新型动力化前路方形区钛板螺钉系统在不同置钉方法下固定髋臼骨折的有限元比较

吴海洋，邵启鹏，蔡贤华,尚冉冉，宋成璟，刘曦明

(1.中国人民解放军中部战区总医院骨科，湖北省骨创伤救治临床医学研究中心，武汉 430070， 2.南方医科大学第一临床医学院研究生院，广州 510515)

髋臼双柱骨折是Letoumel-Judet髋臼骨折分类中较为常见的类型之一，其特点是髋臼关节面与骨盆中轴失去正常联系，骨折线累及到髋臼前柱、后柱及方形区[1]。中部战区总医院采用自主设计的动力化前路方形区钛板螺钉系统(DAPSQ)治疗此类复杂髋臼骨折获得满意的临床疗效[2]。既往多项生物力学研究也显示出第一代DAPSQ在固定复杂髋臼骨折的优越性[3-5]。然而，第一代DAPSQ是在传统重建钛板的基础上进行的巧妙塑形，由于钛板塑形时术者需要考虑DAPSQ各分区长度、比例、扭转角度等一系列问题，常使初学者难以理解DAPSQ塑形的关键和巧妙之处，致使术中耗时和出血量增加。针对上述问题，课题组在第一代基础上改良设计出第二代新型DAPSQ。但目前关于第二代新型DAPSQ的生物力学特点仍不明确，且在临床实际实践中，方形区螺钉多采用3或4枚，特殊情况下也使用过2枚，故有关方形区螺钉最佳置入数量也存在一定争议。本研究旨在通过三维有限元分析方法，分析该新型DAPSQ的生物力学特点，并试图寻找出方形区最佳置钉策略，以期为该内固定系统的临床应用和推广提供更多生物力学参考。

材料与方法

1 材料及软件

1例28岁健康成年男性志愿者，影像学检查排除先天畸形、骨折和肿瘤等病理改变。螺旋CT检测仪(Biograph 16 HR型,德国西门子公司)；Mimics 19.0软件(比利时Materialise公司)；Geomagic studio 12.0软件(美国Geomagic公司)；UG NX 9.0软件(德国Siemens公司)；ANSYS17.0软件(美国ANSYS公司)。

2 方法

2.1建立左侧髋臼高位双柱骨折模型 采用螺旋CT机对志愿者进行层厚1mm平扫，扫描范围包括骶骨、双侧骨盆及股骨上段。将数据以DCOM格式导入至Mimics软件中进行骨块提取并生成完整的骨盆CT三维模型(STL格式)。STL文件进一步导入到Geomagic软件中进行去噪、平滑及精确曲面等修饰处理。随后在UG软件中进行布尔运算得到骶骨、双侧髋骨皮质骨模型，并采用曲面增厚的命令模拟骶髂关节和耻骨联合软骨。将上述骨盆装配模型导入ANSYS17.0软件进行网格划分。按照骨盆内关键韧带的解剖起止点，采用既往研究中“弹簧单元”的方法依次重建腹股沟韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、骶髂韧带等[6]。参考既往课题组高位双柱骨折模型确定截骨骨折线，一条自髂骨翼前中1/3至坐骨大切迹，另一条起自坐骨大切迹，平行于弓状线下缘至闭孔内缘[4-5]。设定骨折块之间处于完全断裂状态，骨块之间设定摩擦系数为0.4。

2.2建立新型DAPSQ不同方形区螺钉固定方式的有限元模型 根据第二代DAPSQ钛板的实物模型，在UG软件中建立DAPSQ钛板三维几何图形。钛板及所用螺钉(3.5mm，皮质骨螺钉)参数均由常州华森器械有限公司提供。构建的DAPSQ钛板总螺钉孔为15孔，其中耻骨区、方形区和髂骨区钛板置钉孔数分别为6、4和5孔。材料属性均模拟标准钛合金材料(Ti-6Al-7Nb)，其弹性模量为110gPa，泊松比为0.3[7]。DAPSQ置钉顺序按照既往研究描述方法进行[2-3]，根据方形区螺钉数目建立4种内固定模型(图1)：A组：单方形区螺钉，方形区仅置入1枚螺钉且位于靠近坐骨大切迹处；B组：双方形区螺钉组，在A组的基础上增加1枚远端方形区螺钉；C组：三方形区螺钉组，在B组的基础上再于方形区中间添加1枚螺钉；D组：四方形区螺钉组，方形区均匀置入4枚螺钉。另外，髂骨翼骨折均采用5孔重建钛板及螺钉固定。

3 载荷及边界条件

上述4种固定方式均分别在以下4种工况进行运算：(1)模拟坐位骨盆：以第一骶骨椎体上终板正中央为刚性平面，予以加载600N垂直该平面的坐位重力(图1b)。在坐骨结节处施加6个自由度完全固定约束，股骨予以抑制。(2)模拟站位骨盆：加载条件与坐位骨盆相同，但对双侧股骨远端施加6个自由度完全固定约束，尽可能接近生理状态。(3)模拟骨盆向健侧旋转：模拟站位加载条件完成后，继续使骨盆向右侧旋转，扭矩为8N/m。(4)模拟骨盆向患侧旋转：模拟站位加载条件完成后，继续使骨盆向左侧旋转，扭矩为8N/m。假设条件：实验材料力学特性为各向同性、均质且连续，受力时忽略材料变形。

4 评价指标

(1)取髋臼内侧壁对应方形区骨折线上的各节点组成骨折线路径，测量该路径中固定10个节点的横向位移；(2)观察并分析钛板及螺钉应力分布数据、应力云图和位移云图。

5 统计学分析

结 果

1 模型有效性验证

有限元模型建立后首先进行解剖标记点距离和生物力学传导的有效性验证。分别测量经修饰后的骨盆有限元模型和Mimics软件重建出的CT三维模型9个重要解剖学标记点距离(图2)。结果发现两种骨盆模型解剖标记点距离差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。模拟正常骨盆坐位时，600N生理载荷下应力主要传导为骶骨终板面→双侧骶髂关节→坐骨大切迹/弓状线→髋臼后柱/耻骨联合。骨盆的整体形变是以骶骨为中心，向两侧呈波浪式减弱，左、右侧基本对称，与既往文献报道一致[8]。

2 位移分布比较

在模拟站位、坐位、健侧旋转和患侧旋转4种工况下，对于髋臼内侧面对应方形区骨折线路径上各节点平均位移均表现为A组>B组>C组>D组。其中坐位时，D组位移显著低于A组和B组(P<0.05)，但与C组比较差异无统计学意义(P>0.05)。而在站位、健侧旋转和患侧旋转时，组间位移比较均表现为，C组和D组位移均显著低于A组和B组(P<0.05)，但C组和D组位移比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

图2 CT三维重建模型。a.与有限元模型;b.解剖参数比较

表1 有限元模型与CT三维重建模型的解剖参数比较(mm)

表2 不同内固定方式下方形区骨折线上各节点位移均值比较

3 内固定应力分析

在站位时，不同方形区螺钉组内固定最大应力比较表现为A组>C组>B组>D组，其中A组和D组最大应力分别为99.13mPa和93.84mPa；坐位时，最大应力比较表现为A组>D组>C组>B组，其中A组和B组最大应力为162.98mPa和141.86mPa；健侧旋转时，最大应力比较表现为C组>B组>D组>A组，其中C组和A组最大应力为70.55mPa和68.33mPa；患侧旋转时，最大应力比较表现为A组>B组>C组>D组，其中A组和D组最大应力为133.76mPa和118.21mPa。四组固定模型在站位垂直载荷加载后继续向健侧旋转均表现为最大应力值减小的趋势，而向患侧旋转时均表现为最大应力值增加趋势，且最大应力值均远小于钛质材料的屈服强度(图3)。

图3 新型DAPSQ单方形区螺钉组站位(a)站位+患侧旋转(b)和站位+健侧旋转(c)时内固定应力分布图

方形区完全置入4枚螺钉后，在站位和坐位工况下分析新型DAPSQ在固定高位双柱骨折后应力分布特点(图4)，结果显示新型DAPSQ应力主要集中在靠近坐骨大切迹的钛板螺钉结合处且靠近骨盆内侧。在4枚方形区螺钉中，以近端第1枚方形区螺钉承担应力最大，方形区螺钉在跨骨折线处也出现了应力集中。

图4 新型DAPSQ四方形区螺钉固定髋臼双柱骨折应力分布图(a.站位，c.坐位)和位移云图(b.站位，d.坐位)

讨 论

髋臼高位双柱骨折常常累及髋臼内侧面的重要解剖结构即方形区，方形区解剖位置深在，且较为薄弱[9]。前期采用数字化软件测量得出方形区存在厚度<5mm的不可置钉区域，有学者测量发现该区最薄厚度仅(2.35±1.13)mm，若在此区强行置入螺钉时存在较高的误入关节腔的风险[10-11]。2005年以来，笔者科室采用前路特殊塑形重建钛板加方形区动力加压螺钉的方法固定复杂髋臼骨折，获得满意的治疗效果[2]。

第一代DAPSQ是采用重建钛板进行临时塑形的方法，钛板塑形过程中各分区比例、扭转角度的设置依赖于术者经验，难以形成统一标准。同时这种术中临时塑形操作也显著增加手术时间和术中出血量。为了解决上述问题，课题组在第一代DAPSQ的基础上进行如下优化设计：(1)根据DAPSQ在骨盆中的摆放轨迹进行解剖学测量和分区，主要划分为耻骨区、方形区和髂骨区三个部分[9]。按照上述三区的解剖长度和分区比例设计不同型号的钛板，故新型DAPSQ与第一代相比钛板分区比例更为合理化和标准化。耻骨区和髂骨区钛板长度与第一代相比有所延长，可在一定程度上增加对方形区螺钉的扭转力臂。(2)新型DAPSQ由传统重建钛板改变为标准化钛板，钛板在加工成型时耻骨区和髂骨区扭转角度固定，这种预应力设置减少钛板在术中反复塑形过程中产生的弹性强度丢失，术中选用更为方便。(3)方形区螺钉孔数目设置更为合理，方形区可置钉螺孔由传统的3孔为主增加至4孔，可根据术中骨折线情况合理置钉。同时方形区螺钉孔旁也增加了辅助置钉孔设计，使最后一枚方形区螺钉置入更为便捷。新型DAPSQ已从2016年起进入笔者科室临床使用，但关于其生物力学特点目前尚不清楚，且有关方形区螺钉置入数量仍存在一定争议。为此课题组再一次采用有限元分析法对新型DAPSQ固定髋臼高位双柱骨折进行力学性能研究。有效性验证结果显示，本研究建成的全骨盆模型解剖参数和力学传导均与既往相关研究相符[7]，能够满足本实验要求。

本研究构建高位双柱骨折有限元模型，并采用不同方形区螺钉数目的新型DAPSQ进行固定。在模拟人体站位、坐位和旋转位的状态下分别加载垂直生理应力和扭矩力，结果表明，4种加载方式下方形区骨折线路径上各节点位移均数均表现为A组>B组>C组>D组。且在坐位时，D组与A组、B组比较差异有统计学意义，与C组比较差异无统计学意义。在站位、健侧旋转和患侧旋转时，D组与A组、B组，C组与A组、B组比较差异均有统计学意义，C组与D组比较差异无统计学意义。这说明对于新型DAPSQ来说，方形区螺钉置入至少应保持在3～4枚方可达到最佳生物力学稳定性。课题组分析原因认为，在方形区行单枚螺钉固定时，仅形成了对后柱骨块的线性固定，抵抗后柱骨折块旋转的作用较弱。而双螺钉固定虽然能够初步形成面固定，但由于方形区表面为特殊弧形曲面，双螺钉仅能初步形成直平面，只有保持方形区螺钉在3枚以上时，才能保证螺钉形成比较合理的弧形曲面固定。

与第一代DAPSQ有限元研究方法不同，本研究增加了对DAPSQ旋转位的研究，结果发现，当模型行DAPSQ固定后向患侧转身时，方形区骨折线平均位移和内固定最大应力值均表现为增加趋势，反之向健侧转身时均表现为减少趋势。课题组分析认为，在模拟向患侧转身时，骨盆承受更多向左扭转的扭转应力。而该扭转应力方向刚好与方形区螺钉拧入方向相反，可能会进一步导致螺钉跨骨折线处应力更加集中，螺钉松动风险增加，而向健侧转身时则与之相反。该结果与临床实际情况相符，临床实践中在患者内固定术后需要进行翻身时，笔者也建议多向健侧翻身，尽量避免向患侧翻身。朱李梅等[12]通过对四种内固定方式在旋转位的生物力学研究也得出类似的观点，其认为不论前路还是后路的固定方式，术后患者均应尽可能避免与螺钉拧入方向相反的旋转动作，以减少对内固定物的应力刺激。

此外，课题组以600N生理载荷下，模拟人体站位和坐位分析新型DAPSQ方形区完全置钉后在固定高位双柱骨折后应力分布特点，结果显示髋臼周围无明显应力集中点，骨盆应力传导方式基本与正常骨盆力学传导相符。新型DAPSQ应力主要集中在靠近坐骨大切迹的钛板螺钉结合处且靠近骨盆内侧，提示该处容易出现疲劳性断裂，但最大应力值均远小于钛质材料的屈服强度。在4枚方形区螺钉中，以近端第1枚方形区螺钉承担应力最大，表明该螺钉固定的重要性，与第一代DAPSQ站位应力分析结果相符，这也是本实验在设置排钉分布的不同组别时，以该处螺钉为基准，由远及近进行依次增加螺钉固定的原因。此外，方形区螺钉在跨骨折线处也出现了应力集中，内侧面主要承受压力，外侧面主要承受张力，提示方形区螺钉有以方形区骨折线为中心，向骨盆内折弯的趋势。说明方形区螺钉能够阻挡后柱骨块内移，起到了抗水平剪切力的作用。

本研究局限性是未对各种方形区排钉分布进行详细研究，如三方形区螺钉组理论应有4种排列方式，仅纳入其中1种置钉方式。未来课题组将进一步研究方形区螺钉多种排钉组合，从而筛选三或四方形区螺钉最佳排钉方法。另外本研究采用的骨盆有限元模型也进行了一定的简化处理，无法模拟出髋臼周围软组织及髋关节囊等组织结构。尸体模型研究仍是生物力学实验的最佳模型[13]，目前课题组正在进一步采用完整骨盆尸体模型进行新型DAPSQ生物力学稳定性对比研究，相关结果有待进一步公布。

本研究结果表明，新型DAPSQ在固定髋臼高位双柱骨折的生物力学性能可靠，患者早期行坐位、站位及旋转动作时并不影响内固定稳定性。但值得注意的是，术后应尽量避免向患侧扭转或翻身，以减少DAPSQ方形区螺钉的松动或断裂风险。此外，笔者推荐在方形区应至少置入3或4枚螺钉进行固定，且在条件允许情况下靠近坐骨大切迹的方形区螺钉应常规置入，以增强对后柱骨折块的有效固定。