有限元方法在骨盆后环骨折生物力学研究中的应用

秦振书，王朝晖，罗 永，唐艳平，曾敏川，何 帅

骨盆后环是维持骨盆稳定性的主要结构，尤其骶髂关节对整个身体的运动质量起决定性作用[1]。骨盆空间结构构造复杂、个体差异大、损伤机制各不相同，给疾病诊断及手术修复带来较大困难，因此研究骨盆后环生物力学是确诊和治疗骨盆骨折的关键。二维图像如X线片及CT影像不够全面，仅凭借临床医生的经验进行诊断，具有一定的主观性和差异性。目前三维有限元方法提供了一条良好的手段，特别是三维有限元与快速成型技术相结合，不仅能够为复杂性骨折及畸形矫正的治疗提供前瞻性手术设计，而且还可以为骨折复位效果提供评估方案，同时也可以避免传统的生物力学研究方法所需器械复杂、耗材昂贵、样本来源受限的缺点，利于更快、更深入地开展骨科临床实践及相关学科研究。因此，本文通过三维有限元与快速成型技术的应用对骨盆后环骨折生物力学方面的研究作一综述。

骨盆骨折发生率逐年增高，约占全部骨创伤的3%，常由高能量暴力引起[2]。骨盆骨折致死率可达30%，致残率达50%～60%[3]。骨盆环主要由前环和后环组成，在骨盆的稳定性作用中前环约占40%，后环约占60%[4]，因此骨盆的稳定性主要依靠骨盆后环的完整性。骶髂关节是骨盆后环的重要解剖结构，对支撑人体负载起重要作用。如果骶髂关节骨折脱位不能正确治疗很可能遗留疼痛、畸形，导致残疾、功能障碍等[5]。当前，很多学者主张尽早内固定手术是治疗骶髂关节损伤的关键，不仅可以有效恢复骨盆环稳定性，还可以极大地改善骨折预后，越来越广泛地引起关注。

1 骨盆后环解剖特征

骨盆环状结构的稳定性主要由骨结构和强健的韧带起作用，二者缺一不可。骨盆环的前方由耻骨联合连接，后方由左右骶髂关节连接，骶髂关节是由两块髂骨耳状面、骶骨骨性结构及骶结节韧带和骶棘韧带连接，尤其是骶髂关节前后韧带复合结构是骨盆环稳定性的重要组成部分。Pieroh等[6]甚至认为骨盆的稳定性只需固定骨盆后环即可，前环可以不用固定。目前对骨盆后环解剖的研究还在进一步深入当中。

2 骨盆后环有限元模型的建立及其生物力学分析

2.1 有限元的发展

2.1.1有限元法的基本原理与优点 有限元法(finite element method,FEM)将空间中的物体通过相关软件转换成有限个节点的三维模型，再研究指定的节点，进一步通过对研究的物体进行材料赋值，从而得到与真实个体相似的材料质地、机械性能、结构及物理参数等，实现对整体或者局部的应力分析。总之，任何物体理论上都可以被分解成许多有限个三角面片构成的区域，这些小区域被称为有限元素。通过有限元法研究骨科生物力学不仅可以避免尸体标本难找、重复性差，而且具有成本低、高信度、重复性强与分析全面等优点。

2.1.2骨盆有限元模型的发展史 1943年Courant最早提出有限元素法的概念，Brekelmans 等[7]首次将有限元素法应用于骨科生物力学研究讨论股骨内部应力分布，标志着有限元法在骨科生物力学研究中正式拉开序幕。1982年Vasu等[8]建立了早期的骨盆有限元二维模型，这些模型难以模拟骨盆的各种应力机制，也不能直观地模拟处于不同平面骨盆复杂的三维结构。尽管1991年Harrigan和Harris[9]建立了骨盆的三维有限元模型，但这些骨盆模型的几何参数过于简单化，缺乏试验数据支持。近年来有限元方法技术日益成熟，在人工关节、关节及其软骨研究、脊柱、创伤骨科等方面广泛应用。

2.1.3骨盆后环骨折分型 Pennal等[10]结合骨盆完整性、稳定性及暴力方向，提出了一种骨盆力学分型系统。A型：骨盆环损伤有裂隙和撕脱骨折，但骨盆环仍具有稳定性；B型：骨盆环的损伤主要在垂直方向稳定而旋转不稳定，骨盆后环保持完整，但可合并髋部不稳定；C型：骨盆环旋转和垂直方向均不稳定，骨盆后环结构完全损伤，前环出现一处或多处骨折。骨盆后方最重要的结构是骶骨，影响着后环的稳定性，骶骨骨折最常见的损伤是后方的直接暴力所致。Denis等[11]根据解剖部位将骶骨骨折分为3种类型。DenisⅠ型：骶骨翼区域骨折；DenisⅡ型：骶骨孔骨折，骨折线通过骶骨孔，未累及骶管，神经损伤约占30%，常累及L5、S1或S2神经根，临床表现以坐骨神经症状为主，少数患者可出现膀胱、肛门括约肌功能异常、会阴部感觉异常及性功能障碍；DenisⅢ型：主要为骶管区骨折，累及骶管，神经损伤约占56.7%，可导致会阴部感觉异常、膀胱括约肌功能异常及性功能障碍，也称跳跃者骨折。

2.1.4骨盆骨折有限元分析 Krishnan等[12]通过计算机模拟“开书型”骨盆骨折并进行有限元分析，实验结果显示: 骶髂关节复合韧带在骨盆垂直和水平载荷的传递中起了重要作用，因此骨盆后环损伤可以通过有限元分析法模拟其不稳定性。Garcã等[13]通过有限元法比较不同骨盆骨折内固定后的应力分析，证实不同内固定对骨盆骨折的稳定性都有一定效果。Zhang 等[14]将髋臼骨折植入螺钉区域分为“安全区”、“相对危险区”、“绝对危险区”，通过有限元软件建模研究分析，认为在“绝对危险区”植入螺钉风险较大，“相对危险区”植钉根据骨折类型和每位患者股骨解剖而定。Whitlow等[15]最早通过模拟骶骨骨折进行有限元分析，结果显示，当模拟骶骨骨折时，骨折线增加时最大主应力降低83%，骨折面之间的应力降低48%。

2.2 骨盆后环生物力学分析

2.2.1骨盆后环应力分析 Fan等[16]通过有限元法建立骨盆模型，从有效强度水平、压力分布、力转移三个方面分别进行骨盆前柱骨折内固定系统的生物力学分析，发现所有不同的固定系统均可以达到满意效果。李正东等[17]也通过有限元法模拟完整骨盆结构(包括关节软骨及韧带)基本力学，并在模拟骨盆骨折模型上施加载荷后采集位移、应变和应力等相关数据，与之前大部分骨盆有限元模型不同的是将韧带和关节盘的影响考虑在内，通过数据分析得出骨盆稳定性取决于韧带的完整性，特别是骨盆后方韧带复合结构[18]。因此通过有限元法对建立的正常骨盆及模拟骨盆骨折的模型进行生物力学分析，有助于分析骨盆损伤机制和指导临床应用。此外，通过有限元法模拟人体正常骨盆结构，施加具有现实意义的载荷，还可以分析其内部的应力和应变，得到人体骨盆结构静态和动态响应的微观信息[19]。

2.2.2骨盆后环骨折并发症的预测 骶神经损伤常由骨盆后环骨折引起，特别是骶骨骨折是最常见的并发症。螺旋CT能很好地显示骨盆后环骨折部位，但CT检查无法区分后环神经与软组织，这就使临床医生很容易漏诊骶神经及周围软组织的损伤。对于合并神经损伤的骨盆骨折治疗方式很多，学者意见不一致。若需手术治疗，主要治疗方式为复位骨折块、坚强固定，减少因骨折块压迫导致的骶神经损伤。Zelle等[20]指出对于合并神经损伤的患者，早期手术可促进神经功能的恢复。研究还发现，当骶髂关节每分离1cm时，真骨盆容量增加约3.1%，但是骶髂关节分离3cm并伴耻骨联合分离10cm时，真骨盆容量增加约55%[21]；因此当骨盆环受暴力损伤时骨盆大量出血可引起骨盆容量变化，继而引起血流动力学不稳定，进一步导致脂肪栓塞、凝血功能障碍等。

2.2.3骨盆后环损伤手术入路的研究进展 对不稳定性骨盆后环骨折，一旦失去生物力学稳定性，且合并有神经损伤一般要手术治疗。手术治疗的目的是恢复骨折的稳定性，促进神经功能的恢复[22]。骨盆后环骨折传统治疗方式往往是切开复位内固定，但是术前主要靠骨科医生凭借X线、CT、MRI等影像学资料进行手术方案的设计，术中依靠医生的临床经验与术者操作熟练程度决定手术的成败，由于手术时间长、出血量大，术后患者康复周期很长。通过引入三维重建技术有利于手术治疗骨盆后环骨折。Stockle 等[23]认为3D导航不仅能够为术者提供全方位的观察角度，而且还可以帮助术者设计出更为安全的手术方案，明显提高骶髂螺钉置入的精确度和安全性，也可以大大降低术中血管、神经损伤的风险。目前通过3D打印技术制作出1∶1骨盆实体模型，医生可以术前进行模拟手术以及制定更为细致的手术规划。因此通过3D打印技术骨科医生可以优化设计手术方案，实现手术的精确化、个性化。

3 结语

三维有限元分析在骨科的应用已经充分地渗透到正常骨骼的力学分布、骨折发生的力学机制、骨折内固定的力学比较等方面，功能越来越强大。但是三维重建与快速成型技术仍有不足之处，3D打印技术规范与评估不够完善，三维重建模型是否能长期高强度使用，以及该技术所涉及到的知识产权、人类伦理、危险品处理等问题仍待解决。但是有理由相信，在骨科领域中，个体化治疗是未来医学发展的方向，也是每一个骨科医生解决骨盆骨折的最佳方案。