經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的有限元對(duì)比研究

張 瀟，楊曉東，夏 廣，李 濤，王 華，樊仕才

采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折作為臨床可選內(nèi)固定方案之一，適用于骨折移位不明顯或部分無法行開放手術(shù)的患者，具有經(jīng)濟(jì)、微創(chuàng)的特點(diǎn)，有利于患肢早期功能鍛煉［1－2］，但螺釘置入位置不佳則會(huì)造成周圍血管神經(jīng)損傷、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎甚至固定失穩(wěn)、斷釘?shù)刃g(shù)后并發(fā)癥。由于坐骨結(jié)節(jié)［3－4］位置表淺，易于捫及，目前臨床多選擇該區(qū)域置入螺釘。有學(xué)者［5］通過研究提出以坐骨小切跡為進(jìn)針點(diǎn)的不同置釘方案，認(rèn)為較之前方法存在一定優(yōu)勢(shì)。解剖學(xué)研究提示該兩種骨性通道存在明顯差異，但相關(guān)的力學(xué)對(duì)比研究尚未見報(bào)道。本研究通過建立髖臼后柱骨折模型，應(yīng)用有限元法對(duì)生理狀態(tài)下兩種內(nèi)固定方案的穩(wěn)定性進(jìn)行比較，進(jìn)而為臨床應(yīng)用提供參考。

材料與方法

1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本與內(nèi)固定物

健康成年人，男性，47歲，體重76kg，排除全身嚴(yán)重疾患及外傷史，行骨盆正側(cè)位X線片排除骨折及其他骨質(zhì)病變情況。內(nèi)固定材料:半螺紋空心拉力螺釘，長度100mm，直徑6.5mm(實(shí)驗(yàn)中以虛擬圓柱體代替)。

2 CT數(shù)據(jù)獲取

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院影像科提供的64排螺旋CT機(jī)(Siemens，德國)，垂直于身體縱軸進(jìn)行CT掃描，掃描層厚為0.5 mm，得到醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)格式完整骨盆斷層掃描圖片626張。

3 骨盆三維有限元模型的建立及有效性驗(yàn)證

3.1 將DICOM圖片導(dǎo)入Mimcs14.0軟件，進(jìn)行三維重建，結(jié)果以光固化(STL)格式輸出，利用Geomagic軟件生成曲面，Proe5.0進(jìn)行實(shí)體建模。對(duì)模型進(jìn)行平滑、除噪點(diǎn)、鋪面等修飾處理，結(jié)果以初始化圖形交換規(guī)范(IGES)格式輸出。將保存文件導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys14.5中，結(jié)合骨盆骨質(zhì)“三明治”樣結(jié)構(gòu)定義模型單位，定義皮質(zhì)骨的厚度為1.5mm，皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的材料屬性簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)連續(xù)、密度均勻的線彈性材料，同時(shí)添加骨盆周圍韌帶等相關(guān)結(jié)構(gòu)，參考相關(guān)文獻(xiàn)賦予具體材料屬性［6］，完成后的模型自動(dòng)網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)490 227個(gè)，網(wǎng)格295 806個(gè)(圖1)。

圖1 骨盆有限元模型

3.2 模型有效性驗(yàn)證 將模型導(dǎo)入Ansys 14.5軟件，模擬雙腳站立位。于S1椎體上終板設(shè)置剛性面，給予均勻分布載荷，模擬重力方向，大小為500N。邊界條件:為接近生理狀態(tài)，對(duì)髖臼雙側(cè)關(guān)節(jié)面及恥骨聯(lián)合進(jìn)行約束，限制6個(gè)方向的自由度，得到骨盆模型的位移和應(yīng)力分布云圖。通過觀察，筆者發(fā)現(xiàn)所建骨盆的應(yīng)力經(jīng)由骶骨、骶髂關(guān)節(jié)沿髖臼后柱和弓狀緣進(jìn)行傳遞，骶髂關(guān)節(jié)和坐骨大切跡周圍應(yīng)力較大，與理論知識(shí)和相關(guān)研究相符，證明了模型的有效性。

4 髖臼后柱骨折逆行拉力螺釘固定模型的建立

應(yīng)用Solidworks 2010軟件打開髖骨實(shí)體，參考吳嘯波等［7］的方法，建立后柱骨折模型，利用網(wǎng)格刪減，在左側(cè)髖關(guān)節(jié)面2點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘方向進(jìn)行切割，將一側(cè)髖骨分割成髖部零件和后柱部零件(圖2a)。參考相關(guān)文獻(xiàn)［3，5，8］所述置釘方案分別在后柱坐骨結(jié)節(jié)(A方案)和坐骨小切跡處(B方案)模擬置入拉力螺釘，完成手術(shù)固定模型的建立(圖2b、c)，骨折塊間摩擦系數(shù)0.5u，螺釘與骨塊摩擦系數(shù)1.0u。

圖2 骨折模型及不同內(nèi)固定方案。a．髖臼后柱骨折模型;b．經(jīng)坐骨小切跡內(nèi)固定方案;c．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)內(nèi)固定方案

5 靜力加載及評(píng)價(jià)指標(biāo)

模擬人體雙腿直立位和坐位的生理姿勢(shì)，模擬重力方向，對(duì)骨盆施加軸向載荷。具體方式為分別約束雙側(cè)髖臼和坐骨結(jié)節(jié)，向S1骶骨椎體上表面均勻垂直加壓，壓力大小選擇500N。統(tǒng)計(jì)髖臼關(guān)節(jié)面骨折線節(jié)點(diǎn)位移和內(nèi)固定螺釘應(yīng)力，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所得數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，方差齊性判斷后，應(yīng)用兩樣本t檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，P＜0.05提示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 關(guān)節(jié)面骨折線節(jié)點(diǎn)位移 具體位移數(shù)值均數(shù)及比較結(jié)果見表1。

表1 關(guān)節(jié)面骨折線位移均數(shù)比較(μm)

2 后柱拉力螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力 具體應(yīng)力分布及數(shù)值見表2和圖3。

表2 不同體位拉力螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值(Mpa)

圖3 后柱拉力螺釘應(yīng)力云圖。a．經(jīng)小切跡站位;b．經(jīng)小切跡坐位;c．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)站位;d．經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)坐位

討 論

開放手術(shù)作為髖臼后柱骨折的傳統(tǒng)首選治療方法，存在創(chuàng)傷大、血管神經(jīng)損傷和異位骨化發(fā)生率高等術(shù)后并發(fā)癥［9－10］。隨著骨盆髖臼骨折微創(chuàng)治療的不斷發(fā)展，Starr、Gay等［1，11］報(bào)道了采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘技術(shù)固定髖臼后柱骨折，取得了滿意臨床療效，認(rèn)為該技術(shù)適用于無明顯移位和粉碎程度較輕的骨折治療，具有經(jīng)濟(jì)、微創(chuàng)的特點(diǎn)。Mouhsine等［2］總結(jié)21例老年復(fù)雜髖臼骨折微創(chuàng)治療經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該技術(shù)在免去開放手術(shù)創(chuàng)傷的同時(shí)，保證了患肢早期功能鍛煉，縮短了臥床時(shí)間，對(duì)老年患者意義更大。但髖臼后柱骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺釘置入過程中，如果螺釘位置不佳，則易導(dǎo)致螺釘誤入關(guān)節(jié)或穿出骨板，造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎和周圍血管神經(jīng)損傷，甚至骨折固定不牢固、斷釘?shù)葒?yán)重并發(fā)癥［12］。

目前，髖臼后柱經(jīng)皮逆行拉力螺釘存在不同置釘方案，其中大部分學(xué)者選擇坐骨結(jié)節(jié)為進(jìn)針點(diǎn)。國內(nèi)張大保等［3］通過對(duì)國人骨盆相關(guān)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)坐骨結(jié)節(jié)表面存在一點(diǎn)，可與髂前髂后上棘構(gòu)成等腰三角形，提出以髂前髂后上棘連線中垂面為參考平面的置釘方案，得出螺釘與水平面、冠狀面和矢狀面的夾角分別為(72.02±6.05)°、(14.71±6.98)°和(8.61±3.96)°。有作者［7－8，13－14］通過解剖學(xué)研究，得出髖臼后柱骨性通道的長軸穿出點(diǎn)位于坐骨小切跡中點(diǎn)附近，髖臼后柱軸線與冠狀面夾角為男性(33.41±2.18)°、女性(31.56±2.71)°，與矢狀面夾角男性(21.74±1.19)°、女性(19.15±1.24)°，提出了髂前上棘和弓狀線后端連線的中點(diǎn)與坐骨小切跡中點(diǎn)連線的置釘方案。認(rèn)為該置釘方案不僅可以避免坐位時(shí)釘尾的直接受力，減少坐位不適感，而且螺釘更符合生物力學(xué)要求，固定更穩(wěn)，較前者存在優(yōu)勢(shì)。相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩置釘通道解剖參數(shù)存在明顯差異，但力學(xué)定量對(duì)比研究未見有報(bào)道。

通過有限元法對(duì)比受力前后骨折線位移和螺釘應(yīng)力分布后發(fā)現(xiàn)，骨折模型在站立位和坐位時(shí)表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。通過不同體位下兩種內(nèi)固定方案的對(duì)比，得出站立位時(shí)兩種內(nèi)固定方案骨折線位移值相近且差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.004＜0.05)。坐位時(shí)經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘最大位移均值為(6.52±0.38)μm，明顯小于經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)置釘?shù)?7.27±0.48)μm水平，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.932＞0.05)，表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)穩(wěn)定性，分析主要原因?yàn)檎玖⑽蛔冏粫r(shí)，骨盆受力區(qū)由臼頂負(fù)重區(qū)轉(zhuǎn)為坐骨結(jié)節(jié)直接受力的結(jié)果。由于重力傳導(dǎo)途徑的改變，拉力螺釘受力亦表現(xiàn)出明顯的不同，坐位時(shí)應(yīng)力達(dá)到36.053Mpa，明顯大于站立位時(shí)(6.747Mpa)水平，且站立位時(shí)螺釘受力集中于骨折線周圍，而坐位時(shí)螺釘尾部為主要的受力區(qū)域(圖3)，但其應(yīng)力強(qiáng)度均明顯小于螺釘?shù)那?qiáng)度，側(cè)面證實(shí)了后柱逆行拉力螺釘內(nèi)固定的可行性。

本實(shí)驗(yàn)支持經(jīng)坐骨小切跡置釘生物力學(xué)穩(wěn)定性更優(yōu)的結(jié)果。采用有限元法具有經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)操作的優(yōu)點(diǎn)，但由于年齡和性別等因素造成的骨盆形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性差異，其結(jié)果與實(shí)際情況必然存在一定不同，同時(shí)由于骨折移位、粉碎程度和周圍軟組織的復(fù)雜性，實(shí)際操作尚需結(jié)合患者實(shí)際情況綜合考慮后決定置釘方案。

［1］Starr AJ，Reinert CM，Jones AL．Percutaneous fixation of the columns of the acetabulum:a new technique［J］．JOrthop Trauma，1998，12(1):51－58.

［2］Mouhsine E，Garofalo R，Borens O，et al．Percutaneous retrograde screwing for stabilisation of acetabular fractures［J］．J Care Injury，2005，36(11):1330－1336.

［3］張大保，王鋼，孟祥翔，等．髖臼后柱經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定可行性的數(shù)字模型研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2009，27(3):288－291.

［4］嵇鵬，吳乃慶，司衛(wèi)兵．髖臼后柱逆行經(jīng)皮拉力螺釘固定的應(yīng)用解剖［J］．中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2006，6(6):441－443.

［5］尹維剛，史增元，胡蔭，等．經(jīng)皮坐骨小切跡拉力螺釘內(nèi)固定髖臼后柱骨折的應(yīng)用解剖與臨床應(yīng)用［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2007，27(2):140－142.

［6］張景僚．骨盆三維有限元模型的建立及其分析［D］．第一軍醫(yī)大學(xué)，2007.

［7］吳嘯波，張奇，郭明珂，等．髖臼后柱骨折模型建立及髖臼后柱骨折鋼板內(nèi)固定和拉力螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性比較［J］．中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13(52):10236－10240.

［8］毛海蛟，史增元，尹維剛，等．經(jīng)坐骨小切跡髖臼后柱打釘入路的應(yīng)用解剖與導(dǎo)向器研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2014，32(2):121－124.

［9］魏丹，王躍，袁加斌，等．復(fù)合髖臼骨折手術(shù)中后方入路的特點(diǎn)和選擇［J］．創(chuàng)傷外科雜志，2010，5(4):392－394.

［10］胡建華，張曉星，茍景躍．前后聯(lián)合入路治療復(fù)雜髖臼骨折［J］．創(chuàng)傷外科雜志，2011，4(3):297－299．

［11］Gay SB，Sistrom C，Wang GJ，et al．Percutaneous screw fixation of acetabular fractures with CT guidance:preliminary results of a new technique［J］．AJR Am J Roentgenol，1992，158(4):819－822．

［12］張丕軍．髖臼后柱骨折逆行經(jīng)皮拉力螺釘置釘導(dǎo)向裝置研制與初步驗(yàn)證［D］．南方醫(yī)科大學(xué)，2013．

［13］王慶賢，張英澤 潘進(jìn)社，等．髖臼后柱拉力螺釘內(nèi)固定的應(yīng)用解剖學(xué)［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2004，23(6):596－598．

［14］范永盛，尹維剛，史增元，等．三維重建模型模擬拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的研究［J］．中國臨床解剖學(xué)雜志，2013，31(3):241－245.