經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的臨床解剖和三維有限元對(duì)比研究.pdf

1、研究背景:
　　髖臼骨折(Acetabular Fractures)作為骨盆骨折的一種特殊類型，由于其波及髖關(guān)節(jié)面，屬于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折。受傷機(jī)制多為直接暴力引起，臨床上最常見致傷原因?yàn)閴涸覀⒏咛帀嬄浜徒煌ㄊ鹿?。根?jù)2014年的一項(xiàng)中美髖臼骨折流行病學(xué)對(duì)比調(diào)查研究顯示，隨著工業(yè)、建筑業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的迅速增加，2005-2012年間，該類骨折的發(fā)生呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中青壯年男性是主要受傷人群。隨著世界人口老齡化的加劇，患者

2、的年齡有逐漸增加的趨勢(shì)。
　　髖臼周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置深在，手術(shù)難度較大，骨折術(shù)后易發(fā)生異位骨化、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等并發(fā)癥，一直以來是創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在過去的半個(gè)世紀(jì)，隨著手術(shù)技巧和人們對(duì)該類骨折認(rèn)識(shí)的不斷提高，針對(duì)髖臼骨折，目前臨床上主張手術(shù)治療，尤其對(duì)于累及髖臼負(fù)重區(qū)、移位明顯和關(guān)節(jié)內(nèi)存在游離骨折塊的骨折類型，切開復(fù)位內(nèi)固定已經(jīng)成為該類骨折首選治療方案。但是，傳統(tǒng)的切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)具有失血量大，周圍神經(jīng)血管損傷，

3、切口感染等手術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于無移位或移位不明顯的髖臼骨折類型，近年來有學(xué)者提出在術(shù)中透視輔助下，采用經(jīng)皮拉力螺釘固定骨折的方法。該方法不僅具有顯露范圍小，失血量少，異位骨化發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn)，更能夠?qū)崿F(xiàn)患肢早期功能鍛煉，減少臥床時(shí)間，有利于獲得滿意的患肢功能恢復(fù)。因此，成為骨盆髖臼骨折微創(chuàng)治療的重要研究方向。
　　髖臼后柱作為髖臼的主要構(gòu)成部分，骨折時(shí)常常累及該部位，目前的研究已經(jīng)證明了采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的可行性

4、。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究，主要包括后柱釘?shù)赖慕馄蕦W(xué)測(cè)量和置釘方法學(xué)的研究。目前，在進(jìn)行經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折操作時(shí)，普遍選擇坐骨結(jié)節(jié)作為進(jìn)針點(diǎn)，但是由于坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域?yàn)榇植诨⌒喂敲?，缺乏定位?biāo)志，選擇理想進(jìn)針點(diǎn)存在困難。且髖臼后柱周圍組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨性通道狹長(zhǎng)，骨質(zhì)菲薄，置釘不慎則存在螺釘穿出骨板或誤入關(guān)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，造成醫(yī)源性神經(jīng)血管損傷或創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，成為了限制該技術(shù)臨床應(yīng)用的主要原因。針對(duì)這一臨床難點(diǎn)，有學(xué)者提出

5、了經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘?shù)姆椒?，認(rèn)為該方法較傳統(tǒng)方式具有定位更準(zhǔn)確，力學(xué)穩(wěn)定性更佳的優(yōu)勢(shì)，但是由于實(shí)驗(yàn)人群和實(shí)驗(yàn)方法的不同，相關(guān)報(bào)道所測(cè)量的釘?shù)绤?shù)差異較大，且相關(guān)的內(nèi)固定物生物力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)也未見報(bào)道。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用三維軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)骨盆的三維重建，精確測(cè)量相關(guān)解剖參數(shù)，并通過有限元分割、材料賦值，建立相應(yīng)的骨折內(nèi)固定模型，模擬生理狀態(tài)，施加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨折內(nèi)固定物生物力學(xué)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，具有可重復(fù)性高

6、，節(jié)約成本和真實(shí)可靠的特點(diǎn)。本研究通過以志愿者骨盆CT原始斷層掃描數(shù)據(jù)為材料，選擇兩種臨床有代表性的置釘方案，在測(cè)量其釘?shù)澜馄蕯?shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)其生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較，以期為臨床應(yīng)用提供參考。
　　目的:
　　1、利用CT影像數(shù)據(jù)建立骨盆三維模型，模擬兩種不同方法置入后柱虛擬圓柱體，測(cè)量髖臼后柱骨性通道的相關(guān)解剖參數(shù)，對(duì)比兩者之間存在的差異，為生物力學(xué)分析提供解剖學(xué)依據(jù)。
　　2、在了解骨盆解剖的基礎(chǔ)上，利用有限元專

7、業(yè)分析軟件，建立骨盆的三維有限元模型，并對(duì)該模型的可靠性進(jìn)行分析與驗(yàn)證，探討其作為生物力學(xué)研究方法的效果。
　　3、在骨盆有限元模型的基礎(chǔ)上，建立起兩種不同的逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的模型，模擬生理狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)生物力學(xué)分析，評(píng)價(jià)兩種固定方式的生物力學(xué)特點(diǎn)，為臨床應(yīng)用提供參考。
　　方法:
　　1、隨機(jī)收集2012年9月-2014年9月在我院行完整盆部CT斷層掃描的成年志愿者的骨盆數(shù)據(jù)32例，男17例，女15例，

8、排除骨質(zhì)病變和解剖異常，掃描層厚0.5mm，將圖像以DICOM格式輸出，導(dǎo)入Mimics14.1軟件，重建骨盆三維模型，利用軟件自帶的功能，模擬置入髖臼后柱逆行拉力螺釘，測(cè)量并獲得髖臼后柱骨性通道的相關(guān)解剖學(xué)參數(shù)。
　　2、骨盆三維有限元模型的建立與驗(yàn)證:選擇1例健康成年男性志愿者進(jìn)行CT斷層掃描并收集其原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行等容切割，切割厚度0.5mm，以DICOM格式導(dǎo)出，導(dǎo)入Mimics14.1三維軟件，獲得骨盆三維重建模型，

9、然后應(yīng)用Freefrom、Geomegic Studio等軟件進(jìn)行模型表面光滑和網(wǎng)格化處理等步驟，添加韌帶等骨盆附屬結(jié)構(gòu)，建立骨盆實(shí)體三維有限元模型，施加垂直應(yīng)力，觀察骨盆的應(yīng)力和位移云圖，驗(yàn)證其有效性。
　　3、逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折有限元模型的建立與生物力學(xué)分析:參考相關(guān)文獻(xiàn)，應(yīng)用軟件，模擬后柱骨折線對(duì)骨盆有限元模型進(jìn)行截骨，并分別進(jìn)行兩種不同方式的后柱逆行拉力螺釘固定，建立起兩種不同的骨折固定模型，模擬站立位和坐位，對(duì)

10、模型進(jìn)行應(yīng)力加載，分別施加大小500N的垂直應(yīng)力，分析兩種不同的模型表現(xiàn)出的生物力學(xué)特性，評(píng)價(jià)指標(biāo)為骨盆和內(nèi)固定物的應(yīng)力和位移分布云圖，關(guān)節(jié)面骨折線上的位移。
　　4、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:所得數(shù)據(jù)使用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，比較不同性別以及不同內(nèi)固定方案之間存在差異，方法使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，α取值0.05，P＜0.05，數(shù)值結(jié)果采用“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”（x±s）表示。
　　結(jié)果:
　　1、基于CT原始斷

11、層掃描數(shù)據(jù)建立的骨盆三維模型真實(shí)的還原了骨盆復(fù)雜的解剖形態(tài)，利用Mimics軟件可以對(duì)模型進(jìn)行空間角度、距離的測(cè)量。獲得的測(cè)量?jī)?nèi)容包括:經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)置入的逆行拉力螺釘釘?shù)滥行耘c冠狀面的呈角為（11.69±4.79）°，與矢狀面成角為（10.34±3.60）°;女性與冠狀面成角為（8.36±3.24）°，與矢狀面成角為（12.56±3.48）°。冠狀面(P=0.004＜0.05)與矢狀面(P=0.027＜0.05)成角在性別間存在明顯差異。

12、經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘男性與冠狀面成角為（39.73±5.69）°，與矢狀面成角為（18.46±5.72）°;女性與冠狀面成角為（40.49±5.06）°，與矢狀面成角為（16.11±6.62）°。冠狀面(P=0.577＞0.05)與矢狀面(P=0.132＞0.05)成角在性別間無明顯差異。髖臼后柱拉力螺釘最大直徑為，男性（9.32±1.84）mm，女性（8.51±1.59）mm，男女之間數(shù)據(jù)存在明顯差異(P=0.023＜0.05)，

13、骨性通道平均長(zhǎng)度為坐骨結(jié)節(jié)組男性（141.16±10.23）mm，女性（125.72±6.43）mm，坐骨小切跡組男性（115.03±11.19）mm，女性（91.38±9.96）mm，組間與性別之間數(shù)據(jù)存在明顯差異(P=0.001＜0.05)。
　　2、所建立的骨盆三維有限元模型，完成后的模型自動(dòng)網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)490227個(gè)，網(wǎng)格295806個(gè)。模型最大應(yīng)力值為32.45Mpa，位于坐骨大切跡周圍，最大位移值為0.34mm，位于

14、骶髂關(guān)節(jié)處，骨盆模型應(yīng)力分布均勻?qū)ΨQ，與實(shí)際情況相符，可以滿足生物力學(xué)分析需求。
　　3、將拉力螺釘固定髖臼后柱骨折模型分為四組:坐骨結(jié)節(jié)站立位組，坐骨結(jié)節(jié)坐位組，坐骨小切跡站立位組，坐骨小切跡坐位組。施加應(yīng)力，分別得到骨折塊和內(nèi)固定拉力螺釘?shù)膽?yīng)力分布云圖和骨折位移云圖。站立位時(shí)拉力螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力位于螺釘中部靠近骨折線附近的位置，坐骨結(jié)節(jié)組為6.52Mpa，坐骨小切跡組為6.75Mpa。坐位時(shí)應(yīng)力主要集中于螺釘下部，坐骨結(jié)節(jié)組為1

15、4.01Mpa，坐骨小切跡組為36.05Mpa。關(guān)節(jié)面骨折線節(jié)點(diǎn)位移均數(shù)為坐骨小切跡站立位組（4.23±1.27）μm。坐骨結(jié)節(jié)站立位組（4.05±1.31）μm，坐骨小切跡坐位組（6.45±0.44）μm，坐骨結(jié)節(jié)坐位組（7.27±0.48）μm，其中坐位時(shí)的位移均數(shù)在兩種內(nèi)固定物之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.003＜0.05)。
　　結(jié)論:
　　1、本研究應(yīng)用Mimics三維軟件和骨盆CT斷層掃描數(shù)據(jù)，對(duì)骨盆進(jìn)行建模并進(jìn)行

16、三維測(cè)量，所得模型仿真度高，相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)精確可靠。利用該模型建立的有限元模型真實(shí)的反映了骨盆生物力學(xué)特性，可以用于相關(guān)生物力學(xué)分析研究。
　　2、對(duì)比兩種不同的后柱逆行拉力螺釘固定方法，得出采用經(jīng)坐骨小切跡置釘?shù)姆椒ㄆ涔钦鄱藨?yīng)力與位移較采用經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)置釘方法小，提示經(jīng)坐骨小切跡置釘具有一定的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)，但具體到臨床應(yīng)用尚需結(jié)合患者的具體情況決定。
　　3、本實(shí)驗(yàn)的不足之處在于，受限于實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)量數(shù)據(jù)樣本數(shù)量較少。運(yùn)用有限