不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析

摘    要：

背景：骨盆稳定性主要由骨盆后环决定及骶髂关节决定，车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。手术治疗是最优方法，临床中存在多种内植物修复方式，但哪种治疗方式的生物力学性能最优仍有一定争议。目的：对比前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能，为其临床治疗及骨盆新型拉力钉研发提供参考。方法：(1)有限元仿真：利用Mimics、Wrap和SolidWorks分别建立正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复模型，利用Ansys分析模型的应力和变形情况；(2)生物力学实验：用15个完整骨盆标本随机分为5组，分别为正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复组，并用Instron E10000力学试验机进行力学测试。结果与结论：(1)仿真分析结果显示，正常骨盆模型骶骨平均位移为0.174 mm，骶髂骨最大应力为10.51 MPa，应力分布均匀；单侧不稳定损伤骨盆模型骶骨平均位移最大，为0.267 mm，模型应力集中明显；3种修复模型骶骨平均位移都接近正常骨盆模型，拉力钉修复模型骶髂骨应力分布均匀；(2)力学实验结果显示，正常骨盆模型整体刚度为(226.38±4.18) N/mm，单侧不稳定损伤骨盆模型整体刚度最小为(130.02±2.19) N/mm,3种修复方式整体刚度和正常骨盆偏差都在±10%以内，修复效果明显；(3)仿真结果和力学实验结果相符；(4)从生物力学角度分析，拉力钉修复模型的生物力学状态与正常骨盆最接近，该种方式最佳；前路双钢板修复刚度过大，应力遮挡效果更显著；后路桥接钢板修复不能解决正常侧软组织的代偿效果，存在缺陷；该研究可为临床手术提供优选依据；(5)骨盆新型拉力钉应从拉力钉的角度进行改良，保留拉力钉良好的生物力学性能，同时附加其他优势性能，例如可用于骨质疏松骨盆等。

关键词：不稳定骨盆后环损伤;内植物;拉力钉;有限元分析;生物力学;

0引言Introduction

骨盆后环损伤表现为骶髂关节周围韧带损伤或骶髂关节周围骨折，例如骶髂关节脱位、骨折脱位、骶骨骨折、骨盆不愈合/畸形愈合等。车祸、坠落等高能量冲击易造成骨盆损伤，除骨折外，骨盆后环损伤、耻骨联合损伤等为常见损伤[1]，这类损伤多为韧带等软组织撕裂或断裂，造成骨盆不稳定[2]，患者会感到疼痛或不适。骨盆的稳定性主要由骨盆后环决定，对比研究不同植入物修复骨盆后环损伤具有重要意义。单纯的单侧不稳定骨盆后环损伤在临床中不易发生，其常与前环损伤同时发生，此文重点分析单侧骨盆后环损伤，故用正常前环结构替代修复后的前环损伤结构。

针对单侧不稳定骨盆后环损伤，临床中有较多手术解决方案[3,4]，主要有前路钢板或者双钢板固定[5,6]，该手术创口大、流血多，且易损伤L5神经根或臀上动脉，但它是AO主张的优选方式之一；桥接钢板等后路固定也为常用的手术方式[7,8,9]，但人体背部皮下软组织少，容易引发激惹、伤口感染或皮瓣坏死；后路骶髂螺钉固定是微创的方式，采用拉力钉或空心钉操作，但使用X射线的时间会更长[10,11,12,13]；外固定支架存在感染风险和不方便等问题[14,15]。这几类固定方式是临床常用的。近年来，有学者采用骶髂关节融合技术治疗单侧不稳定骨盆后环损伤，植入物采用中空三棱柱形状的多孔钛或钽、特制空心钉，并灌注骨水泥加强固定[16,17]。但骶髂关节为微动关节，这种治疗融合骶髂关节使其丧失微动功能并增加了其他部位骨折的风险，且该方式的临床大规模应用还需要一定时间。

针对单侧不稳定骨盆后环损伤，临床常用几类内固定方式的生物力学性能均有单独的研究[18,19]，并且有临床病例试验，但缺乏系统的横向对比研究，尤其缺乏和正常骨盆、后环损伤骨盆的对比。有相关研究指出前路钢板、后路桥接钢板、后路螺钉修复对旋转不稳定有效，但难以克服竖直方向的垂直不稳定。因而，此文对比分析在站姿状态下前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能，并和正常骨盆、后环损伤骨盆进行对比。此文主要通过有限元分析和生物力学实验，观察对比各模型的应力、变形位移及整体刚度，能直观呈现这3种修复方式的生物力学固定效果，具有实际的临床指导意义。

1 对象和方法Subjects and methods

1.1 设计

采用有限元仿真和力学测试结合的方式，构建不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤模型并进行对比，对变形位移和刚度差异采用独立样本t检验进行分析。

1.2 时间及地点

实验于2022年2-10月在四川省骨科置入器械研发及应用技术工程实验室和西南医科大学附属医院骨科完成。

1.3 对象

招募1名健康成年男性志愿者，年龄33岁，身高172 cm，体质量65 kg，无相关疾病和影响研究的骨折损伤病史，获取骨盆数字模型。在西南医科大学附属医院骨科CT室完成重建部位的CT扫描，获得CT数据。该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和西南医科大学附属医院对研究的相关伦理要求(伦理批件号：KY2021013,KY2023034)。志愿者自愿参加，并签署知情同意书，并对资料的采集和用途完全知情。

1.4 材料

15个完整骨盆标本，年龄(35±5)岁，男女均有，由西南医科大学解剖实验室提供，进行X射线扫描排除畸形、陈旧性骨折、严重骨质疏松、肿瘤等病变。

1.5 方法

1.5.1 有限元仿真

采用Ansys Workbench 2021进行有限元分析，CT设备为GE LingtSpeed VCT64。扫描范围从L3到股骨小转子下15 cm，包含完整骨盆。用Mimics 19.0根据志愿者CT数据重建双侧髂骨和骶骨(图1)，输出stl格式文件；用Geomagic Wrap 2017处理Mimics 19.0输出文件，生成stp文件。利用Solidworks 2014绘制前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉等植入物模型，结合已有的骨盆模型通过布尔运算建立三种内植物修复模型。正常骨盆模型的骶骨与两侧髂骨韧带完整连接；单侧后环损伤骨盆模型是缺失右侧髂骨和骶骨的韧带连接，左侧髂骨和骶骨的韧带完整连接。

将装配模型导入Workbench 2021，分别进行网格划分、设置材料属性和设置边界条件。模型中植入物、韧带、皮质骨和松质骨等材料信息参考文献[20]。植入物材料选用TC4钛合金。主要分析模型站立姿态的生物力学性能，故固定两侧髋臼并在骶骨上顶面施加竖直向下的500 N负载。模型网格为二阶四面体网格，在接触位置处进行网格细化(图2)。模型节点(单元)数量分别为：正常骨盆模型84 770(53 312)，单侧后环损伤骨盆模型84 770(53 312)，前路双钢板修复模型319 856(209 823)，后路桥接钢板修复模型600 555(397 113)，拉力钉修复模型197 299(128 974)。计算机内存为64 G，处理器为12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900H 2.50 GHz。

1.5.2 力学实验

利用Instron E10000力学试验机进行力学实验。采用简单随机化法将15个完整骨盆标本[(35±5)岁]按照设定的比例(0.2)分配到5个组中，标本均保留到股骨小转子下15 cm，根据情况保留L4或L5，保留双侧髋关节囊和骨盆主要韧带连接，剔除其他软组织。因为是轴向加载，腰椎保留与否对实验结果的影响小。实验采用定制夹具，用自凝牙托粉(上海新世纪齿科材料有限公司)竖直包埋股骨到股骨小转子处，用骨钉将裸 露锥体上表面和上夹具固定。仪器夹头以20 mm/min的加载速率竖直加载直到500 N，记录下骶骨整体的竖直位移变化。标本预加载卸力后进行力学测试，每个标本保留3组数据。

按照随机原则分为5组：第1组进行正常骨盆的生物力学实验，探究正常骨盆承载的生物力学性能(图3A)，作为后面4组实验的统一对照组；第2组进行单侧后环损伤骨盆的生物力学实验，完全切断右侧骶髂前韧带、骶髂后长韧带、骶髂后短韧带、骶髂间韧带，为保证后环充分不稳，继续切断骶结节韧带和骶棘韧带，保留左侧韧带完整，探究单侧后环损伤骨盆的生物力学性能(图3B)，作为采用植入物修复后实验组的对比组；第3组采用前路双钢板修复骨盆后环单侧损伤，构造损伤模型，完全切断右侧骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶结节韧带等骶骨和右侧髂骨的连接韧带，保留左侧，按照AO进行手术操作，钢板成角60°(图3C)；第4组采用后路桥接钢板修复骨盆后环单侧损伤，构造损伤模型，按照AO进行后路桥接钢板的手术操作(图3D)；第5组采用拉力钉修复骨盆后环单侧损伤，损伤模型上根据AO进行拉力钉置入操作(图3E)。同一骨科医师完成所有内固定操作，夹具和标本安装、力学测试均在四川省骨科置入器械研发及应用技术工程实验室内完成，各植入物修复模型构造完之后进行X射线扫描检查(图3F-H)。

1.6 主要观察指标

利用Ansys设置边界条件，仿真分析站立姿态骶髂骨和植入物的应力状态、骶骨的变形位移。标本的生物力学测试主要分析在加载条件下骶骨的变形位移和骨盆标本整体刚度。

1.7 统计学分析

对实验采集数据进行统计学分析。使用Shapiro-Wilk检验确定计量资料为正态分布，且方差齐性；采用单因素双样本异方差t检验分析，各模型均与正常骨盆模型数据对比，P<0.05为差异有显著性意义。

2 结果Results

2.1 有限元分析结果

根据人体结构，上半身质量通过腰椎传递到骶骨，通过骶骨传递到骨盆，通过骨盆再传递到下肢。因此，此次实验重点关注骶骨的垂直位移变化；为排除干扰，重点分析竖直方向的骶骨平均位移，以最大位移作为参考(表1)。

骶骨和髂骨通过韧带或内植物传递力量，分析正常骨盆和各植入物修复不稳定骨盆模型中骶骨、髂骨、内植物的应力分布也具有意义，因此重点关注植入物应力及骶髂骨应力。植入物应力反映植入物使用时应力集中情况，可推断植入物失效部位；骶髂骨应力反映常受载时骨块的薄弱位置，即在大负载下易骨折部位。

正常骨盆模型的骶髂骨最大应力为10.51 MPa，应力分布均匀，应力沿弓状线分布，符合生物力学承载。单侧不稳定骨盆损伤模型的骶髂骨最大应力为21.76 MPa，出现在正常侧骶髂骨接触位置，正常侧骶髂骨应力明显大于损伤侧。前路双钢板修复模型的骶髂骨最大应力为9.40 MPa，在钢板固定处，钢板周围骨应力分布较均匀，钢板侧骨应力大于正常侧。后路桥接钢板修复模型的骶髂骨最大应力为29.29 MPa，应力集中较明显。拉力钉修复模型的骶髂骨最大应力最小为6.25 MPa，应力分布均匀，主应力沿弓状线分布，符合生物力学承载。应力分析结果见图4及表1。

前路双钢板植入物最大应力为54.28 MPa，在钢板和骨面交界的骨钉处。后路桥接钢板植入物的最大应力为31.30 MPa，在损伤侧钢板和骨面交接处。拉力钉植入物的最大应力为236.05 MPa，在损伤侧骶骨和髂骨交界处的拉力钉上(表1)。

2.2 力学测试结果

根据实验测试数据做出各模型变形位移和竖直加载力的变化曲线以及各模型的刚度(图5)。单侧不稳定骨盆损伤模型随加载力的变化最明显，其余模型变化均接近。总体上，前路双钢板修复模型的刚度最大，单侧不稳定骨盆损伤模型的刚度最小。

总体来说，拉力钉修复模型的最大变形位移和正常骨盆模型相对最接近，生物力学固定性能相对更好(表2)。

3 讨论Discussion

此次仿真和力学实验表明，前路双钢板修复模型的整体刚度最大，单侧不稳定骨盆损伤模型的整体刚度最小；其余模型整体刚度趋势为拉力钉修复模型>正常骨盆模型>后路桥接钢板修复模型，说明3种修复均有效，但前路双钢板修复模型刚度相对大，后路桥接钢板修复刚度相对小，拉力钉修复刚度居中和正常骨盆模型刚度接近。有限元仿真结果中，各模型骶骨平均位移变化趋势和实验结果变形位移趋势一致，充分说明了有限元仿真的有效性。但二者数值存在差异，主要是有限元模型简化省掉了股骨等非必要部分和仿真中的材料参数和实测标本材料参数存在差异的影响。

拉力钉修复模型骶髂应力分布和正常骨盆模型骶髂应力分布最接近，应力分布均匀且应力沿弓状线分布，说明拉力钉修复的生物力学性能较好。但拉力钉的应力较大，断钉的风险大，临床中应采取措施改进规避。单侧不稳定骨盆损伤模型中正常侧的应力较大，主要是正常侧代偿损伤侧韧带的部分功能，若长时间不修复将改变正常侧骶髂关节的生物力学环境，影响正常侧骶髂关节的功能。前路双钢板修复模型中钢板材料模量大，产生应力遮挡效果，载荷主要通过钢板传递到损伤侧髂骨，损伤侧植入物下部髂骨的应力较大，植入物上部髂骨的应力较小，双钢板植入物的应力较小，断钉断板的风险较小。后路桥接钢板修复模型中，双侧髂骨通过钢板桥接统一运动达到修复的效果，桥接钢板等植入物应力较小，断钉断板的风险较小，但正常侧韧带的代偿作用未消除，存在一定缺陷。

此次研究对实验采集数据进行统计学分析，总体来说，拉力钉修复模型的最大变形位移和正常骨盆模型相对最接近，生物力学固定性能相对更好。

此文仿真结果和相关文章对比[21,22]，骨盆承载力的传递路线、各种同类型植入物的固定效果及趋势都是相符的，仿真数据均在同一数量级。此文进一步补充生物力学测试数据，更完整，其中前路双钢板固定刚度最大，应力遮挡效果最明显；后路桥接钢板固定效果存在不能弥补正常侧代偿的缺点；具有微创特点的拉力钉固定满足生物力学要求，优点明显，但具有X射线照射时间更长、拉力钉把持骨质疏松患者松质骨的能力差等缺点。因此，研发针对骨质疏松患者单侧不稳定骨盆后环损伤的拉力钉是一个研究方向，使其具备更优质的松质骨把持性和更便捷的操作性。采用骶髂关节融合的方法治疗单侧不稳定骨盆后环损伤[16,17]，改变了骨盆原本的生物力学状态，将改变骨盆周围软组织的生物力学状态。根据物理力学定律，力臂越长其产生的力矩越大，骶髂关节融合增大了骨盆力矩，遭受高能量冲击更易造成骨盆骨折或损伤。正常骶髂关节为微动关节，力臂相对小，骨盆骨折或损伤的风险相对较小，所以骶髂关节的融合技术存在一定局限。

根据临床经验，骨盆损伤的77%为骨盆后环损伤[23]，骨盆后环损伤占骨盆损伤就医病患的比例大，且骨盆后环损伤致死、致畸、致残率高，治疗难度大。针对Tile分型骨盆后环损伤的临床治疗[24]，骶髂螺钉、前置钢板、桥接组合式内固定均具备良好的临床治疗效果[25,26,27]；经皮空心钉固定骶髂关节脱位出血量、手术时间均较优，操作简单并微创[28]，但微创治疗视野盲区较大，借助O形臂导航能让手术更安全、手术效率更高[29]。骨盆后环损伤修复的仿真分析研究中，在500 N的负载下，骨盆最大应力、最大位移和此文结果均在同一数量级。模型差异、韧带等软组织重建差异、材料参数差异等设置会造成仿真结果的数据差异[30]。有限元仿真结果总体情况接近，充分说明此次研究有限元分析有效。有文献仿真分析了人体直立、前屈、过伸、左侧弯、右侧弯、外旋、内旋姿态下骨盆后环损伤修复[31]，从结果看，除过伸姿态外，其他各个姿态变形位移和应力都较为接近。根据文献和此次研究结果可推断其他各姿态的应力变形都与其在直立姿态下的结果接近，文献[32]中重建模型包含了L3-L5及其对应的椎间盘等部位，受到500 N负载后，各部位变形位移叠加，总体变形位移略大于此次研究结果，但二者处于同一数量级，结果是合理的，也说明此次有限元分析结果有效。

此文的不足之处在于仿真模型简化省掉了股骨及其附着软组织部分，因为此次研究重点在于对比几种植入物修复的差别，各模型的相同部分在影响较小的情况下可以简化省略；从分析结果看，简化模型可信度高，分析结果具有参考意义。但此文只分析了直立姿态，前屈、过伸、左侧弯、右侧弯、外旋、内旋姿态下的骨盆后环损伤修复还有待研究。

结论：此次研究结果显示仿真和实验结果统一。从生物力学角度进行分析，针对不稳定骨盆后环损伤前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种修复方式均有效，3种修复方式整体刚度和正常骨盆模型偏差都在±10%以内。拉力钉修复模型的生物力学状态与正常骨盆最接近，该种方式最佳；前路双钢板修复刚度过大，应力遮挡效果更显著；后路桥接钢板修复不能解决正常侧软组织的代偿效果，存在缺陷；拉力钉修复的生物力学性能最优，在临床条件满足时，优选该种固定方式。骨盆新型拉力钉应从拉力钉的角度进行改良，微创并保留拉力钉良好的生物力学性能，可附加其他优势性能，例如可研发用于骨质疏松骨盆等。

参考文献：[1]梁成,张麟麒,王冠等.不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析[J].中国组织工程研究,2024,28(09):1336-1341.

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