LC-II螺钉固定DayI型骨盆新月形骨折的生物力学研究

独行业,顾家烨,姜雪峰,殷小军,惠宇坚,阚 鹏

南通大学附属江阴医院骨科(江苏 江阴 214400)

骨盆是将身体上的载荷传递到下肢的中转点,而骨盆后环的完整性又是维持骨盆稳定的关键,骨盆后环受损将引起骨盆失稳及机械功能的改变。骨盆新月形骨折是Young-Burgess骨盆分型中的一种常见类型[1],其病理特征为:髂骨翼后方断裂侵犯了一部分骶髂关节,导致其局部脱位,并由正常的骶髂后韧带与骶骨连接,从而导致了一种特殊的“新月状”骨折。骨盆新月形骨折最常见的分类方法是Day分型,这种分类的I型骨折是指骨折线在接近骶2前孔处,侵犯到约1/3的骶髂关节,从而造成一个较大的后方新月形髂骨骨折块[2-3]。

LC-II螺钉内固定技术是一种新型的治疗方法,是近年发展起来的一种新型螺钉内固定技术,在治疗中获得了较好的效果[4],但其在力学稳定中的作用尚不明确。本文通过有限元方法比较2枚LC-II螺钉和传统的骶髂关节钢板固定DayI型骨盆新月形骨折的生物力学性能,以期为LC-II螺钉微创固定DayI型骨盆新月形骨折提供理论依据。现报道如下:

1 材料与方法

1.1 数据获取本文资料来自于1名48岁的男性自愿者,身高173cm,体质量75kg。X射线摄像确定患者的骨骼结构及解剖学结构均为正常,经双能X射线骨密度测定法确定患者未发生骨质疏松症。对患者的下腰椎体到股骨干进行了多排CT检查,扫描管电压120kV,管电流333mA,扫描层厚0.625mm,层间距0.625mm,像素512×512,将CT影像以DICOM格式文件的形式进行存储。

1.2 三维建模将获取的CT数据通过数字医学软件Mimics19.0(比利时Materialise公司)建立三维模型,在3-Matic软件中,以骶骨和髂骨骨性模型为边界,建立骶髂关节间软骨模型。再分别分出皮质骨和松质骨,髂骨和骶骨的皮质骨厚度分别模拟为1.0mm和0.45mm[5-6]。将模型导入Geomagic12.0(美国Raindrop公司)软件重建三维曲面模型,再导入ProEngineer5.0(美国PTC公司),完成生理状态的三维实体模型构建。见图1。

(a)新月形骨折 (b)DayI-螺钉固定模型 (c)DayI-钢板固定模型图1 三维建模图

在Proe软件中对生理状态模型进行必要的切割,模拟骨盆新月形DayI型骨折,分别建立骨折固定的空心钉和钢板模型。空心螺钉直径6.5mm,钢板为3.5mm系统重建钢板。对模型进行必要的装配,从而完成3组模型的建立:A:完整骨盆(intact);B:DayI型骨折,骨盆前环钢板固定,后环2枚LC-II螺钉固定髂骨骨折(DayI-螺钉);C:DayI型骨折,骨盆前环钢板固定,后环2块钢板固定,其中1块钢板跨越骶髂关节(DayI-钢板)。

1.3 网格模型构建在Proe软件中组装好的3套模型被引入到美国Altair Inc.Hypermesh12.0的软件中,并进行体格划分。将模型的各个部分分别构建为一个元素之后,对其进行网格划分。由于骨盆是不规则的模型,所以选择了四面体Solid187单元网格。见图2.Intact模型含1762512节点,991111单元;DayI-螺钉含2030558节点,1148057单元;DayI-钢板含2016669节点,1144287单元。

(a)DayI-钢板固定模型 (b)钢板模型 (c)韧带模型图2 三维网格模型图

采用Link180拉线单元,利用Hypermesh12.0,构建了包含骶结节、骶棘和骶髂前韧带的三维立体模型、骶髂长、骶髂短、骶髂骨间韧带[5,7]。

1.4 材料属性赋值根据文献描述[5,7-10],Hypermesh12.0软件中对模型的各部分进行材料属性的分配,见表1。

表1 材料属性分配

1.5 载荷和约束①接触性:3种不同的骨盆三维有限元模型中,分别设定了骶、髂、关节软骨、耻骨、耻骨联合之间的两个面的接触性[6-7]。②边缘条件与载荷:将左侧、右侧髋臼全部设定为完全限制的情况下,模拟人的身体处于站立的位置。7种载荷模型:以大约相当于身体上部质量约500N,将其作用于身体的垂直位置。将500N与10Nm的扭矩作用于骶骨上部,以模仿人体的前屈、后伸、左右弯曲及左右转动[11-13],见表2。

表2 不同骨盆韧带的参数

1.6 模型验证按照参考文献所述的设定方式,将500N竖直向下的负载施加到骶骨的中心,以模仿人类上身的重量,用ANSYS13.0(美国SASI)进行计算,并将计算出的结果与文献所述的数据进行比对。

1.7 观察指标观测3组模型在7种载荷作用下,不同位置的变形和应力分布情况。

2 结果

2.1 验证结果将500N竖直往下的压力作用于该模型,该模型所承受的压力是比较合适的,且更接近于实际人类的工作状态。马春光等[14]用机械测试装置将400N的竖向负荷施加到骶骨处,测试出骶骨处与髂骨处的位移值为0.059±0.012mm。张景僚等[15]利用有限元方法,构建了骶髂骨完整的有限元模型,并通过在骶骨上端加载500N载荷,经过计算分析,得出骶骨相对于髂骨偏位为0.636mm。Lee等[16]构建了腰椎-骶骨有限元模型,并进行了生物力学测试。在骶骨上加载400N载荷,可以得到生理状态下的骶骨与髂骨错位约为0.7mm。这是由于所构建的模型包括腰椎和股骨,位移较大。本文通过构建一个完全的骶髂骨盆体,将500N负荷加于其上部,得出了其与髂骨之间的位移为0.34mm。其结论与已有的研究成果相吻合,验证了该方法的正确性和有效性。

2.2 变形分布内固定物固定骨折的稳定性可通过骨折的移位程度来反映。在各种载荷作用下,直立、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转,intact、DayI-螺钉、DayI-钢板模型上最大位移变化不大。在5种不同载荷方式下(直立、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转),DayI-螺钉、intact、DayI-钢板为位移从大变小次序。在前屈载荷作用下,从大到小的变形量为DayI-螺钉,DayI-钢板,intact。在后向加载时,从大到小的变形量为:DayI-钢板,DayI-螺钉,intact。DayI-螺钉及DayI-钢板在直立载荷作用下,其纵向位移最大值0.34mm,0.38mm及0.29mm,而DayI-螺钉组的纵向位移较正常组略大,但也只增加了11.7%及31%。在各种载荷方式中,以前屈载荷方式位移最大,intact为0.57mm,DayI-螺钉为0.76mm,DayI-钢板为0.68mm,见图3a。

(a)骨盆变形云图(mm);(b)骨盆应力分布(MPa);(c)LC-II螺钉上应力分布(MPa);(d)钢板上应力分布(MPa);(e)髂骨上应力分布(MPa);(f)骶骨上应力分布(MPa)图3 变形和应力分布情况

2.3 应力分布

2.3.1 骨盆整体应力分布 对应力云图进行了分析,最大应力分布在骶骨的左右两侧,见图3b。而DayI-螺钉试验模型,除了后伸加载法以外,其他几种加载法都使试验模型的应力增大;在前屈载荷方式下,最大的增高值为134.8MPa,较正常情况下增加198%,其它载荷方式:直立载荷方式下增加64.2%,左边弯曲时增加41.4%,右边弯曲增加1.9%,左边转动增加40.5%,右边转动增加43.1%。在不同的载荷方式下,两根LC-II螺钉都是最大的,特别是LC-II螺钉穿过骨折线位置。由于在使用中空螺钉时,会产生明显的应力遮挡,使其在中空螺钉处发生明显的应力聚集,见图3c-f。

而在DayI-钢板试验中,无论采用哪一种载荷方式,其应力均有显著增加。与生理学模型比较,直立载荷方式下的受力应力上升577%,前屈上升699%,后伸上升293.7%,左侧弯上升621%,右侧弯上升314%,左旋转上升591%,右旋转上升550%。最大应力集中在放置于髋关节处的钢板和螺钉上。这是由于在负荷下,髂骨骨折和骶髂关节等部位会产生一些错位,对此部位的螺钉进行剪切,使得应力增大。

与DayI-螺钉试验模型比较,在各种载荷方式下,DayI-钢板试验模型的应力值分别为直立应力上升320%,前屈上升134%,后伸上升211%,左侧弯上升339%,右侧弯上升208%,左旋转上升321%,右旋转上升284%,见图4。

图4 模型上的应力分布(MPa)

2.3.2 左侧髂骨应力分布 在DayI型骨盆新月状骨折的DayI-钢板试验模型中,除右弯曲载荷的其他载荷下,在左髂骨上的应力都比DayI-螺钉试验模型要高,其中以右转动载荷增加最大,达到13%。但在右弯时,DayI-钢板试验模型的应力却低于DayI-螺钉试验模型的8%,其原因是LC-II螺钉在右弯时会承受对侧张力,骨折线切割螺钉见图5。

图5 左侧髂骨应力分布(MPa)

2.3.3 骶骨应力分布 对于不同载荷方式下的DayI型骨盆新月形骨折,采用DayI-螺钉与intact模型测试,其在骶骨上的应力分布十分相近。在DayI-钢板模型中,除了后伸外,所有载荷方式下,骶骨区的应力都较DayI-螺钉大。在垂直负重方式下上升104%,前屈上升127%,左侧弯上升73%,右侧弯上升5%,左旋转上升99%,右旋转上升62%,见图6。

图6 骶骨应力分布(MPa)

3 讨论

本研究采用Mimics19.0、3-Matic等数字化医疗技术,按照Day分型,确定DayI型骨折,并确定2根LC-II螺钉固定骨折的位置。采用Geomagic12.0,Pro/Engineer5.0,Hypermesh12.0,ANSYS13.0,建立3种不同的骨盆三维有限元模型,分别为正常骨盆模型和2种骨折固定模型。模拟7种载荷方式:直立载荷、屈伸载荷(前屈、后伸载荷)、侧弯载荷(左弯、右弯载荷)、旋转载荷(左弯、右弯载荷)。对3种不同类型的结构进行了变形、应力的计算。

前期实验发现,DayI-螺钉和DayI-钢板在前屈状态下的最大变形量(0.76mm,0,68mm)都不超过1cm,所以推测这两种方法都能使DayI型骨盆新月形骨折获得较好的固定效果。从实验数据中可以看出,对于DayI型骨折,两种不同的手术方法所产生的形变,与正常情况下的形变十分相似;这也表明了两种方法均具有较好的稳定性。

按照应力遮挡原理,骨和内固定物的应力差越小,内固定物所达到的生物力学相容性越好[16-17]。本实验发现以DayI型骨盆为例,所有的压力都会聚集到其中的内固定物上。DayI-螺钉试验中,最大的应力增加量为134.8MPa,在前屈载荷作用下出现。DayI-钢板试验模型在左侧弯加载时最大的应力为317.91MPa,两者都比钛合金的600MPa低,表明两种方法都是行之有效的。本组结果表明,DayI-钢板较DayI-螺钉试验模型在各种加载模式下其应力均明显上升,表明两根LC-II螺钉对DayI型骨盆新月形骨折具有更好的生物力学兼容性。

综上所述,2根LC-II螺钉及2块钢板都能维持骨盆新月形骨折的稳定,但因位于骶髂关节部位的钢板易发生疲劳破坏及螺钉松动等问题,故2根LC-II螺钉为首选。