有限元方法在骨盆后環(huán)骨折生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

秦振書，王朝暉，羅 永，唐艷平，曾敏川，何 帥

骨盆后環(huán)是維持骨盆穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)，尤其骶髂關(guān)節(jié)對整個身體的運動質(zhì)量起決定性作用[1]。骨盆空間結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、個體差異大、損傷機制各不相同，給疾病診斷及手術(shù)修復(fù)帶來較大困難，因此研究骨盆后環(huán)生物力學(xué)是確診和治療骨盆骨折的關(guān)鍵。二維圖像如X線片及CT影像不夠全面，僅憑借臨床醫(yī)生的經(jīng)驗進行診斷，具有一定的主觀性和差異性。目前三維有限元方法提供了一條良好的手段，特別是三維有限元與快速成型技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠為復(fù)雜性骨折及畸形矯正的治療提供前瞻性手術(shù)設(shè)計，而且還可以為骨折復(fù)位效果提供評估方案，同時也可以避免傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法所需器械復(fù)雜、耗材昂貴、樣本來源受限的缺點，利于更快、更深入地開展骨科臨床實踐及相關(guān)學(xué)科研究。因此，本文通過三維有限元與快速成型技術(shù)的應(yīng)用對骨盆后環(huán)骨折生物力學(xué)方面的研究作一綜述。

骨盆骨折發(fā)生率逐年增高，約占全部骨創(chuàng)傷的3%，常由高能量暴力引起[2]。骨盆骨折致死率可達(dá)30%，致殘率達(dá)50%～60%[3]。骨盆環(huán)主要由前環(huán)和后環(huán)組成，在骨盆的穩(wěn)定性作用中前環(huán)約占40%，后環(huán)約占60%[4]，因此骨盆的穩(wěn)定性主要依靠骨盆后環(huán)的完整性。骶髂關(guān)節(jié)是骨盆后環(huán)的重要解剖結(jié)構(gòu)，對支撐人體負(fù)載起重要作用。如果骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位不能正確治療很可能遺留疼痛、畸形，導(dǎo)致殘疾、功能障礙等[5]。當(dāng)前，很多學(xué)者主張盡早內(nèi)固定手術(shù)是治療骶髂關(guān)節(jié)損傷的關(guān)鍵，不僅可以有效恢復(fù)骨盆環(huán)穩(wěn)定性，還可以極大地改善骨折預(yù)后，越來越廣泛地引起關(guān)注。

1 骨盆后環(huán)解剖特征

骨盆環(huán)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由骨結(jié)構(gòu)和強健的韌帶起作用，二者缺一不可。骨盆環(huán)的前方由恥骨聯(lián)合連接，后方由左右骶髂關(guān)節(jié)連接，骶髂關(guān)節(jié)是由兩塊髂骨耳狀面、骶骨骨性結(jié)構(gòu)及骶結(jié)節(jié)韌帶和骶棘韌帶連接，尤其是骶髂關(guān)節(jié)前后韌帶復(fù)合結(jié)構(gòu)是骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重要組成部分。Pieroh等[6]甚至認(rèn)為骨盆的穩(wěn)定性只需固定骨盆后環(huán)即可，前環(huán)可以不用固定。目前對骨盆后環(huán)解剖的研究還在進一步深入當(dāng)中。

2 骨盆后環(huán)有限元模型的建立及其生物力學(xué)分析

2.1 有限元的發(fā)展

2.1.1有限元法的基本原理與優(yōu)點 有限元法(finite element method,FEM)將空間中的物體通過相關(guān)軟件轉(zhuǎn)換成有限個節(jié)點的三維模型，再研究指定的節(jié)點，進一步通過對研究的物體進行材料賦值，從而得到與真實個體相似的材料質(zhì)地、機械性能、結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)等，實現(xiàn)對整體或者局部的應(yīng)力分析。總之，任何物體理論上都可以被分解成許多有限個三角面片構(gòu)成的區(qū)域，這些小區(qū)域被稱為有限元素。通過有限元法研究骨科生物力學(xué)不僅可以避免尸體標(biāo)本難找、重復(fù)性差，而且具有成本低、高信度、重復(fù)性強與分析全面等優(yōu)點。

2.1.2骨盆有限元模型的發(fā)展史 1943年Courant最早提出有限元素法的概念，Brekelmans 等[7]首次將有限元素法應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究討論股骨內(nèi)部應(yīng)力分布，標(biāo)志著有限元法在骨科生物力學(xué)研究中正式拉開序幕。1982年Vasu等[8]建立了早期的骨盆有限元二維模型，這些模型難以模擬骨盆的各種應(yīng)力機制，也不能直觀地模擬處于不同平面骨盆復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。盡管1991年Harrigan和Harris[9]建立了骨盆的三維有限元模型，但這些骨盆模型的幾何參數(shù)過于簡單化，缺乏試驗數(shù)據(jù)支持。近年來有限元方法技術(shù)日益成熟，在人工關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)及其軟骨研究、脊柱、創(chuàng)傷骨科等方面廣泛應(yīng)用。

2.1.3骨盆后環(huán)骨折分型 Pennal等[10]結(jié)合骨盆完整性、穩(wěn)定性及暴力方向，提出了一種骨盆力學(xué)分型系統(tǒng)。A型：骨盆環(huán)損傷有裂隙和撕脫骨折，但骨盆環(huán)仍具有穩(wěn)定性；B型：骨盆環(huán)的損傷主要在垂直方向穩(wěn)定而旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，骨盆后環(huán)保持完整，但可合并髖部不穩(wěn)定；C型：骨盆環(huán)旋轉(zhuǎn)和垂直方向均不穩(wěn)定，骨盆后環(huán)結(jié)構(gòu)完全損傷，前環(huán)出現(xiàn)一處或多處骨折。骨盆后方最重要的結(jié)構(gòu)是骶骨，影響著后環(huán)的穩(wěn)定性，骶骨骨折最常見的損傷是后方的直接暴力所致。Denis等[11]根據(jù)解剖部位將骶骨骨折分為3種類型。DenisⅠ型：骶骨翼區(qū)域骨折；DenisⅡ型：骶骨孔骨折，骨折線通過骶骨孔，未累及骶管，神經(jīng)損傷約占30%，常累及L5、S1或S2神經(jīng)根，臨床表現(xiàn)以坐骨神經(jīng)癥狀為主，少數(shù)患者可出現(xiàn)膀胱、肛門括約肌功能異常、會陰部感覺異常及性功能障礙；DenisⅢ型：主要為骶管區(qū)骨折，累及骶管，神經(jīng)損傷約占56.7%，可導(dǎo)致會陰部感覺異常、膀胱括約肌功能異常及性功能障礙，也稱跳躍者骨折。

2.1.4骨盆骨折有限元分析 Krishnan等[12]通過計算機模擬“開書型”骨盆骨折并進行有限元分析，實驗結(jié)果顯示: 骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合韌帶在骨盆垂直和水平載荷的傳遞中起了重要作用，因此骨盆后環(huán)損傷可以通過有限元分析法模擬其不穩(wěn)定性。Garc?等[13]通過有限元法比較不同骨盆骨折內(nèi)固定后的應(yīng)力分析，證實不同內(nèi)固定對骨盆骨折的穩(wěn)定性都有一定效果。Zhang 等[14]將髖臼骨折植入螺釘區(qū)域分為“安全區(qū)”、“相對危險區(qū)”、“絕對危險區(qū)”，通過有限元軟件建模研究分析，認(rèn)為在“絕對危險區(qū)”植入螺釘風(fēng)險較大，“相對危險區(qū)”植釘根據(jù)骨折類型和每位患者股骨解剖而定。Whitlow等[15]最早通過模擬骶骨骨折進行有限元分析，結(jié)果顯示，當(dāng)模擬骶骨骨折時，骨折線增加時最大主應(yīng)力降低83%，骨折面之間的應(yīng)力降低48%。

2.2 骨盆后環(huán)生物力學(xué)分析

2.2.1骨盆后環(huán)應(yīng)力分析 Fan等[16]通過有限元法建立骨盆模型，從有效強度水平、壓力分布、力轉(zhuǎn)移三個方面分別進行骨盆前柱骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)所有不同的固定系統(tǒng)均可以達(dá)到滿意效果。李正東等[17]也通過有限元法模擬完整骨盆結(jié)構(gòu)(包括關(guān)節(jié)軟骨及韌帶)基本力學(xué)，并在模擬骨盆骨折模型上施加載荷后采集位移、應(yīng)變和應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)，與之前大部分骨盆有限元模型不同的是將韌帶和關(guān)節(jié)盤的影響考慮在內(nèi)，通過數(shù)據(jù)分析得出骨盆穩(wěn)定性取決于韌帶的完整性，特別是骨盆后方韌帶復(fù)合結(jié)構(gòu)[18]。因此通過有限元法對建立的正常骨盆及模擬骨盆骨折的模型進行生物力學(xué)分析，有助于分析骨盆損傷機制和指導(dǎo)臨床應(yīng)用。此外，通過有限元法模擬人體正常骨盆結(jié)構(gòu)，施加具有現(xiàn)實意義的載荷，還可以分析其內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變，得到人體骨盆結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)的微觀信息[19]。

2.2.2骨盆后環(huán)骨折并發(fā)癥的預(yù)測 骶神經(jīng)損傷常由骨盆后環(huán)骨折引起，特別是骶骨骨折是最常見的并發(fā)癥。螺旋CT能很好地顯示骨盆后環(huán)骨折部位，但CT檢查無法區(qū)分后環(huán)神經(jīng)與軟組織，這就使臨床醫(yī)生很容易漏診骶神經(jīng)及周圍軟組織的損傷。對于合并神經(jīng)損傷的骨盆骨折治療方式很多，學(xué)者意見不一致。若需手術(shù)治療，主要治療方式為復(fù)位骨折塊、堅強固定，減少因骨折塊壓迫導(dǎo)致的骶神經(jīng)損傷。Zelle等[20]指出對于合并神經(jīng)損傷的患者，早期手術(shù)可促進神經(jīng)功能的恢復(fù)。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骶髂關(guān)節(jié)每分離1cm時，真骨盆容量增加約3.1%，但是骶髂關(guān)節(jié)分離3cm并伴恥骨聯(lián)合分離10cm時，真骨盆容量增加約55%[21]；因此當(dāng)骨盆環(huán)受暴力損傷時骨盆大量出血可引起骨盆容量變化，繼而引起血流動力學(xué)不穩(wěn)定，進一步導(dǎo)致脂肪栓塞、凝血功能障礙等。

2.2.3骨盆后環(huán)損傷手術(shù)入路的研究進展 對不穩(wěn)定性骨盆后環(huán)骨折，一旦失去生物力學(xué)穩(wěn)定性，且合并有神經(jīng)損傷一般要手術(shù)治療。手術(shù)治療的目的是恢復(fù)骨折的穩(wěn)定性，促進神經(jīng)功能的恢復(fù)[22]。骨盆后環(huán)骨折傳統(tǒng)治療方式往往是切開復(fù)位內(nèi)固定，但是術(shù)前主要靠骨科醫(yī)生憑借X線、CT、MRI等影像學(xué)資料進行手術(shù)方案的設(shè)計，術(shù)中依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗與術(shù)者操作熟練程度決定手術(shù)的成敗，由于手術(shù)時間長、出血量大，術(shù)后患者康復(fù)周期很長。通過引入三維重建技術(shù)有利于手術(shù)治療骨盆后環(huán)骨折。Stockle 等[23]認(rèn)為3D導(dǎo)航不僅能夠為術(shù)者提供全方位的觀察角度，而且還可以幫助術(shù)者設(shè)計出更為安全的手術(shù)方案，明顯提高骶髂螺釘置入的精確度和安全性，也可以大大降低術(shù)中血管、神經(jīng)損傷的風(fēng)險。目前通過3D打印技術(shù)制作出1∶1骨盆實體模型，醫(yī)生可以術(shù)前進行模擬手術(shù)以及制定更為細(xì)致的手術(shù)規(guī)劃。因此通過3D打印技術(shù)骨科醫(yī)生可以優(yōu)化設(shè)計手術(shù)方案，實現(xiàn)手術(shù)的精確化、個性化。

3 結(jié)語

三維有限元分析在骨科的應(yīng)用已經(jīng)充分地滲透到正常骨骼的力學(xué)分布、骨折發(fā)生的力學(xué)機制、骨折內(nèi)固定的力學(xué)比較等方面，功能越來越強大。但是三維重建與快速成型技術(shù)仍有不足之處，3D打印技術(shù)規(guī)范與評估不夠完善，三維重建模型是否能長期高強度使用，以及該技術(shù)所涉及到的知識產(chǎn)權(quán)、人類倫理、危險品處理等問題仍待解決。但是有理由相信，在骨科領(lǐng)域中，個體化治療是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向，也是每一個骨科醫(yī)生解決骨盆骨折的最佳方案。