盆骨重建及三钉钉棒内固定力学特性分析

包钊华，吴明晖，王建东，毕春，邓国英

（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.201620 上海市 上海交通大学附属第一人民医院创伤中心）

0 引言

盆骨骨折病死率高，并发症多，是较为严重的骨折[1-2]。最新的骨折临床调查中发现，随着交通业和建筑业的不断发展，每年盆骨骨折患者总量出现上升趋势，发生率也在逐年增高[3-4]。近十年随着微创技术的发展，微创内固定复位成为了治疗骨盆骨折较常用的手段[5-7]。内固定方式种类多，内固定方式的优缺点和手术适应症需要进行分析验证。如何选择合适的内固定方式仍是骨科医师面临的重点和难点[8-10]。通常内固定物的疗效可通过生物力学及临床实验进行验证，但其周期长、成本高[11]。逆向建模技术能将实物模型转化为CAD 模型，对于包括盆骨在内的复杂结构模型建立有重大意义[12]，将其与有限元分析法结合能很好地弥补这一缺陷，此外还能实现针对不同患者提出个性化方案。

目前，有一种通过皮下植入内固定物固定盆骨前环治疗不稳定损伤的微创手术方式[13]，提出了以钉棒系统治疗盆骨前环骨折方案。目前钉棒系统内固定方式为二钉钉棒系统固定，手术适应性有限，不能很好利用钉棒在任一位置可配置螺钉的优势。本研究通过逆向及正向建模技术建立高度仿真的盆骨有限元模型，模拟耻骨一侧骨折并实现钉棒系统固定，在双腿站立姿态下分析验证了三钉钉棒系统对于骨盆生物力学功能的恢复效果、骨折固定的稳定性。

1 盆骨模型三维重建

1.1 骨骼三维建模设计流程

逆向工程是一种实现曲面重构技术的复杂系统工程，研究主要集中在实体重构方面，曲面重建是关键[14-15]。依据不同的数据组织方式有不同的曲面重构方法。在工业领域，为了获得精确模型，主要使用参数化曲面。其中，NURBS 曲面精度高且具有优良的局部形状控制能力和几何不变性，在复杂曲面建模技术领域得到越来越广泛的应用[16-17]。

本研究主要应用于不同固定方案的骨骼生物力学分析，骨骼外形均为不规则的复杂曲面，对精度要求较高，故决定采用基于NURBS 曲面的重构技术。如图1 所示为NURBS 曲面，基于NURBS 曲线模型可建立其曲面参数化模型，其表达式为

图1 NURBS 曲面Fig.1 NURBS surface

式中：——控制顶点形成控制网格；ωi，j——权因子；n，m——u，v 方向上基函数的个数。

研究给出了以下三维重构技术方案，技术路线如图2 所示。首先，利用CT 机对所研究的骨骼部位进行扫描，得到CT 图像并利用图像分割技术将其余组织与骨骼进行分离，从而得到所需骨骼部分；随后把分离出的骨骼部分在Mimics 中生成三角形网格模型，完成后将其转换为NURBS 曲面模型并导入工业设计软件；最后在软件中进行三维正向设计，完成软组织及植入物设计后进行模型总体装配。

图2 骨骼逆向建模技术路线Fig.2 Technical route of bone reverse modeling

1.2 盆骨三维重建

1.2.1 获取及输入图像

使用双源64 排螺旋CT 对健康志愿者进行全骨盆断层扫描，扫描范围从第一腰椎至双股骨中上段，层厚为1.0 mm，扫描过程中要求志愿者保持静息状态，扫描获得的骨盆CT 图像数据共319 张，以DICOM 格式保存并输入Mimics15.0软件。

1.2.2 图像分割及重建

需对图像在Mimics 软件中进行分割。首先根据骨骼灰度值进行阈值分割，提取出图像中骨骼部分，默认情况下的灰度值为一般选择226-1 464 Hu。如图3 所示为阈值分割后图像。随后根据解剖经验通过布尔运算去除非骨骼部分，并将不同骨骼图像分离，保证横向纵向均无相连单元。经过区域增长后独立分割出单个骨骼，求解出三维模型，并进行平滑处理，以便有限元网格划分，如图4、5 所示。各部件分别以STL 格式保存。建模对象主要骨性结构包括两侧髋骨、骶骨。

图3 阈值分割后盆骨图像Fig.3 Image of pelvis after threshold segmentation

图4 区域增长后髋骨模型Fig.4 Hip bone model after regional growth

图5 平滑处理后髋骨模型Fig.5 Hip bone model after smoothing

1.2.3 盆骨模型曲面生成

将Mimics 生成的骨盆各骨性部件以STL 格式导入逆向工程软件Geomagic Studio 12，通过删除表面钉状物并重新填充，删除内部不必要的三角形单元修正缺陷。通过曲率探测获得轮廓线并在其中创建栅格，使其覆盖整个模型，最后通过拟合获得NURBS 曲面片，如图6 所示。

图6 髋骨曲面模型Fig.6 Hip surface model

1.2.4 软骨、韧带正向建模及装配

将获得的曲面模型导入UG10.0 软件中进行装配。由于模型的数据来自于 Mimics，其坐标位置已经确定，当导入完成后会自动将左右髂骨、骶骨整合在一起。为了得到精确的生物力学数据，将对骨盆力学传递有影响的软骨及韧带也纳入建模范围。由于软骨及韧带在CT 图像中较难单独提取，考虑在UG10.0 软件中依据其解剖结构逐个建立实体模型，最终完成整个模型构建如图7。

图7 完整盆骨模型Fig.7 Complete pelvic bone model

2 内固定力学原理及有限元模型建立

2.1 内固定力学原理

盆骨为人体上下肢力学传递枢纽，通常认为盆骨主要承受上半身重量，通过髋骨传递至股骨。如图8 所示为其力学传递模型。其中，后环承受压力，前环承受张力。盆骨前环受损后无法提供力学支持，内固定方式旨在重建该力学结构。

图8 盆骨力学传递模型Fig.8 Mechanical transfer model of pelvis

钉棒系统针对前环的整体受力情况，辅助前环承受了两侧股骨间的拉力。二钉钉棒系统实现了这一基本功能，但未考虑对断裂耻骨支的相对固定，耻骨断裂处至耻骨联合部分为欠约束状态。三钉钉棒系统在此基础上对断裂耻骨部分进行固定，在使用钉棒辅助受力的情况下，既实现的断裂耻骨固定，又能实现前环骨骼本身的受力，增大了前环总体刚度。

2.1 有限元模型建立

将盆骨各部分的几何模型导入到有限元分析软件ANSYS17.0 中，对盆骨模型进行网格划分，并施加载荷及约束，模拟人体正常站立时骨盆上力学情况。由于骶髂关节、双侧耻骨、耻骨联合间为微动连接，关节面间为接触连接，设置摩擦系数为0.2，骨与韧带之间设置为绑定连接。边界条件及载荷方面，按照正常站立时一般情况进行分析，对完整骨骼模型垂直施加500 N 正向载荷，对双侧髋臼进行固定约束，均限制6 个自由度。根据文献[18]，对各部分材料进行属性赋值，材料参数见表1。

表1 盆骨材料数学Tab.1 Pelvic material mathematics

3 结果分析

3.1 正常盆骨力学分析

如图9（a）所示为正常盆骨双腿站立下应力云图分布。从数值分布上可知，坐骨大切迹处所受应力最大，其值为5.40 MPa，而在两侧耻骨支和耻骨联合处应力数值最小。应力主要集中在骶骨上部、骶髂关节、坐骨大切迹，应力分布趋势呈对称分布。应力主要从骶骨部分传递至骶髂关节，再沿着髂骨下沿传递，两侧应力主要分布于坐骨大切迹附近，四周应力值较小，最后应力传递至两侧髋臼处。如图10（a）所示为正常盆骨双腿站立下位移云图分布。双腿站立位下，正常骨盆的位移分布左右对称，其中骶中正嵴处的位移最大，为56.3μm。骨盆位移以骶正中嵴为中心，以逐渐减弱的波浪形向外传导，分析结果符合人体生理特征。

图9 模型应力分布图Fig.9 Stress distributions of models

3.2 钉棒内固定下盆骨力学分析

盆骨左侧耻骨支断裂，在两侧髂骨棘及左侧处植入螺钉，并通过钉棒固定。对于盆骨钉棒系统内固定模型，其双腿站立位下的应力与位移呈现出与正常骨盆相似的分布规律如图9、图10所示。如图9（a）所示，骨盆应力在骶骨上部、骶髂关节、坐骨大切迹处相对较高，并向四周扩散减小，应力最大值位于患侧坐骨大切迹处，为5.51 MPa。各模型双腿站立下坐骨大切迹处应力如表2 所示。其中，2 钉固定模型左侧应力最大，其应力值超出3 钉固定模型5.6%。从选取的坐骨大切记处应力值可以看出，3 钉钉棒系统固定后盆骨应力与正常骨盆的应力差值较小，固定效果优于2 钉钉棒系统。

表2 不同模型坐骨大切迹处应力值Tab.2 Stress values of ischial notch in different models

双腿站立位下，三钉钉棒系统内固定呈现出与正常骨盆相似的位移分布规律，其位移分布左右对称，同样在骶中正嵴处位移达到最大，最大位移为56.3μm。骨盆位移以骶中正嵴为中心，向骶骨两侧传递，经过骶髂关节传递至髂骨，然后位移在髂骨处沿着两条路径向耻骨和坐骨扩散，一支沿着骨盆环逐渐减小，到髋臼窝处位移减小，另一支经坐骨大切迹扩散至坐骨支及耻骨处。如图10 所示，耻骨上下两侧断裂面两点处总体位移量及相对位移差值均小于1 mm，对骨骼恢复有积极作用。

图10 模型位移分布图Fig.10 Displacement distributions of models

4 结语

针对内固定下盆骨生物力学特性问题，本文分析了盆骨外形特点，设计了正向与逆向建模相结合的技术路线，建立了与实际盆骨结构相符的模型，为有限元仿真分析准确性建立了基础。在此基础上，针对新提出的3 钉钉棒内固定技术，建立了固定物植入后整体模型，并在ANSYS 软件中进行仿真。结果表明，3 钉钉棒内固定方式能够恢复盆骨力学传递特性，并且能保证正常站立位置下盆骨断裂面有较小的位移量，有利于骨骼恢复。本研究提出的骨骼重建及有限元分析方法能便捷地验证新型骨科手术方式固定效果，为动物实验及临床试验提供数据支撑，具有进一步推广的应用价值。