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有限元分析在骨盆骨折生物力学研究中的应用

2015-02-20郭建辉王朝晖

创伤外科杂志 2015年3期
关键词:骶髂骨盆螺钉

郭建辉,王朝晖,熊 波

骨盆骨折多因高能量暴力直接或间接作用导致,威胁患者生命[1]。常合并腹腔、盆腔脏器损伤和大出血,成为致残率、病死率很高的疾病[2]。CT或MRI无法进行三维立体和力学研究,在骨盆骨折的研究中应用有限。随着数字医学的发展,关于骨盆骨折的研究也进入了新阶段。20世纪70年代,有限元分析(finite element analyais,FEA)开始应用于骨结构的力学研究,其后逐渐应用到研究骨盆骨折的发病机制、骨折分型以及治疗方案的优化与选择等方面。

1 骨盆的生物力学特性

骨盆是一环形结构,由髋骨、骶骨和尾骨及其周围韧带连接组成,是连接人体躯干和下肢的重要结构,由前环和后环组成。1984年Walheim等[3]指出耻骨联合在垂直方向的移位<2mm,在矢状面和横断面的移位<1mm,旋转<1.5°。生物力学研究发现,构成骶髂关节复合体的骶骨、髂骨之间缺乏骨性稳定结构,骨盆环的稳定性最主要依赖后方负重的骶髂复合体和盆底构造的完整性,韧带在骨盆后环稳定性维持上占重要地位。目前认为骨盆环的稳定在于骶髂复合体是否完整,其中骶髂韧带、髂棘韧带和髂结节韧带所占意义最大[4]。关于骨盆生物力学的研究还在进一步深入。

2 骨盆有限元模型的建立及其生物力学分析

2.1 有限元的发展

2.1.1 FEA二维模型发展到三维模型 FEA的概念在1943年由Courant首次提出,Turner等[5]对FEA做了进一步探索试验。直到1960年,Clough提出有限元这个名词,他将该方法应用于弹性力学方面研究,并取得成功。在1972年,Brekelmans和Rybicki等[6-7]分别首次将FEA应用到骨结构方面的工作当中。1973年,Belytschko等[8]在研究脊柱力学时,成功利用FEA建立了二维椎间盘模型,意味着FEA开始走进骨科实验研究。

1982年Vasu等[9]建立了骨盆二维有限元模型,但这些模型在模拟骨盆的三力学机制(压力、摩擦力、剪切力)方面难以呈现,无法完整地模拟、分析处于不同平面的骶髂关节、耻骨联合与坐骨结节的静力学与动力学特性。1989年骨盆三维有限元模型出现,Zheng等[10]利用骨盆的CT片建模,完成了骨盆三维有限元模型,并将其应用到骶髂关节疼痛的相关研究中。重建后的三维结构,可以显示生物组织复杂的三维结构,可以进行任意剖切、旋转、测量等操作。有限元法适合于分析骨盆这种复杂结构,在骨盆模拟方面较以往的方法更加准确[11]。

2.1.2 FEA从线性分析发展到非线性分析 骨盆的不规则性使FEA从最初的线性研究向非线性研究深入发展,使实验数据更加精确。Shim等[12]通过构建非线性有限元骨盆模型,并验证它与合成骨盆的预测能力,实验发现通过模型预测的初始骨折模式也类似于实验的实际模式,从模型预测结果与实验结果的吻合表明采用非线性有限元建模在预测骨折方面的有效性。

2.1.3 FEA从静态分析发展到动态分析 利用FEA进行模体实验,动态观察骨盆骨折的发病机制,预测骨盆骨折的程度。Breaud等[13]利用计算机构建了交通事故中骨盆骨折的有限元模型,并对骨盆环损伤和尿道损伤进行了生物力学分离;利用该模型重建了骨盆环上横向冲击力的机制,并对后尿道损伤时机进行了研究。通过三维模型的建立,分析骨盆环的横向冲击损伤及后尿道损伤之间的联系,使骨盆骨折中后尿道损伤具有可预见性。

2.2 有限元建模的基本原理 FEA的基本原理是利用数学原理中的近似法对客观实体进行模拟。其主要工具有:螺旋CT、逆向工程软件、有限元相关软件。以下是几种常见的软件。

螺旋CT(spiral computed tomography,CT):即螺旋计算机断层扫描,为生物力学分析提供了图像来源。螺旋CT处理过的图像,以医学数字成像和通信(DICOM)格式存储信息。利用逆向工程软件建模后,将信息传到有限元软件中进行各方面的受力分析。螺旋CT无重建次数和层间隔大小的限制,可回顾性、任意地重建图像。

Mimics(materialise’s interactive medical image control system,Mimics):即交互式医学图像控制系统,是逆向工程软件和计算机辅助设计软件。它能直接读取DICOM格式的二维图像,进行图像分割,能自定义重建感兴趣的区域,能直观、准确、生动地重建出三维图像,并对重建后的三维图像进行全方位的自由旋转和观察。以光固化立体造型(STL)格式对三维图像进行存储并输出,并导入到Patran、Ansys、Abaqus等软件中,进行进一步处理。

Ansys软件:一种有限元分析软件,主要包括3个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。前处理模块构造有限元模型,根据需要进行切割、填充、缩放、变形等处理;分析计算模块可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析;后处理模块是将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流迹、立体切片、透明及半透明等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。利用Ansys软件可以对模型直接进行处理,所以它又被称为“计算机雕刻技术”。

2.3 基于有限元模型的骨盆生物力学分析 由于骨盆复杂的几何结构,必须要有一个较为精确的三维模型,1995年,Dalstra等[14]在这方面做了许多研究。2000年,Garcia等[15]建立了骨盆骨折-骶髂关节脱位模型,对内外固定用于骨盆环损伤的力学稳定性进行了FEA分析后表明,FEA分析不但降低了风险与费用,而且有利于治疗方案的个体化选择。

2.3.1 骨盆应力分析 骨盆应力特性主要靠骨密度和骨小梁的综合特性,以往传统的实验研究方法无法做到全面、精确地评价。Leung等[16]利用FEA分析骨盆皮质骨密度函数,发现皮质表面密度占60%的作用,认为皮质骨表面密度的变化,是骨盆发生不完全性骨折的因素之一。Zhou等[17]对模块化半骨盆假体重建后的骨盆进行有限元分析,分别对坐姿、双脚站立、患肢站立三个静态位置正常骨盆与手术骨盆之间的应力分布进行分析。结果显示,在正常骨盆,应力分布集中于髋臼、弓形线、骶髂关节、骶中线和坐骨切迹,在术后半骨盆,应力分布主要集中在耻骨板的近侧区域、髋臼的顶部;实验证明,在三种不同静态位置下,术后半骨盆与正常骨盆的应力分布具有相似性,说明采用模块化半骨盆假体重建取得了良好的生物力学特性。Ghosh等[18]开发了半骨盆三维有限元模型,研究其在一个步态周期中的应力与应变分布,该研究证明髋关节受力主要来自髋臼外侧皮质,以及骶髂关节和耻骨联合的转移;该研究也有助于髋臼内载荷传递分析和髋臼假体的研制。

2.3.2 骨盆骨折的稳定性及合并伤的预测 Bohme等[19]利用有限元计算机模拟“开书型”骨盆骨折并预测损伤是否具有稳定性。实验结果显示:骨盆韧带具有局部和全身稳定功能,骶髂复合体在垂直和水平载荷的传递中起了重要作用,随着数值模拟,损伤相关的不稳定性是可以预测的。约15%的病人合并膀胱或尿道损伤,容易漏诊,使骨盆骨折的整体死亡率提高[20];合并髂外动脉损伤的开放性骨盆骨折,其死亡率和伤残率是很高的[21];对骨盆骨折合并的后尿道损伤,早期发现和正确处理至关重要[22],了解这些并发伤的机制,对提高预防、防止恶化都有帮助[14]。Zhang等[23]利用有限元软件建模,分析Stoppa入路治疗髋臼骨折时植入内固定螺钉的安全区域,并将其分为“安全区”、“相对危险区”、“绝对危险区”,研究结果认为不推荐在“绝对危险区”植入螺钉,“相对危险区”植钉根据骨折类型和个人股骨解剖而定。

2.3.3 手术评价与优化诊治 FEA分析手术前后骨折局部的应力状态,预测各种固定方式的效果和手术后可能发生的并发症,对最佳手术方案的选择有重要作用,并可以进一步发现更好的手术、固定方式、优化设计内置物。Zhao等[24]利用FEA建立Tile C型(右侧骶骨纵行骨折)骨盆骨折模型,模拟使用加长骶髂螺钉和普通骶髂螺钉进行内固定;通过数据统计比较得出,Tile C型骨盆损伤的单侧骶骨纵行骨折,使用S1、S2加长骶髂螺钉固定具有很好的稳定性,而且二者同时应用加长固定时效果更佳;无法使用加长骶髂螺钉固定时,要尽可能选择双层面普通骶髂螺钉固定;当只能用单层面单枚骶髂螺钉或加长骶髂螺钉固定治疗单侧骶骨纵行骨折时,最好选择S2层面。

骶髂关节为复杂结构,特别是当考虑到周围的韧带,很难构造准确的三维有限元模型,以往大多数盆腔模型在研究时进行了简化。然而,在人体骨盆负荷传递影响因素的研究中,这些被简化结构、组织尚未得到研究,因此这些研究的可靠性仍不清楚。Shi等[25]利用FEA建立模型,研究得出骶髂关节中滑液的存在对人体盆腔系统载荷传递产生很大影响,认为滑液的存在不应当在骨盆的生物力学行为研究中被忽略,特别是在临床应用的相关研究中。

2.3.4 3D打印技术方面的应用 以有限元分析为基础的3D打印技术已应用于生物材料的研究[26],该技术在骨盆手术生物力学评价、复杂的骨盆骨折、髋关节置换术、个体化治疗方面有独特的优势,为骨盆物理测试、手术规划提供了经济、有效的方法[27]。3D打印技术在我国逐渐应用于临床。

3 结语

作为数字医学发展的一部分,FEA为研究骨盆骨折生物力学研究提供了有效安全的方法,为研究骨盆骨折的受伤机制、诊断、手术方式以及内固定的选择与发明提供了重要途径。实践证明,FEA把复杂变得简单、直接,使一些问题的解决从不可能变为可能,是一种方便快捷、节约资源、高效省时的生物力学研究分析工具。

FEA模型是对真实情况的模拟,必然存在假设和简化,从而影响结果的准确性;FEA需要实际过程中观测的结果和数据作支持,才能建立起与实际水平接近的真实模型。目前针对骨盆骨折治疗时主要集中在骨折类型,韧带往往被忽视,而FEA关于骨盆周围韧带、血管等邻近器官组织的研究较少,有待进一步深入[28]。

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