基于有限元模型的骨盆骨折后力学研究

魏国强，车丽芳，牛晓芬，张 凯，王 一，史国鹏，白 灵，王海燕，李筱贺,4，许阳阳

(1.长治市人民医院康复医学科，山西 长治046000；2.乌兰察布市第二医院骨科，内蒙古 乌兰察布 012000；3.内蒙古医科大学基础医学院解剖教研室，内蒙古 呼和浩特010110;4.内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古 呼和浩特 010110)

骨盆骨折的发生率约为3%，病死率为10%～16%，骨盆环损伤相对罕见，发生率为0.03‰～0.23‰[1-4]。骨盆骨折通常是由高冲击力创伤所致，如汽车碰撞、高处跌落、车辆撞伤，多发生于年轻人[5]。数字医学是研究数字技术、信息技术、计算机技术、通信技术、人工智能、虚拟现实等技术在医学领域的应用规律和发展趋势，探讨计算机科学、信息学、电子学等与医学相互交叉或结合而形成的新理论、新知识、新技术和新产品，挖掘基于数字化条件而衍生的新模式、新流程和新机理。本研究利用数字医学技术中三维重建方法，以真实的骨折模型去模拟探讨骨折后在不同姿势下运动康复训练的机械反应，从而为骨盆骨折的力学行为和建模提供参考，同时有助于指导骨折后康复训练。

早期康复运动对于骨盆骨折患者的术后管理非常重要。多项指南建议骨盆骨折后需早期运动，包括床椅转移、床上坐位训练、坐带有扶手的椅子、使用辅助设备行走等[6-7]。适当负重会引起相邻骨性骨折组件之间的微小运动，刺激骨折愈合。在康复训练和日常活动中虽不清楚患者实际承受的准确重量、骨愈合的具体程度，但在临床康复中很少发生过载荷导致的并发症。然而，过载和欠载都会使康复效果受到影响。康复训练中处处存在生物力学，而大多有限元分析(finite element analysis，FEA)研究没有与康复训练结合。因此，了解不同康复训练方法的潜在优势和弱点至关重要[8]。本研究基于CT影像资料，利用Mimics、Geomagic、Hypermech、Abaqus软件建立人体骨盆三维模型，利用FEA方法分析骨盆骨折在不同坐位姿势下的生物力学行为，以期为临床提供必要的生物力学依据，使患者骨折后不同坐位姿势下的力学变化可视化。

1 材料与方法

1.1 研究对象

患者，女，52岁，体质量55 kg，2020年8月被两汽车连续相撞后就诊于长治市人民医院。病史：双肺挫裂伤，右侧气胸；双侧胸膜增厚；右侧胸壁多发积气；右侧锁骨及多发肋骨软骨骨折；坐骨、耻骨骨折伴盆腔积液积血；左股骨下段骨折。内科治疗：头部及口腔伤口清创缝合，补液，输注红细胞等。外科治疗：右锁骨切开复位钛板内固定术，左股骨行闭合复位髓内钉内固定术，骨盆骨折(Tile A型)保守治疗。于2020年9月转入康复医学科进行康复治疗。选取该患者DICOM格式原始骨盆影像资料进行研究。

1.2 实验设备及相关软件

CT扫描设备：64排128层螺旋CT机(Siemens，德国)，薄片厚度1.25 mm，间距1.25 mm，重建层厚度0.625 mm，重建间距0.625 mm。3D重建软件：Mimics 21.0，3-matic 13.0(Materialise，比利时)；Geomagic Studio 2013(Raindrop Geomagio Inc，美国)；Hypermesh 2019(Atair Corporation，美国)；Abaqus 2020(Dassault System，法国)。台式电脑：CPU，inter(R)Core(TM)i7-9700 CPU@3.00GHz 八核；RAM内存，32.0 G。

1.3 建模方案

将患者骨盆CT影像资料以DICOM格式导入Mimics 21.0图像处理软件中读取数据，提取L5与骨盆模型，于3-matic 13.0中模拟L5～S1椎间盘，将各模型导入Geomagic Studio 2013软件中生成实体模型，再导入Hypermesh 2019软件中进行网格划分，用T3D2线单元模拟韧带，再用Mimics 21.0利用灰度值对模型进行材料属性定义与赋值，采用Abaqus 2020对生成模型进行装配、约束条件的界定等处理，然后进行力学分析；骨盆重建模型见图1。

a：正面观；b：背面观

1.4 材料特性定义

由于人体结构属于非线性的变化，属性材料若按照骨皮质和骨松质来赋值，其实是按线性属性处理，为了体现骨骼的非线性特点，可以利用Mimics 21.0按照CT资料灰度值赋属性。以大量文献为参考，定义材料杨氏模量与泊松比，骨质结构以灰度值赋值，为非线性结构；椎间盘定义为弹性结构(表1)。

表1 材料属性[9-11]

使用经验公式以十种材料属性对骨性部分进行赋值[12]:

D=-13.4+1 017Gv

E=-388.8+5 952D

D为材料密度，Gv为CT图像灰度值，E为材料弹性模量，Mimics 21.0中有限元网格(FEA Mesh)标签下(Materials)命令可设置

1.5 定义接触、设置边界条件和施加载荷

设置上、下关节突，骶髂关节软骨接触定义摩擦系数为0.15[13]，设置纤维环与髓核为tie连接，椎体与韧带的接触为tie连接。于L5上终板施加垂直地面的力400 N[14]，模拟患者上半身体质量，于坐骨结节位置添加固定约束，进行骨盆中立位、前倾10°位、前倾20°位、后倾10°位、后倾20°位5个工况的研究(图2)。

图2 骨盆不同姿势

1.6 观察位置

位置1：耻骨上支与右侧髂骨的骨折断面；位置2：上方游离骨与耻骨上支的骨折断面(未与右髂骨相连)；位置3：坐骨支的骨折断面；位置4：耻骨下支的骨折断面(图3)。

a：骨折断端正面观；b：骨折断端背面观

2 结果

实验得到应力云图，并绘出不同坐位姿势骨盆应力云图(图4、5)。

a：骨盆前面观；b：骨盆后面观；c：骨折断端

位置1(耻骨上支与右侧髂骨的骨折断面)：中立位(2.15 MPa)与前倾10°位(2.18 MPa)应力值分布相似，前倾20°位(5.25 MPa)应力值达到峰值，后倾10°位(3.38 MPa)与后倾20°位(3.63 MPa)应力值分布相似。

位置2(上方游离骨与耻骨上支的骨折断面)：不同姿势下此处应力值分布较小，中立位(0.11 MPa)，前倾10°位(0.11 MPa)，前倾20°位(0.27 MPa)，后倾10°位(1.71 MPa)应力值达到峰值，后倾20°位(0.13 MPa)。

位置3(坐骨支的骨折断面)：中立位(2.50 MPa)与前倾10°位(2.55 MPa)应力值分布相似，前倾20°位(6.08 MPa)应力值达到峰值，后倾10°位(4.17 MPa)到后倾20°位(3.33 MPa)应力值略有下降。

位置4(耻骨下支的骨折断面)：中立位(1.56 MPa)与前倾10°位(1.59 MPa)应力值分布相似，前倾20°位(3.78 MPa)应力值达到峰值，后倾10°位(1.53 MPa)到后倾20°位(1.94 MPa)应力值略有上升。

a：中立位；b：前倾10°位；c：前倾20°位；d:后倾10°位；e:后倾20°位

骨盆前倾20°位的应力值在位置1(耻骨上支与右侧髂骨的骨折断面)、位置3(坐骨支的骨折断面)、位置4(耻骨下支的骨折断面)均明显增大，说明在此体位下对骨盆骨折断端影响最大，其次是骨盆后倾10°位与后倾20°位。应力大小次序：前倾20°位>后倾20°位>后倾10°位>前倾10°位>中立位(图6)。

图6 骨折断端位置应力值

3 讨论

基于计算机断层扫描的股骨有限元模型已被广泛用于估计骨的刚度和强度。FEA也已广泛应用于矫形支具研究[15-18]、脊柱内固定生物力学研究[19-20]、外科器械的设计[21]、椎间盘退变生物力学研究[22]、脊柱动态生物力学研究[11]等医学领域，且在骨盆生物力学中具有非常重要的地位[23]。很多学者通过有限元模型对骨盆进行了研究，高应超等[24]建立坐位骨盆三维有限元模型分析其生物力学特征，指出建立的人体骨盆三维有限元模型可以较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性，具有较高真实性和精确度，能满足临床骨盆重建模拟仿真分析的需要。Li等[25]通过建立有限元模型对外固定下的骨盆骨折在不同姿势包括站立时的力学特征进行了研究，指出骨盆上的应力区域随着姿势的变化而变化，骨盆在中立位更稳定，这意味着骨盆中立位可能比其他倾斜位置骨折愈合更好。Xu等[26]通过建立骨盆有限元模型，指出通过手法使骶髂关节产生位移与韧带产生应变可能是骶髂关节疼痛缓解的一种机制。张玉东等[23]通过构建人体跌坐条件下骨盆有限元模型与瓷砖地面碰撞，发现应力与应变在骶髂关节处最大。因此，通过有限元方法对骨盆进行生物力学分析是目前比较常用的方法之一。

本研究利用真实患者的骨盆模型，通过骨折断端接触位置的应力变化，探索其在骨盆不同坐位姿势下的力学变化，结果显示骨盆中立位对于骨折断端影响最小，而骨盆前倾位与骨盆后倾位应力分布均变大，而且倾斜角度越大，应力会越大；对于骨折部位而言，坐骨支与耻骨下支连接处较耻骨上支应力分布更大，提示患者进行早期康复时，推荐骨盆中立位或较小角度(<10°)的倾斜位置进行训练；骨盆前倾20°位的应力值在位置1(耻骨上支与右侧髂骨的骨折断面)、位置3(坐骨支的骨折断面)、位置4(耻骨下支的骨折断面)均明显增大，说明在此体位下对骨盆骨折断端影响最大，其次是骨盆后倾10°位与后倾20°位；应力大小次序：前倾20°位(5.25 MPa)>后倾20°位(3.63 MPa)>后倾10°位(3.38 MPa)>前倾10°位(2.18 MPa)>中立位(2.15 MPa)；应力增大为骨盆前倾或后倾对骨折处产生了剪切力所致；并且可很明显发现断端接触面存在明显应力集中现象，由于不同患者恢复速度存在差异性，人体修复环境的复杂性，无法确定不同骨折愈合时期，但是通过此案例可以得出以下观点：①骨折会改变骨盆形态学特征，造成力学分布改变；②骨折后愈合处会比以往承受更大负荷，使得稳定性下降；③骨盆FEA可以预测骨骼稳定性。

综上，坐位姿势下，骨盆倾斜角度越大，骨盆的应力值越大，且相同角度下，前倾比后倾应力值大，而中立位骨盆应力分布最小，提示骨盆骨折后运动训练早期应在中立位，逐渐变化倾斜角度。本研究通过探讨康复训练(不同坐位训练)在骨盆骨折中的力学变化，可为临床康复训练的体位选择提供参考，但为了训练过程中安全，康复训练方法需谨慎选择。