崔蘊(yùn)威，吳　濤，李　升，陳　偉，邢　欣，張英澤(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

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·論著·

學(xué)研究重點(diǎn)課題(ZL20140290)

三醫(yī)院工程師，醫(yī)學(xué)碩士，從事骨科三維有限元及3D打印技術(shù)相關(guān)

研究。

應(yīng)用有限元法比較3種內(nèi)固定器械固定不穩(wěn)定骨盆骨折的效果

崔蘊(yùn)威，吳濤，李升，陳偉，邢欣，張英澤*(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

[摘要]目的通過(guò)構(gòu)建完整骨盆的有限元模型，應(yīng)用有限元法對(duì)3種內(nèi)固定物治療不穩(wěn)定型骨盆骨折的療效進(jìn)行比較。方法隨機(jī)選取1名成年健康男性，經(jīng)CT掃描，層厚1mm，影像資料以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信格式保存。應(yīng)用Mimics、Geomagic Studio、SolidWorks、Abaqus等軟件建立完整骨盆的三維有限元模型。建立不穩(wěn)定骨盆骨折的有限元模型，分別置入3種不同的內(nèi)固定器械，模擬對(duì)骶骨施加500 N垂直負(fù)荷，計(jì)算骨盆模型的最大位移值、應(yīng)力值、應(yīng)變值及骶骨骨折斷端的縫隙移位值，進(jìn)行比較。結(jié)果在500 N垂直載荷下，應(yīng)力經(jīng)骶骨、兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)、髂骨弓狀線至雙側(cè)髖臼。通過(guò)分析結(jié)果可知在500 N的載荷下，內(nèi)固定后的骨盆模型發(fā)生應(yīng)變很小。骨盆模型整體發(fā)生的位移依次是骶髂螺釘固定的模型(1.86 mm)、可調(diào)式微創(chuàng)接骨板(6.89 mm)、張力帶接骨板(9.10 mm)。骨盆模型中骶骨骨折縫隙的分離移位值依次是骶髂螺釘固定的模型(1.75 mm)、可調(diào)式微創(chuàng)接骨板(3.00 mm)、張力帶接骨板(8.03 mm)。結(jié)論完整的骨盆是個(gè)穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)。三維有限元方法證實(shí)2枚骶髂螺釘固定骨盆的穩(wěn)定性大于可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定骨盆的穩(wěn)定性，更大于張力帶接骨板固定骨盆的穩(wěn)定性。

[關(guān)鍵詞]骨盆；骨折；內(nèi)固定器；有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.02.004

骨盆骨折主要由高能量損傷導(dǎo)致，約占成人骨折的3.64%[1]，其中不穩(wěn)定型骨盆骨折約占68.3%，是一種嚴(yán)重的創(chuàng)傷，文獻(xiàn)報(bào)道病死率高達(dá)19%[2-4]。骨盆為一閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要依靠骨盆后環(huán)的完整性[5]。因此，治療的目的就是最大程度恢復(fù)骨盆后環(huán)的連續(xù)性及穩(wěn)定性。內(nèi)固定已經(jīng)成為治療骨盆后環(huán)損傷的確定性治療方法[6]，常用的方法包括骶髂螺釘、張力帶接骨板、三角固定器械等[7-9]，但它們都具有各自的局限性。我院模仿骨盆后環(huán)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)傳導(dǎo)特征研發(fā)了可調(diào)式微創(chuàng)接骨板(minimally invasive adjustable plate,MIAP),生物力學(xué)試驗(yàn)表明其穩(wěn)定骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性與2枚骶髂螺釘相似，優(yōu)于張力帶接骨板[10-13]。有限元法(finite element method,FEM)將一個(gè)連續(xù)的個(gè)體分割為有限個(gè)單元，再利用相關(guān)的軟件對(duì)它們進(jìn)行合成，并研究每一個(gè)單元，從而得到與真實(shí)個(gè)體相似的材料質(zhì)地、機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)等[14-15]，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體進(jìn)行力學(xué)分析的目的。本研究采用三維有限元分析法模擬不穩(wěn)定型骨盆骨折及3種內(nèi)固定物，比較2枚骶髂螺釘、張力帶接骨板和可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性。

1資料與方法

1.1完整骨盆模型的構(gòu)建選取1名健康男性志愿者(已簽署知情同意書)，35歲，體健。X線檢查證實(shí)骨盆無(wú)畸形、腫瘤、骨折等骨質(zhì)破壞。應(yīng)用SIEMENS公司的64排螺旋CT機(jī)對(duì)志愿者進(jìn)行掃描，掃描平面：第一腰椎至股骨小轉(zhuǎn)子層面(坐骨結(jié)節(jié)平面以下)，掃描層厚1.00 mm，共獲取二維CT圖像352層，存儲(chǔ)格式為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)，通過(guò)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備拷貝到個(gè)人電腦中。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01(Materialise公司，比利時(shí))軟件，利用該軟件的區(qū)域增長(zhǎng)功能對(duì)圖像進(jìn)行分割、填充，通過(guò)三維計(jì)算功能構(gòu)建出整個(gè)骨盆結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。再將數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 12中建立幾何模型的空間拓?fù)湫畔ⅲ瑯?gòu)造柵格網(wǎng)，最后完成曲面擬合。將實(shí)體化的文件導(dǎo)入大型通用有限元分析軟件Abaqus 6.11-1(SIMULIA公司，法國(guó))中進(jìn)行裝載、材料屬性的賦值以及加載運(yùn)算。在Abaqus中將骨盆模型進(jìn)行材料屬性的賦值。本研究中對(duì)于骨盆材料的屬性賦予是參照相關(guān)文獻(xiàn)中骨盆材料的屬性進(jìn)行賦值的(表1)。將骶骨和左右髖骨的名稱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的英文命名，以免在Abaqus中操作“復(fù)制模型”時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，名稱改好以后，就可以各個(gè)部分的模型放在一起。這里的坐標(biāo)位置是在Mimics中已經(jīng)確定好的，所以在Abaqus中不必重新確定坐標(biāo)，只需要在Abaqus中進(jìn)行裝配命令，就可以將骶骨、恥骨聯(lián)合和左右髖骨裝配到一起。骨盆諸骨裝載完成后即需進(jìn)行韌帶的構(gòu)建，根據(jù)各韌帶的解剖位置在實(shí)體模型表面選取相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)重建韌帶的起止點(diǎn)。本模型中共構(gòu)建了骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶髂關(guān)節(jié)骨間韌帶、骶棘韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶(圖1)。所建韌帶均使用彈簧連接單元模擬，韌帶設(shè)置的具體參數(shù)參照文獻(xiàn)設(shè)定(表2)。為簡(jiǎn)化操作過(guò)程及減少出現(xiàn)不收斂的概率，本模型將骶髂關(guān)節(jié)之間和恥骨聯(lián)合之間的連接設(shè)置為“耦合”的面與面連接。將韌帶與骨面的連接用“耦合”的面與點(diǎn)連接在一起。骨盆約束完畢之后，要進(jìn)行對(duì)骨盆的骶骨面的受力加載，選定骶骨岬的上面為加載面，加載的數(shù)值以壓強(qiáng)表示。本研究模擬正常人的體質(zhì)量500 N，根據(jù)公式P=F/S計(jì)算得出加載的壓強(qiáng)值為4.2 N/mm2。把數(shù)值輸入到Abaqus中。完成骶骨面的加載后，需要進(jìn)行邊界的約束。本研究模擬人體雙足站立位時(shí)在靜載荷作用下骨盆的受力變化，因此需要在雙側(cè)髖臼處進(jìn)行約束，完全固定髖臼。設(shè)置完加載和約束以后，下一步則需要設(shè)置分析步。由于整體骨盆的有限計(jì)算是在靜載荷下完成的，因此只需要初始步和“step-1”2個(gè)步驟。一切設(shè)置完畢，最后進(jìn)行提交JOB工作，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，全面分析模型的應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化，提交作業(yè)。

表1骨和恥骨聯(lián)合的屬性

Table 1The properties, element types of all bones and pubic symphysis

材料彈性模量E(MPa)泊松比(u)髂骨皮質(zhì)骨170000.3髂骨松質(zhì)骨1320.2骶骨皮質(zhì)骨61400.3骶骨松質(zhì)骨14000.3恥骨聯(lián)合 50.45

表2各組韌帶的強(qiáng)度

Table 2The stiffness coefficient of ligament

材料 剛度系數(shù)K(N/mm)骶棘韌帶 1400骶結(jié)節(jié)韌帶 1500骶髂前韌帶 700骶髂后韌帶(長(zhǎng))1000骶髂后韌帶(短) 400

1.2骨盆骨折模型及內(nèi)固定器械的制備根據(jù)可調(diào)式微創(chuàng)接骨板、骶髂螺釘和張力帶接骨板的形狀，采用UG(Siemens PLM Software公司，德國(guó))軟件制備3種內(nèi)固定器械。試驗(yàn)在不影響有限元分析的前提下，對(duì)螺釘模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略螺紋形態(tài)，將螺釘簡(jiǎn)化為圓桿。將完整的骨盆模型經(jīng)過(guò)左側(cè)恥骨聯(lián)合和左側(cè)骶孔制備成Tile C型不穩(wěn)定骨盆骨折模型。

1.3骨盆骨折模型的裝配及有限元分析在Abaqus中把骨盆模型的各個(gè)部分及內(nèi)固定器械分別進(jìn)行材料屬性的賦值。將相同的韌帶裝配到不同內(nèi)固定置入的骨盆骨折模型中。將各部件之間的連接方式、約束面、加載面及數(shù)值保持一致。設(shè)置完畢后，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，全面分析模型的整體應(yīng)力、應(yīng)變、位移變化，內(nèi)固定的應(yīng)力分布以及骨折縫隙的分離移位值，提交作業(yè)。

2結(jié)果

2.1完整骨盆模型的應(yīng)力分布在骶骨上表面施加500 N垂直作用力時(shí)，模型兩側(cè)的髂骨的應(yīng)力分布基本上完全一致。應(yīng)力的傳導(dǎo)經(jīng)兩側(cè)的骶骨翼，通過(guò)骶髂關(guān)節(jié)，向斜下方經(jīng)兩側(cè)坐骨大切跡的附近，再經(jīng)兩側(cè)的髂骨弓狀線，最終傳導(dǎo)至雙髖臼(圖2)。

模型所受的最大應(yīng)力位于骨盆模型背側(cè)坐骨大切跡的附近。骨盆模型的前環(huán)即恥骨聯(lián)合和恥骨支受力比較小。骨盆模型的主要穩(wěn)定和負(fù)重結(jié)構(gòu)均在骨盆后方，而骨盆前方的結(jié)構(gòu)以支撐作用為主。

2.2完整骨盆模型的應(yīng)變分布完整模型在施加載荷時(shí)的應(yīng)變均集中在左、右兩側(cè)的骶髂關(guān)節(jié)，且絕對(duì)值比較小，最大值為0.007 4；骨盆前方恥骨聯(lián)合處的應(yīng)變非常小，可以忽略不計(jì)。模型的其他骨性結(jié)構(gòu)無(wú)明顯應(yīng)變發(fā)生(圖3)。

2.3完整骨盆模型的位移分布垂直加載500 N直接作用于骶骨上，發(fā)生的位移最大值可達(dá)1.099 mm。模型的位移變化以此處為中心，向兩側(cè)逐漸擴(kuò)散的同時(shí)也逐漸減小，至兩側(cè)髂骨翼附近時(shí)位移變化為0(圖4)。

2.4固定模型的應(yīng)力分布情況3種內(nèi)固定器械固定骨盆模型后，約束雙側(cè)髖臼，于骶骨上方施加500 N的垂直作用力，3種模型的應(yīng)力分布類似完整的骨盆模型。但3種固定后的模型應(yīng)力分布不是完全相對(duì)稱的。骶髂螺釘固定的模型在損傷側(cè)的受力大于未損傷側(cè)；而另2組的未損傷側(cè)受力較大。在模型加載500 N的垂直負(fù)荷條件下：①骶髂螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力是439.69 MPa，出現(xiàn)在上方螺釘?shù)镊竟枪钦厶?圖5A)；②張力帶接骨板的最大應(yīng)力值是1 836.54 MPa，出現(xiàn)在接骨板的折彎處，靠近釘板結(jié)合部位(圖5B)；③可調(diào)式微創(chuàng)接骨板的最大應(yīng)力值為1 335.69 Mpa，位于釘板結(jié)合部位(圖5C)。應(yīng)力分布見圖6。

圖1 完整骨盆三維有限元模型Figure1 Threedimensionalfiniteelementmodelofthewholepelvis圖2 完整骨盆模型的應(yīng)力分布Figure2 Streedistributionofthewholepelvicmodel圖3 完整骨盆模型的應(yīng)變分布Figure3 Straindistributionofthewholepelvicmodel圖4 完整骨盆模型的位移分布

Figure 4Displacement distribution of the whole pelvic model

圖5內(nèi)固定的應(yīng)力分布情況

A.2枚骶髂螺釘;B.張力帶接骨板;C.可調(diào)式微創(chuàng)接骨板

Figure 5The stress nephogram

圖6固定模型的應(yīng)力分布情況

A.2枚骶髂螺釘固定的骨盆模型;B.張力帶接骨板固定的骨盆模型;C.可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定的骨盆模型

Figure 6The stress nephogram of the pelvic model

2.5固定模型的應(yīng)變分布情況3種內(nèi)固定器械固定骨盆模型后，在500 N的載荷下，發(fā)生的應(yīng)變都很?。瑚诀穆葆斪畲髴?yīng)變值是0.02 mm；可調(diào)式微創(chuàng)接骨板最大應(yīng)變值是0.05 mm；張力帶接骨板最大應(yīng)力值是0.09 mm。

2.6固定模型的整體位移分布情況3種內(nèi)固定器械固定骨盆模型后，模擬正常人的體質(zhì)量，在骶骨上方加載500 N的負(fù)荷，固定雙側(cè)髖臼，整體骨盆發(fā)生位移變化：骶髂螺釘整體位移值是1.86 mm；可調(diào)式微創(chuàng)接骨板最大應(yīng)變值是6.89 mm；張力帶接骨板最大應(yīng)力值是9.10 mm。

2.7骨折縫隙的分離移位值測(cè)量骶骨左側(cè)第四骶孔下緣內(nèi)側(cè)壁的分離情況，骶髂螺釘固定的模型的骶骨骨折縫隙分離移位值是1.75 mm，大于可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定的模型的3.00 mm，更大于張力帶接骨板固定的模型的8.03 mm。

3討論

3.1骨盆的三維有限元模型的建立意義鑒于目前實(shí)體標(biāo)本的來(lái)源稀少，且單例的價(jià)格非常昂貴，許多有臨床指導(dǎo)意義的骨盆生物力學(xué)試驗(yàn)不能順利的進(jìn)行，或者由于標(biāo)本的例數(shù)較少而無(wú)強(qiáng)有力的說(shuō)服力。當(dāng)模擬內(nèi)固定器械對(duì)骨盆骨折的固定效果時(shí)，標(biāo)本的質(zhì)量和來(lái)源更是要考慮的主要問(wèn)題，骨盆破壞操作的不可重復(fù)及前續(xù)內(nèi)固定物對(duì)后續(xù)內(nèi)固定物的影響，均可影響到最終的試驗(yàn)結(jié)果。因此，依靠計(jì)算機(jī)輔助手段進(jìn)行數(shù)字化模擬生物力學(xué)進(jìn)行測(cè)試的方法逐漸成了一種重要的測(cè)試手段，這也是三維有限元分析法在骨科生物力學(xué)研究領(lǐng)域日益廣泛應(yīng)用的主要原因之一。由于人體骨骼的結(jié)構(gòu)都不均一、形狀大都不規(guī)則，骨小梁呈現(xiàn)出各向性的特點(diǎn)，難以準(zhǔn)確模擬，有限元建模中松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨之間的界面也與真實(shí)的人體骨骼情況存在差異，所以有限元模型與真實(shí)骨骼情況并非完全一致。盡管數(shù)字化模型存有上述缺陷，但已經(jīng)可以在一定程度上反映實(shí)體標(biāo)本的力學(xué)性能，可以替代實(shí)體標(biāo)本開展一些生物力學(xué)試驗(yàn)[16-17]。隨著對(duì)骨盆解剖結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，計(jì)算機(jī)及相關(guān)分析軟件的不斷發(fā)展，模型賦值的方式也不斷改進(jìn)，使得骨盆有限元模型的精度有了很大的提高。Phillips等[18]構(gòu)建了包含韌帶和肌肉的完整骨盆的有限元模型，并對(duì)加載后的模型進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其更加逼真于正常實(shí)體，但與沒有肌肉、韌帶的骨盆有限元模型相比，無(wú)顯著的差異。骨盆三維有限元模型的建立和應(yīng)用，可以更好地測(cè)試骨盆及其相關(guān)的器械生物力學(xué)特性。

3.2驗(yàn)證三維有限元模型的有效性三維有限元分析是目前研究骨盆生物力學(xué)的一種重要的工具，應(yīng)用骨盆有限元分析可對(duì)骨盆模型在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力及其位移的分布進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。相比尸體模型的生物力學(xué)試驗(yàn)研究，三維有限元分析具有如下優(yōu)點(diǎn)：①不受試驗(yàn)樣本數(shù)量的限制；②試驗(yàn)結(jié)果的誤差比較小；③試驗(yàn)的重復(fù)性比較好。但是，由于建模時(shí)選取的原始資料不同，建模的方法不一致，網(wǎng)格劃分也不太相同，材料的屬性賦值還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等差異，有限元的分析運(yùn)算結(jié)果與傳統(tǒng)生物力學(xué)相比有誤差存在，而且，每一個(gè)研究者的分析結(jié)果也大不相同。因此，三維建模完成后即需要驗(yàn)證其有效性[19]。三維有限元模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證的方法通常有3種。①骨盆有限元建模時(shí)選用掃描一具尸體標(biāo)本收集CT資料，進(jìn)行有限元運(yùn)算及分析，將尸體標(biāo)本制成同樣條件的試驗(yàn)標(biāo)本，進(jìn)行生物力學(xué)試驗(yàn)；再將兩者的結(jié)果相對(duì)比，以確定有限元模型的有效性；此方法比較嚴(yán)格，結(jié)果可靠性最高。但是，由于尸體標(biāo)本的個(gè)體差異較大，因此需要更多的樣本量，增加了工作強(qiáng)度和工作量。②查找與本研究相類似的試驗(yàn)，將得出的結(jié)果與已發(fā)表的結(jié)果相對(duì)比，得出驗(yàn)證結(jié)論；此法的工作量雖然較小，但是由于研究人員選定的試驗(yàn)條件和觀察的指標(biāo)不盡相同，因此這種方法不如上一種方法嚴(yán)格，且已發(fā)表的相似文獻(xiàn)也比較難找。③就是將三維有限元模型運(yùn)算后得到的結(jié)果與臨床現(xiàn)象相印證，雖然此法操作簡(jiǎn)便，但是其驗(yàn)證效果相比上2種方法較差。本研究運(yùn)算結(jié)果顯示在人體位于雙足站立位時(shí)，上半身的載荷由骶骨上面經(jīng)兩側(cè)的骶髂關(guān)節(jié)到兩側(cè)的坐骨大切跡附近，再經(jīng)髂骨的弓狀線到達(dá)雙側(cè)髖臼。此傳導(dǎo)方式與理論知識(shí)、試驗(yàn)研究的結(jié)果相一致[20-21]。由此說(shuō)明，本研究所建立的骨盆三維有限元模型是可靠、有效的，可以利用此模型進(jìn)行相關(guān)的生物力學(xué)研究。此外，本模型中施加的垂直載荷為500 N，是模擬一正常人體的體質(zhì)量值，由應(yīng)變情況可知，人體的骨盆結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，在生理載荷下，骨盆的容積、形態(tài)基本上無(wú)明顯的變化，這有助于保護(hù)腔內(nèi)的重要臟器以及穩(wěn)定負(fù)重。

3.3三維有限元對(duì)3種內(nèi)固定器械固定骨盆后環(huán)的比較在本研究中，將完整的骨盆模型制備成經(jīng)左側(cè)骶骨和恥骨聯(lián)合骨折的Tile C型不穩(wěn)定骨盆骨折模型，復(fù)位成功后，采用接骨板固定恥骨聯(lián)合，骨盆后環(huán)分別采用2枚骶髂螺釘、張力帶接骨板和可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定。固定模型的應(yīng)變分布顯示骨盆模型在500 N的載荷下發(fā)生的形變也很小，足以起到保護(hù)內(nèi)臟器官的功能。

3.3.1骶髂螺釘固定技術(shù)2枚骶髂螺釘同時(shí)置入骶1椎體固定骨盆后環(huán)被認(rèn)為是最堅(jiān)強(qiáng)的固定方式[22]。有學(xué)者通過(guò)生物力學(xué)試驗(yàn)證實(shí)應(yīng)用2枚骶髂螺釘比1枚骶髂螺釘更加穩(wěn)定[23-24]。骶髂螺釘固定骨盆環(huán)屬于“兩點(diǎn)”固定，螺釘經(jīng)過(guò)三層皮質(zhì)骨進(jìn)入骶1椎體內(nèi)，可提供穩(wěn)定的固定[25-26]。Yinger等[24]、Padalkar等[27]通過(guò)生物力學(xué)試驗(yàn)證實(shí)，2枚骶髂螺釘固定骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于使用張力帶接骨板。與本模型顯示的結(jié)果一致。

3.3.2可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定技術(shù)可調(diào)式微創(chuàng)接骨板根據(jù)骨盆后環(huán)解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬骶髂復(fù)合體的“吊橋”結(jié)構(gòu)，使用時(shí)無(wú)需預(yù)彎，可以更好地貼附骶髂關(guān)節(jié)后側(cè)，通過(guò)長(zhǎng)紋螺釘固定于兩側(cè)髂骨和骶骨內(nèi)，并可通過(guò)調(diào)節(jié)連桿的長(zhǎng)度對(duì)骨折斷端進(jìn)行加壓或分離，以實(shí)現(xiàn)骨盆后環(huán)的穩(wěn)定。

3.3.3張力帶接骨板固定技術(shù)張力帶接骨板雖可有效地穩(wěn)定骨盆后環(huán)骨折，但由于使用時(shí)需要預(yù)彎接骨板使其適應(yīng)骨盆后環(huán)結(jié)構(gòu)，從而降低了鋼板的強(qiáng)度，甚至損壞其螺紋結(jié)構(gòu)[28]。此外，與骶髂螺釘和可調(diào)式微創(chuàng)接骨板同時(shí)固定骶骨和髂骨相比，張力帶接骨板僅通過(guò)固定兩側(cè)的髂骨來(lái)穩(wěn)定骨盆后環(huán)，因此，張力帶接骨板在整體模型的位移值和骨折縫隙的分離移位值方面均明顯差于骶髂螺釘和可調(diào)式微創(chuàng)接骨板固定的模型。

3.4本研究的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題本研究將成年志愿者的CT影像資料、三維重建軟件Mimics 10.01、三維圖像后處理軟件Geomagic Studio 12、大型三維實(shí)體化軟件SolidWorks 2014及大型通用有限元分析軟件Abaqus 6.11-1序貫結(jié)合起來(lái)，模擬Tile C型不穩(wěn)定骨盆骨折模型并置入3種不同的內(nèi)固定物后，加載500 N的垂直作用力并進(jìn)行運(yùn)算、分析，取得了與試驗(yàn)生物力學(xué)相一致的結(jié)果，進(jìn)而證實(shí)了模型的有效性，可以繼續(xù)開展相關(guān)的研究。

但是，由于本研究涉及了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、三維有限元分析、影像學(xué)等眾多內(nèi)容，并受研究者個(gè)人的理論知識(shí)層面、經(jīng)驗(yàn)水平及試驗(yàn)條件等因素的影響，本研究還存在一些問(wèn)題，需進(jìn)一步改善。①本研究沒有加載肌肉及腰椎、股骨結(jié)構(gòu)，且接觸的層面之間僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的連接，與真實(shí)情況存在一定的差異。②骨是一種非均質(zhì)、異向性的結(jié)構(gòu)，目前還不能通過(guò)數(shù)學(xué)的方法將此結(jié)構(gòu)精確地表達(dá)出來(lái)，故所建模型的精度也不可避免地有所降低。

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(本文編輯：劉斯靜)

Comparison of three types of internal fixation for unstable pelvic fractures:a finite element analysis

CUI Yun-wei, WU Tao, LI Sheng, CHEN Wei, XING Xin, ZHANG Ying-ze*

(Emergency Center of Trauma, the Third Hospital of Hebei Medical University,Key

Laboratory of Orthopaedic Biomechanics of Hebei Province, Orthopaedic Research

Institution of Hebei Province, Shijiazhuang 050051, China)

[Abstract]ObjectiveTo build a normal pelvic finite element model and to compare the stability of unstable pelvic fractures fixed with three kinds of internal fixator by three-dimensional finite element analysis. MethodsA normal adult male was chosen randomly and scanned by computerized tomography(1 mm slice thickness). The results were conserved in digital imaging and communications in medicine format. The finite element model was made using the software of Mimics, Geomagic Studio, SolidWorks, Abaqus. The finite element model of unstable pelvic fracture was set up, and the fracture of posterior pelvic ring was fixed with three kinds of internal fixator separately. A loading of 500 N was put and the bilateral acetabulum was constrained. The strain, displacement and stress nephograms of the pelvic model and the shift of fracture gap were obtained. ResultsUnder 500 N vertical load, the stress passed through sacrum, bilateral sacroiliac joint and the arcuate line to the bilateral acetabulum. Under 500 N vertical load, the strain concentrated of the model was very small. The displacements of pelvic model were iliosacral(IS) model(1.86 mm)， minimally invasive adjustable plate(MIAP) model (6.89 mm), tension band plate(TBP) model(9.10 mm). The shift of fracture gap in pelvic model was IS model(1.75 mm), MIAP model(3.00 mm), TBP model(8.03 mm). ConclusionThe pelvis is a steady structure. Under vertical load, the stability of the unstable pelvic fractures fixed with MIAP is less than that fixed with two IS screws, and better than that fixed with TBP.

[Key words]pelvis； fractures； internal fixators； finite element analysis

[中圖分類號(hào)]R311

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1007-3205(2016)02-0137-06

通訊作者*。E-mail:zhangyingze66@yahoo.com

[作者簡(jiǎn)介]崔蘊(yùn)威(1986- )，男，河北保定人，河北醫(yī)科大學(xué)第

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué) (81271975)；河北省醫(yī)學(xué)科

[收稿日期]2015-12-14；[修回日期]2016-01-05