骶髂关节脱位及骶骨骨折不同固定术式的有限元研究

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骶髂关节脱位及骶骨骨折是一种复杂的骨盆损伤,直接影响了人们的日常活动,由于临床针对上述两种损伤类型的治疗方案并不统一,因此采用有限元法比较采用不同固定方式进行治疗上述两种骨盆损伤的生物力学差异性是极其需要的。  本课题基于一名健康女性(身高165cm,体重55公斤,33岁)的电子计算机断层扫描图像(Computed Tomography,CT),根据人体腰椎及骨盆解剖结构,通过Mimics、Geomagic studio和Hypermesh软件构建出完整的腰椎(L4-L5)和骨盆有限元模型,包括终板、髓核、纤维环、软骨、耻骨联合以及依附在腰椎、骨盆的韧带。在此基础上,分别构建出两种骶髂关节脱位(Tile B和Tile C型)和两种骶骨骨折(U型和H型)的有限元手术固定模型。对于骶髂关节脱位,提出如下四种固定方式:①单枚S1骶髂螺钉固定(S1-1),②单枚S2骶髂螺钉固定(S2-1),③单枚S1骶髂螺钉联合单枚S2骶髂螺钉固定(S1-S2),④双枚S1骶髂螺钉固定(S1-2)。骶骨骨折手术固定模型包括以下三种方式:①分别经S1和S2双枚贯穿螺钉(S1S2),②单枚L4-L5椎弓根螺钉+单枚髂骨翼螺钉(L4L5+IS),③单枚L4-L5椎弓根螺钉+单枚S1贯穿螺钉+单枚髂骨翼螺钉(L4L5+S1+IS)。对上述不同手术模型施加不同的加载方式(垂直载荷、前屈、后伸)后,比较其生物力学之间的差异。  通过有限元计算分析,我们发现,对于治疗Tile B型骶髂关节脱位,采用S1-1、S1-2、S1-S2进行固定,在骶骨上表面产生的位移值均在正常范围内(小于正常骨盆的位移值)。这表明采用S1-1骶髂螺钉能够满足Tile B型骶髂关节脱位的固定要求。然而,对于Tile C型骶髂关节脱位,只有采用S1-2、S1-S2固定,受载后在骶骨上表面产生的位移值在正常范围内。而综合考虑位移及角位移等指标,S1-S2更加优于S1-2,从而可以提供更高的稳定性。因此,对于治疗Tile C型的患者,可以优先考虑采用S1-S2进行治疗。对于骶骨骨折,我们发现,对于治疗U型骶骨骨折:相比于另两种固定方式,采用L4L5+S1+IS产生的骨折缝隙分离值及在骶骨上表面产生的位移值均较小;采用L4L5+S1+IS和S1S2固定产生的最大应力值差别不大,均小于采用L4L5+IS固定产生的最大应力值;对于H型骶骨骨折,综合考虑骨折缝隙分离值、最大应力值及在骶骨上表面产生的位移值等指标,L4L5+S1+IS更加优于其余两种固定方式。因此,对于治疗骶骨骨折的患者,可以优先考虑采用L4L5+S1+IS固定方式进行治疗。
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