經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的臨床解剖和三維有限元對比研究.pdf

1、研究背景:
　　髖臼骨折(Acetabular Fractures)作為骨盆骨折的一種特殊類型，由于其波及髖關節(jié)面，屬于關節(jié)內骨折。受傷機制多為直接暴力引起，臨床上最常見致傷原因為壓砸傷、高處墜落和交通事故。根據(jù)2014年的一項中美髖臼骨折流行病學對比調查研究顯示，隨著工業(yè)、建筑業(yè)規(guī)模的不斷擴大，機動車數(shù)量的迅速增加，2005-2012年間，該類骨折的發(fā)生呈逐年增長趨勢，其中青壯年男性是主要受傷人群。隨著世界人口老齡化的加劇，患者

2、的年齡有逐漸增加的趨勢。
　　髖臼周圍解剖結構復雜，位置深在，手術難度較大，骨折術后易發(fā)生異位骨化、創(chuàng)傷性關節(jié)炎等并發(fā)癥，一直以來是創(chuàng)傷骨科領域研究的重點和難點。在過去的半個世紀，隨著手術技巧和人們對該類骨折認識的不斷提高，針對髖臼骨折，目前臨床上主張手術治療，尤其對于累及髖臼負重區(qū)、移位明顯和關節(jié)內存在游離骨折塊的骨折類型，切開復位內固定已經(jīng)成為該類骨折首選治療方案。但是，傳統(tǒng)的切開復位內固定手術具有失血量大，周圍神經(jīng)血管損傷，

3、切口感染等手術并發(fā)癥的風險。對于無移位或移位不明顯的髖臼骨折類型，近年來有學者提出在術中透視輔助下，采用經(jīng)皮拉力螺釘固定骨折的方法。該方法不僅具有顯露范圍小，失血量少，異位骨化發(fā)生率低等優(yōu)點，更能夠實現(xiàn)患肢早期功能鍛煉，減少臥床時間，有利于獲得滿意的患肢功能恢復。因此，成為骨盆髖臼骨折微創(chuàng)治療的重要研究方向。
　　髖臼后柱作為髖臼的主要構成部分，骨折時常常累及該部位，目前的研究已經(jīng)證明了采用經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的可行性

4、。國內外學者開展了大量的相關研究，主要包括后柱釘?shù)赖慕馄蕦W測量和置釘方法學的研究。目前，在進行經(jīng)皮逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折操作時，普遍選擇坐骨結節(jié)作為進針點，但是由于坐骨結節(jié)區(qū)域為粗糙弧形骨面，缺乏定位標志，選擇理想進針點存在困難。且髖臼后柱周圍組織結構復雜，骨性通道狹長，骨質菲薄，置釘不慎則存在螺釘穿出骨板或誤入關節(jié)的風險，造成醫(yī)源性神經(jīng)血管損傷或創(chuàng)傷性關節(jié)炎的發(fā)生，成為了限制該技術臨床應用的主要原因。針對這一臨床難點，有學者提出

5、了經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘?shù)姆椒?，認為該方法較傳統(tǒng)方式具有定位更準確，力學穩(wěn)定性更佳的優(yōu)勢，但是由于實驗人群和實驗方法的不同，相關報道所測量的釘?shù)绤?shù)差異較大，且相關的內固定物生物力學穩(wěn)定性對比實驗也未見報道。
　　隨著計算機技術的不斷發(fā)展，運用三維軟件可以實現(xiàn)對骨盆的三維重建，精確測量相關解剖參數(shù)，并通過有限元分割、材料賦值，建立相應的骨折內固定模型，模擬生理狀態(tài)，施加應力，實現(xiàn)對骨折內固定物生物力學穩(wěn)定性的評價，具有可重復性高

6、，節(jié)約成本和真實可靠的特點。本研究通過以志愿者骨盆CT原始斷層掃描數(shù)據(jù)為材料，選擇兩種臨床有代表性的置釘方案，在測量其釘?shù)澜馄蕯?shù)據(jù)的同時，對其生物力學穩(wěn)定性進行分析比較，以期為臨床應用提供參考。
　　目的:
　　1、利用CT影像數(shù)據(jù)建立骨盆三維模型，模擬兩種不同方法置入后柱虛擬圓柱體，測量髖臼后柱骨性通道的相關解剖參數(shù)，對比兩者之間存在的差異，為生物力學分析提供解剖學依據(jù)。
　　2、在了解骨盆解剖的基礎上，利用有限元專

7、業(yè)分析軟件，建立骨盆的三維有限元模型，并對該模型的可靠性進行分析與驗證，探討其作為生物力學研究方法的效果。
　　3、在骨盆有限元模型的基礎上，建立起兩種不同的逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折的模型，模擬生理狀態(tài)對其進行相關生物力學分析，評價兩種固定方式的生物力學特點，為臨床應用提供參考。
　　方法:
　　1、隨機收集2012年9月-2014年9月在我院行完整盆部CT斷層掃描的成年志愿者的骨盆數(shù)據(jù)32例，男17例，女15例，

8、排除骨質病變和解剖異常，掃描層厚0.5mm，將圖像以DICOM格式輸出，導入Mimics14.1軟件，重建骨盆三維模型，利用軟件自帶的功能，模擬置入髖臼后柱逆行拉力螺釘，測量并獲得髖臼后柱骨性通道的相關解剖學參數(shù)。
　　2、骨盆三維有限元模型的建立與驗證:選擇1例健康成年男性志愿者進行CT斷層掃描并收集其原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行等容切割，切割厚度0.5mm，以DICOM格式導出，導入Mimics14.1三維軟件，獲得骨盆三維重建模型，

9、然后應用Freefrom、Geomegic Studio等軟件進行模型表面光滑和網(wǎng)格化處理等步驟，添加韌帶等骨盆附屬結構，建立骨盆實體三維有限元模型，施加垂直應力，觀察骨盆的應力和位移云圖，驗證其有效性。
　　3、逆行拉力螺釘固定髖臼后柱骨折有限元模型的建立與生物力學分析:參考相關文獻，應用軟件，模擬后柱骨折線對骨盆有限元模型進行截骨，并分別進行兩種不同方式的后柱逆行拉力螺釘固定，建立起兩種不同的骨折固定模型，模擬站立位和坐位，對

10、模型進行應力加載，分別施加大小500N的垂直應力，分析兩種不同的模型表現(xiàn)出的生物力學特性，評價指標為骨盆和內固定物的應力和位移分布云圖，關節(jié)面骨折線上的位移。
　　4、統(tǒng)計學分析:所得數(shù)據(jù)使用SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計學處理，比較不同性別以及不同內固定方案之間存在差異，方法使用獨立樣本t檢驗和配對樣本t檢驗，α取值0.05，P＜0.05，數(shù)值結果采用“均數(shù)±標準差”（x±s）表示。
　　結果:
　　1、基于CT原始斷

11、層掃描數(shù)據(jù)建立的骨盆三維模型真實的還原了骨盆復雜的解剖形態(tài)，利用Mimics軟件可以對模型進行空間角度、距離的測量。獲得的測量內容包括:經(jīng)坐骨結節(jié)置入的逆行拉力螺釘釘?shù)滥行耘c冠狀面的呈角為（11.69±4.79）°，與矢狀面成角為（10.34±3.60）°;女性與冠狀面成角為（8.36±3.24）°，與矢狀面成角為（12.56±3.48）°。冠狀面(P=0.004＜0.05)與矢狀面(P=0.027＜0.05)成角在性別間存在明顯差異。

12、經(jīng)坐骨小切跡置入拉力螺釘男性與冠狀面成角為（39.73±5.69）°，與矢狀面成角為（18.46±5.72）°;女性與冠狀面成角為（40.49±5.06）°，與矢狀面成角為（16.11±6.62）°。冠狀面(P=0.577＞0.05)與矢狀面(P=0.132＞0.05)成角在性別間無明顯差異。髖臼后柱拉力螺釘最大直徑為，男性（9.32±1.84）mm，女性（8.51±1.59）mm，男女之間數(shù)據(jù)存在明顯差異(P=0.023＜0.05)，

13、骨性通道平均長度為坐骨結節(jié)組男性（141.16±10.23）mm，女性（125.72±6.43）mm，坐骨小切跡組男性（115.03±11.19）mm，女性（91.38±9.96）mm，組間與性別之間數(shù)據(jù)存在明顯差異(P=0.001＜0.05)。
　　2、所建立的骨盆三維有限元模型，完成后的模型自動網(wǎng)格劃分，節(jié)點490227個，網(wǎng)格295806個。模型最大應力值為32.45Mpa，位于坐骨大切跡周圍，最大位移值為0.34mm，位于

14、骶髂關節(jié)處，骨盆模型應力分布均勻對稱，與實際情況相符，可以滿足生物力學分析需求。
　　3、將拉力螺釘固定髖臼后柱骨折模型分為四組:坐骨結節(jié)站立位組，坐骨結節(jié)坐位組，坐骨小切跡站立位組，坐骨小切跡坐位組。施加應力，分別得到骨折塊和內固定拉力螺釘?shù)膽Ψ植荚茍D和骨折位移云圖。站立位時拉力螺釘?shù)淖畲髴ξ挥诼葆斨胁靠拷钦劬€附近的位置，坐骨結節(jié)組為6.52Mpa，坐骨小切跡組為6.75Mpa。坐位時應力主要集中于螺釘下部，坐骨結節(jié)組為1

15、4.01Mpa，坐骨小切跡組為36.05Mpa。關節(jié)面骨折線節(jié)點位移均數(shù)為坐骨小切跡站立位組（4.23±1.27）μm。坐骨結節(jié)站立位組（4.05±1.31）μm，坐骨小切跡坐位組（6.45±0.44）μm，坐骨結節(jié)坐位組（7.27±0.48）μm，其中坐位時的位移均數(shù)在兩種內固定物之間存在統(tǒng)計學差異(P=0.003＜0.05)。
　　結論:
　　1、本研究應用Mimics三維軟件和骨盆CT斷層掃描數(shù)據(jù)，對骨盆進行建模并進行

16、三維測量，所得模型仿真度高，相關測量數(shù)據(jù)精確可靠。利用該模型建立的有限元模型真實的反映了骨盆生物力學特性，可以用于相關生物力學分析研究。
　　2、對比兩種不同的后柱逆行拉力螺釘固定方法，得出采用經(jīng)坐骨小切跡置釘?shù)姆椒ㄆ涔钦鄱藨εc位移較采用經(jīng)坐骨結節(jié)置釘方法小，提示經(jīng)坐骨小切跡置釘具有一定的生物力學優(yōu)勢，但具體到臨床應用尚需結合患者的具體情況決定。
　　3、本實驗的不足之處在于，受限于實驗條件，測量數(shù)據(jù)樣本數(shù)量較少。運用有限