李俊偉1, 2，彭燁3，尉遲晨曦1, 2，都承斐1, 2

1. 天津理工大學 天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室（天津 300384）

2. 天津理工大學 機電工程國家級實驗教學示范中心（天津 300384）

3. 中國人民解放軍總醫(yī)院 骨科（北京 100853）

【摘要】 采用有限元法對三種 U 型骶骨骨折后手術(shù)固定模型的生物力學特性進行了研究。在之前建立并 驗證有效的完整腰椎—骨盆模型的基礎(chǔ)上，建立了三種 U 型骶骨骨折手術(shù)固定模型：① S1S2 貫穿螺釘（S1S2）， ② L4–L5 椎弓根螺釘 + 髂骨翼螺釘（L4L5 + IS），③ L4–L5 椎弓根螺釘 + S1 貫穿螺釘 + 髂骨翼螺釘（L4L5 + S1 + IS）。然后，通過對 L4 上表面施加 400 N 豎直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向旋轉(zhuǎn)、軸 向側(cè)彎），對比三種固定方式在坐姿和站姿下產(chǎn)生的骨折縫隙分離值和最大應(yīng)力的差異。研究結(jié)果表明，在不同 姿態(tài)下，不同手術(shù)組產(chǎn)生的骨縫隙分離值為：L4L5 + S1 + IS 遠小于 L4L5 + IS 和 S1S2。對于內(nèi)植入物而言，上述 三種固定方式產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為 L4L5 + IS > L4L5 + S1 + IS > S1S2；對于椎間盤而言，上述三種固定方式產(chǎn)生的 最大應(yīng)力值為 S1S2 遠大于 L4L5 + S1 + IS 和 L4L5 + IS。綜合考慮，對于 U 型骶骨骨折而言，可以優(yōu)先考慮 L4L5 + S1 + IS 固定方式進行固定。本文研究的目的在于通過比較采用三種不同的內(nèi)固定方式固定 U 型骶骨骨折后的生物力學的差異，進而為臨床手術(shù)提供有效的參考。

【關(guān)鍵詞】 U 型骶骨骨折；S1S2 貫穿螺釘；L4–L5 椎弓根螺釘；髂骨翼螺釘；骨折縫隙分離值

引言

骶骨骨折常發(fā)生于高空墜落、車禍等事故中， 約占骨盆骨折的 17%～30%[1]。按照骨折線位置的 不同可將骶骨骨折分為 H 型、U 型、T 型及人字型 骨折[2]。由于骶骨骨折的種類繁多，每種骶骨骨折 的治療方案眾多，因而導致現(xiàn)階段對骶骨骨折的治 療方案尚未統(tǒng)一。如果治療不當，將導致創(chuàng)傷性脊 柱—骨盆分離（traumatic spine pelvic dissociation）， 從而使骨盆以及腰椎的穩(wěn)定性受到影響[3-4]，臨床 上常表現(xiàn)為由骨折近端嚴重滑脫（high- grade spondylolisthesis）所導致的腰骶部畸形、骨盆后環(huán) 明顯失穩(wěn)及混合型神經(jīng)功能損害[2-3]。此外，骶骨 骨折常伴有腰骶叢神經(jīng)損傷，發(fā)生的概率為 94.3%， 后者為患者后期致殘的主要原因[5]。 U 型骶骨骨折是一種特殊的骶骨骨折，臨床表 現(xiàn)為骶骨雙側(cè)縱行骨折合并橫行骨折[6]，多數(shù)患者 為自殺性跳樓骨折，因此又將其稱為“自殺性骨 折”，這種骨折損傷導致脊柱和骶骨中上部與骨盆 分離。由于此類骨折的發(fā)生率較低，約占骶骨骨折 的 2.1%[6]，臨床醫(yī)生缺乏治療經(jīng)驗且治療較為復(fù) 雜，因此導致近年來外科手術(shù)的治療方案仍存在較 大爭議[7]。Keating 等[8]對 35 例患有骶骨骨折的患 者采用骶髂螺釘進行固定，術(shù)后有 15 例（44 %）患 者出現(xiàn)畸形愈合。張偉等[5]采用骶髂螺釘對患有縱 向骶骨骨折的患者進行治療，術(shù)后容易出現(xiàn)復(fù)位丟 失和固定失效現(xiàn)象。Zhao 等[9]建立了四種骶骨骨 折的有限元模型，分別采用骶髂螺釘與貫穿螺釘對 其進行固定，發(fā)現(xiàn)采用貫穿螺釘進行固定的骶骨有 限元模型的穩(wěn)定性大于采用骶髂螺釘固定的骶骨 有限元模型的穩(wěn)定性。此外，K?ch 等[10]于 1994 年 首先報告了采用椎弓根螺釘與髂骨翼螺釘進行治 療縱向骶骨骨折的患者，并提出脊柱—骨盆固定 （spinopelvic fixation）。Schildhauer 等[11]在此基礎(chǔ) 上進一步提出三角固定的概念，即在整個裝置上增 加橫向固定（連接左右串聯(lián) L4–L5 椎弓根螺釘與髂 骨翼螺釘連接棒的固定件），能夠進一步增加其固 定的穩(wěn)定性。Berber 等[12]通過生物力學實驗證明， 對患有骶骨骨折的患者，采用腰椎—骨盆固定方法 進行固定，能夠為骨折部位提供足夠的強度和穩(wěn)定 性，術(shù)后即刻負重。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)針對 U 型 骶骨骨折，將采用骶髂螺釘固定與采用腰椎—骨盆固定兩種不同方式的生物力學性能進行對比的研 究，因此本文結(jié)合目前臨床應(yīng)用較為廣泛的骶骨骨 折治療方案[2, 5, 8-18]，提出以下三種固定方式：① S1S2 貫穿螺釘（S1S2）；② L4–L5 椎弓根螺釘 + 髂 骨翼螺釘（L4L5 + IS）；③ L4–L5 椎弓根螺釘 + S1 貫穿螺釘 + 髂骨翼螺釘（L4L5 + S1 + IS）。然后，根 據(jù)實際受力情況采用有限元法模擬前屈、后伸、軸 向旋轉(zhuǎn)—左旋、軸向側(cè)彎—左彎時內(nèi)固定物的受力 情況，并分析受力后在骨折面產(chǎn)生的骨折縫隙分離 值的大小，進而比較三種內(nèi)固定方式固定后的生物 力學性能的差異，從而為臨床手術(shù)提供一定的參考。

1?材料與方法

1.1?有限元模型的構(gòu)建

本文選用的有限元模型節(jié)選至本課題組以前 建立并經(jīng)過有效性驗證的完整腰椎骨盆模型的部 分節(jié)段：第四腰椎—第五腰椎（L4–L5）及骨盆節(jié) 段[ 1 9 ]，方法如下：基于一名健康女性（165 cm， 65 kg，35 歲）的 L4–L5 及骨盆的微計算機斷層掃描 圖像（micro-computer tomography，micro-CT）獲取 模型的邊界信息（此 micro-CT 圖像由天津醫(yī)院 —脊柱外科一病區(qū)提供，本課題組已授權(quán)可以使用 該數(shù)據(jù)），然后利用此邊界構(gòu)建完整的 L4–L5 及骨 盆模型。其中，L4–L5 節(jié)段包括：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、 后部結(jié)構(gòu)、上下終板、軟骨、髓核、纖維環(huán)以及黃韌 帶（ligamentum flavum，LF）、橫突間韌帶（intertransverse ligament，ITL）、棘間韌帶（interspinous ligament，ISL）、棘上韌帶（supraspinous ligament， SSL）、關(guān)節(jié)囊韌帶（zygapophyseal joint capsules ligament，ZCL）、前縱韌帶（anterior longitudinal ligament，ALL）和后縱韌帶（posterior longitudinal ligament，PLL），其中髓核占椎間盤總量的 40%～ 50%[20]；骨盆，包括：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、恥骨聯(lián)合、 骶髂軟骨以及骶髂前韌帶（anterior sacroiliac ligament，ASL）、骶髂后韌帶（長）（long posterior sacroiliac ligament，LPSL）、骶髂后韌帶（短）（short posterior sacroiliac ligament，SPSL）、骶棘韌帶（sacrospinous ligament，SSL）、骶結(jié)節(jié)韌帶（sacrotuberous ligament，STL）、恥骨弓狀韌帶（arcuate pubic ligament，APL）、髂腰韌帶（iliolumbar ligament， ILL）等組成，所有韌帶被賦予只能承受拉力。

對于 L4–L5 模型，皮質(zhì)骨與終板均采用殼單元來模擬，并賦予其 0.5 mm 的厚度，松質(zhì)骨和后部結(jié) 構(gòu)采用四面體和五面體單元劃分。對于骨盆模型， 皮質(zhì)骨和終板采用殼單元來模擬，同時賦予左髂 骨、右髂骨 0.45 mm 的厚度以及骶骨 1.0 mm 的厚 度[21-23]，松質(zhì)骨采用四面體和五面體單元劃分，恥 骨聯(lián)合采用六面體單元劃分。骶骨軟骨與髂骨軟 骨的厚度比為 2:1，其中骶骨軟骨厚度為 1.8 mm， 髂骨軟骨厚度為 0.9 mm，兩者之間的間距為 0.3 mm[23]。在整個模型中，纖維環(huán)、髓核使用六面 體單元劃分，軟骨采用五面體和六面體單元劃分， 韌帶采用一維單元劃分，并賦予其相應(yīng)的橫截面 積。正常腰椎骨盆模型和 U 型腰椎骨盆骨折模 型的有限元圖形分別如圖 1 所示。本文按照骨折 線將骶骨采用藍色和黃色兩個不同的顏色區(qū)分， 由于在骶骨骨折的同時，髂腰韌帶以及骶髂后韌 帶也伴隨斷裂，因此去除了髂腰韌帶以及骶髂 后韌帶。

1.2?內(nèi)固定物的建立

本文所選用的三種內(nèi)固定的材料屬性均為鈦 合金，其中 S1 貫穿螺釘?shù)拈L度為 180 mm，直徑為 6.5 mm；S2 貫穿螺釘?shù)拈L度為 160 mm，直徑為6.5 mm；左右髂骨翼螺釘?shù)拈L度為 80 mm，直徑為 8 mm；L4–L5 椎弓根螺釘?shù)拈L度為 45 mm，直徑為 6.5 mm；串聯(lián) L4–L5 椎弓根螺釘和髂骨翼螺釘?shù)?連接棒直徑為 5 mm，連接左右連接棒的橫聯(lián)直徑 為 7 mm。

1.3?模型的材料屬性

根據(jù)查閱的文獻[24-26]，L4–L5 和骨盆的材料 屬性如表 1、表 2 所示。由于采用不同方式固定的 模型的松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)以及螺釘?shù)膯卧?數(shù)量不一致，因此表 1、表 2 中僅列出正常的腰椎 骨盆有限元模型的單元數(shù)量。

1.4?模型的載荷、邊界條件設(shè)置 對 U 型骶骨骨折模型的 L4 上表面施加 400 N 豎直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前 屈、后伸、軸向旋轉(zhuǎn)—左旋、軸向側(cè)彎—左彎），分 別模擬人體位于坐姿或站姿，進行前屈、后伸、軸 向旋轉(zhuǎn)—左旋或軸向側(cè)彎—左彎等活動時，人體自 身體重施加于整個人體的受力狀態(tài)[27-28]。該載荷 通過施加在 L4 上終板中心位置且與上終板表面耦 合的作用點來實現(xiàn)，同時分別對左右髂骨坐骨結(jié)節(jié) 面處節(jié)點和髖臼處節(jié)點的 6 個自由度進行約束，模

擬坐姿和站姿狀態(tài)下的約束邊界，如圖 2 所示。所 有網(wǎng)格劃分、材料屬性的定義、接觸屬性的定義、 載荷以及邊界條件的施加均在有限元前處理軟件Hypermesh（Hyperwork Inc.，美國）進行，其中軟骨 與軟骨之間采用面—面接觸、骨折面之間采用點— 面接觸、螺釘與骨面之間采用綁定約束、螺釘與連接棒之間采用綁定接觸。仿真計算全部在有限元 軟件 ABAQUS（ABAQUS Inc.，法國）進行。

1.5?測量骨折縫隙分離值

未施加載荷前，對采用上述三種不同固定方 式固定的骨折模型，在其骨折面處均需標記相同 的三個點，分別是位于骨折線左上方點 A、位于骨 折線右后方點 B 和位于水平骨折線后方點 C，如 圖 3 所示。由于施加載荷后，在骨折面處會產(chǎn)生相 對滑動，從而在骨折面會產(chǎn)生骨折縫隙分離值，即 分別測量與點 A 所對應(yīng)的點 A1、A2；與點 B 所對 應(yīng)的點 B1、B2；與點 C 所對應(yīng)的點 C1、C2 之間的 距離。

2?結(jié)果

2.1?骨折縫隙分離值

施加本文所述載荷后，在骨折面，點 A、B、C 產(chǎn)生的骨折縫隙分離值如圖 4、圖 5 所示，其中圖 4 為變形系數(shù)擴大 5 倍的狀態(tài)。

2.2?骨折固定模型的最大應(yīng)力值

針對采用上述三種不同固定方式固定的 U 型 骶骨骨折模型，在 L4 上表面施加 400 N 豎直向下 的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸 向旋轉(zhuǎn)—左旋、軸向側(cè)彎—左彎）后，產(chǎn)生的最大應(yīng) 力均在內(nèi)固定物處。因為本文采用的是仿真方案， 因此隨機選取三種固定方式坐姿狀態(tài)下前屈的最 大應(yīng)力值云圖，如圖 6 所示。所有不同的加載方式 在坐姿和站姿下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，如圖 7 所示。

2.3?腰椎間盤的最大應(yīng)力值

針對上述三種不同方式固定的 U 型骶骨骨折模型，在 L4 上表面施加 400 N 豎直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向旋轉(zhuǎn)— 左旋、軸向側(cè)彎—左彎）后，在 L4L5 之間的椎間盤 產(chǎn)生的最大應(yīng)力值如圖 8 所示，在第五腰椎與骶骨 上表面（L5S1）之間椎間盤產(chǎn)生的最大應(yīng)力值如 圖 9 所示。

3?討論

傳統(tǒng)治療骶骨骨折常采用骶髂螺釘進行固定， 但相關(guān)報道證明采用骶髂螺釘進行固定并不能很 好地治療骶骨骨折[4-6]。從生物力學角度看，腰椎

骨盆固定可以將體重從脊柱沿椎弓根系統(tǒng)及髂骨 翼螺釘轉(zhuǎn)移到髂骨中，從而避免了載荷過度施加于 骨折處，促進了骨折愈合[5]。多篇文獻報道采用腰 椎–骨盆固定 U 型骶骨骨折能夠提供多平面的穩(wěn)定 性，髂骨翼螺釘和橫聯(lián)（連接左右連接棒的固定件）能夠提供水平方向的穩(wěn)定性，L4–L5 椎弓根螺 釘 + 左右連接棒能夠提供豎直方向的穩(wěn)定性[7-8, 16]， 其中文獻[7-8, 12]采用的腰椎–骨盆固定方法均沒有 使用 S1 貫穿螺釘。本文針對 U 型骶骨骨折采用三 種固定方式進行固定，并對 L4 上表面施加 400 N豎直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前 屈、后伸、軸向旋轉(zhuǎn)—左旋、側(cè)彎—左彎）后，由圖 5 可知，相同載荷作用下，無論是坐姿還是站姿，采 用 L4L5 + S1 + IS 進行固定的骶骨骨折受力后產(chǎn)生 的骨折縫隙值遠遠小于采用 L4L5 + IS 進行固定的 骶骨骨折產(chǎn)生的骨折縫隙分離值。此外，內(nèi)固定物 能夠承受的最大應(yīng)力是反映其安全性能的標準之 一，所承受的最大應(yīng)力越大，越容易導致內(nèi)固定物 的破壞以及固定失效。由圖 7 可以看出，相同載荷 作用下，無論是坐姿還是站姿，采用 L4L5 + S1 + IS 進行固定的骶骨骨折在內(nèi)固定物產(chǎn)生的最大應(yīng)力 值均小于采用 L4L5 + IS 進行固定骶骨骨折在內(nèi)固 定物產(chǎn)生的最大應(yīng)力值。同樣，椎間盤承受應(yīng)力的 大小是手術(shù)好壞的一個重要指標，椎間盤承受的最 大應(yīng)力越大，越容易導致腰椎間盤退變，從而引發(fā) 下腰痛等癥狀[29-30]，由圖 8、圖 9 可以看出，相同載 荷作用下，無論是坐姿還是站姿，采用 L4L5 + S1 + IS 進行固定的骶骨骨折在椎間盤產(chǎn)生的最大應(yīng)力 值與采用 L4L5 + IS 進行固定骶骨骨折在椎間盤產(chǎn) 生的最大應(yīng)力值差別不大。由于 S1 貫穿螺釘?shù)拇?在，使得骶骨骨折區(qū)域與周圍的骶骨有效的固定在 一起，加強了水平方向的固定。由此可以看出，包 含 S1 貫穿螺釘?shù)难怠桥韫潭ǚ椒ǖ纳锪W 特性高于沒有 S1 貫穿螺釘?shù)难怠桥韫潭ǚ椒?的生物力學特性。

針對本文提出的 S1S2 固定方式，由圖 5 可知， 相同載荷作用下，無論是坐姿還是站姿，采用 S1S2 固定的骶骨骨折產(chǎn)生的骨折縫隙值遠大于采用 L4L5 + S1 + IS 固定的骶骨骨折產(chǎn)生的骨折縫隙分 離值。由圖 7 可以看出，相同載荷作用下，無論是 坐姿還是站姿，兩種固定方式在前屈和左旋的作用 力下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力值的差別較小，而在后伸或 左彎作用力下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值的差別較大，因此 對于采用 L4L5 + S1 + IS 進行固定骶骨骨折的患 者，建議術(shù)后減少后伸和側(cè)彎活動。此外，由圖 8、 圖 9 可以看出，采用 L4L5 + S1 + IS 進行固定的骶骨 骨折在椎間盤產(chǎn)生的最大應(yīng)力值遠小于采用 S1S2 進行固定骶骨骨折在椎間盤產(chǎn)生的最大應(yīng)力值。 由此可知，采用 L4L5 + S1 + IS 進行固定的骶骨骨 折的生物力學特性優(yōu)于采用 S1S2 固定的骶骨骨折 的生物力學特性。

然而，采用腰椎—骨盆固定治療 U 型骶骨骨折 也存在一些不足，相關(guān)論文報道術(shù)后引起的創(chuàng)傷 大，少數(shù)患者會伴有感染發(fā)生[7, 16]，因此在采用 L4L5 + S1 + IS 治療過程中，需要注意傷口感染。此 外，由于采用腰椎—骨盆固定，會限制腰椎和骶骨 的活動度，從而帶來下腰部疼痛，相關(guān)報道建議在 骨折愈合的 8～12 月間應(yīng)取出內(nèi)植入物[18]。

4?結(jié)論

本研究建立了 U 型骶骨骨折的有限元模型，對 其三種手術(shù)固定后的生物力學行為進行了研究。 L4L5 + S1 + IS 在生物力學指標上綜合考慮比較后 較優(yōu)于其他兩種固定方式，因此建議對于治療 U 型 骶骨骨折的患者，可以優(yōu)先考慮采用 L4L5 + S1 + IS 固定方式進行固定。

文章僅作為學術(shù)交流，版權(quán)歸原作者所有。如涉及版權(quán)，請聯(lián)系刪除！

PART 01

針對骨學、關(guān)節(jié)外科、普外科、囗腔科等提供醫(yī)學力學有限元分析仿真、培訓、臨床手術(shù)模擬分析等；

代做有限元：脊椎、腰椎、頸椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齒、骨關(guān)節(jié)等；

服務(wù)對象：各省市、自治區(qū)從事運動生物力學、生物醫(yī)學工程、基礎(chǔ)醫(yī)學、臨床醫(yī)學、囗腔力學、骨骼力學的教學、研究與應(yīng)用的教師、科研工作者、各級教練員等方面的相關(guān)人員；國內(nèi)各重點大學、科研院所相關(guān)研究領(lǐng)域的博士、碩士相關(guān)研究生和學者等。

相關(guān)項目代做或課程培訓可主頁私信小編