三维有限元技术在髋臼创伤中的应用进展

代元元综述章莹审校

三维有限元技术在髋臼创伤中的应用进展

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三维有限元技术是研究骨盆髋臼骨折相关生物力学的一种常用手段，具有应用广泛、成本低、结果准确、可重复性高的特点。该文介绍三维有限元技术在髋臼模型构建中的应用，同时重点围绕有限元技术在髋臼前柱、后柱、横形、T形、方形区骨折等方面的应用进展进行综述。

骨盆；髋臼；髋骨折；有限元分析；模型，解剖学；生物力学；应力，物理；骨折固定术，内

随着我国现代化进程的加快，高能量、严重暴力所致髋臼骨折的发生率呈现明显增加的趋势。作为骨盆的重要组成部分，髋臼结构复杂、位置深在，周围重要血管神经较为复杂，损伤类型种类繁多，这些无疑大大增加了手术的难度。开展对髋臼骨折生物力学的深入研究，有助于提升手术技巧，提高临床疗效。既往此类研究多以实体骨盆髋臼作为模型，但尸体骨盆标本获取困难且成本高，难以满足实验需要，样本量不足亦可能导致统计结果出现较大误差；传统研究手段也无法透过骨质直接测量两点间距离或两线间角度。这些局限性促使人们开始寻找骨盆髋臼生物力学及解剖研究的新手段、新技术［1］。

三维有限元分析法通过相关医学工程软件，以CT数据为基础构建三维模型，应用多种形态来分割各区域，并根据需要设置节点，对复杂物体结构具有良好的适用性；同时还能计算模型各部位受力时其内部的应力和应变改变［2-3］。可见，与实体骨盆生物力学研究相比，有限元技术具有无可比拟的优势。本文围绕有限元技术在髋臼模型建立，髋臼前柱、后柱及双柱骨折中临床应用的相关进展综述如下。

1　有限元技术在髋臼模型建立中的研究

1.1有限元三维建模技术

有限元技术在骨科生物力学研究领域的应用经历了由二维模型到三维模型的转变过程。起初，Brekelmans等［4］建立股骨二维模型并进行计算分析，证实了有限元技术在骨科生物力学研究领域的可行性。随着计算机和CT技术的进一步发展，原始CT数据处理由早期的CT胶卷扫描成像、位图（bitmap，BMP）格式文件发展到现在的DICOM标准格式文件，其最大优点在于直接识别CT机输出的数据，简化了处理和转化过程，同时减少图像噪声，提高图像质量，避免了格式转换、CT胶片扫描或照相、描绘轮廓以及生成点云等过程中的数据丢失，提高了三维有限元研究的准确性［5-6］。近年来，应用于三维建模并进行相关有限元分析的软件多为逆行工程软件，如Mimics、Geomagic、Abaqus、Ansys［7-9］；也有部分学者采用自己编写的软件程序来建立骨盆髋臼有限元模型［10］，但其精确性及可靠性有待进一步探究。

1.2髋臼有限元模型构建

三维骨模型生物力学研究的难点之一是骨及骨折固定模型的构建，建立符合实体标准的三维骨模型，对分析结果的精确性有着极大影响。髋臼有限元模型的构建主要包括骨、软骨、韧带、肌肉等组织的建立方式，材料属性的定义，边界条件的约束及网格划分等过程。

1.2.1髋臼组织有限元建模方法骨盆骨主要由松质骨和密质骨组成，密质骨包被在松质骨表面，两者界线不清，共同形成“三明治”结构［11］。目前骨骼建模方法主要有直接生成法和实体建模法两大类［12］。其中直接生成法通过分析CT图像并获取节点的空间坐标，直接生成单元和节点，并最终进行分析。由于没有实体模型形成，无法根据需求对骨盆髋臼模型进行修改，因此难以满足实际研究的需要。而实体建模法应用相对广泛，先根据CT图像数据获取骨盆轮廓边界，构建三维模型后再导入有限元软件中划分网格，对于几何形态复杂的骨盆髋臼结构更具优势，但过程较为复杂。

对于关节软骨、韧带、肌肉等组织而言，由于密度差异较小，有限元软件获取的组织间阈值间距较小，故无法直接利用软件生成模型。现阶段多采用挂弹簧或做图重建的方式进行三维重建。

1.2.2材料属性定义在三维有限元模型的建立过程中，材料属性的定义方法通常有灰度值赋值法和直接设定法。灰度值赋值法是根据CT值、骨密度及弹性模量之间的经验公式，计算出不同单元所对应的弹性模量，其对材料属性的设置较为细致，但却因此增加了后期处理难度。Scholz等［13］选择不同经验公式建立三维有限元模型，并与实体模型进行对比，结果显示，有限元模型的无阻尼共振频率远小于实体测量值，这是因为这些经验公式都忽视了弹性模量对计算的影响，从而使得所建立的有限元模型缺乏刚度，由此可见，在使用经验公式前需要对其准确性进行验证。直接设定法依据已有的体外试验数据，设定骨、韧带等各部分组织的弹性模量及泊松比，实验结果会因材料属性赋值的不同而产生较大差异。为了解材料属性和应力分布两者之间的关系，Anderson等［14］采用直接设定法对骨盆三维有限元模型的骨表面应力分布敏感因素进行分析，结果证实，皮质骨厚度和弹性模量的设置是皮质骨表面应力分布最主要的影响因素，其次是松质骨弹性模量。

1.2.3边界条件目前有关髂臼的有限元研究大多针对单个髋骨或半个骨盆模型，采用的边界条件是固定骶髂关节面和耻骨联合面、半骨盆截面及骨盆下部［15-16］，但并未在模型中增加韧带与肌肉因素，这使得有限元模型与实体骨盆髋臼的生物力学状态有所不同。Phillips等［17］近似建立了包含韧带与肌肉的骨盆三维有限元模型，根据韧带、肌肉附着点，利用弹簧单元模拟42块肌肉和7条韧带，并以韧带和肌肉作为边界条件，结果表明，应用韧带和肌肉作为边界条件可降低皮质骨的应力集中，从而证实了韧带与肌肉在骨盆髋臼有限元模型中的重要性，而将韧带和肌肉因素引入有限元模型，也使三维有限元技术在骨盆中的应用更近完善。

2　有限元技术在髋臼骨折研究中的应用

髋臼骨折的分类方法包括Judet-Letournel分型、watson-Jones分型、AO分型等［18-20］，目前尚无一种分类系统能完全精确地反映髋臼骨折的特点。临床上以Judet-Letournel分型应用最为广泛，它将髋臼骨折分为5种简单骨折和5种复杂骨折，前者包括后壁骨折、后柱骨折、前壁骨折、前柱骨折和横形骨折；后者包括后壁伴后柱骨折、横形伴后柱骨折、T型骨折、前柱伴后半横形骨折以及双柱骨折。以下主要围绕有限元技术在髋臼前柱骨折、后柱骨折、双柱骨折等方面的研究进行综述。

2.1有限元技术在髋臼前柱骨折中的应用

目前三维有限元技术在髋臼前柱骨折中的应用较少，多数研究集中于对其解剖结构的三维测量。周华等［21］收集155例成人骨盆CT数据，利用有限元相关软件建立三维模型，测量得出男性髋臼前柱允许置入螺钉的最大直径和长度分别为（7.95±0.98）mm和（124.84±6.79）mm，女性为（6.42±1.15）mm和（120.00±7.52）mm，男女差异明显；男、女进钉点距耻骨联合的距离和出钉点距髂前上棘的距离分别为（15.07±2.43）mm、（18.14±4.13）mm和（59.88±5.95）mm、（56.67± 6.06）mm，男女差异有统计学意义，这与男性髋臼前柱弧度较女性平直有关，作者因此建议国人使用直径6.50 mm的拉力螺钉固定髋臼前柱骨折为佳，若女性髋臼前柱弧度过大则需行钢板内固定。该研究进一步证实，从前柱闭孔沟至髂耻隆起的纵切面近似“直三角形”，髂耻隆起至髂前上棘近似“钝三角形”，两区进钉难度大，髂耻隆起处进钉通道最窄，是手术进钉最困难的地方。此外，Puchwein等［22］收集50例骨盆髋臼CT数据，利用三维重建技术构建骨盆髋臼模型并对前柱拉力螺钉进钉的长度、安全区域及角度进行虚拟测量，得出前柱允许置入螺钉的最大长度（127.2±7.1）mm，进钉方面与矢状面成角（39.0±3.2）°，进钉点至最窄区域的距离为（50.6±6.3）mm，最窄区（14.6± 2.4）mm，到髋关节面的距离为（3.9±1.6）mm。此类三维有限元研究样本量充足，测量数据精细，成本较低，便于操作，较以往的尸体标本实验［23-24］具有明显优势。

2.2有限元技术在髋臼后柱骨折中的应用

髋臼后柱是髋臼的重要力学支持结构之一，近年来有限元技术在其解剖结构生物力学的研究中取得较大进展。为了制备出更贴附髋臼后柱解剖结构的钢板形态，提高固定强度，缩短手术时间，魏星等［25］利用三维重建软件，对111例成人患者骨盆CT进行髋臼后柱重建，以坐骨结节顶点为起点，沿坐骨上支中线背侧，经过髋臼后壁，近端沿臀前线向髂骨翼方向延伸放置钢板，再对钢板放置路径上的弧度进行统计测量，据此设计出新型髋臼后柱解剖钢板。在手术过程中，髋臼后柱钢板固定的长度对显露范围和手术难度造成影响，一般认为如将钢板固定延长至坐骨结节处，则能够提供更好的稳定性。为了验证该观点，吴淑琴等［26］建立髋臼横断骨折有限元模型，对比短钢板与长钢板对骨折固定的稳定性，分别模拟站立位和坐位并进行加载分析后发现：站立位下2种固定方式均未发生移位，但在坐位时，长钢板模型骨折位置保持良好，而短钢板模型却发生骨折移位；同时，在相同的加载方式下，长钢板模型的最大位移、模型整体及髋臼的最大应力和最大应变均小于短钢板模型，髋臼后柱骨折长钢板固定的生物力学稳定性优于短板固定。

髋臼后拉力螺钉的解剖及生物力学研究也是研究的热点。Shim等［27］对髋臼后柱骨折三维有限元模型的研究结果提示，该模型可以很好地预测经皮螺钉固定时骨折断端的位移。与实体模型相比，有限元模型在水平和侧向位移的差距＜1个SD，而垂直位移差距虽＞1个SD，但＜0.05 mm；经皮螺钉固定稳定性不如钢板固定，但载荷最大时经皮螺钉固定的骨折块位移仍＜1 mm，作者认为，实验载荷远大于在体实际情况，所以正常状态下螺钉固定的稳定性足以满足临床需要；而当2枚螺钉固定于骨折块的对角线时，其稳定性与钢板无明显差别。范永盛等［28］通过三维模拟经坐骨小切迹中点后柱拉力螺钉内固定，能够快捷准确地测量钉道参数并进行术前评估，运用该方法置入拉力螺钉固定后柱骨折安全简便；为验证经坐骨结节和坐骨小切迹2种不同逆行拉力螺钉内固定方案的生物力学稳定性，有学者利用三维有限元软件分析得出，经坐骨小切迹中点行后柱拉力螺钉内固定在坐位具有更好的生物力学稳定性，更符合髋臼后柱力学轴线［29］。可见，通过三维有限元技术，髋臼后柱骨折的相关生物力学研究有了进一步的发展。

2.3有限元技术在累及髋臼双柱骨折中的应用

对于累及髋臼双柱骨折的生物力学有限元研究，多以横形骨折为基础［26，29］，并以横形骨折内固定模型来推导其他双柱骨折内固定模式的生物力学稳定性。

2.3.1髋臼横形骨折髋臼横形骨折的内固定方式主要包括前柱拉力螺钉，后柱拉力螺钉，双柱拉力螺钉，前柱板、后柱板、前柱板联合后柱拉力螺钉，后柱板联合前柱拉力螺钉及双柱板固定等。为证实双柱固定优于单柱固定的理论，李维新等［30］利用三维有限元技术建立单块右髋臼横形骨折拉力螺钉固定模型，约束骶髂关节面和耻骨联合面，以“拔河”的形式分别向臼顶和髋臼下部施加相应大小应力，研究结果显示，双柱拉力螺钉固定的位移值明显小于单柱拉力螺钉固定，稳定性优于单柱固定。至于具体采用何种双柱固定方式，国内外学者的观点不一。吴淑琴［31］应用三维有限元技术重建完整骨盆模型，并建立双柱螺钉、前柱螺钉后柱钢板、双柱钢板固定模型，模拟站位分析，其研究结果显示，在骨折位移、应力和应变等方面，双柱螺钉均表现最佳，双柱板固定最差。而Yildirim等［29］建立前柱板、后柱板、前柱板联合后柱拉力螺钉、后柱板联合前柱拉力螺钉及双柱板等5种内固定模型，结果则提示，双柱板固定优于单柱固定，后柱板联合前柱拉力螺钉和双柱板固定稳定性最佳，两者稳定性无明显差异，但根据尽量减小手术切口的原则，作者建议髋臼横形骨折适宜采用后柱板联合前柱拉力螺钉的固定模式。

2.3.2髋臼T形骨折与髋臼横形骨折类似，髋臼T形骨折亦为累及双柱的简单骨折，属于AO分型中的B型骨折；但与横形骨折不同的是，T形骨折线将整个髋臼分为上、前下、后下3个部分，其纵行骨折线常通过坐骨支或耻骨下支，破坏骨盆前部的联结弓（副弓），特别是与骶坐弓（主弓）相连的经耻骨下支及坐骨的副弓，因而减弱了骨盆主弓的力学支撑作用。在累及髋臼双柱骨折固定模式的生物力学研究中，学者们多构建横形骨折固定模型，而忽略了副弓对主弓的影响。此外，横形骨折多采用前侧或后侧入路，骨折复位一柱，另一柱多可间接复位，借助柱板联合拉力螺钉固定双柱；而T形骨折则是由相互独立的前柱骨折和后柱骨折构成，不能期望一柱复位固定后，另一柱也随之复位，因此多需考虑前后联合入路，应用双板进行骨折固定，偶有前柱骨折或后柱骨折移位非常小时，才可采用单一入路柱板联合拉力螺钉解决问题［32］。因此，笔者认为，以横形骨折推论其他类似骨折固定的稳定性具有一定局限性，今后仍亟待建立标准的尸体模型或三维有限元T形骨折内固定模型，以进一步研究其生物力学稳定性。

2.3.3髋臼方形区骨折髋臼骨折时方形区常位于受力的中心部位，往往伴随髋臼前柱或后柱发生损伤。对方形区髋臼骨折的治疗一般采用钩状重建钛板结合弧形钛板垂直交叉固定或前路特殊塑形钛板联合方形区螺钉固定［33-34］。黄进成等［35］采用有限元技术建立双柱板、前路特殊塑形钛板+方形区螺钉以及前路特殊塑形钛板+方形区螺钉+后柱螺钉内固定的方形区髋臼双柱骨折模型，分别在坐、站位下，以相同的加载方式进行计算分析，结果显示，方形区拉力螺钉固定的稳定性优于双柱板的非方形区固定，其中前路特殊塑形钛板+方形区螺钉+后柱螺钉固定的力学稳定性最佳，从而为髋臼复杂骨折的治疗提供了一种稳定性更高、创口更小、安全性更高的内固定方式。

3　展望

随着有限元相关软件和计算机技术的进一步发展，以及对骨盆髋臼周围解剖结构的深入研究，未来将能建立出更加符合人体实际的骨盆髋臼有限元模型，以模拟正常骨盆生物力学特性，从而为提高髋臼骨折的临床疗效提供指导。如何建立更接近在体情况的个体化有限元模型，进一步深入了解骨盆髋臼周围韧带、肌肉的相关属性，并根据人体实际情况、采用恰当的方法赋予相应的材料属性，将是未来有限元技术在髋臼骨折领域的研究重点之一；此外，根据CT数据快速建立骨折模型，模拟可行的骨折固定方式，预测各种固定方式的手术效果，选择恰当的手术方式，建立个体化的手术方案，以及快速精确地全自动或半自动生成有限元模型，也是未来的研究方向和发展趋势。

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（本文编辑：张辉）

Current researches of application of three-dimensional finite element in acetabular trauma

DAI Yuanyuan*，ZHANG Ying.*Orthopaedics Hospital，Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command，Guangzhou，Guangdong 510010，China；Postgraduate Institute，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou，Guangdong 510405，China.

ZHANG Ying，E-mail：zhangying_doc@aliyun.com

As a common means of biomechanics study of pelvic acetabular fracture，three-dimensional finite element technology has the characteristics of widely use，low cost，accurate results and high repeatability. In this paper，application of three-dimensional finite element technology in building models of the acetabulum was introduced，furthermore，the application progress of finite element technology in acetabular anterior column，posterior column，transverse，T-shape，square area fractures were emphasized and reviewed.

Pelvis；Acetabulum；Hip fractures；Finite element analysis；Models，anatornic；Biomechanics；Stress，mechanical；Fracture fixation，internal

R683.3，R356.1

A

1674-666X（2015）06-369-06

10.3969/j.issn.1674-666X.2015.06.008

广东省科技计划项目（2012B060100008）；广州市科技计划项目（2012J4100039）

510010广州军区广州总医院骨科医院（代元元，章莹）；510405广州中医药大学研究生院（代元元）

章莹，E-mail：zhangying_doc@aliyun.com

（2015-07-21；

2015-10-10）