表1 有限元模型中耻骨联合和骨结构的属性
Table1The properties of pubic symphysis and all bones
·论 著·
吴 涛，程晓东，崔蕴威，郑占乐，吕红芝，张英泽*
(河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北，石家庄 050051)
[摘要] 目的应用三维有限元分析法比较3种不同内固定器械治疗骶髂关节脱位的生物力学稳定性。方法随机挑选1名健康成年男性，收集层厚1.0 mm骨盆CT图像，经过Mimics 10.01、Geomagic Studio 12、SolidWorks、Abaqus 6.11-1等软件处理，构建完整的骨盆模型及骶髂关节脱位模型，分别使用2枚骶髂螺钉、可调式微创接骨板、张力带接骨板固定骨盆后环，对骶骨加载500 N负荷，比较整个模型和内固定器械的整体位移值、应变值、应力分布以及脱位的缝隙分离值。结果上半身的重力经过骶骨翼、双侧骶髂关节、坐骨大切迹、髂骨弓状线到双侧髋臼。在500 N 垂直载荷下，固定后的模型的整体位移值依次是2枚骶髂螺钉1.377 mm、可调式微创接骨板为2.517 mm、张力带接骨板为5.132 mm，脱位缝隙的分离移位值依次是2枚骶髂螺钉0.887 mm、可调式微创接骨板为2.502 mm、张力带接骨板为5.117 mm。结论2枚骶髂螺钉固定骶髂关节脱位的稳定性优于可调式微创接骨板的稳定性，更优于张力带接骨板的稳定性。
[关键词]骶髂关节；内固定器；生物力学 doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2018.09.008
骶髂关节脱位是一种严重的高能量损伤，随着交通、工业的高速发展，其发病率呈现逐年升高的趋势。骨盆是一个由前环和后环组成的环状结构，其中前、后环分别提供了30%和70%的稳定性[1]。骶髂关节是骨盆后环重要的组成部分，其分离超过0.5 cm时就会影响到骨盆环的稳定性[2]。以往经常采取保守治疗，但是出现并发症和后遗症的概率均较高。采取手术切开复位并辅以固定的治疗效果明显优于保守治疗，在临床工作中已成为一种共识[3]。常用的内固定方法包括1枚或2枚骶髂螺钉、前侧接骨板、后侧张力带接骨板等[4-7]，但是它们均有不同程度的局限性，影响了其临床广泛应用。我院根据骨盆后环的解剖结构和力学特征研发了一种新的内固定器械——可调式微创接骨板(minimally invasive adjustable plate, MIAP)，已有实验结果表明其用于治疗骶骨骨折时，与使用2枚骶髂螺钉固定效果相似，均优于使用张力带接骨板[8-11]。但使用MIAP治疗骶髂关节脱位的固定效果鲜有报道。为此，本研究应用已有方法建立正常骨盆的有限元模型，模拟单侧骶髂关节脱位，分别应用2枚骶髂螺钉、可调式微创接骨板和张力带接骨板固定骨盆后环，比较其固定效果。
1.1构建完整的骨盆模型 从志愿者中随机选取1名35岁成年男性，签署知情同意书。经X线证实无骨盆骨折、肿瘤及畸形发生。应用64排螺旋CT(SIEMENS公司，德国)对志愿者骨盆进行扫描，扫描范围：第一腰椎到股骨小转子，层厚1.00 mm，获得二维图像352层，以DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式拷贝至电脑存储。将所得影像资料导入Mimics 10.01 (Materialise，Belgium)软件中，对图像进行分割、填充，从而构建出骨盆三维形态，数据用STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio 12(Geomagic,USA)中，构造格栅网，实现曲面拟合。最终实体化的模型导入Abaqus 6.11-1(SIMULIA，France)中，对骨盆有限元模型装载、赋值、加载和运算。本研究根据相关文献中的材料属性对骨盆模型进行赋值(表1)。将模型各部分均用英文命名，避免在Abaqus中运用“复制模型”功能时出错。由于各部分的坐标在Mimics中已经设置好，故在Abaqus中运行装配命令时，可以自动将两侧髂骨、骶骨和耻骨联合组装成一体。根据解剖结构在模型中构建主要韧带结构。本研究中构建了骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶髂骨间韧带、骶结节韧带和骶棘韧带(图1)。韧带的具体参数根据文献报道进行设定(表2)。为了减少发生不收敛的概率和简化操作，本模型将关节面之间的连接均设置为“耦合”连接。约束骨盆双侧髋臼及边界，模拟正常成人上体重量500 N对骶骨面进行垂直加载。设置完毕后，向系统提交JOB运行，则可得出完整骨盆模型的应力分布、位移变化和应变大小。
表1 有限元模型中耻骨联合和骨结构的属性
Table1The properties of pubic symphysis and all bones
图1 完整骨盆的有限元模型
Figure1Finite element model of the intact pelvis
表2 各个韧带的刚度系数
Table2Stiffness co-efficient of all ligaments
1.2模型构建 构建3种内固定器械以及骶髂关节脱位的模型应用UG(Simens PLM Software公司，德国)软件模拟可调式微创接骨板、张力带接骨板和骶髂螺钉的形状，并对螺钉的螺纹进行简化。为了更好地比较不同内固定物对骶髂关节脱位的固定效果，本研究制备左侧骶髂关节脱位并耻骨联合分离的模型：在完整骨盆模型的基础上，删除左侧骶髂前韧带、骶髂关节骨间韧带、骶髂后韧带、骶结节韧带和骶棘韧带，删除左侧骶髂关节间和左侧耻骨联合的“耦合”。
1.3内固定 内固定的装配及三维有限元分析根据文献参考值在Abaqus中设置内固定器械的属性赋值，将其装配到相应的脱位模型中。保证实验模型的加载面、加载负荷、约束面和部件之间的连接相同。运行相同的程序，依次分析各个模型的应力分布、应变值、位移变化，以及内固定的应力情况和缝隙分离值。
2.1完整模型的应力分布及应变情况 在骶骨的上表面施加500 N垂直负荷时，骶骨和两侧髂骨的应力分布图基本对称。受力的传导途径为骶骨上表面→两侧骶骨翼→骶髂关节→坐骨大切迹→髂骨弓状线→双侧髋臼(图2)。最大应力值位于双侧坐骨大切迹。而耻骨联合附近的受力比较小。说明骨盆环的主要负重及稳定结构位于后环部分，前环则以保护、支撑为主。在垂直负荷下，骨盆的应变主要集中在双侧的骶髂关节处，但仅是0.007 4；耻骨联合的值更可以忽略不计。模型其余结构则无显著的应变出现。
2.2固定后骨盆模型整体应力情况 使用3种内固定器械依次固定骨盆，在骶骨模型的上表面施加500 N竖直负荷，并约束双侧的髋臼，2枚骶髂螺钉和可调式微创接骨板固定的骨盆模型应力分布与完整骨盆的应力分布类似，明显优于张力带板固定骨盆模型的应力分布(图3)。但是，其应力分布并非完全对称。
2.3固定后骨盆模型的位移 使用3种内固定器械依次固定骨盆模型以后，在骶骨模型的上表面施加500 N竖直负荷，并约束双侧的髋臼，其出现的位移情况如下：2枚骶髂螺钉固定模型的整体位移是1.377 mm；可调式微创接骨板固定模型的整体位移是2.517 mm；张力带接骨板固定模型的整体位移是5.132 mm。
2.4内固定器械的应力分布 在骨盆模型的骶骨上表面施加500 N垂直载荷条件下，3种内固定器械的最大应力值及分布均不相同：①2枚骶髂螺钉最大应力值是512.54 MPa，出现在下方螺钉骶髂关节处(图4A)；②可调式微创接骨板最大应力值是1 448.37 MPa，位于骶髂关节脱位侧的钉板结合部位(图4B)；③张力带接骨板最大应力值为1 947.36 MPa，出现在张力带接骨板的弯折处，钉板结合部位(图4C)。
图2 完整模型应力分布图
Figure2Distribution of vonMises stress inthe intact pelvic model
图3 固定后骨盆模型的应力分布
A.2枚骶髂螺钉固定的骨盆模型；B.可调式微创接骨板固定的骨盆模型；C.张力带接骨板固定的骨盆模型
Figure3The stress distribution of the treated pelvic model
图4 内固定器械应力分布
A.2枚骶髂螺钉;B.可调式微创接骨板;C.张力带接骨板
Figure4The stress distribution of the internal fixator
2.5脱位缝隙分离移位值测量 在500 N垂直负荷下，骶髂螺钉固定模型的分离移位值为0.887 mm，小于可调式微创接骨板的2.502 mm，更小于张力带接骨板的5.117 mm。
3.1有限元模型建立的意义及有效性验证 目前，三维有限元分析法已经成为了研究骨生物力学的关键技术之一[12]。有限元分析法通过模拟骨骼、肌肉、韧带等结构特征，重建骨骼系统的解剖结构，运用计算机辅助分析，可以对生物力学实验难以捕捉的观察指标进行研究。此外，实体骨标本的来源愈发减少，单例标本的价格昂贵，且骨标本的质量及骨折内固定物的植入顺序均会对实验结果产生影响，故三维有限元法在骨基础研究中的作用越来越重要。由于骨的形状不规则，结构也不均一，完全模拟十分困难，且真实骨骼也与三维有限元中的松质骨和皮质骨的相邻面不同，所以真实骨骼系统与有限元构建的骨模型并不是完全一致。有限元模型客观地体现了标本的力学特征，可以运用该方法进行一部分力学实验[13-14]。三维有限元分析法具有如下优点：①实验具有很好的重复性；②实验的误差较小；③样本的数量不受限制。然而，由于有限元的建模方法、内固定的连接方式等均存有差异，其运算的结果与实体生物力学结果相比存在一定的误差。所以，需要在完成有限元建模后对其有效性进行检验[15]。目前经常使用的方法有3种[10]：①选用一具尸体为标本构建有限元模型，进行生物力学实验，而后对该标本进行相同的实体实验，所得结果与有限元结果相比较，以确定其有效性，此法严格，可靠性高，但是工作量和工作强度很大；②将有限元运算所得结果与已经发表的结果作比较，可以得出结论，此方法的工作量虽小，但由于实验条件与观察指标不完全一致，故很难得出可靠结论；③将有限元运算所得结果与临床征象相互印证，此法较以上2种方法虽然可靠性略低，但是操作简便。本研究结果显示，完整骨盆模拟站立位时，力的传导路径是骶骨上表面→双侧骶骨翼→骶髂关节→坐骨大切迹→髂骨弓状线→双侧髋臼。此重力传导路径与既往研究、基础理论知识相符[16-17]。因此，本研究构建的骨盆模型是可靠的，可以开展相关生物力学的研究。
3.2内固定器械折断风险 内固定器械在负荷下承受的最大应力值越大，则发生折断及继发性内固定失败的风险也就越高[18]。本研究结果表明，在负重情况下，2枚骶髂螺钉的最大应力值低于可调式微创接骨板的值，更低于张力带接骨板的最大应力值。因此，内固定器械折断风险最低(即安全性最高)的固定方式是2枚骶髂螺钉固定，其次是可调式微创接骨版固定，再次是张力带接骨板固定。
3.3骨盆模型和内固定器械的应力分布 良好的内固定器械可以恢复脱位的骶髂关节周围的应力分布，使其尽量与正常骨盆的应力分布相似，以保证骨折脱位的正常愈合[19]。内固定器械的应力分布也应该尽可能的均匀，不要过度集中于某一点，避免因应力的过度集中而导致内固定疲劳、断裂等问题的出现[20]。在本研究中，3种内固定器械固定的骨盆模型均不同程度地恢复了骨盆应力分布，且发生的形变也比较小，可以很好地保护内部脏器。
骶髂螺钉固定的骨盆后环同时将2枚骶髂螺钉植入骶1椎体被认为是固定骨盆后环最坚强的内固定方法[21]。已有生物力学研究证实，使用2枚骶髂螺钉固定骨盆后环比只使用1枚螺钉更稳定[22]。植入的骶髂螺钉需要经过三层皮质固定于骶1椎体，属于“两点式”固定方式，可以提供坚强的固定[23-24]。本研究结论与其相符。
可调式微创接骨板固定的骨盆后环可调式微创接骨板根据双侧骶髂关节复合体的背侧结构设计，模拟其“吊桥”功能，植入时不需要提前预弯，且可以很好地贴附双侧骶髂关节背侧。该内固定器械通过数枚长纹螺钉同时植入骶骨翼和双侧髂骨内，可以有效地固定骶髂关节脱位。本实验应力变化分布显示，可调式微创接骨板固定的骨盆模型可以有效地恢复力学传导。
本研究结果显示，张力带接骨板固定的骨盆模型，其最大位移值、脱位缝隙值、应力分布情况等均明显不如2枚骶髂螺钉和可调式微创接骨板固定的骨盆模型，究其原因，主要是张力带板单纯通过短螺钉固定于双侧髂骨，没有螺钉与骶骨相连，大大减少了固定骶髂关节脱位的效果。此外，在预弯张力带接骨板时，不仅降低了钢板强度，也可能损坏了螺孔的螺纹结构[1]，这些均可以降低其固定效果。本研究结果与其一致。
3.4本研究存在的不足之处 首先，在三维建模过程中，未添加腰椎、股骨和相关肌肉结构，且在骶髂关节等接触面之间只设定了简单的“耦合”连接，这些均与真实标本存在差异；其次，现有的数学方法还无法精确地反映骨的异向性、非均质结构，需要在今后的研究中，不断改进建模的方法，提高有限元模型的精度。
综上所述，2枚骶髂螺钉固定骶髂关节脱位的稳定性优于可调式微创接骨板的稳定性，更优于张力带接骨板的稳定性。
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WU Tao, CHENG Xiao-dong, CUI Yun-wei, ZHENG Zhan-le,LYU Hong-zhi, ZHANG Ying-ze*
(Trauma Emergency Center of Third Hospital of Hebei Medical University,Orthopaedic Research Institution of Hebei Province,Key Laboratory of Orthopaedic Biomechanics of Hebei Province,Shijiazhuang050051,China)
[Abstract]ObjectiveTo compare the biomechanical stability of three kinds of internal fixation for sacroiliac joint dislocation by three-dimensional finite element analysis.MethodsA healthy adult male was randomly seclected and the CT images of pelvis(1.0 mm thickness) were collected. Intact pelvis model and sacroiliac dislocation model were made using software of Mimics 10.01, Geomagic Studio 12, SolidWorks, Abaqus 6.11-1. Two iliosacral (IS) screws, the minimally invasive adjustable plate(MIAP) and the tension band plate(TBP) were used to fix the posterior pelvic ring respectively, and a loading of 500 N was put on the sacrum. Total displacement, strain value, stress distribution and the shift of dislocation gap of the whole model and internal fixator were compared.ResultsThe stress of upper body passed through sacral wing, bilateral sacroiliac joint, the large sciatic notch, arcuate line of the iliac bone to the bilateral acetabulum. Under 500 N load, displacements of the fixed models were two IS screws model(1.377 mm), the MIAP model(2.517 mm), and the TBP model(5.132 mm). The shifts of dislocation gap were two IS screws model(0.887 mm), MIAP model(2.502 mm) and TBP model(5.117 mm).ConclusionThe stability of sacroiliac dislocation fixed with the MIAP was less than that fixed with the two IS screws, and better than that fixed with the TBP.
[Key words]sacroiliac joint； internal fixators； biomechanics
[收稿日期]2018-04-11；
[中图分类号]R684.7
[文献标志码]A
[文章编号]1007-3205(2018)09-1026-05
[修回日期]2018-05-04
[基金项目]国家自然科学基金青年基金(81702139)；河北省自然科学基金青年基金(H2016206291)
[作者简介]吴涛(1983-)，男，河北正定人，河北医科大学第三医院副主任医师，医学博士，从事骨外科疾病诊治研究。
*通讯作者。E-mail：yzling_liu@163.com
(本文编辑：刘斯静)