骶前蝶形接骨板的設(shè)計研制與生物力學(xué)研究及有限元分析和臨床對比研究.pdf

1、骶髂復(fù)合體由骶髂關(guān)節(jié)及周圍韌帶組成，形成吊橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定骨盆環(huán)，是骨盆的主要穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承載主要的應(yīng)力負(fù)荷。但六分之一的骨盆骨折累及骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體，不同程度地?fù)p傷骶髂關(guān)節(jié)及周圍韌帶，進(jìn)一步造成骨盆環(huán)的不穩(wěn)定。因此，重建骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體的穩(wěn)定性對于治療骨盆骨折非常重要。
　　Avila1941年首先提出前路手術(shù)入路以來，前路切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)在骶髂關(guān)節(jié)損傷治療中應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在陳舊性骨盆骨折，前路手術(shù)已成為骶髂關(guān)節(jié)損傷的主要方法。目前

2、，前路手術(shù)主要采取的內(nèi)固定方式是重建鋼板跨骶髂關(guān)節(jié)固定，采用兩塊三或四孔的重建板，跨骶髂關(guān)節(jié)成角固定。生物力學(xué)研究表明，傳統(tǒng)重建板固定骶髂關(guān)節(jié)損傷穩(wěn)定性良好。
　　但傳統(tǒng)骶髂關(guān)節(jié)重建板也存在一些缺點。比如:經(jīng)前路手術(shù)創(chuàng)傷大，出血較多，且有較高的腰骶干及股外側(cè)皮神經(jīng)損傷風(fēng)險。傳統(tǒng)骶髂重建板最初采用兩塊鋼板平行放置，因四邊形的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其生物力學(xué)不穩(wěn)定，不能牢靠固定骶髂關(guān)節(jié)脫位。研究表明，兩枚重建板成60度夾角時具有良好的生物力學(xué)

3、穩(wěn)定性。但因前路手術(shù)視野小，操作空間狹窄，難以確定夾角為60度。骶骨側(cè)因安全范圍小，容易發(fā)生腰骶干損傷或重建板放置位置錯誤。
　　為了解決傳統(tǒng)重建板的上述缺點，我們設(shè)計了一種新型骶髂關(guān)節(jié)內(nèi)固定器械:骶前蝶形接骨板(SAPP)。它適合于前路手術(shù)治療骶髂關(guān)節(jié)損傷。為明確骶前蝶形接骨板的最佳設(shè)計、生物力學(xué)穩(wěn)定性及臨床應(yīng)用可靠性，我們分別進(jìn)行了骶髂關(guān)節(jié)解剖學(xué)研究，有限元分析及生物力學(xué)研究和臨床隨機(jī)對照研究。
　　第一部分:骶前蝶形接

4、骨板的設(shè)計與依據(jù)
　　1，設(shè)計依據(jù)
　　1.1.螺釘安全區(qū)域。
　　骶骨翼高44.1±2.0mm，寬22.3±1.8mm，長49.4±1.4mm。耳狀面為倒“L”形，上寬下窄，其短軸對骶骨翼平臺，寬29.8±3.2mm;長軸對骶骨腹側(cè)緣，長54.1±4.9mm。雖然骶骨翼平臺的寬度為44mm，但其關(guān)節(jié)面寬度約為30mm。骶骨翼平臺前四分之三為螺釘置釘?shù)暮线m區(qū)域。髂骨骨質(zhì)厚薄不均勻，根據(jù)骨盆地形圖，髂骨厚度＜5mm的區(qū)域

5、為圓形，直徑約5cm，位于骶髂關(guān)節(jié)附近。其上下均有厚度大于5mm的脊，兩條脊的夾角約為90度。因此，骶前蝶形接骨板上下兩翼應(yīng)位于較厚的脊上，上下兩翼部的夾角可設(shè)計為90度，長度為25mm。體部長度應(yīng)為25mm。
　　1.2.神經(jīng)安全區(qū)域。
　　骶骨翼平臺上L4神經(jīng)根前支與骶髂關(guān)節(jié)線的距離比L5神經(jīng)根前支、腰骶干近，其距離由背側(cè)至腹側(cè)為22.2±2.6mm～9.1±1.6mm。最腹側(cè)距離L4神經(jīng)根前支最近，小于普通鋼板的寬度，

6、不宜放置內(nèi)固定。骶前蝶形接骨板的設(shè)計寬度為10mm，在骶骨翼平臺上，除最腹側(cè)外，L4神經(jīng)根距離骶髂關(guān)節(jié)線的距離均大于10mm，可以安全放置骶前蝶形接骨板。
　　2，設(shè)計規(guī)格及材料
　　骶前蝶形接骨板(SAPP)的設(shè)計為半側(cè)蝴蝶形，由上下翼部和體部組成。上下翼部與體部連接，分別成135度夾角，上下翼部夾角為90度。蝴蝶板寬度為10mm，上下翼部與體部的長度均為25mm。六枚釘孔采用滑動加壓設(shè)計，均采用3.5mm直徑螺釘。蝴蝶板

7、體部有一個2.0克氏針的臨時固定孔。體部、上下翼部中間部分板兩側(cè)有直徑為2.0mm的半圓孔。設(shè)計材料為Ti-6Al-4V合金。
　　3，設(shè)計可行性驗證
　　采用成人男性骨盆標(biāo)本4具（8側(cè)），全層切開腹壁，切斷髂肌，去除腰大肌，充分顯露骶髂關(guān)節(jié)，注意不要損傷神經(jīng)，并確保神經(jīng)在其原始位置。置入骶前蝶形接骨板。在體部內(nèi)側(cè)緣標(biāo)記A（最前點）、B（中點）及C點（最后點）。測量A、B、C點與L4神經(jīng)根前支、L5神經(jīng)根前支的距離。結(jié)果:骶

8、前蝶形接骨板內(nèi)側(cè)緣距離L4神經(jīng)根的距離最近，距離L5神經(jīng)根較遠(yuǎn)。其中骶前蝶形接骨板上C點（骶前蝶形接骨板內(nèi)側(cè)緣最腹側(cè)點）距離L4神經(jīng)根最近，距離為2.5±1.2mm。放置骶前蝶形接骨板時仍有一定的安全空隙。骶前蝶形接骨板骶骨側(cè)的兩枚螺釘深度在6mm左右，髂骨側(cè)4枚螺釘深度在3.0mm左右，具有較好的把持力，避免了在髂骨薄弱處置釘，可以提供良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　第二部分:骶前蝶形接骨板的有限元分析和生物力學(xué)研究
　　第一

9、章:骶前蝶形接骨板的有限元分析
　　方法:
　　通過山東省立醫(yī)院醫(yī)院倫理委員會審查，招募健康成人男性志愿者1名，男性，23歲，身高172cm，體重70Kg。通過三維CT掃描，得到骨盆的三維掃描圖像，導(dǎo)入Mimics軟件制作骨盆的三維模型并網(wǎng)格化。應(yīng)用Solidworks軟件繪制兩種角度的骶前蝶形接骨板的模型SAPP90、SAPP60，繪制傳統(tǒng)重建板模型（三孔），繪制兩種螺釘:長螺釘50mm，短螺釘30mm，直徑均為3.5mm

10、。將骨盆三維模型及骶前蝶形接骨板、傳統(tǒng)重建板、兩種螺釘模型導(dǎo)入Abaqus軟件中，設(shè)置各種材料的屬性、楊氏模量等，設(shè)置骨盆韌帶的數(shù)量、位置、剛度等。在雙側(cè)髖臼設(shè)置邊界條件并在S1上終板施加600N載荷，進(jìn)行模擬分析，得出各個模型的應(yīng)力分布、位移分布，比較骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板固定骶髂關(guān)節(jié)脫位后的最大位移和旋轉(zhuǎn)位移。
　　結(jié)果:
　　在S1椎體上終板施加600N的應(yīng)力后，SAPP90模型的最大位移是0.618mm，旋轉(zhuǎn)位移

11、是0.404度，VonMises應(yīng)力值是186N。SAPP60模型的最大位移是0.730mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.561度，VonMises應(yīng)力值為275N。TP90模型的最大位移是0.886mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.769度，VonMises應(yīng)力值是251N。TP60模型的最大位移是0.778mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.748度，VonMises應(yīng)力值是523N。TP30模型的最大位移是0.979mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.895度，VonMises應(yīng)力值是24

12、1N。TP00模型的最大位移是1.101mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.936度，Vonmises應(yīng)力值是232N。完整骨盆模型的最大位移是0.478mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.298度，Vonmises應(yīng)力是48.7N。右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)損傷模型的最大位移是1.992mm，旋轉(zhuǎn)位移是3.146度，Vonmises應(yīng)力最大值221N，位于左側(cè)骶髂關(guān)節(jié)線腹側(cè)。
　　結(jié)論:
　　在所有骶前蝶形接骨板及傳統(tǒng)重建板的測試模型中，骶前蝶形接骨板(SAPP90)

13、的垂直位移及旋轉(zhuǎn)位移均最小，證明了設(shè)計的骶前蝶形接骨板(SAPP90)具有最好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。SAPP90模型的應(yīng)力分布，集中在右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)及骶前蝶形接骨板上，以骶前蝶形接骨板下翼部螺釘處最大。在右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)脫位模型中，右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)無穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中到左側(cè)骶髂關(guān)節(jié)處。骶前蝶形接骨板重建了骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性，將應(yīng)力分布在兩側(cè)，而非集中在健側(cè)。傳統(tǒng)重建板模型中，TP60的位移及旋轉(zhuǎn)位移最小，TP00的位移及旋轉(zhuǎn)位移最大，證明成60度夾角放

14、置的傳統(tǒng)重建板比其他角度的傳統(tǒng)重建板有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，但生物力學(xué)穩(wěn)定性小于骶前蝶形接骨板。
　　第二章:骶前蝶形接骨板的生物力學(xué)研究
　　方法:
　　利用4具帶有韌帶的骨盆標(biāo)本（成年男性）和16具成年男性完整骨盆模型（Sawbones1301-1），制作右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)損傷的模型，并將模型連接Instron生物力學(xué)測試儀和高精度非接觸式磁柵位移測量系統(tǒng)。分別將自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型、鈦合金（Ti-6Al-

15、4V合金）制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型安裝在右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)損傷的模型上，以2mm/s的速度在S1上終板施加載荷，最大載荷設(shè)定為600N。測量自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板斷裂時的最大應(yīng)力和各自的應(yīng)力-位移曲線。測量Ti合金制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板在600N載荷下的垂直位移和旋轉(zhuǎn)位移，計算其應(yīng)力-位移曲線，比較分析骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　結(jié)果:
　　在S1上終板施加速度為2mm/s的載荷后，自制

16、骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型均在載荷小于600N時發(fā)生斷裂。其斷裂時的應(yīng)力值:SAPP90模型為496.7±100.8N;SAPP60模型為398.6±79.9N，TP90模型為291.5±69.0N，TP60模型為294.9±68.1N，TP00模型為231.1±68.1N。各組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(p=0.047)。
　　在載荷為600N時，骶前蝶形接骨板(SAPP90Ti)的垂直位移是0.43±0.12mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.

17、518±0.145度，位移-應(yīng)力曲線:y=134.32x+45.474，R2=0.61。傳統(tǒng)重建板(TP60Ti)的垂直位移是0.51±0.13mm，旋轉(zhuǎn)位移是0.742±0.214度，位移-應(yīng)力曲線:y=105.09x+62.808，R2=0.46。兩組間最大位移和旋轉(zhuǎn)位移差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p=0.049，0.032)。
　　結(jié)論:
　　自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型的生物力學(xué)比較中，SAPP90能夠承受最大的應(yīng)力載荷

18、，其位移-應(yīng)力曲線斜率最大，證實其為最優(yōu)設(shè)計方案。TP60在傳統(tǒng)重建板中具有最大應(yīng)力載荷，為最佳傳統(tǒng)重建板設(shè)計。應(yīng)用鈦合金制作骶前蝶形接骨板(SAPP90)及傳統(tǒng)重建板(TP60)，進(jìn)行生物力學(xué)測試，骶前蝶形接骨板的位移比較傳統(tǒng)重建板更小，證明骶前蝶形接骨板比傳統(tǒng)重建板具有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　第三部分骶前蝶形接骨板的臨床對比研究
　　方法:
　　山東省立醫(yī)院2012年1月至2013年6月治療了29例30側(cè)骶髂關(guān)

19、節(jié)損傷，對其臨床資料進(jìn)行了回顧性分析，其中16例16側(cè)骶髂關(guān)節(jié)損傷行骶前蝶形接骨板內(nèi)固定，13例14側(cè)骶髂關(guān)節(jié)損傷行傳統(tǒng)重建板內(nèi)固定。骶前蝶形接骨板組，男7例，女性9例，平均年齡為39.6±9.1歲，TileB型骨折9例，C型7例;傳統(tǒng)重建板組，男7例，女6例，平均年齡為39.1±13.5歲，TileB型骨折8例，C型5例。兩組間比較均無統(tǒng)計學(xué)差異。統(tǒng)計手術(shù)時間、出血量、鋼板放置時間等，術(shù)后行X線檢查及Matta評分，隨訪時行X線檢查及

20、Majeed功能評分。
　　結(jié)果:
　　骶前蝶形接骨板組平均手術(shù)時間101.1±31.9min，出血1091.8±302.9ml，骶前蝶形接骨板放置時間6.3±3.1min。傳統(tǒng)重建板組平均手術(shù)時間110.8±29.6min，出血1154.1±281.2ml，重建板放置時間14.9±1.6min。術(shù)后Matta評分，骶前蝶形接骨板組優(yōu)5例，良8例，傳統(tǒng)重建板組優(yōu)4例，良6例。29例患者隨訪中出現(xiàn)腰骶干損傷1例，股外側(cè)皮神經(jīng)損

21、傷7例，術(shù)中大出血2例，未出現(xiàn)術(shù)后感染。骶前蝶形接骨板組與對照組相比，鋼板放置時間明顯縮短(p=0.001)，TileB型手術(shù)出血量明顯減少(p=0.024)，其余差異無統(tǒng)計學(xué)意義(p＞0.05)。
　　結(jié)論:
　　骶前蝶形接骨板治療骶髂關(guān)節(jié)損傷獲得了滿意的復(fù)位結(jié)果和良好的固定效果，未發(fā)生接骨板斷裂、腰骶干損傷及術(shù)后感染等并發(fā)癥。同傳統(tǒng)重建板相比較，骶前蝶形接骨板可以簡化操作、縮短鋼板放置時間、有利于旋轉(zhuǎn)移位的復(fù)位、可以減少