背景:骨盆骨折是一種臨床上十分常見的骨折，其中,Tile- C 型骨盆骨折是指骨 盆后環(huán)垂直及旋轉(zhuǎn)均不穩(wěn)定， 是不穩(wěn)定骨盆損傷中最嚴重的一種，處理方式復雜， 并發(fā)癥較多。C 型骨折后環(huán)骶髂復合體破裂是絕對的手術(shù)指征，需要及時、有效的 固定骨盆，重建骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性，減少并發(fā)癥的發(fā)生。在后環(huán)骨折的固定上， 如何選擇合適的固定方式，最優(yōu)的固定方式是什么，目前尚無明確共識。臨床上 常用的內(nèi)固定方式主要包括閉合骶髂螺釘固定以及后路門形鋼板固定。近些年來， 椎弓根螺釘系統(tǒng)也逐漸被利用到復雜骨盆骨折的固定中來，即髂腰固定。為了驗 證髂腰固定與兩種傳統(tǒng)內(nèi)固定方式的生物力學穩(wěn)定性相比是否滿意，需要對內(nèi)固 定模型進行生物力學分析。三維有限元分析就是一種通過計算機建模進行生物力 學分析的方法，具有個體化以及可重復性強的優(yōu)勢，在規(guī)范操作下可信度高，可 用于進行三種不同內(nèi)固定的生物力學分析比較。

目的：目前在生物力學方面尚未對髂腰固定與傳統(tǒng)內(nèi)固定方式做詳盡的比較分析。本研究通過將髂腰固定與骶髂螺釘固定、后路門形鋼板固定三種內(nèi)固定方式進行 三維有限元分析，從而驗證髂腰固定與傳統(tǒng)手術(shù)方法相比是否具有可靠的生物力 學穩(wěn)定性，得出固定效果較為滿意的固定方法，從而給臨床治療提供有效的依據(jù)。

方法：選取 1 位正常志愿者，進行骨盆 CT 平掃，對影像文件加以處理建立正常骨 盆實體模型，并經(jīng)骶孔及恥骨聯(lián)合建立 Tlie-C 型骨盆骨折的有限元模型。利用建 模軟件建立髂腰固定、后路門形鋼板固定以及骶髂螺釘固定的零件模型，安裝在 建立的骨盆骨折模型上。將得到的 3 組分別安裝不同內(nèi)固定的骨盆骨折模型導入 有限元分析軟件中，依次安裝韌帶和軟骨，對骨盆各零件的力學屬性予以賦值， 通過固定雙側(cè)髖臼、在椎骨上方平面施加 500N 載荷，模擬雙足站立時骨盆受力情 況，比較不同內(nèi)固定骨折模型中最大 Von Mises 應力、骨盆總位移、骨折分離移 位、骨折面平均應力以及受傷骶骨最大應力等情況。

結(jié)果：模擬直立狀態(tài)下，髂腰固定、后路門形鋼板固定、骶髂螺釘固定模型的骨 盆最大位移分別為 1.65mm、1.77mm、0.59mm，內(nèi)固定的最大 Von Mises 應力分別 為 168.66Mpa、95.4Mpa、101.8Mpa，骨折分離移位分別為 0.52mm、0.90mm、0.40mm， 受傷骶骨最大 Von Mises 應力分別為 8.908Mpa、20.019Mpa 以及 16.033Mpa，骨折 面平均 Von Mises 應力分別為 6.11Mpa、8.36Mpa 以及 4.22Mpa。

結(jié)論：骶髂螺釘、后路門形鋼板以及髂腰固定三種骨盆骨折內(nèi)固定方式的生物力 學存在一定差異。應力傳導方面，三種內(nèi)固定方式均能有效的恢復損傷骨盆的應 力傳導路徑。穩(wěn)定性方面，骶髂螺釘可以提供骨折最佳的穩(wěn)定性，髂腰固定穩(wěn)定 性略差于骶髂螺釘固定，后路門形鋼板穩(wěn)定性最差。骨折面應力方面，三種內(nèi)固 定模型均能保持骨折面適宜的應力刺激，促進骨折愈合。髂腰固定具有良好的生 物力學性能，可作為 Tile-C 型骨盆骨折的良好選擇。

關(guān)鍵詞:骨盆骨折 髂腰固定 有限元分析

一、前言??

? ? ??導致骨盆骨折的主要原因有車禍傷、擠壓傷、高處墜落傷及直接暴力等， 骨 盆骨折的發(fā)病率逐年升高，目前已占全身骨折總數(shù)的 1%-3% [1]，不穩(wěn)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環(huán)垂直及 旋轉(zhuǎn)均不穩(wěn)定，是不穩(wěn)定骨盆骨折中最重的一種， 臨床處理十分困難，尤其當患 者有明顯的骨量丟失、骨質(zhì)粉碎或者存在病理性骨折時，處理方式會更加復雜。C 型骨折后環(huán)骶髂復合體破裂是絕對的手術(shù)指征[2]，隨著創(chuàng)傷骨科的發(fā)展，已有多種 技術(shù)成熟的手術(shù)方法治療后環(huán)骶髂復合體破裂，但最佳的手術(shù)方式如何，尚有較 大爭議。目前臨床上經(jīng)常被利用的后環(huán)內(nèi)固定方法主要包括骶髂螺釘固定[3]及后路 門形鋼板固定。骶髂螺釘固定是一種創(chuàng)傷較小的手術(shù)方式 [4]，通過閉合復位后經(jīng)導 針引導下置入拉力螺釘，具有損傷小、耗時短、術(shù)后相關(guān)并發(fā)癥少等多種優(yōu)勢， 且被眾多研究者認為是治療骨盆后環(huán)骨折的最佳固定方式。由于嚴重骨盆骨折的 病人一般病情較重，且可能存在復合傷，不宜進行手術(shù)時間過長或切開范圍過廣 的手術(shù)，所以骶髂螺釘顯現(xiàn)出了其獨有的優(yōu)勢并被廣泛的應用于骨盆后環(huán)骨折的 治療當中。但盡管骶髂螺釘展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢且以被生物力學證實穩(wěn)定性很強， 但還是存在諸多問題，比如復位不佳以及骨折畸形愈合的風險，且由于是閉合復 位，不能用于骨折移位明顯或者患者具有明顯神經(jīng)癥狀時，透視時間較長，有著 較長的學習曲線，很難在基層醫(yī)院開展[5]。后路門形鋼板采用切開復位，較骶髂螺 釘而言復位效果更加確實，且在復雜骨盆骨折或有明顯神經(jīng)癥狀時，可以充分減 壓，促進神經(jīng)功能恢復，有效的減少神經(jīng)相關(guān)并發(fā)癥。有生物力學研究證實，后 路門形鋼板可取得接近于骶髂螺釘?shù)妮^強的生物力學穩(wěn)定性，且相對于張力帶接 骨板而言具有更好的垂直和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，也逐漸成為了許多骨盆后環(huán)骨折可供選 擇的手術(shù)方式之一。而近些年，有專家學者主張可以將椎弓根螺釘固定系統(tǒng)引入 不穩(wěn)定骨盆后環(huán)損傷的治療當中來，有望取得良好的療效，髂腰固定[6]就是其中之 一。髂腰固定技術(shù)是將髂骨螺釘置于損傷部位水平的髂后上棘部位，并通過釘棒 將髂骨螺釘與腰椎椎弓根螺釘組裝成一個整體的治療方法。髂腰固定在幾何層面 上實現(xiàn)了骨折部位的多平面三角固定，理論上可以提供很強的穩(wěn)定性。

?? ? ?三維有限元分析是利用工程軟件構(gòu)建實體模型從而進行生物力學分析的一種方法 [7]。相比較于傳統(tǒng)生物力學研究，三維有限元法具有經(jīng)濟、有效、個體化以及 可重復性強等優(yōu)勢。目前在生物力學方面尚未對髂腰固定與傳統(tǒng)內(nèi)固定方式做詳 盡的比較分析。本研究的目的，是通過對髂腰固定和骶髂螺釘固定、后路門形鋼 板固定三種不同的內(nèi)固定方法進行三維有限元分析，從而驗證髂腰固定與傳統(tǒng)手 術(shù)方法相比是否具有可靠的生物力學穩(wěn)定性，得出固定效果較為滿意的固定方法， 從而給臨床治療提供有效的依據(jù)?；谌缦轮笜耍海?）內(nèi)固定的 Von Mises 應力 分布；（2）內(nèi)固定 Von Mises 應力峰值大?。唬?）受傷骶骨 Von Mises 應力峰 值（4）骨盆模型的整體位移；（5）骶骨骨折線的分離移位大??；（6）骶骨骨折 面平均 Von Mises 應力。工作假設：三組不同的內(nèi)固定骨盆骨折模型中，骶髂螺 釘生物力學性能最佳，固定效果最確實，發(fā)生骨折移位可能性最小，髂腰固定稍 差，后路門形鋼板最差。

二、對象和方法

? ? ? 采用軟件 Mimics 21.0（比利時 Materialise）、Geomagic Studio 13（美國 Geomagic）、SolidWorks 2019（美國 Simulia）和 Ansys 17.0（美國 Ansys）。使用美國 GE 公司的 CT 掃描儀采集的 DICOM 格式的原始數(shù)據(jù)，掃描切片為 0.625mm。

2.1 有限元模型的建

? ? ? 建立完整骨盆及 L4、L5 椎體模型，包括 2 個髖骨、1 個骶骨、2 個椎間盤、2 個骶髂軟骨和 1 個恥骨聯(lián)合。選取 1 位 35 歲的男性志愿者（身高 175cm，體重 70 公斤），既往沒有脊柱及骨盆損傷、腫瘤、感染以及骨質(zhì)疏松的病史，也沒有脊 柱及骨盆退行性改變的影像學證據(jù)。簽署知情同意書后，應用 16 排螺旋 CT 對志 愿者進行掃描，掃描平面從第一腰椎至股骨中段，將所得的掃描結(jié)果以 DICOM 文 件的形式導入 Mimics 21.0（比利時 Materialise）中，掃描骨盆諸骨及第 4.5 腰 椎的三維形態(tài)及曲面信息。再利用 Geomagic Studio 13（美國 Geomagic）軟件重 新劃分實體網(wǎng)格、建立格柵、擬合曲面，建立諸骨的實體模型。接下來將骨盆諸 骨及第 4、5 腰椎骨的實體模型文件導入到 SolidWorks 2019（美國 Simulia）軟 件中提升實體質(zhì)量并進行最終的骨盆模型組裝，利用整體縮進的功能構(gòu)建松質(zhì)骨 模型，縮進距離為 1.5mm（代表盆骨及腰椎皮質(zhì)的平均厚度）[8]，對所得松質(zhì)骨模 型及之前的盆骨實體模型進行布爾運算，得出厚度為 1.5mm 的盆骨及腰椎皮質(zhì)[9]， 對所有骨、軟骨及椎間盤模型通過原始原點進行組裝，沿骶骨左側(cè)骶孔線性切割，將骶骨一分為二，模擬骨折線。髖骨、骶骨及腰椎模型均由骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)構(gòu)成， 椎間盤由終板、纖維環(huán)、髓核構(gòu)成，通過布爾運算消除各組成部位間的干涉，關(guān) 節(jié)部位添加軟骨，利用彈簧和梁結(jié)構(gòu)制作骨盆和腰椎主要韌帶，完成骨盆骨折模 型的初步建立。針對建立的骨盆骨折模型，提出幾種可供選擇的后環(huán)的固定方式。

2.2 治療方式

? ? ?入院時需要對患者病情及全身狀況做仔細評估并檢查有無合并傷，對合并傷 妥善處理后，對于明確存在垂直方向不穩(wěn)的骨盆骨折患者，常規(guī)行患側(cè)股骨髁上 骨牽引，牽引重量為體重的 1/7-1/5 之間。常規(guī)行骨盆正位、入口出口位、閉孔 斜位、髂骨斜位 X 線檢查以及三維重建 CT 檢查。了解骨盆是否存在解剖變異，并 進一步明確骨折類型。積極術(shù)前準備，反復清潔灌腸，防止術(shù)中腸腔積氣影響透 視效果，留置導尿管。準備下一步手術(shù)治療。

2.2.1 骶髂螺釘固定?

? ? ? 根據(jù)體格檢查有無神經(jīng)癥狀以及影像學檢查結(jié)果確認無明顯神經(jīng)卡壓后，根 據(jù) CT 檢查結(jié)果測量 S1 骶髂螺釘通道參數(shù)及髂骨皮質(zhì)密度線等相關(guān)指標，評估是 否允許骶髂螺釘置入，并確認入針點以及螺釘長度。對影像檢查結(jié)果允許骶髂螺 釘置入的患者，待牽引后骨折復位或大部分復位后，且患者一般狀況良好，可以 耐受手術(shù)治療時，可行手術(shù)治療。全身麻醉生效后，先透視骨盆入口位及出口位， 確認骨折已經(jīng)復位，并且 C 臂旋轉(zhuǎn)無阻擋以及透視圖像清晰無遮擋后，進行消毒 鋪單，先對 S1 椎體進行純側(cè)位透視，使骨盆兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱重疊，將導針置于臀部 體外，在針尖處切開皮膚，將導針水平刺入皮膚直達髂骨外板，在透視定位下前 進導針直至穿透 3 層皮質(zhì)，透視骨盆出口位確認導針在 S1 椎體上終板與 S1 骶孔 之間，入口位上確認導針在 S1 椎體截面中點至前緣 0.5cm 之間，確認位置合適后 持續(xù)進針，直至針尖達到椎體中間，測深結(jié)果應與術(shù)前評估結(jié)果相近，空心鉆擴 孔后置入螺釘。螺釘置入后透視下應達到以下標準：（1）入口位：螺釘位于椎體 前緣和后方椎管之間；（2）出口位：螺釘位于椎體上緣和相應椎孔之間；（3） 側(cè)位：螺釘位于髂骨皮質(zhì)密度線以下椎體內(nèi)；（4）螺釘長度：盡量超過椎體中線?？筛鶕?jù)情況確定是否再置入 1 枚 S2 骶髂螺釘（見圖 1）

2.2.2 后路門形鋼板固定?

? ? ? 術(shù)前需結(jié)合詳細的體格檢查以及影像學結(jié)果回報確定有無神經(jīng)損傷，待骨折 復位或大部分復位后可行手術(shù)治療。全身麻醉生效后，將患者置于俯臥位，透視 骨盆入口、出口位。首先確認骨折是否已經(jīng)復位，在體表觸摸兩側(cè)髂后上棘作為 標記點，進行消毒鋪單。沿做好的標志點做兩條經(jīng)兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)的切口，顯露兩 側(cè)骶髂關(guān)節(jié)及骶骨棘突，咬除部分骶骨棘突，防止對鋼板產(chǎn)生阻擋，使鋼板可以 緊貼骨面。對骨折部位進行復位，若有神經(jīng)損傷者可行骶管減壓，對骨折進行臨 時固定，安裝內(nèi)固定裝置。選擇長度合適的鋼板，根據(jù)兩側(cè)髂嵴的解剖形態(tài)予以 折彎成門形，通過兩側(cè)切口間的皮橋?qū)摪逯糜趦蓚?cè)髂嵴之間，鋼板要緊貼皮膚 和骨面之間，髂嵴的外側(cè)面可以用骨刀鑿出一定的凹槽將鋼板嵌入其中，增加鋼 板的穩(wěn)定性，每側(cè)各用兩枚螺釘予以固定（見圖 2）。

2.2.3 髂腰固定?

? ? 術(shù)前需結(jié)合詳細的體格檢查以及影像學結(jié)果回報確定有無神經(jīng)損傷，待骨折復位或大部分復位后可行手術(shù)治療。全身麻醉生效后，將患者置于俯臥位，消毒 鋪單。以脊柱棘突為標志做 L3-S4 的縱行正中切口，沿棘突分離椎旁肌肉，暴露 椎板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)以及橫突，骶骨暴露骨折位置，并顯露出兩側(cè)髂后上棘。在 L4/L5 椎體兩側(cè)椎弓根分別置入螺釘。將兩側(cè)髂后上棘部分骨質(zhì)予以咬除，保留外骨板。將髂骨螺釘經(jīng)兩側(cè)髂后上棘置入髂骨內(nèi)外骨板之間，方向指向髂前下棘，將連接 棒預彎成腰骶部生理曲度對椎弓根螺釘及髂骨螺釘進行連接，在擰緊螺帽前可通 過撐開和加壓對骨折進行充分復位，注意清理骨折部位的碎骨片后再進行復位， 注意防止對神經(jīng)造成損傷，對合并神經(jīng)損傷的患者予以椎板減壓、切除骨折片減 壓、馬尾神經(jīng)探查松解，并使用橫連裝置連接兩側(cè)固定系統(tǒng)并鎖定（見圖 3）。

2.3 內(nèi)固定模型的建立?

? ? ? ?在 SolidWorks 2019（美國 Simulia）軟件中構(gòu)建骶髂螺釘、后路門型鋼板及 髂腰固定的零件模型，在不影響有限元分析的前提下對部分內(nèi)固定的螺紋形態(tài)予 以忽略，防止因轉(zhuǎn)角過大導致網(wǎng)格構(gòu)建失敗。骶髂螺釘直徑為 7.3mm，長度為 90mm；后路門型鋼板長度 190mm，折彎角度 60°；椎弓根螺釘釘體直徑為 6.5mm，釘尾直 徑 10.5mm，螺釘長度為 45mm，髂骨螺釘直徑 7mm，螺釘長度為 80mm，釘棒的直徑 為 5.5mm，長度為 100mm。分別將幾種內(nèi)固定裝配入先前建立的骨盆骨折模型中， 得到裝配骶髂螺釘、門形 LCP 鋼板及髂腰固定的骨盆骨折模型各 1 個（見圖 4）， 將所有模型導入到 Ansys 17.0（美國 Ansys）進行下一步有限元分析

2.4 有效性驗證?

? ? ? 我們在對正常人體骨盆掃描后建立了骨盆的有限元模型，并用梁和彈簧模擬 出骨盆的主要韌帶，通過固定髖臼和施加載荷模擬出人體站立時的狀態(tài)。得出的 有限元分析結(jié)果中：1.應力傳導路徑依次通過骶骨、雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)、弓狀線、雙 側(cè)髖臼，應力最大的部位集中在骨盆后環(huán)部位；2.整體盆骨應變十分小，在 500N 的載荷下骨盆形狀和容積沒有發(fā)生大的改變，說明骨盆模型十分穩(wěn)定，與理論知 識及傳統(tǒng)生物力學研究相符。我們按照 Miller 等 [10]通過尸體標本所做的生物力學 實驗，在骶骨上表面添加局部坐標系，施加垂直向下 294N 的載荷以及 x、y、z 軸 方向 42Nm 的彎曲力矩，模擬腰骶部前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn) 4 種工況，觀察得到 的骶骨的位移與體外實驗結(jié)果相似（見表 1）。因此，我們建立的骨盆模型是有效 的，可以用于進行下一步的分析。

2.5 有限元分析?

? ? 將裝配好內(nèi)固定的骨盆骨折模型導入 Ansys 17.0（美國 Ansys）軟件中。根 據(jù)先前研究結(jié)果定義模型中各部位的材料屬性 [11]（見表 2），其中內(nèi)固定材料為鈦 合金,鈦合金有著許多固定優(yōu)勢（顯著的耐腐蝕性、耐磨性及組織相容性） [12]，鈦 合金的彈性模量為 110000Mpa，泊松比為 0.3，然后定義各組成部分之間的接觸類 型，將骶骨骨折線部位的接觸定義為摩擦，摩擦系數(shù)設置為 0.3，將右側(cè)盆骨皮質(zhì) 與恥骨聯(lián)合的接觸定義為無摩擦，其余的部位接觸均定義為綁定，利用梁和彈簧連接模擬骨盆的主要韌帶，韌帶的相關(guān)力學屬性先前已有研究（見表 3），由此完 整的帶內(nèi)固定的 Tile-C 型骨盆骨折的有限元模型建立完畢，對模型進行四面體網(wǎng) 格劃分，網(wǎng)格大小為 2mm，固定雙側(cè)髖臼，在椎體上表面構(gòu)建局部坐標系，并施加 垂直于地面的 500N 載荷，模擬雙足站立時骨盆受力情況 [13]，提交作業(yè)。

2.6 評價指標?

? ? ? ?對三種不同內(nèi)固定骨盆骨折模型有限元分析的結(jié)果評價基于以下指標：（1） 內(nèi)固定的 Von Mises 應力分布；（2）內(nèi)固定 Von Mises 應力峰值大??；（3）受 傷骶骨 Von Mises 應力峰值（4）骨盆模型的整體位移；（5）骶骨骨折線的分離 移位大??；（6）骶骨骨折面應力。手稿中沒有進行統(tǒng)計分析，因為本研究只需模 擬一位受試者。

三、結(jié)果?

3.1 正常骨盆應力分布情況及位移情況?

? ? ?將500N的載荷施加在模型上表面后，骨盆的應力分布雙側(cè)基本對稱（見圖5A）， 應力傳導經(jīng)雙側(cè)骶骨翼，經(jīng)雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)，再通過弓狀線，最終傳導到雙側(cè)髖臼，與實際情況基本相符，說明模型的構(gòu)建比較科學。盆骨應力最大的位置位于兩側(cè) 弓狀線靠近骶髂關(guān)節(jié)處，為 25.31Mpa。骨盆前環(huán)應力與后環(huán)相比很小，說明主要 的持重和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)位于后環(huán)，尤其是骶髂關(guān)節(jié)復合體的位置，前環(huán)的主要起到 固定和支撐的作用。骨盆的總位移最大可達 0.416mm，位移最大的部位位于骶骨 上表面，并以此處為中心，逐漸向下、向兩側(cè)放散，位移逐漸減小，直至到達兩 側(cè)髖臼部位的位移值基本為 0（見圖 5B）

3.2 三種內(nèi)固定骨盆骨折模型的總位移分布?

? ? ?三種內(nèi)固定系統(tǒng)的骨盆骨折模型在直立狀態(tài)下均發(fā)生了較明顯的整體位移， 與正常骨盆模型相比，三種內(nèi)固定系統(tǒng)的骨盆骨折模型的總體位移分布均發(fā)生了 較為明顯的變化，其中：1.骶髂螺釘骨盆骨折模型的最大總位移為 0.59mm，最大 總位移的位置位于骶尾骨部位；2.后路門形鋼板骨盆骨折模型的最大總位移為 1.77mm，最大總位移的位置位于骶尾骨部位；3.髂腰固定骨盆骨折的最大總位移 為 1.65mm，最大總位移的位置位于骶尾骨部位。由此可見，三種內(nèi)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轉(zhuǎn)移到骶尾部，同時，也失去了 正常骨盆模型對稱的位移分布(見圖 6A)

3.3 三種內(nèi)固定骨盆骨折模型的植入物最大應力?

? ? ?將制備得到的三種內(nèi)固定系統(tǒng)安裝在骨盆骨折模型上后，在直立狀態(tài)下，骨 盆模型的應力傳導均基本與正常骨盆相類似，說明三種內(nèi)固定系統(tǒng)均可基本恢復 骨盆的正常應力傳導路徑（見圖 6B），三種內(nèi)固定模型上均表現(xiàn)出了明顯的應力 集中，但最大應力值均明顯小于內(nèi)固定材料的屈服強度（見圖 6C），其中：1.骶 髂螺釘骨盆骨折模型的內(nèi)固定最大應力值為 101.8Mpa，最大應力的位置位于穿過骨折線處的骶髂螺釘釘體；2.后路門形鋼板骨盆骨折模型的最大應力值為 95.4Mpa，最大應力的位置位于對應骨折線處的門形鋼板板體；3.髂腰固定骨盆骨 折模型的最大應力值為 168.66Mpa，最大應力的位置位于髂骨螺釘與連接棒的釘棒 交界處。（見表 4）相對于內(nèi)固定應力峰值最小的后路門型鋼板，骶髂螺釘和髂腰 固定的最大應力分別提升了 6.7%和 76.8%。

3.5 三種內(nèi)固定骨盆骨折模型的骨折分離移位值

? ? ? 將左右方向人為定義為 X 軸，垂直方向定義為 Z 軸，考慮到因為我們制作的 骨盆骨折模型為縱行的骨折線，而且骨折斷端的分離移位主要為橫向和縱向兩個 方向，所以我們可以通過測量骨折線兩側(cè)相對應的兩個點的 X 軸方向位移及 Z 軸 方向位移，來計算骨折端分離移位的數(shù)值。具體計算方法為定義骨折線上某一點 A 的坐標為（0,0），當在三種內(nèi)固定骨盆模型上表面施加 500N 的載荷后，骨折發(fā) 生不同程度的分離，骨折線上的 A 點在左右兩個骶骨骨塊上分別對應點的坐標為 A1（x1，z1）和 A2（x2，z2），則在 A 點的水平發(fā)生的骨折位移大小計算方法見公 式（1），通過此方法可得出三種內(nèi)固定骨盆模型在直立狀態(tài)下的最大骨折分離移 位值。其中：1.骶髂螺釘骨盆骨折模型的最大骨折分離移位值為 0.40mm；2.后路 門形鋼板骨盆骨折模型的最大骨折分離移位值為 0.90mm；3.髂腰固定骨盆骨折模 型的最大骨折分離移位值為 0.52mm。相對于骨折分離移位程度最小的骶髂螺釘固 定模型，后路門形鋼板固定模型以及髂腰固定模型的骨折分離移位分別增加了 125%和 30%。

3.6 三種內(nèi)固定骨盆骨折模型的骨折面應力?

? ? ?直立狀態(tài)下，骶髂螺釘模型、后路門形鋼板模型以及髂腰固定模型中骨折面 的最大應力分別為 8.908Mpa、20.019Mpa 以及 16.033Mpa，平均應力大小分別為 4.22Mpa、8.36Mpa 以及 6.11Mpa。

四、討論??

? ? ?Tile-C 型骨盆骨折是一種高能量骨盆環(huán)損傷，常發(fā)生于多發(fā)傷患者，是創(chuàng)傷 患者的挑戰(zhàn)之一。骨盆損傷的初級穩(wěn)定是一種挽救生命的干預措施，其目的是穩(wěn) 定患者的生命參數(shù)[14]。這些手術(shù)通常作為臨時干預措施進行，尤其是在嚴重受傷 的情況下，但只要患者的病情允許進行進一步的治療，我們就應該選擇一種合適 的固定方式[15]，這時候我們就面臨了如何選擇合適的內(nèi)固定方法的問題。我們需 要考量的方面有很多，包括患者的身體狀況、骨盆的骨折類型、骨折的移位情況 以及復位難度的大小、內(nèi)固定的固定效果等等。以往的治療中，內(nèi)固定的固定效 果的評估主要依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，但僅僅依靠臨床經(jīng)驗來選擇內(nèi)固定方式顯然 是不夠的。評估內(nèi)固定的固定效果主要通過生物力學分析來實現(xiàn)，傳統(tǒng)的生物力 學分析方法主要是利用真實的人體骨盆標本通過一系列操作，制備骨折模型，再 將內(nèi)固定系統(tǒng)安裝在骨盆標本上，通過對骨盆標本的固定、載荷等操作分析內(nèi)固 定的力學穩(wěn)定性[14]。這種方法的優(yōu)勢是盆骨以及韌帶等結(jié)構(gòu)與真實人體較一致， 得出的結(jié)果可信度較高，但同時存在很大的局限性，包括：1.骨盆標本來之不易， 數(shù)量稀缺，價格昂貴；2.真實骨盆標本用于實驗的倫理問題；3.骨盆標本的質(zhì)量 難以把控；4.模擬骨折是一種破壞性操作很難重復驗證。這時通過計算機建立實 體模型模擬生物力學分析的方法（即有限元分析）的優(yōu)勢就逐步體現(xiàn)出來，建模 簡單，可重復性強[16]。由于人體的骨質(zhì)表現(xiàn)出不規(guī)則的特點，不同部位的皮質(zhì)厚 度也并非恒定，所以很難通過計算機準確的模擬出骨盆的真實情況，但先前已有 研究證明皮質(zhì)骨的應力對皮質(zhì)骨的厚度并不敏感[17,18]，且一些其他類似的有限元分 析研究中已有證明，在規(guī)范操作的前提下分析結(jié)果的可信度同樣很高[19]。本實驗 就是通過對真實骨盆進行掃描、建模、有限元分析，從而評價髂腰固定、后路門 形鋼板固定、骶髂螺釘三種固定方式的生物力學性能。

4.1 三種內(nèi)固定對骨盆骨折的固定效果評價??

? ? ?骨盆后環(huán)破裂對我們來講是一個挑戰(zhàn)，但是無論我們選擇哪種內(nèi)固定方式， 最終目的都是促進后骨盆環(huán)術(shù)后生物力學的恢復。所以我們認為，術(shù)后骨盆的應 力越能達到生理狀態(tài)下的水平，則內(nèi)固定的效果就越好。在過去的研究中，許多 研究者創(chuàng)建了完整的骨盆有限元模型[20-23]，并發(fā)現(xiàn)了骨盆的應力分布。在本研究建 立的骨盆模型中，根據(jù)應力云圖顯示的情況來看，骨盆后環(huán)應力傳導經(jīng)雙側(cè)骶骨 翼，經(jīng)雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)，再通過弓狀線，最終傳導到雙側(cè)髖臼，是沿著骨盆的內(nèi)環(huán) 向下傳遞的，與以前的的研究結(jié)果是相似的[24-26]。而在三種不同的內(nèi)固定模型中應 力分布均基本沿著此路徑傳遞，這表明在我們的研究中，生物力學的傳遞路徑已 經(jīng)被植入物恢復。

? ? ?內(nèi)固定最大 Von Mise 應力的大小預示著內(nèi)固定斷裂的風險，當最大 Von Mise 應力增加時，植入物斷裂和松動的風險增加。有研究者通過建立兩側(cè)骶骨縱行骨 折的有限元模型，從而比較兩種不同方式骶髂螺釘固定時的內(nèi)固定斷裂風險。他 們發(fā)現(xiàn)做雙側(cè)對稱的雙階段髂骨和骶骨的固定可以最大程度的減小內(nèi)固定應力， 從而降低內(nèi)固定松動或斷裂的風險。在我們的研究中，髂腰固定、后路門形鋼板 固定、骶髂螺釘固定的內(nèi)固定最大 Von Mises 應力分別為 168.66Mpa、95.4Mpa、 101.8Mpa，相對于內(nèi)固定 Von Mises 峰值最小的后路門型鋼板，骶髂螺釘和髂腰 固定的最大 Von Mises 應力分別提升了 6.7%和 76.8%，我們分析髂腰固定應力較 大的原因是由于固定了原本活動度較大的腰骶部，且髂骨螺釘會明顯降低 L4 椎弓 跟螺釘?shù)膽ω摵?，導致髂骨螺釘與連接棒的交匯處內(nèi)固定局部的應力增大。本 次試驗中在 500N 垂直載荷條件下的所有三種內(nèi)固定模型中的內(nèi)固定裝置的最大 Von Mise 應力，均遠遠小于鈦合金的屈服應力（1050Mpa）。所以本實驗表明，內(nèi) 固定斷裂可能是內(nèi)固定局部峰值應力過高引起的，但可能受到手術(shù)中多種情況的 影響（比如對內(nèi)固定物反復的塑形），這常常是無法完全預見的風險。

? ? ?根據(jù)應力屏蔽效應，有學者認為，內(nèi)植物的應力與骨盆的應力差值越小，說 明內(nèi)固定的生物相容性越好。有研究對骶髂螺釘及后路鋼板兩種內(nèi)固定技術(shù)治療 DenisⅠ、Ⅱ、Ⅲ型垂直骶骨骨折的生物力學相容性做了詳細討論，認為后路鋼板 的生物力學相容性優(yōu)于骶髂螺釘。在本研究中，髂腰固定的應力屏蔽效應是高于 骶髂螺釘固定以及后路門形鋼板固定的，我們認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與內(nèi)固定固定節(jié)段較廣，以及內(nèi)固定只固定于兩側(cè)髂骨，使應力較多的集中在內(nèi)固定上所 致。

? ??Osterhoff 等 [27]對開書樣骨盆損傷的研究中，模型在 200 N 的垂直向下的載荷 下，骶髂關(guān)節(jié)區(qū)以及骶骨的平均位移為 0.156mm，如果載荷增加，位移將會增大。此外，石等人研究了有限元模型中接觸條件對完整骨盆位移的影響，發(fā)現(xiàn)當骶髂 關(guān)節(jié)被設定為滑動條件時，在 500 N 的垂直載荷下骶骨的最大位移為 1.3mm。在我 們的研究中，正常骶骨在 500N 的垂直載荷下的最大位移為 0.42mm，在髂腰固定、 后路門形鋼板固定、骶髂螺釘固定模型中骶骨的最大位移為 1.65mm、1.77mm、 0.59mm，最大骨折分離移位分別為 0.52mm、0.90mm、0.40mm，我們認為骨盆術(shù)后 骨盆環(huán)整體位移越小，骨折部位最大分離移位越小，內(nèi)固定的生物力學穩(wěn)定性就 越好，由此可見，骶髂螺釘具有三種內(nèi)固定模型中最佳的穩(wěn)定性，髂腰固定穩(wěn)定 性與骶髂螺釘固定相近，后路門形鋼板穩(wěn)定性最差。

? ? ?在骨折面應力方面，根據(jù) Wolff 定律[28]，活力對機械應力總是以對它最有利 的結(jié)構(gòu)反應產(chǎn)生形態(tài)改變來適應的，低應力下骨的改建向著骨吸收的方向進行， 而高應力下骨的改建向著骨形成的方向進行。有研究表明，當骨的應變低于 50-100 微應變、應力低于 1-2MPa 時，骨組織發(fā)生吸收，而當骨的應變高于約 3000 微應 變、應力高于約 60 MPa 時，骨組織就會發(fā)生損傷。在我們的研究中，骶髂螺釘模 型、后路門形鋼板模型以及髂腰固定模型中骨折面的平均 Von Mise 應力大小分別 為 4.22Mpa、8.36Mpa 以及 6.11Mpa，均在生理狀態(tài)范圍內(nèi)，說明三種內(nèi)固定均能 有效的促進骨質(zhì)生長和愈合。

? ??有研究表明，閉合復位骶髂螺釘固定與其他內(nèi)固定方式相比，具有手術(shù)時間 短、切口小、失血少、住院時間短等多種優(yōu)勢，術(shù)中大失血及損傷股外側(cè)皮神經(jīng) 等并發(fā)癥的發(fā)生率低。但同時骶髂螺釘固定存在著較大的制約，復位要求嚴格， 不能進行充分神經(jīng)減壓，骶髂螺釘過度加壓反而有可能加重神經(jīng)損傷。后路門型 鋼板雖然手術(shù)損傷小，但生物力學穩(wěn)定性較差。田云雷等[29]的臨床研究中，對 21 名 Tile-C 型骨盆骨折行髂腰固定的患者進行隨訪，隨訪時間平均 13 個月。所有 患者最終均獲得了骨性愈合，可自行下地行走?；颊邚臀缓蠊桥栉灰?Matta 評分 優(yōu)良率 90%，術(shù)后功能恢復 Majeed 評分優(yōu)良率 86%。術(shù)中無并發(fā)癥發(fā)生，術(shù)后感 染 2 例，螺釘松動 5 例，以髂骨螺釘松動最為明顯（與本實驗結(jié)果相符，髂腰固定裝置中髂骨螺釘釘尾應力較大，容易發(fā)生松動）。整體來講髂腰固定術(shù)手術(shù)適 應癥廣泛，術(shù)后優(yōu)良率高。生物力學穩(wěn)定性雖略差于骶髂螺釘，但在復雜的骨盆 后環(huán)骨折尤其是合并神經(jīng)癥狀以及腰椎骨盆分離時，相比于骶髂螺釘?shù)臏p壓不充 分、復位困難的缺點以及后路門形鋼板的固定效果欠佳的缺點，雖然髂腰固定由 于固定范圍廣丟失了腰骶部的活動性，但髂腰固定有著自己獨有的優(yōu)勢?？梢赃M 行充分地神經(jīng)減壓及切開復位，適用于較復雜的后環(huán)骨折，且在沒有其他嚴重的 合并傷時，這種固定方式佩戴支具允許患者早期下地活動及功能鍛煉，極大地減 少患者的臥床并發(fā)癥，不失為一個優(yōu)秀的選擇。

4.2 實驗的限制?

? ? ?由于本實驗涉及范圍較廣，涉及計算機、生物力學、臨床醫(yī)學、影像學等多 個領(lǐng)域，受研究者水平所限存在以下問題，可能需要在未來的研究中進一步優(yōu)化 和改善：1.由于骨骼的各向異性及骨皮質(zhì)厚度的不規(guī)則性，以及未添加完整脊柱、 股骨、骨盆肌肉等元素，導致構(gòu)建的骨盆模型不能完全模擬人體的真實情況；2. 不同患者之間骨質(zhì)均存在明顯差異，不能一概而論；3.由于在真實情況中骨折線 并不是光滑的，所以無從準確得知骨折線部位的摩擦系數(shù)，導致建模與實際情況 存在一定差異；4.所有內(nèi)固定模型均基于嚴格的解剖復位，若非解剖復位，則本 研究結(jié)果不再有效。

4.3 治療方式的展望與未來

? ? ? 盡管髂腰固定顯示出了一定的優(yōu)勢，但本研究的結(jié)果顯示，髂腰固定的生物 力學穩(wěn)定性仍略差于骶髂螺釘，我們在臨床工作中總結(jié)出了有望達到更強生物力 學穩(wěn)定性的固定方式。我們可以利用椎弓根螺釘及釘棒系統(tǒng)，對患側(cè)以垂直固定 和水平固定相結(jié)合，并通過橫連系統(tǒng)加固形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)(見圖 7)。接下來 的工作，我們要對這種三角固定方式進行生物力學分析，期望得到滿意的結(jié)果對 臨床工作加以佐證。

五、總結(jié)??

? ? ? 骶髂螺釘、后路門形鋼板以及髂腰固定三種骨盆骨折內(nèi)固定模型的生物力學 存在一定差異。應力傳導方面，三種內(nèi)固定方式均能有效的恢復損傷骨盆的應力 傳導路徑。穩(wěn)定性方面，骶髂螺釘可以提供骨折最佳的穩(wěn)定性，髂腰固定穩(wěn)定性 略差于骶髂螺釘固定，后路門形鋼板穩(wěn)定性最差。骨折面應力方面，三種內(nèi)固定 模型均能保持骨折面適宜的應力刺激，促進骨折愈合。髂腰固定具有良好的生物 力學性能，可作為 Tile-C 型骨盆骨折的良好選擇。

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