U型骶骨骨折固定的有限元解析

【摘要】

采取有限元法对三类U型骶骨骨折后手术固定模型的生物力学特征进行了研发。在此前创建并验证有效的完好腰椎—骨盆模型的根基上，创建了三类U型骶骨骨折手术固定模型：

①S1S2贯通螺钉（S1S2），

②L4–L5椎弓根螺钉+髂骨翼螺钉（L4L5+IS），

③L4–L5椎弓根螺钉+S1贯通螺钉+髂骨翼螺钉（L4L5+S1+IS）。

接着，通过对L4上外表加以400N竖直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向转动、轴向侧弯），对照三类固定方法在坐姿和站姿下构成的骨折裂缝分离值和最大应力的差别。研发结果标明，在不同姿势下，不同手术组构成的骨裂缝分离值为：L4L5+S1+IS远小过L4L5+IS和S1S2。针对内植入物而言，上述三类固定方法构成的最大应力值为L4L5+IS>L4L5+S1+IS>S1S2；针对椎间盘而言，上述三类固定方法构成的最大应力值为S1S2宏大于L4L5+S1+IS和L4L5+IS。综合参考，针对U型骶骨骨折而言，能够率先参考L4L5+S1+IS固定方法进行固定。本文研发的目标在于通过较为采取三类不同的内固定方法固定U型骶骨骨折后的生物力学的差别，从而为临床手术供应有效的考虑。

【要害词】U型骶骨骨折；S1S2贯通螺钉；L4–L5椎弓根螺钉；髂骨翼螺钉；骨折裂缝分离

引言

骶骨骨折常产生于低空坠落、车祸等事故中，约占骨盆骨折的17%～30%[1]。根据骨折线位子的不同可将骶骨骨折划为H型、U型、T型及人字型骨折[2]。因为骶骨骨折的品种繁琐，每种骶骨骨折的治愈计划众多，因此造成现阶段对骶骨骨折的治愈计划尚未统一。假设治愈不当，将造成创伤性脊柱—骨盆分离（traumatic spine pelvic dissociation），进而使骨盆并且腰椎的安稳性遭到牵连[3-4]，临床上常表现为由骨折近端严重滑脱（high-grade spondylolisthesis）所造成的腰骶部畸形、骨盆后环显著失稳及混合型神经性能侵害[2-3]。另外，骶骨骨折常伴随腰骶丛神经伤害，产生的几率为94.3%，后者为患者后续致残的首要原因[5]。

U型骶骨骨折是一类特殊的骶骨骨折，临床表现为骶骨两侧纵行骨折归并横行骨折[6]，多数患者为自尽性跳楼骨折，因而又将其称为“自尽性骨折”，这类骨折伤害造成脊柱和骶骨中上部与骨盆分离。因为此类骨折的产生率过低，约占骶骨骨折的2.1%[6]，临床医师缺少治愈经历且治愈比较高难，因而造成近年来内科手术的治愈计划仍存在较大争论[7]。

Keating等[8]对35例患有骶骨骨折的患者采取骶髂螺钉进行固定，术后有15例（44%）患者显现畸形愈合。张伟等[5]采取骶髂螺钉对患有纵向骶骨骨折的患者进行治愈，术后较易显现复位遗失和固定失效情况。Zhao等[9]创建了四种骶骨骨折的有限元模型，分别采取骶髂螺钉与贯通螺钉对其进行固定，发掘采取贯通螺钉进行固定的骶骨有限元模型的安稳性大于采取骶髂螺钉固定的骶骨有限元模型的安稳性。

另外，K?ch等[10]于1994年首先报表了采取椎弓根螺钉与髂骨翼螺钉进行治愈纵向骶骨骨折的患者，并提出脊柱—骨盆固定（spinopelvicfixation）。Schildhauer等[11]在此根基上进一步提出三角固定的概念，即在全部装置上加大横向固定（连通左右串联L4–L5椎弓根螺钉与髂骨翼螺钉连通棒的固定件），可以进一步加大其固定的安稳性。Berber等[12]通过生物力学试验证实，对患有骶骨骨折的患者，采取腰椎—骨盆固定方式进行固定，可以为骨折部位供应充足的强度和安稳性，术后即刻负重。

但是，现在尚未发掘对于U型骶骨骨折，将采取骶髂螺钉固定与采取腰椎—骨盆固定两类不同方法的生物力学功能进行对照的研发，因而本文结合现在临床运用比较全面的骶骨骨折治愈计划[2,5,8-18]，提出下列三类固定方法：

①S1S2贯通螺钉（S1S2）；

②L4–L5椎弓根螺钉+髂骨翼螺钉（L4L5+IS）；

③L4–L5椎弓根螺钉+S1贯通螺钉+髂骨翼螺钉（L4L5+S1+IS）。

接着，依据实际受力状况采取有限元法模仿前屈、后伸、轴向转动—左旋、轴向侧弯—左弯时内固定物的受力状况，并解析受力后在骨折面构成的骨折裂缝分离值的大小，从而较为三类内固定方法固定后的生物力学功能的差别，进而为临床手术供应绝对的考虑。

1 资料与方式

1.1 有限元模型的建立

本文选用的有限元模型节选至本课题组从前创建并经过有效性验证的完好腰椎骨盆模型的一些节段：第四腰椎—第五腰椎（L4–L5）及骨盆节段[19]，方式如下：基于一名健康女性（165cm，65kg，35岁）的L4–L5及骨盆的微计算机断层扫描图片（micro-computer tomography，micro-CT）获得模型的边缘数据（此micro-CT图片由天津医院—脊柱内科一病区供应，本课题组已受权能够应用该信息），接着借用此边缘建立完好的L4–L5及骨盆模型。此中，L4–L5节段含盖：皮质骨、松质骨、后部构造、高低终板、软骨、髓核、纤维环并且黄韧带（ligamentum flavum，LF）、横突间韧带（inter-transverse ligament，ITL）、棘间韧带（interspinous ligament,ISL）、棘上韧带（supraspinous ligament,SSL）、关节囊韧带（zygapophyseal joint capsules ligament,ZCL）、前纵韧带（anterior longitudinal ligament,ALL）和后纵韧带（posterior longitudinal ligament，PLL），此中髓核占椎间盘总量的40%～50%[20]；骨盆，含盖：皮质骨、松质骨、耻骨联合、骶髂软骨并且骶髂前韧带（anterior sacroiliac ligament，ASL）、骶髂后韧带（长）（long posterior sacroi liacligament,LPSL）、骶髂后韧带（短）（short posterior sacroiliac ligament,SPSL）、骶棘韧带（sacro-spinous ligament,SSL）、骶结节韧带（sacrotuberous ligament，STL）、耻骨弓状韧带（arcuate pubic ligament，APL）、髂腰韧带（iliolumbar ligament，ILL）等构成，一切韧带被给予只可承受拉力。

针对L4–L5模型，皮质骨与终板均采取壳单元来模仿，并给予其0.5mm的厚度，松质骨和后部构造采取四面体和五面体单元区分。针对骨盆模型，皮质骨和终板采取壳单元来模仿，同时给予左髂骨、右髂骨0.45mm的厚度并且骶骨1.0mm的厚度[21-23]，松质骨采取四面体和五面体单元区分，耻骨联合采取六面体单元区分。骶骨软骨与髂骨软骨的厚度比为2:1，此中骶骨软骨厚度为1.8mm，髂骨软骨厚度为0.9mm，二者之间的间距为0.3mm[23]。在全部模型中，纤维环、髓核应用六面体单元区分，软骨采取五面体和六面体单元区分，韧带采取一维单元区分，并给予其对应的横截面积。常态腰椎骨盆模型和U型腰椎骨盆骨折模型的有限元图形分别如图1所示。

本文根据骨折线将骶骨采取蓝色和黄色两个不同的色彩辨别，因为在骶骨骨折的同时，髂腰韧带并且骶髂后韧带也随同断裂，因而除去了髂腰韧带并且骶髂后韧带。

1.2内固定物的创建

本文所选用的三类内固定的资料参数均为钛合金，此中S1贯通螺钉的长度为180mm，直径为6.5mm；S2贯通螺钉的长度为160mm，直径为6.5mm；左右髂骨翼螺钉的长度为80mm，直径为8mm；L4–L5椎弓根螺钉的长度为45mm，直径为6.5mm；串联L4–L5椎弓根螺钉和髂骨翼螺钉的连通棒直径为5mm，连通左右连通棒的横联直径为7mm。

1.3模型的资料参数

依据查看的文献[24-26]，L4–L5和骨盆的资料参数如表1、表2所示。因为采取不同方法固定的模型的松质骨、皮质骨、后部构造并且螺钉的单元数目不一致，因而表1、表2中仅列出常态的腰椎骨盆有限元模型的单元数目。

1.4模型的载荷、边缘前提设置

对U型骶骨骨折模型的L4上外表加以400N竖直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向转动—左旋、轴向侧弯—左弯），分别模仿身体位于坐姿或站姿，进行前屈、后伸、轴向转动—左旋或轴向侧弯—左弯等活动时，身体本身体重加以于全部身体的受力状况[27-28]。该载荷通过加以在L4上终板核心位子且与上终板外表耦合的功效点来实行，同时分别对左右髂骨坐骨结节面处节点和髋臼处节点的6个自由度进行束缚，模仿坐姿和站姿状况下的束缚边缘，如图2所示。

一切网格区分、资料参数的定论、碰触参数的定论、载荷并且边缘前提的加以均在有限元前解决软件Hyper-mesh（HyperworkInc.，美国）进行，此中软骨与软骨之间采取面—面碰触、骨折面之间采取点—面碰触、螺钉与骨面之间采取绑定束缚、螺钉与连通棒之间采取绑定碰触。仿生计算整个在有限元软件ABAQUS（ABAQUSInc.，法国）进行。

1.5丈量骨折裂缝分离值

未加以载荷前，对采取上述三类不同固定方法固定的骨折模型，在其骨折面处均需标志相近的三个点，分别是位于骨折线左上方点A、位于骨折线右前方点B和位于程度骨折线前方点C，如图3所示。

因为加以载荷后，在骨折面处会构成相对滚动，进而在骨折面会构成骨折裂缝分离值，即分别丈量与点A所相应的点A1、A2；与点B所相应的点B1、B2；与点C所相应的点C1、C2之间的距离。

2结果

2.1骨折裂缝分离值

加以本文所述载荷后，在骨折面，点A、B、C构成的骨折裂缝分离值如图4、图5所示，此中图4为扭曲系数加大5倍的状况。

2.2骨折固定模型的最大应力值

对于采取上述三类不同固定方法固定的U型骶骨骨折模型，在L4上外表加以400N竖直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向转动—左旋、轴向侧弯—左弯）后，构成的最大应力均在内固定物处。由于本文采取的是仿生计划，因而随机选择三类固定方法坐姿状况下前屈的最大应力值云图，如图6所示。一切不同的加载方法在坐姿和站姿下构成的最大应力值，如图7所示。

2.3腰椎间盘的最大应力值

对于上述三类不同方法固定的U型骶骨骨折模型，在L4上外表加以400N竖直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向转动—左旋、轴向侧弯—左弯）后，在L4L5之间的椎间盘构成的最大应力值如图8所示，在第五腰椎与骶骨上外表（L5S1）之间椎间盘构成的最大应力值如图9所示。

3研讨

传统治愈骶骨骨折常采取骶髂螺钉进行固定，但有关报导证实采取骶髂螺钉进行固定并非能较好地治愈骶骨骨折[4-6]。从生物力学角度看，腰椎骨盆固定能够将体重从脊柱沿椎弓根体系及髂骨翼螺钉转化到髂骨中，进而以免了载荷过量加以于骨折处，督促了骨折愈合[5]。多篇文献报导采取腰椎–骨盆固定U型骶骨骨折可以供应多平面的安稳性，髂骨翼螺钉和横联（连通左右连通棒的固定件）可以供应程度方向的安稳性，L4–L5椎弓根螺钉+左右连通棒可以供应竖直方向的安稳性[7-8,16]，此中文献[7-8,12]采取的腰椎–骨盆固定方式均没有应用S1贯通螺钉。

本文对于U型骶骨骨折采取三类固定方法进行固定，并对L4上外表加以400N竖直向下的力并且7.5N·m不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向转动—左旋、侧弯—左弯）后，由图5可知，相近载荷功效下，不管是坐姿还是站姿，采取L4L5+S1+IS进行固定的骶骨骨折受力后构成的骨折裂缝值远远小过采取L4L5+IS进行固定的骶骨骨折构成的骨折裂缝分离值。

另外，内固定物可以承受的最大应力是反映其安全功能的规范之一，所承受的最大应力越大，越较易造成内固定物的毁坏并且固定失效。由图7能够看出，相近载荷功效下，不管是坐姿还是站姿，采取L4L5+S1+IS进行固定的骶骨骨折在内固定物构成的最大应力值均小过采取L4L5+IS进行固定骶骨骨折在内固定物构成的最大应力值。一样，椎间盘承受应力的大小是手术优劣的一个首要指标，椎间盘承受的最大应力越大，越较易造成腰椎间盘退变，进而激发下腰痛等病症[29-30]，由图8、图9能够看出，相近载荷功效下，不管是坐姿还是站姿，采取L4L5+S1+IS进行固定的骶骨骨折在椎间盘构成的最大应力值与采取L4L5+IS进行固定骶骨骨折在椎间盘构成的最大应力值差异不大。

因为S1贯通螺钉的存在，促使骶骨骨折领域与周边的骶骨有效的固定在一块，强化了程度方向的固定。由此能够看出，含盖S1贯通螺钉的腰椎—骨盆固定方式的生物力学特征高过没有S1贯通螺钉的腰椎—骨盆固定方式的生物力学特征。对于本文提出的S1S2固定方法，由图5可知，相近载荷功效下，不管是坐姿还是站姿，采取S1S2固定的骶骨骨折构成的骨折裂缝值宏大于采取L4L5+S1+IS固定的骶骨骨折构成的骨折裂缝分离值。由图7能够看出，相近载荷功效下，不管是坐姿还是站姿，两类固定方法在前屈和左旋的功效力下，构成的最大应力值的差异较小，但在后伸或左弯功效力下构成的最大应力值的差异较大，因而针对采取L4L5+S1+IS进行固定骶骨骨折的患者，倡议术后减小后伸和侧弯活动。

另外，由图8、图9能够看出，采取L4L5+S1+IS进行固定的骶骨骨折在椎间盘构成的最大应力值远小过采取S1S2进行固定骶骨骨折在椎间盘构成的最大应力值。由此可知，采取L4L5+S1+IS进行固定的骶骨骨折的生物力学特征优于采取S1S2固定的骶骨骨折的生物力学特征。

但是，采取腰椎—骨盆固定治愈U型骶骨骨折也存在部分不够，有关论文报导术后引发的创伤大，个别患者会伴随传染产生[7,16]，因而在采取L4L5+S1+IS治愈流程中，须要注重伤口传染。另外，因为采取腰椎—骨盆固定，会限定腰椎和骶骨的活动度，进而带来下腰部疼痛，有关报导倡议在骨折愈合的8～12月间应取出内植入物[18]。

4论断

本研发创建了U型骶骨骨折的有限元模型，对其三类手术固定后的生物力学言行进行了研发。L4L5+S1+IS在生物力学指标上综合参考较为后最优于其余两类固定方法，因而倡议针对治愈U型骶骨骨折的患者，能够率先参考采取L4L5+S1+IS固定方法进行固定。