U型骶骨骨折固定的有限元解析

【摘要】

采取有限元法對三類U型骶骨骨折后手術(shù)固定模型的生物力學(xué)特征進(jìn)行了研發(fā)。在此前創(chuàng)建并驗證有效的完好腰椎—骨盆模型的根基上，創(chuàng)建了三類U型骶骨骨折手術(shù)固定模型：

①S1S2貫通螺釘（S1S2），

②L4–L5椎弓根螺釘+髂骨翼螺釘（L4L5+IS），

③L4–L5椎弓根螺釘+S1貫通螺釘+髂骨翼螺釘（L4L5+S1+IS）。

接著，通過對L4上外表加以400N豎直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動、軸向側(cè)彎），對照三類固定方法在坐姿和站姿下構(gòu)成的骨折裂縫分離值和最大應(yīng)力的差別。研發(fā)結(jié)果標(biāo)明，在不同姿勢下，不同手術(shù)組構(gòu)成的骨裂縫分離值為：L4L5+S1+IS遠(yuǎn)小過L4L5+IS和S1S2。針對內(nèi)植入物而言，上述三類固定方法構(gòu)成的最大應(yīng)力值為L4L5+IS>L4L5+S1+IS>S1S2；針對椎間盤而言，上述三類固定方法構(gòu)成的最大應(yīng)力值為S1S2宏大于L4L5+S1+IS和L4L5+IS。綜合參考，針對U型骶骨骨折而言，能夠率先參考L4L5+S1+IS固定方法進(jìn)行固定。本文研發(fā)的目標(biāo)在于通過較為采取三類不同的內(nèi)固定方法固定U型骶骨骨折后的生物力學(xué)的差別，從而為臨床手術(shù)供應(yīng)有效的考慮。

【要害詞】U型骶骨骨折；S1S2貫通螺釘；L4–L5椎弓根螺釘；髂骨翼螺釘；骨折裂縫分離

引言

骶骨骨折常產(chǎn)生于低空墜落、車禍等事故中，約占骨盆骨折的17%～30%[1]。根據(jù)骨折線位子的不同可將骶骨骨折劃為H型、U型、T型及人字型骨折[2]。因為骶骨骨折的品種繁瑣，每種骶骨骨折的治愈計劃眾多，因此造成現(xiàn)階段對骶骨骨折的治愈計劃尚未統(tǒng)一。假設(shè)治愈不當(dāng)，將造成創(chuàng)傷性脊柱—骨盆分離（traumatic spine pelvic dissociation），進(jìn)而使骨盆并且腰椎的安穩(wěn)性遭到牽連[3-4]，臨床上常表現(xiàn)為由骨折近端嚴(yán)重滑脫（high-grade spondylolisthesis）所造成的腰骶部畸形、骨盆后環(huán)顯著失穩(wěn)及混合型神經(jīng)性能侵害[2-3]。另外，骶骨骨折常伴隨腰骶叢神經(jīng)傷害，產(chǎn)生的幾率為94.3%，后者為患者后續(xù)致殘的首要原因[5]。

U型骶骨骨折是一類特殊的骶骨骨折，臨床表現(xiàn)為骶骨兩側(cè)縱行骨折歸并橫行骨折[6]，多數(shù)患者為自盡性跳樓骨折，因而又將其稱為“自盡性骨折”，這類骨折傷害造成脊柱和骶骨中上部與骨盆分離。因為此類骨折的產(chǎn)生率過低，約占骶骨骨折的2.1%[6]，臨床醫(yī)師缺少治愈經(jīng)歷且治愈比較高難，因而造成近年來內(nèi)科手術(shù)的治愈計劃仍存在較大爭論[7]。

Keating等[8]對35例患有骶骨骨折的患者采取骶髂螺釘進(jìn)行固定，術(shù)后有15例（44%）患者顯現(xiàn)畸形愈合。張偉等[5]采取骶髂螺釘對患有縱向骶骨骨折的患者進(jìn)行治愈，術(shù)后較易顯現(xiàn)復(fù)位遺失和固定失效情況。Zhao等[9]創(chuàng)建了四種骶骨骨折的有限元模型，分別采取骶髂螺釘與貫通螺釘對其進(jìn)行固定，發(fā)掘采取貫通螺釘進(jìn)行固定的骶骨有限元模型的安穩(wěn)性大于采取骶髂螺釘固定的骶骨有限元模型的安穩(wěn)性。

另外，K?ch等[10]于1994年首先報表了采取椎弓根螺釘與髂骨翼螺釘進(jìn)行治愈縱向骶骨骨折的患者，并提出脊柱—骨盆固定（spinopelvicfixation）。Schildhauer等[11]在此根基上進(jìn)一步提出三角固定的概念，即在全部裝置上加大橫向固定（連通左右串聯(lián)L4–L5椎弓根螺釘與髂骨翼螺釘連通棒的固定件），可以進(jìn)一步加大其固定的安穩(wěn)性。Berber等[12]通過生物力學(xué)試驗證實，對患有骶骨骨折的患者，采取腰椎—骨盆固定方式進(jìn)行固定，可以為骨折部位供應(yīng)充足的強度和安穩(wěn)性，術(shù)后即刻負(fù)重。

但是，現(xiàn)在尚未發(fā)掘?qū)τ赨型骶骨骨折，將采取骶髂螺釘固定與采取腰椎—骨盆固定兩類不同方法的生物力學(xué)功能進(jìn)行對照的研發(fā)，因而本文結(jié)合現(xiàn)在臨床運用比較全面的骶骨骨折治愈計劃[2,5,8-18]，提出下列三類固定方法：

①S1S2貫通螺釘（S1S2）；

②L4–L5椎弓根螺釘+髂骨翼螺釘（L4L5+IS）；

③L4–L5椎弓根螺釘+S1貫通螺釘+髂骨翼螺釘（L4L5+S1+IS）。

接著，依據(jù)實際受力狀況采取有限元法模仿前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋、軸向側(cè)彎—左彎時內(nèi)固定物的受力狀況，并解析受力后在骨折面構(gòu)成的骨折裂縫分離值的大小，從而較為三類內(nèi)固定方法固定后的生物力學(xué)功能的差別，進(jìn)而為臨床手術(shù)供應(yīng)絕對的考慮。

1 資料與方式

1.1 有限元模型的建立

本文選用的有限元模型節(jié)選至本課題組從前創(chuàng)建并經(jīng)過有效性驗證的完好腰椎骨盆模型的一些節(jié)段：第四腰椎—第五腰椎（L4–L5）及骨盆節(jié)段[19]，方式如下：基于一名健康女性（165cm，65kg，35歲）的L4–L5及骨盆的微計算機斷層掃描圖片（micro-computer tomography，micro-CT）獲得模型的邊緣數(shù)據(jù)（此micro-CT圖片由天津醫(yī)院—脊柱內(nèi)科一病區(qū)供應(yīng)，本課題組已受權(quán)能夠應(yīng)用該信息），接著借用此邊緣建立完好的L4–L5及骨盆模型。此中，L4–L5節(jié)段含蓋：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、后部構(gòu)造、高低終板、軟骨、髓核、纖維環(huán)并且黃韌帶（ligamentum flavum，LF）、橫突間韌帶（inter-transverse ligament，ITL）、棘間韌帶（interspinous ligament,ISL）、棘上韌帶（supraspinous ligament,SSL）、關(guān)節(jié)囊韌帶（zygapophyseal joint capsules ligament,ZCL）、前縱韌帶（anterior longitudinal ligament,ALL）和后縱韌帶（posterior longitudinal ligament，PLL），此中髓核占椎間盤總量的40%～50%[20]；骨盆，含蓋：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、恥骨聯(lián)合、骶髂軟骨并且骶髂前韌帶（anterior sacroiliac ligament，ASL）、骶髂后韌帶（長）（long posterior sacroi liacligament,LPSL）、骶髂后韌帶（短）（short posterior sacroiliac ligament,SPSL）、骶棘韌帶（sacro-spinous ligament,SSL）、骶結(jié)節(jié)韌帶（sacrotuberous ligament，STL）、恥骨弓狀韌帶（arcuate pubic ligament，APL）、髂腰韌帶（iliolumbar ligament，ILL）等構(gòu)成，一切韌帶被給予只可承受拉力。

針對L4–L5模型，皮質(zhì)骨與終板均采取殼單元來模仿，并給予其0.5mm的厚度，松質(zhì)骨和后部構(gòu)造采取四面體和五面體單元區(qū)分。針對骨盆模型，皮質(zhì)骨和終板采取殼單元來模仿，同時給予左髂骨、右髂骨0.45mm的厚度并且骶骨1.0mm的厚度[21-23]，松質(zhì)骨采取四面體和五面體單元區(qū)分，恥骨聯(lián)合采取六面體單元區(qū)分。骶骨軟骨與髂骨軟骨的厚度比為2:1，此中骶骨軟骨厚度為1.8mm，髂骨軟骨厚度為0.9mm，二者之間的間距為0.3mm[23]。在全部模型中，纖維環(huán)、髓核應(yīng)用六面體單元區(qū)分，軟骨采取五面體和六面體單元區(qū)分，韌帶采取一維單元區(qū)分，并給予其對應(yīng)的橫截面積。常態(tài)腰椎骨盆模型和U型腰椎骨盆骨折模型的有限元圖形分別如圖1所示。

本文根據(jù)骨折線將骶骨采取藍(lán)色和黃色兩個不同的色彩辨別，因為在骶骨骨折的同時，髂腰韌帶并且骶髂后韌帶也隨同斷裂，因而除去了髂腰韌帶并且骶髂后韌帶。

1.2內(nèi)固定物的創(chuàng)建

本文所選用的三類內(nèi)固定的資料參數(shù)均為鈦合金，此中S1貫通螺釘?shù)拈L度為180mm，直徑為6.5mm；S2貫通螺釘?shù)拈L度為160mm，直徑為6.5mm；左右髂骨翼螺釘?shù)拈L度為80mm，直徑為8mm；L4–L5椎弓根螺釘?shù)拈L度為45mm，直徑為6.5mm；串聯(lián)L4–L5椎弓根螺釘和髂骨翼螺釘?shù)倪B通棒直徑為5mm，連通左右連通棒的橫聯(lián)直徑為7mm。

1.3模型的資料參數(shù)

依據(jù)查看的文獻(xiàn)[24-26]，L4–L5和骨盆的資料參數(shù)如表1、表2所示。因為采取不同方法固定的模型的松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、后部構(gòu)造并且螺釘?shù)膯卧獢?shù)目不一致，因而表1、表2中僅列出常態(tài)的腰椎骨盆有限元模型的單元數(shù)目。

1.4模型的載荷、邊緣前提設(shè)置

對U型骶骨骨折模型的L4上外表加以400N豎直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋、軸向側(cè)彎—左彎），分別模仿身體位于坐姿或站姿，進(jìn)行前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋或軸向側(cè)彎—左彎等活動時，身體本身體重加以于全部身體的受力狀況[27-28]。該載荷通過加以在L4上終板核心位子且與上終板外表耦合的功效點來實行，同時分別對左右髂骨坐骨結(jié)節(jié)面處節(jié)點和髖臼處節(jié)點的6個自由度進(jìn)行束縛，模仿坐姿和站姿狀況下的束縛邊緣，如圖2所示。

一切網(wǎng)格區(qū)分、資料參數(shù)的定論、碰觸參數(shù)的定論、載荷并且邊緣前提的加以均在有限元前解決軟件Hyper-mesh（HyperworkInc.，美國）進(jìn)行，此中軟骨與軟骨之間采取面—面碰觸、骨折面之間采取點—面碰觸、螺釘與骨面之間采取綁定束縛、螺釘與連通棒之間采取綁定碰觸。仿生計算整個在有限元軟件ABAQUS（ABAQUSInc.，法國）進(jìn)行。

1.5丈量骨折裂縫分離值

未加以載荷前，對采取上述三類不同固定方法固定的骨折模型，在其骨折面處均需標(biāo)志相近的三個點，分別是位于骨折線左上方點A、位于骨折線右前方點B和位于程度骨折線前方點C，如圖3所示。

因為加以載荷后，在骨折面處會構(gòu)成相對滾動，進(jìn)而在骨折面會構(gòu)成骨折裂縫分離值，即分別丈量與點A所相應(yīng)的點A1、A2；與點B所相應(yīng)的點B1、B2；與點C所相應(yīng)的點C1、C2之間的距離。

2結(jié)果

2.1骨折裂縫分離值

加以本文所述載荷后，在骨折面，點A、B、C構(gòu)成的骨折裂縫分離值如圖4、圖5所示，此中圖4為扭曲系數(shù)加大5倍的狀況。

2.2骨折固定模型的最大應(yīng)力值

對于采取上述三類不同固定方法固定的U型骶骨骨折模型，在L4上外表加以400N豎直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋、軸向側(cè)彎—左彎）后，構(gòu)成的最大應(yīng)力均在內(nèi)固定物處。由于本文采取的是仿生計劃，因而隨機選擇三類固定方法坐姿狀況下前屈的最大應(yīng)力值云圖，如圖6所示。一切不同的加載方法在坐姿和站姿下構(gòu)成的最大應(yīng)力值，如圖7所示。

2.3腰椎間盤的最大應(yīng)力值

對于上述三類不同方法固定的U型骶骨骨折模型，在L4上外表加以400N豎直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋、軸向側(cè)彎—左彎）后，在L4L5之間的椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值如圖8所示，在第五腰椎與骶骨上外表（L5S1）之間椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值如圖9所示。

3研討

傳統(tǒng)治愈骶骨骨折常采取骶髂螺釘進(jìn)行固定，但有關(guān)報導(dǎo)證實采取骶髂螺釘進(jìn)行固定并非能較好地治愈骶骨骨折[4-6]。從生物力學(xué)角度看，腰椎骨盆固定能夠?qū)Ⅲw重從脊柱沿椎弓根體系及髂骨翼螺釘轉(zhuǎn)化到髂骨中，進(jìn)而以免了載荷過量加以于骨折處，督促了骨折愈合[5]。多篇文獻(xiàn)報導(dǎo)采取腰椎–骨盆固定U型骶骨骨折可以供應(yīng)多平面的安穩(wěn)性，髂骨翼螺釘和橫聯(lián)（連通左右連通棒的固定件）可以供應(yīng)程度方向的安穩(wěn)性，L4–L5椎弓根螺釘+左右連通棒可以供應(yīng)豎直方向的安穩(wěn)性[7-8,16]，此中文獻(xiàn)[7-8,12]采取的腰椎–骨盆固定方式均沒有應(yīng)用S1貫通螺釘。

本文對于U型骶骨骨折采取三類固定方法進(jìn)行固定，并對L4上外表加以400N豎直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、軸向轉(zhuǎn)動—左旋、側(cè)彎—左彎）后，由圖5可知，相近載荷功效下，不管是坐姿還是站姿，采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折受力后構(gòu)成的骨折裂縫值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小過采取L4L5+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折構(gòu)成的骨折裂縫分離值。

另外，內(nèi)固定物可以承受的最大應(yīng)力是反映其安全功能的規(guī)范之一，所承受的最大應(yīng)力越大，越較易造成內(nèi)固定物的毀壞并且固定失效。由圖7能夠看出，相近載荷功效下，不管是坐姿還是站姿，采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折在內(nèi)固定物構(gòu)成的最大應(yīng)力值均小過采取L4L5+IS進(jìn)行固定骶骨骨折在內(nèi)固定物構(gòu)成的最大應(yīng)力值。一樣，椎間盤承受應(yīng)力的大小是手術(shù)優(yōu)劣的一個首要指標(biāo)，椎間盤承受的最大應(yīng)力越大，越較易造成腰椎間盤退變，進(jìn)而激發(fā)下腰痛等病癥[29-30]，由圖8、圖9能夠看出，相近載荷功效下，不管是坐姿還是站姿，采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折在椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值與采取L4L5+IS進(jìn)行固定骶骨骨折在椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值差異不大。

因為S1貫通螺釘?shù)拇嬖?，促使骶骨骨折領(lǐng)域與周邊的骶骨有效的固定在一塊，強化了程度方向的固定。由此能夠看出，含蓋S1貫通螺釘?shù)难怠桥韫潭ǚ绞降纳锪W(xué)特征高過沒有S1貫通螺釘?shù)难怠桥韫潭ǚ绞降纳锪W(xué)特征。對于本文提出的S1S2固定方法，由圖5可知，相近載荷功效下，不管是坐姿還是站姿，采取S1S2固定的骶骨骨折構(gòu)成的骨折裂縫值宏大于采取L4L5+S1+IS固定的骶骨骨折構(gòu)成的骨折裂縫分離值。由圖7能夠看出，相近載荷功效下，不管是坐姿還是站姿，兩類固定方法在前屈和左旋的功效力下，構(gòu)成的最大應(yīng)力值的差異較小，但在后伸或左彎功效力下構(gòu)成的最大應(yīng)力值的差異較大，因而針對采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定骶骨骨折的患者，倡議術(shù)后減小后伸和側(cè)彎活動。

另外，由圖8、圖9能夠看出，采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折在椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小過采取S1S2進(jìn)行固定骶骨骨折在椎間盤構(gòu)成的最大應(yīng)力值。由此可知，采取L4L5+S1+IS進(jìn)行固定的骶骨骨折的生物力學(xué)特征優(yōu)于采取S1S2固定的骶骨骨折的生物力學(xué)特征。

但是，采取腰椎—骨盆固定治愈U型骶骨骨折也存在部分不夠，有關(guān)論文報導(dǎo)術(shù)后引發(fā)的創(chuàng)傷大，個別患者會伴隨傳染產(chǎn)生[7,16]，因而在采取L4L5+S1+IS治愈流程中，須要注重傷口傳染。另外，因為采取腰椎—骨盆固定，會限定腰椎和骶骨的活動度，進(jìn)而帶來下腰部疼痛，有關(guān)報導(dǎo)倡議在骨折愈合的8～12月間應(yīng)取出內(nèi)植入物[18]。

4論斷

本研發(fā)創(chuàng)建了U型骶骨骨折的有限元模型，對其三類手術(shù)固定后的生物力學(xué)言行進(jìn)行了研發(fā)。L4L5+S1+IS在生物力學(xué)指標(biāo)上綜合參考較為后最優(yōu)于其余兩類固定方法，因而倡議針對治愈U型骶骨骨折的患者，能夠率先參考采取L4L5+S1+IS固定方法進(jìn)行固定。