wěn)定性。

2.3.1髖臼橫形骨折髖臼橫形骨折的內(nèi)固定方式主要包括前柱拉力螺釘，后柱拉力螺釘，雙柱拉力螺釘，前柱板、后柱板、前柱板聯(lián)合后柱拉力螺釘，后柱板聯(lián)合前柱拉力螺釘及雙柱板固定等。為證實雙柱固定優(yōu)于單柱固定的理論，李維新等［30］利用三維有限元技術(shù)建立單塊右髖臼橫形骨折拉力螺釘固定模型，約束骶髂關(guān)節(jié)面和恥骨聯(lián)合面，以“拔河”的形式分別向臼頂和髖臼下部施加相應(yīng)大小應(yīng)力，研究結(jié)果顯示，雙柱拉力螺釘固定的位移值明顯小于單柱拉力螺釘固定，穩(wěn)定性優(yōu)于單柱固定。至于具體采用何種雙柱固定方式，國內(nèi)外學(xué)者的觀點不一。吳淑琴［31］應(yīng)用三維有限元技術(shù)重建完整骨盆模型，并建立雙柱螺釘、前柱螺釘后柱鋼板、雙柱鋼板固定模型，模擬站位分析，其研究結(jié)果顯示，在骨折位移、應(yīng)力和應(yīng)變等方面，雙柱螺釘均表現(xiàn)最佳，雙柱板固定最差。而Yildirim等［29］建立前柱板、后柱板、前柱板聯(lián)合后柱拉力螺釘、后柱板聯(lián)合前柱拉力螺釘及雙柱板等5種內(nèi)固定模型，結(jié)果則提示，雙柱板固定優(yōu)于單柱固定，后柱板聯(lián)合前柱拉力螺釘和雙柱板固定穩(wěn)定性最佳，兩者穩(wěn)定性無明顯差異，但根據(jù)盡量減小手術(shù)切口的原則，作者建議髖臼橫形骨折適宜采用后柱板聯(lián)合前柱拉力螺釘?shù)墓潭Ｊ健?/p>

2.3.2髖臼T形骨折與髖臼橫形骨折類似，髖臼T形骨折亦為累及雙柱的簡單骨折，屬于AO分型中的B型骨折；但與橫形骨折不同的是，T形骨折線將整個髖臼分為上、前下、后下3個部分，其縱行骨折線常通過坐骨支或恥骨下支，破壞骨盆前部的聯(lián)結(jié)弓（副弓），特別是與骶坐弓（主弓）相連的經(jīng)恥骨下支及坐骨的副弓，因而減弱了骨盆主弓的力學(xué)支撐作用。在累及髖臼雙柱骨折固定模式的生物力學(xué)研究中，學(xué)者們多構(gòu)建橫形骨折固定模型，而忽略了副弓對主弓的影響。此外，橫形骨折多采用前側(cè)或后側(cè)入路，骨折復(fù)位一柱，另一柱多可間接復(fù)位，借助柱板聯(lián)合拉力螺釘固定雙柱；而T形骨折則是由相互獨立的前柱骨折和后柱骨折構(gòu)成，不能期望一柱復(fù)位固定后，另一柱也隨之復(fù)位，因此多需考慮前后聯(lián)合入路，應(yīng)用雙板進行骨折固定，偶有前柱骨折或后柱骨折移位非常小時，才可采用單一入路柱板聯(lián)合拉力螺釘解決問題［32］。因此，筆者認(rèn)為，以橫形骨折推論其他類似骨折固定的穩(wěn)定性具有一定局限性，今后仍亟待建立標(biāo)準(zhǔn)的尸體模型或三維有限元T形骨折內(nèi)固定模型，以進一步研究其生物力學(xué)穩(wěn)定性。

2.3.3髖臼方形區(qū)骨折髖臼骨折時方形區(qū)常位于受力的中心部位，往往伴隨髖臼前柱或后柱發(fā)生損傷。對方形區(qū)髖臼骨折的治療一般采用鉤狀重建鈦板結(jié)合弧形鈦板垂直交叉固定或前路特殊塑形鈦板聯(lián)合方形區(qū)螺釘固定［33-34］。黃進成等［35］采用有限元技術(shù)建立雙柱板、前路特殊塑形鈦板+方形區(qū)螺釘以及前路特殊塑形鈦板+方形區(qū)螺釘+后柱螺釘內(nèi)固定的方形區(qū)髖臼雙柱骨折模型，分別在坐、站位下，以相同的加載方式進行計算分析，結(jié)果顯示，方形區(qū)拉力螺釘固定的穩(wěn)定性優(yōu)于雙柱板的非方形區(qū)固定，其中前路特殊塑形鈦板+方形區(qū)螺釘+后柱螺釘固定的力學(xué)穩(wěn)定性最佳，從而為髖臼復(fù)雜骨折的治療提供了一種穩(wěn)定性更高、創(chuàng)口更小、安全性更高的內(nèi)固定方式。

3　展望

隨著有限元相關(guān)軟件和計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，以及對骨盆髖臼周圍解剖結(jié)構(gòu)的深入研究，未來將能建立出更加符合人體實際的骨盆髖臼有限元模型，以模擬正常骨盆生物力學(xué)特性，從而為提高髖臼骨折的臨床療效提供指導(dǎo)。如何建立更接近在體情況的個體化有限元模型，進一步深入了解骨盆髖臼周圍韌帶、肌肉的相關(guān)屬性，并根據(jù)人體實際情況、采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄙx予相應(yīng)的材料屬性，將是未來有限元技術(shù)在髖臼骨折領(lǐng)域的研究重點之一；此外，根據(jù)CT數(shù)據(jù)快速建立骨折模型，模擬可行的骨折固定方式，預(yù)測各種固定方式的手術(shù)效果，選擇恰當(dāng)?shù)氖中g(shù)方式，建立個體化的手術(shù)方案，以及快速精確地全自動或半自動生成有限元模型，也是未來的研究方向和發(fā)展趨勢。

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（本文編輯：張輝）

Current researches of application of three-dimensional finite element in acetabular trauma

DAI Yuanyuan*，ZHANG Ying.*Orthopaedics Hospital，Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command，Guangzhou，Guangdong 510010，China；Postgraduate Institute，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou，Guangdong 510405，China.

ZHANG Ying，E-mail：zhangying_doc@aliyun.com

As a common means of biomechanics study of pelvic acetabular fracture，three-dimensional finite element technology has the characteristics of widely use，low cost，accurate results and high repeatability. In this paper，application of three-dimensional finite element technology in building models of the acetabulum was introduced，furthermore，the application progress of finite element technology in acetabular anterior column，posterior column，transverse，T-shape，square area fractures were emphasized and reviewed.

Pelvis；Acetabulum；Hip fractures；Finite element analysis；Models，anatornic；Biomechanics；Stress，mechanical；Fracture fixation，internal

R683.3，R356.1

A

1674-666X（2015）06-369-06

10.3969/j.issn.1674-666X.2015.06.008

廣東省科技計劃項目（2012B060100008）；廣州市科技計劃項目（2012J4100039）

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院（代元元，章瑩）；510405廣州中醫(yī)藥大學(xué)研究生院（代元元）

章瑩，E-mail：zhangying_doc@aliyun.com

（2015-07-21；

2015-10-10）