U 型骶骨骨折固定的有限元分析

Abstract

采用有限元法对三种 U 型骶骨骨折后手术固定模型的生物力学特性进行了研究。在之前建立并验证有效的完整腰椎—骨盆模型的基础上，建立了三种 U 型骶骨骨折手术固定模型：① S1S2 贯穿螺钉（S1S2），② L4–L5 椎弓根螺钉 + 髂骨翼螺钉（L4L5 + IS），③ L4–L5 椎弓根螺钉 + S1 贯穿螺钉 + 髂骨翼螺钉（L4L5 + S1 + IS）。然后，通过对 L4 上表面施加 400 N 竖直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向旋转、轴向侧弯），对比三种固定方式在坐姿和站姿下产生的骨折缝隙分离值和最大应力的差异。研究结果表明，在不同姿态下，不同手术组产生的骨缝隙分离值为：L4L5 + S1 + IS 远小于 L4L5 + IS 和 S1S2。对于内植入物而言，上述三种固定方式产生的最大应力值为 L4L5 + IS > L4L5 + S1 + IS > S1S2；对于椎间盘而言，上述三种固定方式产生的最大应力值为 S1S2 远大于 L4L5 + S1 + IS 和 L4L5 + IS。综合考虑，对于 U 型骶骨骨折而言，可以优先考虑 L4L5 + S1 + IS 固定方式进行固定。本文研究的目的在于通过比较采用三种不同的内固定方式固定 U 型骶骨骨折后的生物力学的差异，进而为临床手术提供有效的参考。

引言

骶骨骨折常发生于高空坠落、车祸等事故中，约占骨盆骨折的 17%～30%^[1]。按照骨折线位置的不同可将骶骨骨折分为 H 型、U 型、T 型及人字型骨折^[2]。由于骶骨骨折的种类繁多，每种骶骨骨折的治疗方案众多，因而导致现阶段对骶骨骨折的治疗方案尚未统一。如果治疗不当，将导致创伤性脊柱—骨盆分离（traumatic spine pelvic dissociation），从而使骨盆以及腰椎的稳定性受到影响^[3-4]，临床上常表现为由骨折近端严重滑脱（high-grade spondylolisthesis）所导致的腰骶部畸形、骨盆后环明显失稳及混合型神经功能损害^[2-3]。此外，骶骨骨折常伴有腰骶丛神经损伤，发生的概率为 94.3%，后者为患者后期致残的主要原因^[5]。

U 型骶骨骨折是一种特殊的骶骨骨折，临床表现为骶骨双侧纵行骨折合并横行骨折^[6]，多数患者为自杀性跳楼骨折，因此又将其称为“自杀性骨折”，这种骨折损伤导致脊柱和骶骨中上部与骨盆分离。由于此类骨折的发生率较低，约占骶骨骨折的 2.1%^[6]，临床医生缺乏治疗经验且治疗较为复杂，因此导致近年来外科手术的治疗方案仍存在较大争议^[7]。Keating 等^[8]对 35 例患有骶骨骨折的患者采用骶髂螺钉进行固定，术后有 15 例（44 %）患者出现畸形愈合。张伟等^[5]采用骶髂螺钉对患有纵向骶骨骨折的患者进行治疗，术后容易出现复位丢失和固定失效现象。Zhao 等^[9]建立了四种骶骨骨折的有限元模型，分别采用骶髂螺钉与贯穿螺钉对其进行固定，发现采用贯穿螺钉进行固定的骶骨有限元模型的稳定性大于采用骶髂螺钉固定的骶骨有限元模型的稳定性。此外，Käch 等^[10]于 1994 年首先报告了采用椎弓根螺钉与髂骨翼螺钉进行治疗纵向骶骨骨折的患者，并提出脊柱—骨盆固定（spinopelvic fixation）。Schildhauer 等^[11]在此基础上进一步提出三角固定的概念，即在整个装置上增加横向固定（连接左右串联 L4–L5 椎弓根螺钉与髂骨翼螺钉连接棒的固定件），能够进一步增加其固定的稳定性。Berber 等^[12]通过生物力学实验证明，对患有骶骨骨折的患者，采用腰椎—骨盆固定方法进行固定，能够为骨折部位提供足够的强度和稳定性，术后即刻负重。然而，目前尚未发现针对 U 型骶骨骨折，将采用骶髂螺钉固定与采用腰椎—骨盆固定两种不同方式的生物力学性能进行对比的研究，因此本文结合目前临床应用较为广泛的骶骨骨折治疗方案^{[2, 5, 8-18]}，提出以下三种固定方式：① S1S2 贯穿螺钉（S1S2）；② L4–L5 椎弓根螺钉 + 髂骨翼螺钉（L4L5 + IS）；③ L4–L5 椎弓根螺钉 + S1 贯穿螺钉 + 髂骨翼螺钉（L4L5 + S1 + IS）。然后，根据实际受力情况采用有限元法模拟前屈、后伸、轴向旋转—左旋、轴向侧弯—左弯时内固定物的受力情况，并分析受力后在骨折面产生的骨折缝隙分离值的大小，进而比较三种内固定方式固定后的生物力学性能的差异，从而为临床手术提供一定的参考。

1. 材料与方法

1.1. 有限元模型的构建

本文选用的有限元模型节选至本课题组以前建立并经过有效性验证的完整腰椎骨盆模型的部分节段：第四腰椎—第五腰椎（L4–L5）及骨盆节段^[19]，方法如下：基于一名健康女性（165 cm，65 kg，35 岁）的 L4–L5 及骨盆的微计算机断层扫描图像（micro-computer tomography，micro-CT）获取模型的边界信息（此 micro-CT 图像由天津医院—脊柱外科一病区提供，本课题组已授权可以使用该数据），然后利用此边界构建完整的 L4–L5 及骨盆模型。其中，L4–L5 节段包括：皮质骨、松质骨、后部结构、上下终板、软骨、髓核、纤维环以及黄韧带（ligamentum flavum，LF）、横突间韧带（intertransverse 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），其中髓核占椎间盘总量的 40%～50%^[20]；骨盆，包括：皮质骨、松质骨、耻骨联合、骶髂软骨以及骶髂前韧带（anterior sacroiliac ligament，ASL）、骶髂后韧带（长）（long posterior sacroiliac ligament，LPSL）、骶髂后韧带（短）（short posterior sacroiliac ligament，SPSL）、骶棘韧带（sacrospinous 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）等组成，所有韧带被赋予只能承受拉力。

对于 L4–L5 模型，皮质骨与终板均采用壳单元来模拟，并赋予其 0.5 mm 的厚度，松质骨和后部结构采用四面体和五面体单元划分。对于骨盆模型，皮质骨和终板采用壳单元来模拟，同时赋予左髂骨、右髂骨 0.45 mm 的厚度以及骶骨 1.0 mm 的厚度^[21-23]，松质骨采用四面体和五面体单元划分，耻骨联合采用六面体单元划分。骶骨软骨与髂骨软骨的厚度比为 2:1，其中骶骨软骨厚度为 1.8 mm，髂骨软骨厚度为 0.9 mm，两者之间的间距为 0.3 mm^[23]。在整个模型中，纤维环、髓核使用六面体单元划分，软骨采用五面体和六面体单元划分，韧带采用一维单元划分，并赋予其相应的横截面积。正常腰椎骨盆模型和 U 型腰椎骨盆骨折模型的有限元图形分别如图 1 所示。本文按照骨折线将骶骨采用蓝色和黄色两个不同的颜色区分，由于在骶骨骨折的同时，髂腰韧带以及骶髂后韧带也伴随断裂，因此去除了髂腰韧带以及骶髂后韧带。

图 1.

Finite element analysis model

有限元分析模型

1.2. 内固定物的建立

本文所选用的三种内固定的材料属性均为钛合金，其中 S1 贯穿螺钉的长度为 180 mm，直径为 6.5 mm；S2 贯穿螺钉的长度为 160 mm，直径为 6.5 mm；左右髂骨翼螺钉的长度为 80 mm，直径为 8 mm；L4–L5 椎弓根螺钉的长度为 45 mm，直径为 6.5 mm；串联 L4–L5 椎弓根螺钉和髂骨翼螺钉的连接棒直径为 5 mm，连接左右连接棒的横联直径为 7 mm。

1.3. 模型的材料属性

根据查阅的文献[24-26]，L4–L5 和骨盆的材料属性如表 1、表 2 所示。由于采用不同方式固定的模型的松质骨、皮质骨、后部结构以及螺钉的单元数量不一致，因此表 1、表 2 中仅列出正常的腰椎骨盆有限元模型的单元数量。

表 1. Material parameters and element types of the lumbar model.

腰椎模型的材料参数及单元类型

成分	单元类型	弹性模量/MPa	泊松比	厚度/mm	单元数量
皮质骨	S4R	12 000	0.3	0.5	1 321
松质骨	C3D8R、C3D4	100	0.2	—	75 279
后部结构	C3D8R、C3D4	3 500	0.25	—	76 235
终板	S4R	25	0.25	0.5	2 128
关节软骨	C3D8R	25	0.4	—	673
髓核	C3D8R	1.0	0.499 9	—	3 240
纤维环	C3D8R	4.2	0.45	—	2 080
前纵韧带	T3D2	7.8	0.3	—	5
后纵韧带	T3D2	10	0.3	—	6
黄韧带	T3D2	15	0.3	—	9
棘间韧带	T3D2	10	0.3	—	6
棘上韧带	T3D2	8	0.3	—	1
横突间韧带	T3D2	10	0.3	—	5
关节囊韧带	T3D2	7.5	0.3	—	20

表 2. Material parameters and element types of the pelvic model.

骨盆模型的材料参数及单元类型

成分	单元类型	弹性模量/MPa	泊松比	厚度/mm	单元数量
皮质骨-骶骨	S3、S4R	17 000	0.3	1	12 215
皮质骨-髂骨	S3、S4R	17 000	0.3	0.45	31 159
松质骨	C3D4	100	0.2	0.45	222 294
耻骨联合	C3D8R	5.0	0.45	—	600
骶髂软骨	C3D8R	25	0.49	—	4 584
螺钉	C3D4、C3D8R	114 000	0.3	—	—
骶髂前韧带	T3D2	1 500	0.3	—	30
骶髂后韧带（长）	T3D2	10 000	0.3	—	8
骶髂后韧带（短）	T3D2	7 500	0.3	—	26
骶棘韧带	T3D2	8 000	0.3	—	10
骶结节韧带	T3D2	9 000	0.3	—	16
耻骨弓状韧带	T3D2	250	0.3	—	12
髂腰韧带	T3D2	10 000	0.3	—	20

1.4. 模型的载荷、边界条件设置

对 U 型骶骨骨折模型的 L4 上表面施加 400 N 竖直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向旋转—左旋、轴向侧弯—左弯），分别模拟人体位于坐姿或站姿，进行前屈、后伸、轴向旋转—左旋或轴向侧弯—左弯等活动时，人体自身体重施加于整个人体的受力状态^[27-28]。该载荷通过施加在 L4 上终板中心位置且与上终板表面耦合的作用点来实现，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 个自由度进行约束，模拟坐姿和站姿状态下的约束边界，如图 2 所示。所有网格划分、材料属性的定义、接触属性的定义、载荷以及边界条件的施加均在有限元前处理软件 Hypermesh（Hyperwork Inc.，美国）进行，其中软骨与软骨之间采用面—面接触、骨折面之间采用点—面接触、螺钉与骨面之间采用绑定约束、螺钉与连接棒之间采用绑定接触。仿真计算全部在有限元软件 ABAQUS（ABAQUS Inc.，法国）进行。

图 2.

Boundary constraint of the finite element model

有限元模型的约束边界

1.5. 测量骨折缝隙分离值

未施加载荷前，对采用上述三种不同固定方式固定的骨折模型，在其骨折面处均需标记相同的三个点，分别是位于骨折线左上方点 A、位于骨折线右后方点 B 和位于水平骨折线后方点 C，如图 3 所示。由于施加载荷后，在骨折面处会产生相对滑动，从而在骨折面会产生骨折缝隙分离值，即分别测量与点 A 所对应的点 A₁、A₂；与点 B 所对应的点 B₁、B₂；与点 C 所对应的点 C₁、C₂ 之间的距离。

图 3.

Original points of U-shaped sacral fracture measurement

U 型骶骨骨折测量的原始点

2. 结果

2.1. 骨折缝隙分离值

施加本文所述载荷后，在骨折面，点 A、B、C 产生的骨折缝隙分离值如图 4、图 5 所示，其中图 4 为变形系数扩大 5 倍的状态。

图 4.

Fracture gap separation diagram produced by anterior flexion in sitting position using three different fixation methods methods

三种固定方式坐姿状态下前屈产生的骨折缝隙分离图

图 5.

Fracture gap separation values generated by different loading methods in sitting and standing positions

不同加载方式位于坐姿和站姿状态下产生的骨折缝隙分离值

2.2. 骨折固定模型的最大应力值

针对采用上述三种不同固定方式固定的 U 型骶骨骨折模型，在 L4 上表面施加 400 N 竖直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向旋转—左旋、轴向侧弯—左弯）后，产生的最大应力均在内固定物处。因为本文采用的是仿真方案，因此随机选取三种固定方式坐姿状态下前屈的最大应力值云图，如图 6 所示。所有不同的加载方式在坐姿和站姿下产生的最大应力值，如图 7 所示。

图 6.

Maximum stress values of anterior flexion in sitting position using three different fixation methods

三种固定方式坐姿状态下前屈的最大应力值

图 7.

Maximum stress values of different loading methods

不同加载方式的最大应力值

2.3. 腰椎间盘的最大应力值

针对上述三种不同方式固定的 U 型骶骨骨折模型，在 L4 上表面施加 400 N 竖直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向旋转—左旋、轴向侧弯—左弯）后，在 L4L5 之间的椎间盘产生的最大应力值如图 8 所示，在第五腰椎与骶骨上表面（L5S1）之间椎间盘产生的最大应力值如图 9 所示。

图 8.

L4L5 maximum stress value of L4L5 intervertebral disc

L4L5 椎间盘最大应力值

图 9.

L5S1 maximum stress value of L4L5 intervertebral disc

L5S1 椎间盘最大应力值

3. 讨论

传统治疗骶骨骨折常采用骶髂螺钉进行固定，但相关报道证明采用骶髂螺钉进行固定并不能很好地治疗骶骨骨折^[4-6]。从生物力学角度看，腰椎骨盆固定可以将体重从脊柱沿椎弓根系统及髂骨翼螺钉转移到髂骨中，从而避免了载荷过度施加于骨折处，促进了骨折愈合^[5]。多篇文献报道采用腰椎–骨盆固定 U 型骶骨骨折能够提供多平面的稳定性，髂骨翼螺钉和横联（连接左右连接棒的固定件）能够提供水平方向的稳定性，L4–L5 椎弓根螺钉 + 左右连接棒能够提供竖直方向的稳定性^{[7-8, 16]}，其中文献[7-8, 12]采用的腰椎–骨盆固定方法均没有使用 S1 贯穿螺钉。本文针对 U 型骶骨骨折采用三种固定方式进行固定，并对 L4 上表面施加 400 N 竖直向下的力以及 7.5 N·m 不同方向的扭矩（前屈、后伸、轴向旋转—左旋、侧弯—左弯）后，由图 5 可知，相同载荷作用下，无论是坐姿还是站姿，采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定的骶骨骨折受力后产生的骨折缝隙值远远小于采用 L4L5 + IS 进行固定的骶骨骨折产生的骨折缝隙分离值。此外，内固定物能够承受的最大应力是反映其安全性能的标准之一，所承受的最大应力越大，越容易导致内固定物的破坏以及固定失效。由图 7 可以看出，相同载荷作用下，无论是坐姿还是站姿，采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定的骶骨骨折在内固定物产生的最大应力值均小于采用 L4L5 + IS 进行固定骶骨骨折在内固定物产生的最大应力值。同样，椎间盘承受应力的大小是手术好坏的一个重要指标，椎间盘承受的最大应力越大，越容易导致腰椎间盘退变，从而引发下腰痛等症状^[29-30]，由图 8、图 9 可以看出，相同载荷作用下，无论是坐姿还是站姿，采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定的骶骨骨折在椎间盘产生的最大应力值与采用 L4L5 + IS 进行固定骶骨骨折在椎间盘产生的最大应力值差别不大。由于 S1 贯穿螺钉的存在，使得骶骨骨折区域与周围的骶骨有效的固定在一起，加强了水平方向的固定。由此可以看出，包含 S1 贯穿螺钉的腰椎—骨盆固定方法的生物力学特性高于没有 S1 贯穿螺钉的腰椎—骨盆固定方法的生物力学特性。

针对本文提出的 S1S2 固定方式，由图 5 可知，相同载荷作用下，无论是坐姿还是站姿，采用 S1S2 固定的骶骨骨折产生的骨折缝隙值远大于采用 L4L5 + S1 + IS 固定的骶骨骨折产生的骨折缝隙分离值。由图 7 可以看出，相同载荷作用下，无论是坐姿还是站姿，两种固定方式在前屈和左旋的作用力下，产生的最大应力值的差别较小，而在后伸或左弯作用力下产生的最大应力值的差别较大，因此对于采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定骶骨骨折的患者，建议术后减少后伸和侧弯活动。此外，由图 8、图 9 可以看出，采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定的骶骨骨折在椎间盘产生的最大应力值远小于采用 S1S2 进行固定骶骨骨折在椎间盘产生的最大应力值。由此可知，采用 L4L5 + S1 + IS 进行固定的骶骨骨折的生物力学特性优于采用 S1S2 固定的骶骨骨折的生物力学特性。

然而，采用腰椎—骨盆固定治疗 U 型骶骨骨折也存在一些不足，相关论文报道术后引起的创伤大，少数患者会伴有感染发生^{[7, 16]}，因此在采用 L4L5 + S1 + IS 治疗过程中，需要注意伤口感染。此外，由于采用腰椎—骨盆固定，会限制腰椎和骶骨的活动度，从而带来下腰部疼痛，相关报道建议在骨折愈合的 8～12 月间应取出内植入物^[18]。

4. 结论

本研究建立了 U 型骶骨骨折的有限元模型，对其三种手术固定后的生物力学行为进行了研究。L4L5 + S1 + IS 在生物力学指标上综合考虑比较后较优于其他两种固定方式，因此建议对于治疗 U 型骶骨骨折的患者，可以优先考虑采用 L4L5 + S1 + IS 固定方式进行固定。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（11602172），国家自然科学基金重点项目（11432016）