髋臼横行骨折两种内固定方式的有限元分析

王庆　薛波　安林　毛伟民　叶鹏翰

[摘要]目的比较髋臼横行骨折两种内固定方式的生物力学性能。方法利用有限元分析方法，使用计算机软件建立髋臼骨折模型。模拟常规后路两块钢板及Stoppa入路四方区内侧两块钢板固定方式，比较两种固定方式的生物力学性能。结果两种固定方式中骨折块的总位移非常接近，表明这两种固定方式对这类髋臼骨折总的固定效果基本一致。此外，两种固定方式中骨折块之间的各方向的相对位移及其位移之差非常小，表明两种固定方式在前后、内外及上下方向的固定效果也基本一致。结论两种固定方式生物力学性能没有差别，Stoppa人路四方区内侧两块钢板固定方式可代替常规后路两块钢板进行髋臼横行骨折的固定。

[关键词]髋臼骨折；后方入路；Stoppa入路；内固定；生物力学

髋臼横行骨折累及前后两柱，选择手术入路时，通常认为需先从移位较大侧进入，必要时采用漂浮体位、前后联合人路；但由于不能同时复位固定前后柱，往往导致主要移位侧骨折复位及固定比较满意，对次要骨折移位复位不满意。另外，髋臼术后并发症发生率较高，且采用不同手术入路治疗髋臼骨折，术后并发症发生率存在差异。

目前，随着技术的不断进步，改良Stoppa入路应用越来越广。改良Stoppa入路显露范围非常广泛，除髋臼后壁外，髋臼前后柱、四方区、耻骨联合及骶髂关节处均能良好显露。因此，采用改良stoppa人路治疗髋臼横行骨折或前柱伴后半横行骨折应是比较理想的入路。

本研究进行了髋臼横行骨折模型的两种固定方式的生物力学比较，明确了内侧两块钢板固定可以代替后路两块钢板固定，生物力学性能没有差别，报道如下。

1.材料与方法

1.1实验设备

软件条件：（1）Mimics 17.0用于CT数据重建，生成医学模型的三角面片结构，输出数据在PC机上进行数据的转换处理。（2）Geomagie Studio 2013读入Mimicsl7.0输出的数据，对模型数据进行封装、错误检查及优化，并重建Nurbs曲面模型。（3）NX 8.5调整各部件之间的位置关系，分割模型，装配内固定模型，进行手术模拟操作。（4）Ansysworkbeneh 15.0用于材料赋值，施加载荷，接触关系设定，网格划分，完成三维有限元模型的建立及分析。

1.2方法

选择门诊就诊的健康成年人，通过SIEMENS/SOMATOM Definition flash CT行薄层扫描，共获取间隔1mm重建厚度lmm，平面分辨率512×512，每像素0.777mm的二维断层图像304张，保存为DICOM格式的文件。将DICOM文件导入Materialise公司的Mimics17医学专业三维重建软件中并初步建立髋骨各部分的三维模型。把初步建立好的髋骨各部分模型导出stl格式保存。将sd格式的模型导入到Geomagic Studio 2013软件中，利用曲面重建功能建立各部件的NURBS曲面，所得髋骨各部分的曲面模型以.iges文件格式保存。

依据内固定的参数，使用Unigraphics NX 8.5三维设计软件的草图功能，分别建立不同内固定的草图，依据测量出的尺寸数据对草图进行标注，使建立的内固定模型和实际的内固定尺寸一致，通过拉伸、旋转等建模命令建立内固定的三维模型。在Unigraphics NX 8.5三维设计软件中，利用软件的编辑功能，对正常的髋骨模型进行骨折模型的设计，参考临床的骨折解剖结构，利用分割体功能建立髋骨的骨折模型，骨折间保留0.5mm的骨缝。利用Unigraphics NX 8.5三维设计软件的装配功能，建立内固定方式的髋骨骨折三维模型，如图1所示。

本实验进行线性有限元应力分析。假设模型中涉及的材料和组织（骨皮质、骨松质、内固定等）均为連续、均质、各向同性的线弹性材料，各部分材质如表1所示；内固定和骨骼之间为bonded关系，相对无滑动；股骨远端给予固定约束。应用Ansysworkbench 15软件来进行网格划分和分析有限元模型，本实验采用了四面体十节点网格划分的方式，每个固定方式的网格节点数和单元数如表2所示。模型载荷大小为2000N，作用于椎体上终板，垂直于终板平面。骨折模型均采用同一种加载方式，保证试验的统一性。

2.结果

设定骨折线上方骨折块为仪；设定骨折线下方骨折块为B。固定方式1中骨折块a最大位移为10.209mm；骨折块B最大位移为4.0307mm。固定方式2中骨折块a最大位移为9.9945mm；骨折块B最大位移为4.1301mm；详见表3～4、图1。

3.讨论

髋臼骨折患者手术并发症与手术入路关系密切。一般来说，扩展的髂股入路、联合人路或K-L入路的各种并发症总发生率较高；改良Stoppa人路的各种并发症总发生率较低；髂腹股沟入路的各种并发症发生率居中。

对于累及后柱的髋臼骨折，通常使用K-L入路双钢板固定技术，但K-L入路术中剥离范围大，易损伤坐骨神经、臀上动静脉等，术后骨化性肌炎等并发症发生率比较高，而术后股骨头坏死发生率也比较高。自Cole和Bolhofner于1994年报道使用改良Stoppa入路治疗髋臼骨折以来，Stoppa入路应用越来越广泛。理论上对于前柱、前壁骨折，以及以前方移位为主的横形、T形、前柱伴后半横形骨折等均适用。Stoppa人路的感染率，神经损伤，血管损伤，股骨头坏死及骨化性肌炎等各种并发症均比较低。因此，采用Stoppa入路对后柱骨折行复位钢板固定技术是一个比较好的方法。本文进行两种固定模式的生物力学测试，以评价这两种固定模式力学性能优劣，为Stoppa入路固定后柱骨折提供理论依据。关于髋臼骨折内固定的生物力学试验文献尚不多，大多为检验新型钢板固定效果，两种固定方式比较的文献比较少见。

本研究利用TOSHIBA/Aquilion ONE 320排动态容积CT搜集人体影像学资料；利用Mimics17.0、Geomagic Studio 2013、NX 8.5和Ansysworkbench 15.0等软件进行建模并进行力学分析、得出初步结果。对结果进行分析后可评价另种固定方式的优劣。此外，本研究的结果表明固定方式1和固定方式2中骨折块a的总位移非常接近：10.209mm-9.9945mm=0.2145mm；固定方式1和固定方式2中骨折块B的总位移也非常接近：4.0307mm-4.1301mm=0.0994mm；表明这两种固定方式对这类髋臼骨折总的固定效果基本一致。由表4可见固定方式1和固定方式2中的骨折块a，B之间的各方向的相对位移及其位移之差非常小。尤其两种固定方式相对位移之差最大在0.25mm左右，表明两种固定方式在前后、内外及上下方向的固定效果也基本一致。因此，采用stoppa入路对后柱骨折行复位双钢板固定，可达到类似K-L人路双钢板固定的力学效果。