文摘

本研究旨在评估骨盆环损伤的生物力学机制的稳定骨盆使用有限元(FE)方法。复杂的骨盆骨折(即。,anterior column with posterior hemitransverse lesion) combined with pelvic ramus fracture was used to evaluate the biomechanics stability of the pelvis. Three FE fracture models (i.e., Dynamic Anterior Plate-Screw System for Quadrilateral Area (DAPSQ) for complex pelvic fracture with intact pubic ramus, DAPSQ for complex pelvic fracture with pubic ramus fracture, and DAPSQ for complex pelvic fracture with fixed pubic ramus fracture) were established to explore the biomechanics stability of the pelvis. The pubic ramus fracture leads to an unsymmetrical situation and an unstable situation of the pelvis. The fixed pubic ramus fracture did well in reducing the stress levels of the pelvic bone and fixation system, as well as displacement difference in the pubic symphysis, and it could change the unstable situation back to a certain extent. The pelvic ring integrity was the prerequisite of the pelvic stability and should be in a stable condition when the complex fracture is treated.

1。介绍

耻骨联合,包括前阴纤维软骨的光盘,以及前、后,低,和优越的韧带,连接的前部分两骨盆臀部骨骼nonsynovial联合(1]。骨盆生物力学的分析显示了劣质公共分支和优越的公共分支函数拱门,在横向转移负载从一边到另一边,直立主干的重量从骶骨转移到臀部(2]。耻骨联合和它周围的韧带(优质和劣质阴韧带)连接这两个承载拱和维护机械完整性。耻骨联合的功能是保持骨盆的结构完整性,并提供联合稳定中和剪切和拉伸应力。

最低限度流离失所的耻骨支骨折急诊常见的小事故后,特别是在老年人当中。耻骨支骨折,通常发生在横向压缩骨折后直接影响的损伤(3),估计占三分之二的骨质疏松性骨盆骨折(4]。孤立的耻骨支骨折是低能骨折,他们常常被认为是相对无害的,通常在非手术治疗方法。

尽管复杂或单一的髋臼骨折合并骨盆环损伤占一小部分盆腔骨折,这种骨折严重程度不同,需要一个复杂的过程管理(5]。这不仅骨折创伤后,高能periprosthetic骨折,还包括与复杂髋臼的结合不稳定骨盆骨折骨折组件(5]。复杂髋臼骨折或孤立的耻骨支骨折在很大程度上低估了在文学,而(孤立)耻骨支骨折并不明确,因为耻骨支骨折通常太平无事地愈合。此外,零星的病例报告关于复杂髋臼骨折的管理加上耻骨支骨折。

骨盆或其骨折的生物力学尚未彻底理解,因为其复杂的几何形状和结构。因此,执行其功能性能的详细研究是有益的。此外,骨盆的耻骨支骨折和中断敏感。几种不同的方法被用来研究骨盆生物力学,如“体内”应变式(6- - - - - -9),光弹性模型(10],和有限元分析[11]。在尸体的研究中,它仍然是骨盆生物力学的重要来源。尸体的真实性研究限于样本大小和测试的成本。有限元分析,适合参数研究和确定值比尸体的研究,已经被用于研究骨盆响应获取骨盆生物力学稳定性的深入见解。

本研究旨在探索与一个复杂的生物力学稳定性骨盆骨折通过有限元分析结合盆腔分支断裂。三个不同的模型被用来评价骨盆稳定。评估机制是基于应力和位移分布,迫使三个模型的转换。

2。材料和方法

2.1。骨盆有限元模型

CT扫描图像是来自武汉总医院广州命令。医院伦理委员会许可。激光地形进行创建骨盆模型通过使用16-slice螺旋CT的精度0.5毫米(40岁,身高175厘米,体重65公斤)。骨性组织网状使用人工和自动划分方法在ANSYS软件ICEM CFD 14.5和12.0 Hypermesh。皮质骨厚度1.5毫米根据先前的研究12,13]。软组织(即。,end-plates, cartilage, pubic symphysis, and acetabular fossa) between bony tissues were automatically generated into hexahedral mesh grids in Hypermesh. In order to ensure the convergence of optimization and the consistence of displacement between adjacent tissues, shared nodes contact has been used between tissues in the software of Hypermesh. It is difficult to assign different materiel properties to different tissues in a whole model. Therefore, different pelvic tissues were assigned to single part. Tied contacts were used between tissues with surfaces that were adjacent to each other in the software of ABAQUS 12.0 to ensure that no relative displacement occurs. The main pelvic ligaments were dragged in Hypermesh and modeled into truss elements with a length of 2 mm. Furthermore, the material properties of the model were assumed to be homogeneous and isotropic [14- - - - - -16]。为了探索网格敏感性骨盆的机械性能,髋臼网格中精炼出来2毫米到1毫米的髋臼的骨头。髂骨骨盆有限元模型和不同网格长度如图1。骨盆骨和韧带的属性如表所示1和2,分别。

2.2。片段模型和手术技术

前与后列hemitransverse损伤结合盆腔支骨折是一种相对常见的骨折在车祸事故。Letournel [17]表明,前与后列hemitransverse病变决心使用两行融合,它起源于前优越的脊椎和坐骨棘或略高于部分,和这两行合并中心的髋臼的骨头。最常见的,这种骨折类型存在低于髂前下棘或从中间耻骨支以上任何一点的前部分髂骨(图2(一个))[18]。这些数据构成前与后列hemitransverse损伤模型。骨盆环损伤几乎构成了优越的耻骨支骨折(图2 (b))。骨盆无法保持病情稳定骨折发生时。一系列的网格在骨折线被代表骨折。断裂缺口的宽度取决于网格的长度(2毫米在他的论文)。此外,后成为自由插入中间的骨软骨骨折发生,但很少或根本没有影响支撑体重。有人建议,骨折的稳定主要是松质骨的过程而不是一个大脑皮层的过程,与断裂的骨骼呈现相同的愈伤组织作为microcallus描述地层形态(19,20.]。在这种情况下,正常骨的弹性模量削弱到1/10意味着骨折线被削弱到15 MPa (19,20.]。

这些碎片都无法保持原来的位置,因为骨折;因此,系统被添加到返回固定髋臼的进入一个稳定状态。复杂骨盆骨折的主要方法是实现一个骨联盟通过减少断裂,同时保持原骨折组件以及保留骨股票未来的重建,如果必要的5]。骨盆骨折的治疗原则,包括骨盆环骨折,应基于解剖复位和容易刚性固定(21,22]。复杂骨盆骨折可以治疗通过切开复位和内固定,通常由重建板块和滞后或interfracture螺丝。

减少骨盆不稳定时耻骨支骨折发生。打开或闭合复位和早期内部或外部固定耻骨支允许疗愈没有残余变形。耻骨联合终于降低了通过优越的耻骨支截骨术释放被监禁的阴身体侧闭孔。重建板波状外形的超级耻骨联合,这是固定在中央片段。

前与后列hemitransverse病变是建立在右边hemipelvis和耻骨支骨折侧一侧。DAPSQ采用复杂髋臼骨折。将螺钉通过前一种方法是一种新颖的方法来治疗复杂髋臼的骨折(15,23),已获得中国国家专利(24]。螺纹的螺钉前列后列可以产生特定的临床结果,但其固定偏心(部分后),需要的骨折块前部和后部列不碎。

进行了钢板和螺钉的镍钛诺(镍钛形状记忆合金)(也就是因为他们的固有优势。形状记忆效应,显著的抗磨损和腐蚀,和良好的组织相容性)[25]。弹性模量和泊松比的镍钛形状记忆合金110 GPa和0.3,分别。板之间的接触和皮质表面被定义为面对面的接触摩擦系数为0.1。耦合约束之间用钢板和螺钉,以确保不会发生相对滑动。嵌入在骨盆骨螺丝,用于指定一个元素或一组螺丝或元素,嵌入在骨盆的响应将被用来限制平动自由度的螺丝节点26]。

分析耻骨支的影响,创建三个模型如下:第一个模型:DAPSQ前列后hemitransverse病变在右边,这是结合耻骨完整性在侧端(图2(一个))。第二个模型:同等条件下在右边,而上级伪劣耻骨支破裂没有固定系统(图2 (b))。第三个模型:钛板固定系统解决耻骨支骨折(图2 (c))。

2.3。加载和边界条件

double-limb立场是对每个模型。生理负荷是类似于现有的模型,所述Sawaguchi et al。27]。模型将被放置在一个特定的中立的立场与髂翼级别定义(在水平平面共面)(28]。在矢状面,近端股骨轴是垂直的。自由度的股骨是克制代表double-limb立场。600牛的体重是加载在骶骨的上表面。

骨盆的验证模型和固定系统:DAPSQ。•冯•米塞斯的内侧和外侧的观点强调观察骨盆骨皮质骨的图所示3。•冯•米塞斯应力水平而言,目前的模型和现有的模式12,15)或体内实验数据(29日)协议。应力集中的区域观察到上级的髋臼和髂骨优于髋臼。为了验证有限元模型中,8分(Dalstra体内实验中对应的位置(29日)选择评价•冯•米塞斯应力水平。•冯•米塞斯应力平均在8个位置为2.68 MPa,略大于获得的价值尽管菲利普斯仿真(约2 MPa)和Dalstra活体实验(1.73 MPa在左侧骨盆骨和2.02 MPa在右侧)。差异可能是由于骶骨或股骨的无知,或不同的加载和边界条件(力加载虽然髋臼)。

为了探索网格敏感性骨盆的机械性能,生成路径在髋臼缘(图4)来评估网格敏感性的应力和位移分布。两种有限元模型的应力和位移分布与不同网格大小几乎是相同的。因此,网格敏感性研究显示,进一步细化并没有显著地提高计算精度。因此,研究结果都表明,有限元模型在本研究中产生的应力场是类似报道在以前的文献,和可以满足我们的需求12,15]。

髋臼的骨折通常使用重建板和固定或螺钉治疗。此外,重建板能有效地支持骨折碎片断裂组件保持在原来的位置。螺丝能紧密贴合的不规则的表面,克服阻力产生剪切和扭转。同时,四边形区域螺丝,通过前列后列能产生一个好的治疗效果,因为四边形螺丝完全插入到皮质骨表面产生刚度高于固定螺丝,只有插入两个目的。

此外,骨折线的弹性模量几乎没有影响骨盆的稳定性。沿着道路上骨折线(图生成5(一个))。不同弹性模量下位移沿路径断裂如图5 (b)。四种不同弹性模量的值(0.01,0.01,1,10 MPa)被分配到骨折线。这些值之间有很大的区别的位移沿路径。而一旦固定系统(DAPSQ)应用,已减小到最小大小的区别。因此,骨折线弹性模量的值对骨盆的稳定性没有影响。

3所示。结果

骨盆骨的应力分布如图4。nonfracture模型,应力值在耻骨支大约是4 MPa,在髋臼(几乎是相同的15]。因此,骨盆环有一个重要的函数传递轴向力从上身到下肢。在第一个模型(DAPSQ结合完整的侧支的),完整的耻骨支承受更大的压力和转移力比nonfracture模型(图6 (b))。力的转换被断裂发生时,和力不能传播从耻骨支耻骨联合(图6 (c))。与此同时,力可以通过固定板转移但不能回到其完好状态当支骨折固定(图6 (d)),而耻骨结节,坚持耻骨联合(图遭受相当大的压力6 (d))。

耻骨联合是nonsynovial amphiarthrodial关节,连接两个阴的骨头。在图所示的合位移分布7。所有三个骨折模型不能匹配nonfracture模型;因此,骨盆骨折后很难恢复正常条件,尽管DAPSQ可以减少耻骨联合的最大位移。耻骨联合的节点位移不一致的双方在所有三个骨折模型,特别是在第二个模型。在第一和第三个模型中,较大的位移发生在正确的骨盆侧(DAPQS方面)。复杂骨盆骨折比耻骨支骨折更破坏性虽然固定系统应用,同时,在第二个模型中,最大位移所示左侧骨盆。耻骨联合的所有模型的最大位移发生在第二个模型(复杂骨盆骨折合并耻骨支骨折)。骨盆骨折的第二个条件是在不足的条件下,因为盆腔有一个很大的位移和非对称情况下。因此,骨盆受到复杂骨折加上盆腔分支断裂无法保持稳定状态。第三个条件的位移水平这两个前值之间不等。 Therefore, pelvic ring integrity was the prerequisite of pelvic stability.

固定系统的应力分布如图8。DAPSQ第二系统(图8 (b))遭受更高的压力比其他两个条件。最高压力,大于120 MPa,观察中心的重建板在同一条件。的应力分布模式DAPSQ结合固定耻骨支骨折(图8 (c)前两个条件之间的下跌。因此,骨盆环的完整性或需要稳定骨盆患有复杂骨盆骨折。

4所示。讨论

有限元分析骨盆稳定骨折是罕见的,因为复杂的三维几何、骨折类型的区别,固定系统的争议。本研究旨在探讨与复杂骨盆骨折的生物力学稳定性通过有限元分析结合骨盆环损伤。一个完整的、准确的,骨盆和验证模型开发和创建复杂骨盆骨折合并骨盆支骨折代表不稳定的条件。三个不同的模型被用来评价骨盆稳定机制。评估是基于应力和位移分布机制,迫使这三个模型的转换。

这项研究是基于有限元分析;因此,应该注意以下几点。首先,骨盆模型的准确性影响有限元结果的准确性。为一个真正的骨盆,皮质骨厚度相对较高的值被分配在特定的位置,并创建一个骨盆模型与现实骨盆模型是困难的12]。但是,先前的研究已经表明,皮质骨皮质厚度(应力变化不敏感12]。此外,骨盆韧带与弹性模量,因为没有使用桁架元素建模的三维几何模型的骨盆韧带。弹性近似足够精确的比较研究骨盆稳定性(30.]。其次,找到一个普遍的复杂骨折固定系统结合骨盆环损伤是不可能的,因为骨折严重程度和多样性的变化,需要一个复杂的过程为整形外科医师进行操作(15,23]。此外,固定系统的具体问题,如异位骨化,外展的弱点,和固定系统的滑动或破损,应关注的临床结果。因此,大规模的,正式的研究应该在未来进行的增强我们的结论的精度。

耻骨联合是一个nonsynovial amphiarthrodial两者之间的联合,形成一个纤维软骨的工会的耻骨(2]。这个发音经常不在主流整形外科医生的利益,因为戏剧性的症状或体征很少生产。和孤立的耻骨支骨折的手术是没有必要的。然而,骨盆环的完整性在保持骨盆的稳定性中起着举足轻重的作用[31日]。四种损伤模式是明显在耻骨联合:淀粉糖化酵素,intraarticular骨折,骨折,骨折脱位和重叠的混乱,以及组合。孤立的耻骨支骨折(淀粉糖化酵素和跨)骨折是常见的骨折,以及这些骨折通常是非手术治疗。孤立的耻骨支骨折患者预后有很好的长期缓解疼痛和功能的结果。与此同时,关节固定术可能是唯一在严重和顽固的情况下(即治疗选项。骨折脱位,重叠混乱或组合)。治疗这种情况下必须有一个复杂的过程来完成,也就是说,大规模流离失所的早期和快速复位和固定和不稳定骨折。

很少有学者参与的一般管理复杂的骨折治疗结合骨盆环损伤。开放复位内固定术是复杂骨折的一般方法(32减少),而一个封闭的心休息期和稳定的外固定提供了一个优化的孤立的耻骨支的治疗选择。复杂骨盆骨折合并骨盆环损伤严重程度和多样性的变化,这种断裂可能发生与一个复杂的过程管理(5]。

骨盆环的分析表明,瘦区域功能拱门,直立主干的重量从骶骨转移到臀部和转移负载在横向方向上从一边到另一边2]。上级伪劣耻骨支两侧形成两个“小”拱门盆腔刚度增加。关节的功能是吸收冲击在行走,让体重的交付。骨盆骨的应力分布显示,体重的一个主要部分是转移虽然骨盆环,尤其是来自上级耻骨支。这些发现与之前的研究相一致2]。同时,压力水平的耻骨支nonfracture模型大约4 MPa(获得的平均压力值在耻骨支)与骨折模型,是小于0.5 MPa。力的转换模式改变断裂发生时:垂直力主要是通过髋臼转移到臀部或虽然固定板另一侧,而不是通过骨折线。耻骨骨折环贡献小骨盆稳定。

的秩耻骨联合位移及其差异如下:第二个模型(DAPSQ结合盆腔支骨折)具有最大值,和第三个模型(固定耻骨支)。骨盆分支断裂使骨盆遭受大位移和刚度低,导致连续不稳定的骨盆条件,而固定耻骨支骨折可以改变断裂的骨头回到特定的程度。因此,骨盆环的完整性是骨盆稳定的先决条件。模型还表示,联合是主题的结合优势/劣势滑翔和横向压缩不对称结构下通过分析位移分布(33]。骨盆生物力学分析表明,耻骨联合和它周围的韧带可以中和剪切和拉伸应力提供骨盆关节稳定和保持完整性。

的板区域断裂线或螺丝更强调比其他职位;螺丝是一样的。这些结果可能归因于不同的相对位移分割部分或多变的材料。这两个原因可以产生剪切力或力矩产生固定的大阻尼系统。此外,每一部分的功能在固定系统可以解释通过压力水平,这意味着固定系统组件所遭受的压力越高,它的功能是越大。在重建板最大应力是观察;因此,板有主导作用在维持稳定的骨折模型。滞后螺丝比螺丝固定板压力更大,这可能归因于这样一个事实:螺钉完全插入到皮质骨表面产生刚度高于固定螺丝,只有插入两个目的。

有限元模型被广泛用于评估的稳定性或骨盆骨折30.,34,35]。这些研究主要集中在的影响方向,大小,或者应用程序加载的骨盆。然而,本文不同于之前的工作,因为我们创造了一个复杂骨盆骨折合并骨盆环骨折,在临床医生的指导下创建。此外,而不是直接应用力骨盆骨或髂窝,本文的体重是装载在一个完整的骨盆模型,其中包括骨与软组织结构(部分以及软骨)和主要骨盆韧带。结果,因此,比从简单模型更有说服力。我们研究的另一个方法是,创伤性生物力学从本文获得可以用于指导手术矫正。

5。结论

复杂骨盆骨折合并骨盆支骨折被用来评估骨盆生物力学稳定性。耻骨支骨折导致骨盆的不对称情况和不稳定的情况。固定耻骨支骨折了在减少骨盆骨的压力水平和固定系统和耻骨联合位移的差异,在一定程度上可以改变不稳定情况。因此,骨盆环的完整性是骨盆稳定的先决条件,应在病情稳定复杂骨折治疗。

缩写

DAPSQ:

动态前Plate-Screw系统为四边形区域。

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。