前柱伴后半横形髋臼骨折三种固定的有限元分析△

邵启鹏 ，蔡贤华 *，吴海洋 ，刘曦明

（1.中国人民解放军中部战区总医院骨科，湖北武汉430070；2.南方医科大学第一临床医学院，广东广州510515；3.天津医科大学研究生院，天津300070）

髋臼前柱伴后半横行骨折（anterior column and posterior hemi-transverse,ACPHT）主要累及髋臼前柱、后柱、方形区，临床上其主要治疗原则为解剖复位，坚强内固定和早期进行康复功能锻炼。而方形区位于髋臼内表面，解剖位置深在，骨质薄弱，且周围毗邻重要血管神经，这使得切开复位内固定手术难度较大，风险很高［1］。自2005年以来，本科室蔡贤华等［2］采用第一代动力化前路方形区钛板螺钉系统(dy⁃namic anterior plate-screw system for quadrilateral area,DAPSQ)治疗复杂髋臼骨折，螺钉于方形区表面呈弹性加压固定，既可阻挡方形区骨块向内侧移位又无螺钉误入关节腔之虞，取得了满意的临床疗效。前期课题组通过尸体模型及有限元的方法证实了上述第一代DAPSQ生物力学稳定性安全可靠［3，4］。自 2016年后，课题组在第一代DAPSQ基础上进行了一系列技术优化，设计出第二代新型DAPSQ（专利号：ZL201621494131.0）供临床使用，但其生物力学稳定性尚不明确。故本文旨在通过有限元方法比较第二代DAPSQ与其他两种传统内固定方式在固定髋臼ACPHT骨折上的生物性能，拟为其临床应用提供力学依据。

1 资料与方法

1.1 骨盆三维模型建立

选取1名健康成年男性志愿者，予以知情同意，骨盆X线片排除骨折、畸形、肿瘤等病变。本研究获本院医学伦理委员会批准（2018024-1）。对志愿者从L5至股骨上1/3进行螺旋CT（德国Siemens公司）扫描（层厚0.5mm），将扫描后的图像以DICMO格式导入医学建模Mimics 12.0（比利时Materialise公司）中，数字化三维重建后以STL格式输出。采用Geomagic studio 2013（美国Geomagic公司）对图形进行smooth处理。最后利用Hyperworks19.1（美国Alatir公司）划分网格并调整质量。使用Phillips等［5］研究中的“弹簧单元”方法依次加载髂腹股沟韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶结节韧带、骶棘韧带。皮质骨、松质骨、关节软骨、韧带材料属性赋值参考既往文献［6］（表1、2）。所建骨盆三维模型采用四面体网格，总计生成了1 797 936个单元，359 421个节点。并对模型进行有效性验证：生理载荷600 N下，位移以骶骨为中心向两侧对称传导并逐渐减弱；应力从双侧骶髂关节经弓状线、坐骨大切迹对称传导至双侧股骨。这均与既往实验结果相吻合［7］。

表1 骨盆材料的弹性模量和泊松比

表2 骨盆各韧带刚度

1.2 内固定有限元模型的建立

髋臼ACPHT骨折取高位前柱型：一条骨折线起自髂前上棘，另一条起自坐骨棘上方平髂耻隆起上缘处［8］。建立三组内固定模型（图1a～1c所示）：骨折波及髂骨翼部分均采用五孔钛板固定。DAPSQ组采用第二代DAPSQ固定；DCP组采用双柱钛板（dou⁃ble-column plate,DCP）［9］；ACPPS 组采用前柱钛板联合后柱拉力螺钉（anterior column plate and posterior column lag screw,ACPPS） 固定［10］。内固定钛板为3.5 mm重建钛板；普通螺钉直径为3.5 mm，拉力螺钉直径为6.5 mm，均由常州华森器械有限公司提供模拟。材料属性模拟为钛合金，弹性模量110 gPa，泊松比 0.3［11］。

图1 内固定模型示意图 1a:DAPSQ组 1b:DCP组 1c:ACPPS组

1.3 有限元模型应力施加

将建立好的有限元模型导入Abaqus 2018软件中，模拟生理站位于S1椎体加载600 N均布载荷。假设条件：实验所涉及的材料力学特性为均质、连续和各向同性。

1.4 测量指标

位移测量：取髋臼骨折线上均匀分布的各节点（n=30）组成骨折线路径，测量骨折线路径上各节点的平均位移（μm），平均位移越小，表示内固定越稳定。

应力测量：比较骨盆应力分布情况及三种内固定所受最大应力（MPa），若超过钛合金的屈服强度则可能导致内固定失败。

应力遮挡率η（%）测量：η=（1-σ有固定/σ无固定）×100%。其中，σ有固定为骨盆模型上骨组织在内固定下的应力，σ无固定为骨盆模型原始正常标本上的应力。应力遮挡率越大，表示内固定越坚强［12］。

1.5 统计学方法

采用IBM SPSS 22.0统计学软件，符合正态分布且方差齐性的计量资料以±s表示。多个独立样本比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验。P<0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 位移测量结果

髋臼ACPHT骨折经三组内固定方式固定后，模拟双足站立600N生理载荷下，整体位移分布云图见图2a,2c,2e。可见骨盆位移均以S1终板最大，并以此为中心向两侧髂骨翼远端逐渐减弱，内固定均未见明显移位。三组骨折线路径上各节点的平均位移见表3，表现为DAPSQ组0.05），ACPPS组与DAPSQ组和DCP组差异无统计学意义（P<0.05）。这说明DAPSQ与DCP强度相当，且都优于ACPPS。

2.2 应力测量结果

髋臼ACPHT骨折经三组内固定方式固定后，模拟双足站立600 N生理载荷下，应力分布云图见图2b,2d,2f。可见骨盆应力分布均匀，内固定应力主要集中于钛板和螺钉结合处。三组内固定方式最大应力分见表3，表现为DAPSQ组>DCP组>ACPPS组（P<0.05），且内固定最大应力均远小于钛合金材料的屈服强度，提示三种内固定方式均安全有效，不会发生内固定断裂、疲劳、失效等情况。第二代DAPSQ应力主要集中于方形区螺钉钛板，且以靠近坐骨大切迹的钛板螺钉结合处最大，耻骨区及髂骨区两端应力较小。方形区螺钉中以近端第1枚所受应力最大，这说明方形区近端第1枚螺钉的固定对于维持骨折的稳定至关重要［13］。

图2 各组骨盆模型整体位移云图和应力云图 2a:DAPSQ整体位移云图 2b:DAPSQ应力云图 2c:DCP整体位移云图2d:DCP应力云图 2e:ACPPS整体位移云图 2f:ACPPS应力云图

2.3 应力遮挡率测量结果

根据应力遮挡率计算公式，分别得出骨盆模型上骨组织在内固定下的应力与骨盆模型原始正常标本上的应力，从而得出三组内固定的应力遮挡率见表3，结果表明：DCP组应力遮挡率最大，DAPSQ组次之，ACPPS组最小。且DCP组与DAPSQ组间差异无统计学意义（P>0.05），ACPPS组与DCP组及DAPSQ组差异有统计学意义（P<0.05）。可能因为DCP组恢复了髋臼倒“Y”形生理结构，且前柱与后柱均得到坚强内固定，内固定强度最大，从而表现为最大的应力遮挡率。DAPSQ组表现为与DCP组相当的固定强度，故应力遮挡率与其无明显差异。ACPPS组内固定强度最小，故表现为最小的应力遮挡率。总之，三种内固定方式均表现了较大的应力遮挡率，均能为髋臼ACPHT骨折提供坚强的内固定，内固定承担了较大的应力，从而有利于骨折的早期愈合，符合骨折切开复位内固定的AO治疗原则：解剖复位、坚强内固定及早期行功能锻炼。

表3 三种内固定方式固定ACPHT的力学测量结果（±s）与比较

表3 三种内固定方式固定ACPHT的力学测量结果（±s）与比较

指标位移（μ m）内固定最大应力（M P a）应力遮挡率（%）D A P S Q组（n=3 0）2.0 9±0.2 4 5 1.0 5±2.7 4 6 0.9 6±1.7 4 D C P组（n=3 0）2.1 1±0.2 3 4 1.0 6±2.2 4 6 2.4 9±2.0 6 A C P P S组（n=3 0）2.3 2±0.2 3 3 6.7 0±2.4 6 5 8.3 4±3.8 2 P值<0.0 0 1<0.0 0 1 0.0 0 4

3 讨论

髋臼ACPHT骨折约占髋臼骨折的7%［14］，常为低能量损伤所致。该骨折常涉及方形区，而方形区骨质极其薄弱，国人测得最小厚度处仅为（2.35±1.13）mm，有学者称之为“不可置钉区”［15，16］。既往临床上对这类骨折常采取DCP或ACPPS进行固定，虽有一定疗效，但存在螺钉误入关节腔的风险。Lin等［17］则报告采用钢丝环扎复合内固定治疗12例移位型髋臼ACPHT骨折，另还有学者采用新型内固定策略如H板、解剖钢板等对涉及方形区的ACPHT骨折进行固定［14，18］，大多获得比较满意的临床疗效，但上述内固定的不足之处是存在损伤血管神经风险，抗骨折分离作用有限，且多数内固定方式仍缺乏生物力学依据。DAPSQ是蔡贤华等提出的一种新型内固定方法，该内固定系统由3～4枚螺钉在方形区内表面形成“木筏样”排列，可对方形区骨块提供多点弹性支撑和固定［2］。方形区螺钉1/3～1/2外露于骨面，避免了螺钉进入关节腔的风险［4］。

吴咏德［4］的有限元及尸体标本研究表明：较1/3管型钛板，第一代DAPSQ在固定髋臼双柱骨折时具有更强的生物力学效能。但第一代DAPSQ需术中临时塑形，对于初学者来说较难掌握，学习曲线较长。针对这个问题，课题组设计出了免术中塑形的第二代DAPSQ。与第一代DAPSQ相比，第二代DAPSQ两端钛板长度有所延长，理论上由此产生的方形区钛板扭转力将会增大，转化为方形区螺钉的把持力也相应增加，但目前仍缺乏相应的生物力学依据。

鉴于此，吴海洋等［19］通过尸体实验得出了与前期研究相同的结论：固定髋臼双柱骨折时，第二代DAPSQ较1/3管型钛板具有更好的固定强度。传统尸体标本实验是生物力学研究的金标准，但其成本较高、重复性差，容易因样本量的不足导致实验结果出现误差。有限元分析因其结果不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。故课题组拟进一步采用有限元方法比较第二代DAPSQ与传统DCP、ACPPS的生物力学稳定性，拟为该内固定的推广和器械化生产提供更多力学依据。

本研究构建的有限元模型采用三维四面体网格，网格数目1 797 936个，节点数359 421个。所建模型仿真度及精确度高，能较好地模拟真实骨盆，对骨盆进行力学分析。在其基础之上，建立了高位髋臼ACPHT骨折模型及第二代DAPSQ、DCP及ACPPS三组相应内固定模型，结果显示第二代DAPSQ在固定髋臼ACPHT骨折时，其生物力学稳定性与DCP相当，并优于ACPPS。这与前期课题组的研究成果相一致［3］，进一步证实了该内固定方式的力学稳定性。

但本实验模型存在一定的局限性，如忽略了肌肉对骨盆生物力学的影响，复杂关节韧带结构进行了一定的简化处理。实验假设所涉及的材料力学特性为均质、连续、各向同性，而实际情况恰恰相反，构成人体组织的生物材料具有各向异性、不均匀性等特征。在未来的研究工作中，本研究将会进一步通过尸体实验验证第二代DAPSQ固定髋臼ACPHT骨折的生物力学稳定性。