文摘
本研究旨在评估固定的生物力学机制系统最常见的t形截面的髋臼的骨折使用有限元方法。髋臼的骨折的治疗是基于广泛的临床经验。三个普遍接受严格的固定方法(双柱重建板块(P×2),前塔板结合后列螺丝(P + P)和前塔板结合四边形面积螺丝(P + q))为评价选择。有限元模型的基础上,这些固定的生物力学系统评估通过有效刚度水平、压力分布、力转移,沿断裂线位移。所有三个固定系统可以用来获得有效的功能结果。第三固定系统(P + q)是最优方法丁字形的髋臼的骨折。这个固定系统可以减少很多风险和限制与其他固定系统有关。
1。介绍
髋臼的骨折经常与影响力的创伤,尤其是创伤发生道路交通事故。骨盆骨折经常涉及损伤器官中包含骨盆骨的影响因素。此外,创伤extrapelvic器官是常见的和骨盆骨折常常伴随着严重的出血,因为该地区丰富的血液供应。骨盆骨折患者的死亡率在10%和16%之间。这种类型的损伤往往给社会和家庭造成巨大的伤害。因此,精确的诊断和全副武装的治疗计划是很重要的在实现功能和持久的结果(1]。
流离失所的t形截面的裂缝是复杂的管理和常见(通常从机动车事故,自行车事故,或从显著下降高度)。切开复位内固定和interfragmentary螺丝和重建钢板治疗选择的流离失所后壁和髋臼后柱骨折2]。早期解剖复位和刚性固定手术治疗的直接目标。与内固定相关的具体问题包括固定的螺丝或损失的关节内的渗透3- - - - - -5),特别是因为营养不良会导致关节软骨的加速退化(6]。解剖复位和稳定的固定是必不可少的有效的和长期的临床结果(3,5]。然而,五分之一的简单或额外的复杂骨折患者表现出较差的结果(7]。
研究生物力学机制、实用性和内固定系统的有效性是罕见的,因为骨盆骨折的复杂性及其固定系统。有限元法(FEM)的内在优势限制个体差异而不需要设备和环境变化。在利用有限元生物力学分析模型中,模型和外部负载的任何变化的任意组合是可能的。有限元模型的分析可以提供当地的反应机理,研究了应力-应变状态在任何表面和内部区域的模型,并避免造成的限制和偏差使用尸体测试(8]。因此,这种分析是一个有价值的补充临床观察和解剖研究。
本研究旨在建立一个有限元模型和评估三种固定方法的生物力学机制系统t形骨折,骨折最常见的一种复杂的程序。这些固定的生物力学系统进行评估的基础上有效刚度水平、压力分布、力转移,沿断裂线位移。
2。材料和方法
2.1。骨盆的有限元
医院伦理委员会许可。创建一个骨盆三维有限元模型的基础上,计算机断层扫描(CT)扫描图像一片宽度为0.5毫米的中国男性(40岁,身高175,体重65公斤)。点云是转换为盆腔的表面。网格划分是在组织的各个部分进行手动和自动分割方法相结合。与非线性固体六面体八节点元素(C3D8),平均厚度为1.5毫米,是抵消的代表皮质骨松质骨。软组织(即。,endplates, cartilage, and pubic symphysis) between pelvic bone were meshed into hexahedron elements. The bones, cartilages, and endplates were all represented by hexahedral mesh. To make the simulation realistic, ligaments including sacroiliac ligament ring, sacrospinous, sacrotuberous, inguinal, superior pubic, and arcuate pubic represented by truss elements were added to the FE model. The main pelvic ligaments were modeled as truss elements with a length of 2 mm. In addition, the material properties of the model were assumed to be homogeneous and isotropic. The total numbers of elements and nodes were 102506 and 147458, respectively. Furthermore, mesh sensitivity studies revealed that further refinement did not significantly improve calculation accuracy. The FE model of the pelvis is shown in Figure1。骨盆的材料属性如表所示1。
2.2。片段模型
t型骨折结合了横向分量和垂直分量分离低ischiopubic段到前部和后部列。这裂缝可分为合并骨折。在这篇文章中,一个融合了代表骨折线。收敛线起源于髂前下棘或槽的上边缘髋臼和沿着髋臼的中心来分离两个分支:一个髋臼前的一面,另一到达髋臼劣质的一面。模拟不稳定的骨盆,下支也破裂,如图2(一个)。
(一)
(b)
(c)
(d)
t形骨折分离骨盆分成三个部分。骨盆的上部无法保持稳定,因为较低的部分的骨盆很少甚至没有影响体重的支持。骨盆遭受较小刚度较完整的骨头。在这种情况下,属性(即。,density and elastic modulus) of the mesh along the converging line were weakened to one-tenth of the normal mesh [9,10]。
2.3。外科技术
髋臼的骨折的类型和性质大大影响使用的方法(11]。手术的目的是实现骨的解剖减少和髋臼关节面。未来的临床评价这种情况下是其中主要的手术策略是进行切开复位和内固定重建钢板和螺钉。操作的结果的措施包括初始位移的大小,和减少术后值表示的实现(11]。系统可以复位骨折组件固定到原始位置达到良好的治疗效果。骨折固定装置的镍钛记忆合金(镍钛)更有利于骨折愈合;因此,固定系统是由这种材料(2]。
2.3.1。双柱重建板块(P×2)
这个固定系统是最传统的和广泛使用的方法与其他两个系统相比,尤其是在影响和骨软骨碎片。这个固定系统由两个重建板及其固定螺丝(9]。对于前列固定,使用骨盆重建钢板,从骨盆的耻骨联合在rim跨越前列缺陷,10厘米到髂骨内侧墙。后列的外表面固定应用髂骨,旁边的髋臼的rim的身体髂骨(见图2 (b))。板必须弯成合适的形状之前应用髂骨和被几套螺丝固定。之间的接口板和骨被建模为面对面的接触摩擦系数0.1模拟关节之间的滑动表面(11]。被小心地避免十字路口时螺丝插入板。重建板块被简化为平滑的板,不含螺丝孔。螺丝的线程被简化,3.5毫米直径的螺丝模拟棒状结构。
2.3.2。一个前塔板结合后列螺丝(P + P)
操作时间长,感染,大失血,外展肌无力,手术期间应避免异位骨化。因此,重建钢板应用微创的方法与一个复杂的骨折。前塔板(P)及其组螺丝一样的前(P×2)系统。此外,两个螺钉包含四边形区域的外表面优于弓状线和坐骨棘下螺钉固定。两个螺钉应该完全沉浸在髂骨骼而不是通过髋臼软骨避免额外的伤害病人(见图2 (c))。螺钉被简化为6.5毫米直径的螺丝。
2.3.3。一个前塔板结合四边形面积螺丝(P + q)
这个固定的位置上重建板系统几乎是一样的两名前(P×2和P + P)系统。四边形区域螺丝(QS)从外表面沿弓状线插入到坐骨棘。QS被重建钢板固定和四边形区域皮质骨插入(见图2 (d))。QS也担保产生的挤压力量之间的过盈配合螺丝和漏洞。这种固定可能比以前的系统创建一个更稳定的工作因为皮质骨的弹性模量和密度都大于骨小梁。
本研究的目的是评估验证double-limb t形骨折的固定系统的立场。这一立场是类似于现有的模型,如前所述,Sawaguchi et al。12]。定义的模型放置在一个特定的中立的立场与髂翼水平(在水平平面共面)。在矢状面,近端股骨轴是垂直的。在矢状面,近端股骨轴是垂直的。值为600 N表示,上半身的重量分布均匀的上表面骶骨。结束的自由度的股骨克制代表double-limb立场。
3所示。结果
3.1。骨盆模型的验证
骨盆模型经验垂直力加载在骶骨的上表面。•冯•米塞斯应力和位移分布髂骨在图所示3。本研究证实了安德森的发现et al。13和菲利普et al。14]。最大位移值是2.59毫米在我们的论文中,相比2.2毫米史的研究(8]。应力集中的区域观察到上级的髋臼和髂骨优于髋臼。•冯•米塞斯应力值的范围和位移在研究类似,区别是由于负载或边界条件或骨的属性,如骶骨无知,股骨和软组织(即。软骨终板)。这些发现表明本研究验证的有限元模型的应力和位移。
(一)
(b)
3.2。固定的验证系统
五种不同配置的刚性(nonfractured模型、断裂模型,三个固定系统模型),从模拟结果,与对方(表2)。骨折模型没有固定系统达到一个更高的最大位移比其他条件。因此,骨折模型的有效刚度不能承受很大的力量。马克斯·冯·米塞斯应力是一个信号的应力集中;也就是说,最大应力对应于一个更大更严重的应力集中。没有固定骨折模型系统比其他情况下更不稳定。因此,这个模型遭受最严重的应力分布。第三固定系统(P + q)最稳定的状态,而第一个固定系统(P×2)达到一个更应力分布可能由于螺丝插入。皮质骨的QS插入扮演着更重要的角色支持比其他螺丝断裂的骨头沉浸在低密度骨小梁。第一个固定系统(P×2)构成最大数量的钢板和螺钉固定系统有效抚平的压力。
髂骨应力分布如图所示4。在nonfractured模型中,最高压力发生在骶髂关节。的结节pubicum也遭受相当大的应力场,是骨折发生时应力分布类型。应力断裂角落里的是相当高,最高的应力发生在同一地方骨折线运行在髋臼缘。固定系统最高压力决定的类型。压力分布在髂骨的大部分地区是低于nonfractured模型。因此,骨折模型中的应力水平低于nonfractured模型的价值。骨折的发生改变了荷载传递路径。一个主要的区别是,外表面的荷载传递的预计髂骨骨折模型。所有这些固定系统服务函数t形骨折的稳定性好。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
在每个固定系统的应力分布模式如图站立场5。最高压力区域是指出在中间的螺丝松质骨骨折线,并没有观察到压力螺丝。这一现象中可以看到几乎所有的螺丝,除了螺钉。指出高压力重建板螺丝被绑的地区,特别是对一组螺丝。重建板的作用可以显示在所有系统:髂盘子都遭受了压力高于骨头。因此,重建板被保持的人工表面完整的骨头。滞后螺丝遭受同样的后两个固定系统的应力分布。螺钉的应力在第三固定系统(P + q)的值大于其他螺丝,包括PS和螺丝。因此,QS的功能保持骨盆骨折情况稳定。
(一)
(b)
(c)
生成的两条路径是沿着固定的骨折线访问验证系统。一个路径是低于骨折线,另一个在骨折线之上。沿着两条路径的位移如图6 (c)和6 (d)。它显示了所有条件包含一些常见的位移模式,除了骨折模型。这可能是由于荷载传递路径的变化,因为骨折的外观。沿着路径所示压力分布数据6 (e)和6 (f)。固定系统的应力水平和分布的影响。结论可以所有固定系统能够保持断裂成一个完整的骨头。沿着第一线位移的差异(向下的骨折线)低于第二行(向上的骨折线)。这个结果可能是由于一个事实,即股骨自由度约束;因此,骨盆的低分离部分附着在股骨遭受一个相对较小的变形相比,骨盆上分离的一部分。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4所示。讨论
本研究旨在模拟t形骨折的力学行为和评估固定系统推荐给骨折的生物力学机制稳定。被评估的生物力学机制的有效刚度、应力分布和力这三个模型的转换。
许多方法被用来预测应力模式生物力学应用程序,例如,实验技术,如应变测量和有限元等光弹性分析和数值程序,获得全面信息骨盆生物力学机制。的多功能特性有限元分析的潜力评估整个骨盆应力/应变对所有有关材料和参数分析。材料属性和加载和边界条件很容易变化的影响进行调查。因此,有限元法已被选为一个工具调查的影响不同的固定系统在复杂骨盆丁字形的骨折。
骨盆骨折的治疗是基于丰富的临床经验和理论形成的过程和骨折的治疗指南。考虑到骨盆的几何和结构,其中最流行的系统手术前列固定,其中包括髂骨的内表面和上表面的优越的耻骨支。单一重建板适用于几乎所有的骨盆骨折,而前重建板无法实现可接受的临床和放射学结果(1,3,15- - - - - -19]。因此,其他一些固定系统,如另一个板或PS,添加系统的减少失败的风险。
Erkmen等人进行了有限元分析来估计复杂应力场在骨盆骨,固定螺丝,盘子和评价的功能固定螺丝和金属板(20.]。Pierannunzii等人使用双板或髂和髂耻钢板治疗骨折两列。他们声称,这两个系统是适合骨折的方法。他们还报道,病理解剖学的基本元素和放射学会影响治疗计划和手术治疗18]。Sawaguchi等人进行了尸体实验来比较两个固定系统的差异;他们发现重建板,容易经由复杂的periacetabular骨结构,与其他相比显示,刚度无显著差异显然更刚性板块(12]。薄伽丘等人推荐使用支撑板的螺丝后壁骨折,特别是年轻患者(9]。所有这些研究表明,重建板块interfragmentary或滞后螺丝是流离失所的选择治疗骨盆骨折。
四边形面积是非常薄的骨头和提供了一个几乎所有的骨密质特性。骨头也近端关节。这个特殊的骨骼有所有类型的骨盆骨折的发病率高。传统的临床操作解决这些骨折没有涉及骨四边形区域,防止引入不必要的风险,而广泛的临床经验表明,固定系统参与这一领域能提供伟大的函数的结果21]。保持稳定的骨盆骨的阻塞效应是重要的,取决于臼骨(22]。皮质骨的阻塞效应比松质骨的价值更大。因此,螺丝插入四边形区域呈现的骨头比过程更稳定的螺丝都沉浸在骨头。
应力和位移分布改变断裂发生时。大部分地区的应力水平的髂骨骨折模型低于nonfractured模型。压力显著增加在所有的定位板连接或螺丝插入。因此,固定系统的刚度可以提高整个骨盆。固定的功能可以解释的应力分布模式:高压力固定系统组件对应于该组件所扮演的角色就越大。的最大应力在重建板或QS;因此,板和QS发挥了主导作用在保持稳定的骨折模型。固定螺丝的应力水平是低于言行也许是因为螺钉(PS和QS)渗透通过骨折线,紧密贴合的不规则表面克服阻力所产生的剪切和扭转。因此,重建板块结合螺钉可以产生良好的功能结果对于复杂骨盆骨折(21]。
相比于其他两个固定系统(P×2和P + P),第三固定系统(P + q)可以增加总刚度和减少最大位移。这个固定系统可以传输更多的体重从上向下分离部分分离部分比其他两个系统板。这些发现可能解释这一事实固定系统的弹性模量远远大于在皮质骨(110 GPa与17 GPa)。因此,该固定(P + q)是优化方法对t形截面的裂缝总骨盆的刚度、应力分布和螺丝的作用。
本文的结果是基于有限元模型。应该注意的几个点。首先,骨盆的几何和结构是复杂的。骨盆包括许多尖角和小间隙空间,无法模拟的有限元模型。以前的研究已经表明总盆腔机制对这些详细的功能(13]。此外,桁架元素类型与弹性模量而不是非线性特性被用来模拟骨盆韧带。弹性近似足够精确的比较研究骨盆的稳定性(23]。第二,t形骨折线随机变化,因此它不可能找到一个通用这骨折固定系统21]。此外,手术的验证取决于许多因素如手术时间,估计失血,流体替换,血液产品替代,术中并发症的发生,术后恢复。固定的实用系统,包括螺丝的关节内的渗透,重建钢板的屈曲,和失去固定系统,值得我们主要关注。因此,进一步基础研究骨盆损伤的评估应在未来达成精确的结论。
5。结论
本研究旨在评估固定系统t形骨折的生物力学机制。三个固定系统选择在这个研究上强大的增加近似的生物力学稳定性。第三固定系统(P + q)是丁字形的骨折的最佳方法的总盆腔刚度、应力分布和螺丝的功能。此外,这个系统需要一个手术时间短,固定很小的伤口,手术期间感染的可能性较低。还需要进一步的临床研究来验证当前有限元研究的观察。
缩写
| P×2: | 双柱重建板 |
| P + PS: | 前塔板结合螺丝后列 |
| P + q: | 前塔板结合螺丝四边形区域。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由山西最年轻学术带头人和优秀创新团队山西的高等学习机构。金融的贡献。