经皮逆行拉力螺钉固定髋臼后柱骨折的有限元对比研究

张 潇，杨晓东，夏 广，李 涛，王 华，樊仕才

采用经皮逆行拉力螺钉固定髋臼后柱骨折作为临床可选内固定方案之一，适用于骨折移位不明显或部分无法行开放手术的患者，具有经济、微创的特点，有利于患肢早期功能锻炼［1－2］，但螺钉置入位置不佳则会造成周围血管神经损伤、创伤性关节炎甚至固定失稳、断钉等术后并发症。由于坐骨结节［3－4］位置表浅，易于扪及，目前临床多选择该区域置入螺钉。有学者［5］通过研究提出以坐骨小切迹为进针点的不同置钉方案，认为较之前方法存在一定优势。解剖学研究提示该两种骨性通道存在明显差异，但相关的力学对比研究尚未见报道。本研究通过建立髋臼后柱骨折模型，应用有限元法对生理状态下两种内固定方案的稳定性进行比较，进而为临床应用提供参考。

材料与方法

1 实验标本与内固定物

健康成年人，男性，47岁，体重76kg，排除全身严重疾患及外伤史，行骨盆正侧位X线片排除骨折及其他骨质病变情况。内固定材料:半螺纹空心拉力螺钉，长度100mm，直径6.5mm(实验中以虚拟圆柱体代替)。

2 CT数据获取

南方医科大学第三附属医院影像科提供的64排螺旋CT机(Siemens，德国)，垂直于身体纵轴进行CT扫描，扫描层厚为0.5 mm，得到医学数字成像和通信(DICOM)格式完整骨盆断层扫描图片626张。

3 骨盆三维有限元模型的建立及有效性验证

3.1 将DICOM图片导入Mimcs14.0软件，进行三维重建，结果以光固化(STL)格式输出，利用Geomagic软件生成曲面，Proe5.0进行实体建模。对模型进行平滑、除噪点、铺面等修饰处理，结果以初始化图形交换规范(IGES)格式输出。将保存文件导入有限元分析软件Ansys14.5中，结合骨盆骨质“三明治”样结构定义模型单位，定义皮质骨的厚度为1.5mm，皮质骨与松质骨的材料属性简化为结构连续、密度均匀的线弹性材料，同时添加骨盆周围韧带等相关结构，参考相关文献赋予具体材料属性［6］，完成后的模型自动网格划分，节点490 227个，网格295 806个(图1)。

图1 骨盆有限元模型

3.2 模型有效性验证 将模型导入Ansys 14.5软件，模拟双脚站立位。于S1椎体上终板设置刚性面，给予均匀分布载荷，模拟重力方向，大小为500N。边界条件:为接近生理状态，对髋臼双侧关节面及耻骨联合进行约束，限制6个方向的自由度，得到骨盆模型的位移和应力分布云图。通过观察，笔者发现所建骨盆的应力经由骶骨、骶髂关节沿髋臼后柱和弓状缘进行传递，骶髂关节和坐骨大切迹周围应力较大，与理论知识和相关研究相符，证明了模型的有效性。

4 髋臼后柱骨折逆行拉力螺钉固定模型的建立

应用Solidworks 2010软件打开髋骨实体，参考吴啸波等［7］的方法，建立后柱骨折模型，利用网格删减，在左侧髋关节面2点钟和6点钟方向进行切割，将一侧髋骨分割成髋部零件和后柱部零件(图2a)。参考相关文献［3，5，8］所述置钉方案分别在后柱坐骨结节(A方案)和坐骨小切迹处(B方案)模拟置入拉力螺钉，完成手术固定模型的建立(图2b、c)，骨折块间摩擦系数0.5u，螺钉与骨块摩擦系数1.0u。

图2 骨折模型及不同内固定方案。a．髋臼后柱骨折模型;b．经坐骨小切迹内固定方案;c．经坐骨结节内固定方案

5 静力加载及评价指标

模拟人体双腿直立位和坐位的生理姿势，模拟重力方向，对骨盆施加轴向载荷。具体方式为分别约束双侧髋臼和坐骨结节，向S1骶骨椎体上表面均匀垂直加压，压力大小选择500N。统计髋臼关节面骨折线节点位移和内固定螺钉应力，并进行统计学分析。

6 统计学分析

所得数据应用SPSS19.0软件统计分析，方差齐性判断后，应用两样本t检验对数据进行比较，P＜0.05提示差异有统计学意义。

结 果

1 关节面骨折线节点位移 具体位移数值均数及比较结果见表1。

表1 关节面骨折线位移均数比较(μm)

2 后柱拉力螺钉的最大应力 具体应力分布及数值见表2和图3。

表2 不同体位拉力螺钉的最大应力值(Mpa)

图3 后柱拉力螺钉应力云图。a．经小切迹站位;b．经小切迹坐位;c．经坐骨结节站位;d．经坐骨结节坐位

讨 论

开放手术作为髋臼后柱骨折的传统首选治疗方法，存在创伤大、血管神经损伤和异位骨化发生率高等术后并发症［9－10］。随着骨盆髋臼骨折微创治疗的不断发展，Starr、Gay等［1，11］报道了采用经皮逆行拉力螺钉技术固定髋臼后柱骨折，取得了满意临床疗效，认为该技术适用于无明显移位和粉碎程度较轻的骨折治疗，具有经济、微创的特点。Mouhsine等［2］总结21例老年复杂髋臼骨折微创治疗经验，认为该技术在免去开放手术创伤的同时，保证了患肢早期功能锻炼，缩短了卧床时间，对老年患者意义更大。但髋臼后柱骨性结构复杂，螺钉置入过程中，如果螺钉位置不佳，则易导致螺钉误入关节或穿出骨板，造成创伤性关节炎和周围血管神经损伤，甚至骨折固定不牢固、断钉等严重并发症［12］。

目前，髋臼后柱经皮逆行拉力螺钉存在不同置钉方案，其中大部分学者选择坐骨结节为进针点。国内张大保等［3］通过对国人骨盆相关数据研究发现坐骨结节表面存在一点，可与髂前髂后上棘构成等腰三角形，提出以髂前髂后上棘连线中垂面为参考平面的置钉方案，得出螺钉与水平面、冠状面和矢状面的夹角分别为(72.02±6.05)°、(14.71±6.98)°和(8.61±3.96)°。有作者［7－8，13－14］通过解剖学研究，得出髋臼后柱骨性通道的长轴穿出点位于坐骨小切迹中点附近，髋臼后柱轴线与冠状面夹角为男性(33.41±2.18)°、女性(31.56±2.71)°，与矢状面夹角男性(21.74±1.19)°、女性(19.15±1.24)°，提出了髂前上棘和弓状线后端连线的中点与坐骨小切迹中点连线的置钉方案。认为该置钉方案不仅可以避免坐位时钉尾的直接受力，减少坐位不适感，而且螺钉更符合生物力学要求，固定更稳，较前者存在优势。相关数据对比发现两置钉通道解剖参数存在明显差异，但力学定量对比研究未见有报道。

通过有限元法对比受力前后骨折线位移和螺钉应力分布后发现，骨折模型在站立位和坐位时表现出不同的力学特性。通过不同体位下两种内固定方案的对比，得出站立位时两种内固定方案骨折线位移值相近且差异无明显统计学意义(P=0.004＜0.05)。坐位时经坐骨小切迹置入拉力螺钉最大位移均值为(6.52±0.38)μm，明显小于经坐骨结节置钉的(7.27±0.48)μm水平，且差异具有统计学意义(P=0.932＞0.05)，表现出更优的力学稳定性，分析主要原因为站立位变坐位时，骨盆受力区由臼顶负重区转为坐骨结节直接受力的结果。由于重力传导途径的改变，拉力螺钉受力亦表现出明显的不同，坐位时应力达到36.053Mpa，明显大于站立位时(6.747Mpa)水平，且站立位时螺钉受力集中于骨折线周围，而坐位时螺钉尾部为主要的受力区域(图3)，但其应力强度均明显小于螺钉的屈服强度，侧面证实了后柱逆行拉力螺钉内固定的可行性。

本实验支持经坐骨小切迹置钉生物力学稳定性更优的结果。采用有限元法具有经济、可重复操作的优点，但由于年龄和性别等因素造成的骨盆形态结构和力学特性差异，其结果与实际情况必然存在一定不同，同时由于骨折移位、粉碎程度和周围软组织的复杂性，实际操作尚需结合患者实际情况综合考虑后决定置钉方案。

［1］Starr AJ，Reinert CM，Jones AL．Percutaneous fixation of the columns of the acetabulum:a new technique［J］．JOrthop Trauma，1998，12(1):51－58.

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［5］尹维刚，史增元，胡荫，等．经皮坐骨小切迹拉力螺钉内固定髋臼后柱骨折的应用解剖与临床应用［J］．中国临床解剖学杂志，2007，27(2):140－142.

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