基于有限元模型的骨盆骨折后力學(xué)研究

魏國強(qiáng)，車麗芳，牛曉芬，張 凱，王 一，史國鵬，白 靈，王海燕，李筱賀,4，許陽陽

(1.長治市人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，山西 長治046000；2.烏蘭察布市第二醫(yī)院骨科，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖教研室，內(nèi)蒙古 呼和浩特010110;4.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110)

骨盆骨折的發(fā)生率約為3%，病死率為10%～16%，骨盆環(huán)損傷相對罕見，發(fā)生率為0.03‰～0.23‰[1-4]。骨盆骨折通常是由高沖擊力創(chuàng)傷所致，如汽車碰撞、高處跌落、車輛撞傷，多發(fā)生于年輕人[5]。數(shù)字醫(yī)學(xué)是研究數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)律和發(fā)展趨勢，探討計算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、電子學(xué)等與醫(yī)學(xué)相互交叉或結(jié)合而形成的新理論、新知識、新技術(shù)和新產(chǎn)品，挖掘基于數(shù)字化條件而衍生的新模式、新流程和新機(jī)理。本研究利用數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)中三維重建方法，以真實(shí)的骨折模型去模擬探討骨折后在不同姿勢下運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)械反應(yīng)，從而為骨盆骨折的力學(xué)行為和建模提供參考，同時有助于指導(dǎo)骨折后康復(fù)訓(xùn)練。

早期康復(fù)運(yùn)動對于骨盆骨折患者的術(shù)后管理非常重要。多項(xiàng)指南建議骨盆骨折后需早期運(yùn)動，包括床椅轉(zhuǎn)移、床上坐位訓(xùn)練、坐帶有扶手的椅子、使用輔助設(shè)備行走等[6-7]。適當(dāng)負(fù)重會引起相鄰骨性骨折組件之間的微小運(yùn)動，刺激骨折愈合。在康復(fù)訓(xùn)練和日常活動中雖不清楚患者實(shí)際承受的準(zhǔn)確重量、骨愈合的具體程度，但在臨床康復(fù)中很少發(fā)生過載荷導(dǎo)致的并發(fā)癥。然而，過載和欠載都會使康復(fù)效果受到影響。康復(fù)訓(xùn)練中處處存在生物力學(xué)，而大多有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)研究沒有與康復(fù)訓(xùn)練結(jié)合。因此，了解不同康復(fù)訓(xùn)練方法的潛在優(yōu)勢和弱點(diǎn)至關(guān)重要[8]。本研究基于CT影像資料，利用Mimics、Geomagic、Hypermech、Abaqus軟件建立人體骨盆三維模型，利用FEA方法分析骨盆骨折在不同坐位姿勢下的生物力學(xué)行為，以期為臨床提供必要的生物力學(xué)依據(jù)，使患者骨折后不同坐位姿勢下的力學(xué)變化可視化。

1 材料與方法

1.1 研究對象

患者，女，52歲，體質(zhì)量55 kg，2020年8月被兩汽車連續(xù)相撞后就診于長治市人民醫(yī)院。病史：雙肺挫裂傷，右側(cè)氣胸；雙側(cè)胸膜增厚；右側(cè)胸壁多發(fā)積氣；右側(cè)鎖骨及多發(fā)肋骨軟骨骨折；坐骨、恥骨骨折伴盆腔積液積血；左股骨下段骨折。內(nèi)科治療：頭部及口腔傷口清創(chuàng)縫合，補(bǔ)液，輸注紅細(xì)胞等。外科治療：右鎖骨切開復(fù)位鈦板內(nèi)固定術(shù)，左股骨行閉合復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)，骨盆骨折(Tile A型)保守治療。于2020年9月轉(zhuǎn)入康復(fù)醫(yī)學(xué)科進(jìn)行康復(fù)治療。選取該患者DICOM格式原始骨盆影像資料進(jìn)行研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)軟件

CT掃描設(shè)備：64排128層螺旋CT機(jī)(Siemens，德國)，薄片厚度1.25 mm，間距1.25 mm，重建層厚度0.625 mm，重建間距0.625 mm。3D重建軟件：Mimics 21.0，3-matic 13.0(Materialise，比利時)；Geomagic Studio 2013(Raindrop Geomagio Inc，美國)；Hypermesh 2019(Atair Corporation，美國)；Abaqus 2020(Dassault System，法國)。臺式電腦：CPU，inter(R)Core(TM)i7-9700 CPU@3.00GHz 八核；RAM內(nèi)存，32.0 G。

1.3 建模方案

將患者骨盆CT影像資料以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 21.0圖像處理軟件中讀取數(shù)據(jù)，提取L5與骨盆模型，于3-matic 13.0中模擬L5～S1椎間盤，將各模型導(dǎo)入Geomagic Studio 2013軟件中生成實(shí)體模型，再導(dǎo)入Hypermesh 2019軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用T3D2線單元模擬韌帶，再用Mimics 21.0利用灰度值對模型進(jìn)行材料屬性定義與賦值，采用Abaqus 2020對生成模型進(jìn)行裝配、約束條件的界定等處理，然后進(jìn)行力學(xué)分析；骨盆重建模型見圖1。

a：正面觀；b：背面觀

1.4 材料特性定義

由于人體結(jié)構(gòu)屬于非線性的變化，屬性材料若按照骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)來賦值，其實(shí)是按線性屬性處理，為了體現(xiàn)骨骼的非線性特點(diǎn)，可以利用Mimics 21.0按照CT資料灰度值賦屬性。以大量文獻(xiàn)為參考，定義材料楊氏模量與泊松比，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)以灰度值賦值，為非線性結(jié)構(gòu)；椎間盤定義為彈性結(jié)構(gòu)(表1)。

表1 材料屬性[9-11]

使用經(jīng)驗(yàn)公式以十種材料屬性對骨性部分進(jìn)行賦值[12]:

D=-13.4+1 017Gv

E=-388.8+5 952D

D為材料密度，Gv為CT圖像灰度值，E為材料彈性模量，Mimics 21.0中有限元網(wǎng)格(FEA Mesh)標(biāo)簽下(Materials)命令可設(shè)置

1.5 定義接觸、設(shè)置邊界條件和施加載荷

設(shè)置上、下關(guān)節(jié)突，骶髂關(guān)節(jié)軟骨接觸定義摩擦系數(shù)為0.15[13]，設(shè)置纖維環(huán)與髓核為tie連接，椎體與韌帶的接觸為tie連接。于L5上終板施加垂直地面的力400 N[14]，模擬患者上半身體質(zhì)量，于坐骨結(jié)節(jié)位置添加固定約束，進(jìn)行骨盆中立位、前傾10°位、前傾20°位、后傾10°位、后傾20°位5個工況的研究(圖2)。

圖2 骨盆不同姿勢

1.6 觀察位置

位置1：恥骨上支與右側(cè)髂骨的骨折斷面；位置2：上方游離骨與恥骨上支的骨折斷面(未與右髂骨相連)；位置3：坐骨支的骨折斷面；位置4：恥骨下支的骨折斷面(圖3)。

a：骨折斷端正面觀；b：骨折斷端背面觀

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)力云圖，并繪出不同坐位姿勢骨盆應(yīng)力云圖(圖4、5)。

a：骨盆前面觀；b：骨盆后面觀；c：骨折斷端

位置1(恥骨上支與右側(cè)髂骨的骨折斷面)：中立位(2.15 MPa)與前傾10°位(2.18 MPa)應(yīng)力值分布相似，前傾20°位(5.25 MPa)應(yīng)力值達(dá)到峰值，后傾10°位(3.38 MPa)與后傾20°位(3.63 MPa)應(yīng)力值分布相似。

位置2(上方游離骨與恥骨上支的骨折斷面)：不同姿勢下此處應(yīng)力值分布較小，中立位(0.11 MPa)，前傾10°位(0.11 MPa)，前傾20°位(0.27 MPa)，后傾10°位(1.71 MPa)應(yīng)力值達(dá)到峰值，后傾20°位(0.13 MPa)。

位置3(坐骨支的骨折斷面)：中立位(2.50 MPa)與前傾10°位(2.55 MPa)應(yīng)力值分布相似，前傾20°位(6.08 MPa)應(yīng)力值達(dá)到峰值，后傾10°位(4.17 MPa)到后傾20°位(3.33 MPa)應(yīng)力值略有下降。

位置4(恥骨下支的骨折斷面)：中立位(1.56 MPa)與前傾10°位(1.59 MPa)應(yīng)力值分布相似，前傾20°位(3.78 MPa)應(yīng)力值達(dá)到峰值，后傾10°位(1.53 MPa)到后傾20°位(1.94 MPa)應(yīng)力值略有上升。

a：中立位；b：前傾10°位；c：前傾20°位；d:后傾10°位；e:后傾20°位

骨盆前傾20°位的應(yīng)力值在位置1(恥骨上支與右側(cè)髂骨的骨折斷面)、位置3(坐骨支的骨折斷面)、位置4(恥骨下支的骨折斷面)均明顯增大，說明在此體位下對骨盆骨折斷端影響最大，其次是骨盆后傾10°位與后傾20°位。應(yīng)力大小次序：前傾20°位>后傾20°位>后傾10°位>前傾10°位>中立位(圖6)。

圖6 骨折斷端位置應(yīng)力值

3 討論

基于計算機(jī)斷層掃描的股骨有限元模型已被廣泛用于估計骨的剛度和強(qiáng)度。FEA也已廣泛應(yīng)用于矯形支具研究[15-18]、脊柱內(nèi)固定生物力學(xué)研究[19-20]、外科器械的設(shè)計[21]、椎間盤退變生物力學(xué)研究[22]、脊柱動態(tài)生物力學(xué)研究[11]等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，且在骨盆生物力學(xué)中具有非常重要的地位[23]。很多學(xué)者通過有限元模型對骨盆進(jìn)行了研究，高應(yīng)超等[24]建立坐位骨盆三維有限元模型分析其生物力學(xué)特征，指出建立的人體骨盆三維有限元模型可以較客觀地反映人體骨盆的解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，具有較高真實(shí)性和精確度，能滿足臨床骨盆重建模擬仿真分析的需要。Li等[25]通過建立有限元模型對外固定下的骨盆骨折在不同姿勢包括站立時的力學(xué)特征進(jìn)行了研究，指出骨盆上的應(yīng)力區(qū)域隨著姿勢的變化而變化，骨盆在中立位更穩(wěn)定，這意味著骨盆中立位可能比其他傾斜位置骨折愈合更好。Xu等[26]通過建立骨盆有限元模型，指出通過手法使骶髂關(guān)節(jié)產(chǎn)生位移與韌帶產(chǎn)生應(yīng)變可能是骶髂關(guān)節(jié)疼痛緩解的一種機(jī)制。張玉東等[23]通過構(gòu)建人體跌坐條件下骨盆有限元模型與瓷磚地面碰撞，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變在骶髂關(guān)節(jié)處最大。因此，通過有限元方法對骨盆進(jìn)行生物力學(xué)分析是目前比較常用的方法之一。

本研究利用真實(shí)患者的骨盆模型，通過骨折斷端接觸位置的應(yīng)力變化，探索其在骨盆不同坐位姿勢下的力學(xué)變化，結(jié)果顯示骨盆中立位對于骨折斷端影響最小，而骨盆前傾位與骨盆后傾位應(yīng)力分布均變大，而且傾斜角度越大，應(yīng)力會越大；對于骨折部位而言，坐骨支與恥骨下支連接處較恥骨上支應(yīng)力分布更大，提示患者進(jìn)行早期康復(fù)時，推薦骨盆中立位或較小角度(<10°)的傾斜位置進(jìn)行訓(xùn)練；骨盆前傾20°位的應(yīng)力值在位置1(恥骨上支與右側(cè)髂骨的骨折斷面)、位置3(坐骨支的骨折斷面)、位置4(恥骨下支的骨折斷面)均明顯增大，說明在此體位下對骨盆骨折斷端影響最大，其次是骨盆后傾10°位與后傾20°位；應(yīng)力大小次序：前傾20°位(5.25 MPa)>后傾20°位(3.63 MPa)>后傾10°位(3.38 MPa)>前傾10°位(2.18 MPa)>中立位(2.15 MPa)；應(yīng)力增大為骨盆前傾或后傾對骨折處產(chǎn)生了剪切力所致；并且可很明顯發(fā)現(xiàn)斷端接觸面存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于不同患者恢復(fù)速度存在差異性，人體修復(fù)環(huán)境的復(fù)雜性，無法確定不同骨折愈合時期，但是通過此案例可以得出以下觀點(diǎn)：①骨折會改變骨盆形態(tài)學(xué)特征，造成力學(xué)分布改變；②骨折后愈合處會比以往承受更大負(fù)荷，使得穩(wěn)定性下降；③骨盆FEA可以預(yù)測骨骼穩(wěn)定性。

綜上，坐位姿勢下，骨盆傾斜角度越大，骨盆的應(yīng)力值越大，且相同角度下，前傾比后傾應(yīng)力值大，而中立位骨盆應(yīng)力分布最小，提示骨盆骨折后運(yùn)動訓(xùn)練早期應(yīng)在中立位，逐漸變化傾斜角度。本研究通過探討康復(fù)訓(xùn)練(不同坐位訓(xùn)練)在骨盆骨折中的力學(xué)變化，可為臨床康復(fù)訓(xùn)練的體位選擇提供參考，但為了訓(xùn)練過程中安全，康復(fù)訓(xùn)練方法需謹(jǐn)慎選擇。