经皮逆向螺钉模拟治疗耻骨上支骨折的有限元分析

1年前浏览1285

背景：经皮螺钉固定耻骨支在临床上得到广泛应用，但对于螺钉进针点位置的选择缺乏力学验证。目的：通过有限元方法探讨经皮逆向螺钉治疗耻骨上支骨折不同进针点位置的生物力学特点。方法：将健康志愿者的CT数据导入Mimics软件中，对骨盆进行三维重建，3-Matic软件划分耻骨上支骨折模型，并建立不同进针点位置的经皮逆向螺钉，模拟治疗耻骨上支骨折；Mimics软件材料赋值后，Ansys软件模拟在S1椎体终板上施加600 N载荷站立位时的受力情况，并比较力学稳定性。结果与结论：①对于Ⅰ区耻骨上支骨折，如果进针点位于上部，对整个模型及螺钉产生的最大应力，均低于下部；进针点位于上部、下部，螺钉最大应力分别为4.57，10.50 MPa，上部明显低于下部，建议选择耻骨嵴中点上方作为进针点；②对于Ⅱ区耻骨上支骨折，进针点位于上部或下部效果相当；③对于Ⅲ区耻骨上支骨折，建议选择耻骨嵴中点下方作为进针点。

关键词：经皮逆向螺钉；耻骨上支骨折；有限元分析；进针点；生物力学

CT 数据的获取使用 64 排螺旋 CT 对志愿者进行骨盆扫描，扫描条件：140 kV，200 mA，层厚 0.625 mm，以512×512 像素 DICOM 格式提取 CT 数据。

骨盆三维模型建立将志愿者的 CT 数据导入 Mimics20.0 软件中，对骨盆进行三维重建，建立全骨盆的几何模型，并以 STL 格式导入到 3-Ma■c 12.0 软件中。利用软件自带的工具，包括网格诊断、曲面参数拟合等，对骨盆的面网格和体网格进行划分，生成实体化骨盆三维模型。划分的面网格数量为 63 408 个，网格最大边长为 15 mm，体网格数量为 147 391 个。节点类型为 10 节点，节点数为 280 084 个。

有限元模型建立将实体化骨盆三维模型导入 Ansys19.2 软件中，利用弹簧模拟韧带，设置材料属性，建立完整的骨盆有限元模型，见图 1。利用 Mimics 20.0 软件进行材料赋值，假设此次研究中骨骼和内固定材料的力学性质为均质连续和各向同性，采用加权平衡法分别赋予各骨块、韧带材料属性，具体材料参数见表 1。

有效性验证解剖形态差异验证：将骨盆三维模型和有限元模型各标志点的距离进行测量和比较。相关标志点包括：①同侧髋骨髂前上棘至髂后上棘；②髂前上棘至坐骨大切迹最高点；③髂嵴最高点与坐骨结节；④坐骨结节至同侧耻骨结节；⑤髋臼窝的最大纵轴长度；⑥髋臼窝的最大横轴长度；⑦骶岬至髂前下棘；⑧双侧骶髂关节上缘之间；⑨ S1 椎体中央前、后缘。

耻骨上支骨折模型建立及进针点位置的选择耻骨支骨折分为上支骨折和下支骨折，为减少数据量，骨折模型的建立以单侧耻骨上支骨折为主，以左侧耻骨上支骨折为例。根据 Nakatani 提出的耻骨上支骨折分区标准，将耻骨上支骨折分为 3 区：其中Ⅰ区是指耻骨联合到闭孔内侧缘的区域，Ⅱ区是指闭孔内侧缘到闭孔外侧缘的区域，Ⅲ区是指闭孔外侧缘以外的区域。以左侧耻骨嵴中点为界，将左侧耻骨嵴分为上下两部分，左耻骨嵴上部入钉点位于耻骨嵴中点偏上方 ( 以下简称：上部 )；左耻骨嵴下部入钉点位于耻骨嵴中点下方 (7.5±0.5) mm 处( 以下简称：下部 )，见图 2。利用 3-Ma■c 12.0 软件在左耻骨上支的 3 个区域中各划分一条骨折线，分别模拟左耻骨上支Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区骨折。同时，利用软件工具制作出螺钉，螺钉直径设置为 6.5 mm，为保证螺钉长度能跨过骨折线超过 30 mm，左耻骨上支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区骨折螺钉长度分别设置为 70，90 和 110 mm。

按照上述步骤生成不同进针点经皮逆向螺钉模拟治疗耻骨上支骨折的有限元模型，同一种类型耻骨上支骨折的三维模型和有限元模型的建立次数均不超过 3 次。进行材料赋值；弹簧模拟韧带；骶骨、髂骨和耻骨分别与关节软骨之间以及螺钉与髂骨皮质骨和松质骨之间均采用绑定接触。选取 S1椎体终板作为加载面，竖直向下施加 600 N 的载荷，选取双侧股骨下端的截面作为固定面，对其在 6 个方向的自由度进行限制，以此对人体在站立位时的受力状态进行模拟。

主要观察指标 ①志愿者正常骨盆有限元分析结果；②有限元分析不同进针点经皮逆向螺钉模拟治疗耻骨上支骨折的位移和应力分布值。

结果：