行人交通損傷髖部新月形骨折的內(nèi)固定方案有限元評估

【摘要】為降低行人交通損傷中Day Ⅱ型骨盆新月形骨折的損傷影響，采用有限元分析方法比較了不同內(nèi)固定方式對Day Ⅱ型骨盆新月形骨折脫位（CFDP）的生物力學(xué)影響。在人體骨盆有限元模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)人體解剖學(xué)理論，構(gòu)建Day Ⅱ型骨盆骨折模型及4種不同的內(nèi)固定仿真模型，即1枚骶髂螺釘與1枚髂骨螺釘（S1+I1）、2枚骶髂螺釘與2枚髂骨螺釘（S2+I2）、3枚重建鈦板（P3）、1枚S2AI螺釘與2枚髂骨螺釘（S2AI1+I2），依據(jù)骨盆模型的整體剛度、整體應(yīng)力分布，髂骨、內(nèi)固定應(yīng)力差異性及骨折線的應(yīng)力和位移差異性綜合評價(jià)不同內(nèi)固定方案的優(yōu)劣。研究表明：P3方案和S2AI1+I2方案相較于另外2種內(nèi)固定方案的剛度更大，更接近正常模型，未受損側(cè)的應(yīng)力分布也與正常模型的應(yīng)力分布更加接近；P3方案因重建鋼板與皮質(zhì)骨直接接觸，導(dǎo)致重建板與髂后下棘等部位的應(yīng)力較大，不利于骨折愈合；S2AI1+I2方案在骨折線上應(yīng)力及位移分布方面更接近正常模型。Day Ⅱ型骨盆新月形骨折脫位應(yīng)采用1枚S2AI螺釘與2枚髂骨螺釘內(nèi)固定，能夠在不增加其他內(nèi)固定方案的情況下達(dá)到理想的內(nèi)固定效果。

關(guān)鍵詞：交通行人損傷 損傷生物力學(xué) 新月形骨折脫位 有限元 治療方案評估

中圖分類號：U491.31" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240279

Evaluation of Traffic Injury by Finite Element Method for the Crescent Fracture Dislocation of Pelvis under Different Fixation Systems

Jiang Yejie Li Dongqiang He Yujun Gan Qiuyu Jiang Binhui

（1. Research amp; Design Center， Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511434; 2. State Key Lab of Advanced Design and Manufacturing Technology for Vehicle， Hunan University， Changsha 410082）

【Abstract】To reduce the impact of Day Ⅱ crescent pelvic fractures in pedestrian traffic injuries， finite element analysis is used to investigate the biomechanical influences of Day Ⅱ Crescent Fracture Dislocation of Pelvis （CFDP） with different fixation systems. Based on a human pelvic finite element model， the pelvic model with fracture and four different fixation systems for Day Ⅱ CFDP are constructed according to human anatomical theory. These fixation systems include： one sacroiliac screw combined with one iliac screw （S1+I1）， two sacroiliac screws combined with two iliac screws （S2+I2）， three reconstructive titanium plates （P3）， and one S2AI screw combined with two iliac screws （S2AI1+ I2）. The advantages and disadvantages for the different fixation systems are comprehensively evaluated by the overall stiffness and stress of the pelvic model， the difference on the stress of iliac bone and internal fixation， and the difference on the stress and displacement of the fracture line. It is found that the stiffness of pelvic model with P3 solution and S2AI1+ I2 solution is higher than that of the other two internal fixation systems. In addition， the stress distribution on the undamaged side predicted by the pelvic model with P3 is also closer to that predicted by the normal model without fracture. However， the highest stress values on the reconstructed plate and the posterior inferior iliac spine are also predicted by the pelvic model P3 fixation systems， because of the direct contact between the reconstructed plate and cortical bone. This direct contact is also not conducive to the healing of the fracture. The stress and displacement distribution on fracture line predicted by the pelvic model with S2AI1+ I2 are closer to that predicted by the normal model without fracture. For the treatment of Day Ⅱ CFDP， it is recommended to choose S2AI sacroiliac screw combined with 2 iliac screws for internal fixation， which can achieve a firm fixation effect without adding other internal fixation systems.

Key words： Pedestrian traffic injury， Injury biomechanics， Crescent Fracture Dislocation of Pelvis （CFDP）， Finite element method， Evaluation of treatment methods

【引用格式】 姜葉潔， 李東強(qiáng)， 甘秋雨， 等. 行人交通損傷髖部新月形骨折的內(nèi)固定方案有限元評估[J]. 汽車工程師， 2025（3）： 42-48.

JIANG Y J， LI D Q， GAN Q Y， et al. Evaluation of Traffic Injury by Finite Element Method for the Crescent Fracture Dislocation of Pelvis under Different Fixation Systems[J]. Automotive Engineer， 2025（3）： 42-48.

1 前言

行人交通事故中，下肢（包含髖部）損傷是發(fā)生中度損傷的主要區(qū)域，易造成長期傷殘，對傷者的健康和生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。行人下肢與汽車接觸后，髖部及軀干將倒向車輛發(fā)生側(cè)向高速碰撞，具有較高的骨折風(fēng)險(xiǎn)。其中，髖部骨折易使內(nèi)部臟器進(jìn)一步受到損傷，若涉及尾椎骨折，還將導(dǎo)致神經(jīng)損傷，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)半身不遂等后果。髖部的多種骨折形式中，骨盆新月形骨折，即靠近骶髂關(guān)節(jié)的髂骨翼骨折并波及骶髂關(guān)節(jié)脫位，是側(cè)方擠壓型骨折中的一種常見類型，存在較高的神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)[1]。骨盆新月形骨折多由高能量暴力所致，致傷原因主要是交通傷，還包括高處墜落及壓砸傷等，常伴有其他部位損傷[2-3]。Day分型是骨盆新月形骨折最常見的分型方法，其中Ⅱ型骨折涉及骶髂關(guān)節(jié)的1/3到2/3，骨折線進(jìn)入前S1和S2骶孔之間的關(guān)節(jié)，形成中等大小的新月形骨折塊[4-5]，又稱為側(cè)方擠壓傷，是行人與車輛碰撞事故中常見的骨折形式。

目前，針對Day Ⅱ型骨盆新月形骨折力學(xué)性能的研究方法主要包括尸體實(shí)驗(yàn)、臨床觀察和有限元分析等，對于Day Ⅱ型骨折的固定方案，已有較多相關(guān)研究。馮永增等通過有限元方法研究發(fā)現(xiàn)，后方3枚交叉空心螺釘模型的剛度最大[6]。Borrelli等首次報(bào)告了骨盆新月形骨折脫位（Crescent Fracture Dislocation of Pelvis，CFDP），并采用后外側(cè)入路切開復(fù)位鋼板內(nèi)固定治療22例患者，臨床發(fā)現(xiàn)骨折愈合滿意且后期并發(fā)癥較少[7]。Starr等首次報(bào)道采用閉合復(fù)位經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定治療27例骨盆新月形骨折患者，研究發(fā)現(xiàn)，閉合復(fù)位經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定方法在骨盆新月形骨折治療中具有諸多優(yōu)勢，例如能夠?qū)钦壑苯舆M(jìn)行復(fù)位、手術(shù)暴露小、術(shù)中出血量少、對軟組織創(chuàng)傷小、感染率低、不破壞骨折端血供及并發(fā)癥少等[8]。Calafi等[9]對128例骨盆新月形骨折脫位患者進(jìn)行研究，結(jié)果表明，臨床上Day分型的大部分患者均可采用閉合復(fù)位和經(jīng)皮螺釘治療，二者均安全有效，且研究發(fā)現(xiàn)，垂直載荷下骶髂螺釘固定力學(xué)傳導(dǎo)特性優(yōu)于鋼板固定。獨(dú)行業(yè)等研究了2枚LC-Ⅱ螺釘和2塊鋼板在Day型骨盆新月狀骨折固定中的效果，發(fā)現(xiàn)兩者均能維持穩(wěn)定，但鋼板存在疲勞破壞和螺釘松脫風(fēng)險(xiǎn)，因此，如果能閉合復(fù)位成功，則宜采用2枚LC-Ⅱ螺釘固定[10]。裴璇等[11]研究發(fā)現(xiàn)，只選擇S1骶髂螺釘聯(lián)合1枚LC-Ⅱ螺釘內(nèi)固定可以在不增加螺釘數(shù)量的情況下實(shí)現(xiàn)牢固固定。然而，對于何種方式更合理，目前還缺少生物力學(xué)方面研究的支持。

針對上述問題，本文基于志愿者骨盆醫(yī)學(xué)影像，在行人交通事故傷害的背景下，構(gòu)建骨盆有限元模型及Day Ⅱ型骨盆新月形骨折有限元模型，并且在臨床醫(yī)生的指導(dǎo)下構(gòu)建多種不同的內(nèi)固定模型，通過比較其剛度、髂骨位移及內(nèi)固定應(yīng)力分布，探討其生物力學(xué)特性，為臨床治療提供必要的生物力學(xué)依據(jù)。

2 骨盆有限元模型的建立

本文通過有限元方法研究Day Ⅱ型骨盆新月形骨折不同內(nèi)固定方案的生物力學(xué)特性，首先建立骨盆有限元模型。招募一名成年男性志愿者進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT），獲取骨盆圖像數(shù)據(jù)?；谠搾呙杞Y(jié)果，結(jié)合醫(yī)學(xué)影像處理工具M(jìn)imics，進(jìn)行圖像分割、幾何重建和光滑處理，得到骨盆的幾何模型。通過有限元前處理工具HyperMesh對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到包含韌帶、終板等軟組織在內(nèi)的骨盆有限元模型。

然后對模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，在Abaqus中對骨盆的各組織進(jìn)行材料屬性的賦值及載荷約束的添加。本文模擬站立位骨盆受力，于S1椎體上施加垂直向下的均布載荷，大小為600 N，并對股骨頭末端添加約束，限制其6個(gè)方向的自由度。

最后，基于已建立的正常骨盆模型，依據(jù)Young-Burgess分型構(gòu)建典型的Day Ⅱ型骨折模型，如圖1所示，并在臨床醫(yī)師的指導(dǎo)下構(gòu)建4種臨床上常見的不同內(nèi)固定方案模型，如圖2所示。對于骨折模型，因在事故中行人通常為側(cè)面被車輛撞擊，沖擊力集中在骨盆的一側(cè)，所以構(gòu)建由側(cè)方擠壓造成的Day Ⅱ型骨折。此外，由于Day Ⅱ型骨折涉及骶髂關(guān)節(jié)的部分脫位，因此將脫落的骶髂關(guān)節(jié)的約束由正常骨盆的綁定（Tie）約束減弱為面面約束，并刪除骶髂關(guān)節(jié)處相應(yīng)的韌帶。所構(gòu)建的4種內(nèi)固定模型分別為：1枚骶髂螺釘與1枚髂骨螺釘（S1+I1）、2枚骶髂螺釘與2枚髂骨螺釘（S2+I2）、3枚重建鈦板（P3）、1枚S2AI螺釘與2枚髂骨螺釘（S2AI1+I2）。

骨折模型的邊界條件與正常模型相同，通過綜合比較前人的研究工作[12]，采用骨盆模型的整體剛度、整體應(yīng)力分布、髂骨內(nèi)固定應(yīng)力差異性及骨折線的應(yīng)力和位移差異性來評價(jià)不同內(nèi)固定方案的有效性。

3 結(jié)果與討論

在進(jìn)行內(nèi)固定后，骨盆最大位移應(yīng)盡量減小，整體剛度應(yīng)得到一定提升。表1所示為不同模型在站立位的最大位移及剛度比較結(jié)果。其中，正常模型的位移最小，剛度最大，可達(dá)209.4 N/mm，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果具有一致性[4，12-13]。骨折模型的位移最大、剛度最小，而4種內(nèi)固定方案的位移及剛度差異性較小，均位于骨折模型與正常模型之間，說明4種內(nèi)固定方案均有較好的內(nèi)固定效果。由于S1+I1方案相對其他方案的內(nèi)固定效果較差，因此，其剛度相比其他內(nèi)固定方案更弱，最大位移更大。P3方案內(nèi)固定效果較好，其剛度最大、位移最小，這與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，多塊鈦板相較于螺釘可提供更牢靠的固定和支持。

通過分析不同模型的應(yīng)力分布，可比較內(nèi)固定裝置的應(yīng)力傳遞情況。站立位下不同骨盆模型的應(yīng)力分布如圖3所示。

正常模型下，由于對股骨頭施加了約束，導(dǎo)致股骨頭約束位置應(yīng)力較大，髂骨上應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中于骨盆的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及承重部位，如骶髂關(guān)節(jié)、髖臼窩、坐骨切跡、恥骨支等。當(dāng)骨盆右側(cè)髂骨出現(xiàn)Day Ⅱ型骨折時(shí)，股骨及左側(cè)髂骨的應(yīng)力分布趨勢基本不改變，主要是右側(cè)受損髂骨的應(yīng)力分布發(fā)生較大改變，尤其是髂嵴與髂窩處。骨折模型中，髂窩的應(yīng)力較其他模型略大，且從骶骨應(yīng)力分布情況可以看出，骶骨右側(cè)的應(yīng)力遠(yuǎn)大于左側(cè)的應(yīng)力。這說明當(dāng)重力由腰椎傳導(dǎo)至骶骨后，完整髂骨傳導(dǎo)的力遠(yuǎn)大于受損側(cè)的髂骨傳導(dǎo)的力。當(dāng)施加內(nèi)固定方案后，力傳遞的不均衡性大幅改善，骶骨的應(yīng)力分布與正常模型的應(yīng)力分布具有較高的一致性。不同模型下完整髂骨的應(yīng)力分布基本一致，說明Day Ⅱ型骨折僅影響骨折側(cè)，對完整髂骨的影響很小。由于骨折發(fā)生后骨盆力的傳導(dǎo)路徑發(fā)生改變，未受損側(cè)會傳導(dǎo)更多的力，而受損側(cè)的承載力減小。此外，P3方案髂骨應(yīng)力分布與正常模型的應(yīng)力分布最為接近，因此P3方案可以認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)恢復(fù)站立狀態(tài)下Day Ⅱ型骨折骨盆正常傳遞人體重力狀態(tài)的最佳途徑。

髂骨的應(yīng)力分布內(nèi)面觀如圖4所示。正常模型中髂骨的坐骨大切跡處及髂后下棘的應(yīng)力較大，髂骨終板接觸面的應(yīng)力很小。發(fā)生骨折后，應(yīng)力分布大幅改變，骨折模型中，由于骨折線彈性模量較小，導(dǎo)致其應(yīng)力遠(yuǎn)小于其他部位的應(yīng)力。脫落后的髂骨翼后部分布的應(yīng)力遠(yuǎn)小于正常模型的應(yīng)力，其他部位的應(yīng)力較正常模型大，尤其是髂后下棘與坐骨大切跡。施加內(nèi)固定方案后，髂骨翼后部的應(yīng)力分布得到較大改善，應(yīng)力相比于骨折模型大很多，但是均小于正常模型。S1+I1方案下坐骨大切跡的應(yīng)力較其他模型大，說明有更多的力由骶髂關(guān)節(jié)從坐骨大切跡傳遞至髖臼窩。施加P3方案后，由于重建鈦板直接與骶髂關(guān)節(jié)的皮質(zhì)骨接觸，因此髂骨皮質(zhì)骨的應(yīng)力較其他部位顯著提高，當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)并不有利于骨折的愈合，且應(yīng)力過大會增加重建鈦板上固定螺釘與皮質(zhì)骨脫釘?shù)母怕?。由于其?種內(nèi)固定方案均采用螺釘固定，因此對皮質(zhì)骨表面的應(yīng)力影響不大。S2AI1+I2方案下，弓狀線及坐骨上的應(yīng)力分布與正常模型的應(yīng)力分布很接近，因此從髂骨應(yīng)力來看，S2AI1+I2方案是最優(yōu)的選擇。

內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布內(nèi)面觀如圖5所示，各內(nèi)固定模型中骶髂螺釘最大應(yīng)力集中在骨折線與螺釘?shù)慕佑|位置，且研究發(fā)現(xiàn)，骶髂螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力略小于髂骨螺釘?shù)膽?yīng)力。S1+I1方案中髂骨螺釘、骶髂螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力分別為53.7 MPa、51.4 MPa，最大值基本上位于骶髂關(guān)節(jié)處，這也表明在站立位時(shí)，骶骨與髂骨發(fā)生相對位移。S2+I2與S2AI1+I2方案存在相同的情況，但是從應(yīng)力峰值來看，S1+I1方案、S2+I2方案、S2AI1+I2方案依次減小。在P3方案中，由于重建板與皮質(zhì)骨的相互作用，其最大應(yīng)力位于重建板上，但是其應(yīng)力峰值位于螺釘與重建板的接觸位置，且明顯小于其他3種工況。

為了進(jìn)一步評估固定方案的有效性，考察固定方案在維持骨折穩(wěn)定方面的效果，對骨折線上的應(yīng)力及位移差異性進(jìn)行分析。沿著骨折線生成兩條路徑，分別沿著骨折線上、下緣，如圖6a所示。骨折線上、下緣位移如圖6b、圖6c所示，可以發(fā)現(xiàn)，骨折發(fā)生后，骨折模型的位移均遠(yuǎn)大于正常模型的位移，采用內(nèi)固定方案后，骨折線的位移分布與正常模型的差異均較小，可以認(rèn)為內(nèi)固定均可以達(dá)到很好的固定效果。為了進(jìn)一步評估內(nèi)固定對骨折的力學(xué)響應(yīng)，圖6d給出了上、下緣骨折線的位移差。研究發(fā)現(xiàn)，不同內(nèi)固定方案具有很好的復(fù)位效果，位移誤差由小到大依次為S2+I2、S1+I1、P3、S2AI1+I2。圖6e顯示了髂骨骨折線上緣的應(yīng)力分布情況，研究發(fā)現(xiàn)，骨折模型中，其應(yīng)力大于其他模型，施加內(nèi)固定后，皮質(zhì)骨的應(yīng)力均有一定改善，應(yīng)力誤差由小到大依次為S1+I1、P3、S2+I2、S2AI1+I2。綜上所述，對于骨折線上的應(yīng)力及位移分布，S2AI1+I2方案具有最優(yōu)的內(nèi)固定效果。

4 結(jié)束語

針對行人交通損傷中多見的Day Ⅱ型骨盆新月形骨折，本文在構(gòu)建正常骨盆有限元模型的基礎(chǔ)上，在臨床醫(yī)生的指導(dǎo)下構(gòu)建了Day Ⅱ型骨盆新月形骨折及不同的內(nèi)固定系統(tǒng)的骨盆有限元模型。Day Ⅱ型骨折發(fā)生后，整個(gè)骨盆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生了重大改變，導(dǎo)致骨盆的整體剛度及站立姿態(tài)下應(yīng)力、位移分布受到很大影響。Day Ⅱ型骨折中脫落后的髂骨翼后部由于脫離了整個(gè)骨盆結(jié)構(gòu)，骨盆承受的人體載荷無法再傳遞到該部位，導(dǎo)致該部位分布的應(yīng)力遠(yuǎn)小于正常模型的應(yīng)力，其他部位需承受更多載荷，導(dǎo)致它們的應(yīng)力較正常模型大，尤其是髂后下棘與坐骨大切跡，對正常骨盆的力的傳遞路徑有很大影響。施加內(nèi)固定方案后，均能夠獲得很好的整體剛度。骨盆、髂骨、4種內(nèi)固定方案以及骨折線處應(yīng)力與位移均處于骨折模型與正常模型之間，對于Day Ⅱ型骨折均有良好的固定效果。相比較而言，1枚S2AI螺釘與2枚髂骨螺釘（S2AI1+I2）方案骨盆剛度較大，內(nèi)固定系統(tǒng)承受較大的力并且骨折線處位移差較小，對Day Ⅱ型骨折產(chǎn)生良好的固定效果。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年9月8日。