骨盆三维有限元模型的建立及其分析

【摘要】： 一、研究目的 骨盆骨折主要由高速交通事故、高处坠落、塌方等工程事故引起是一种严重而且复杂的高能量损伤类型，据报道25％～84.5％骨盆骨折为交通事故所致，死亡率约5％～20％，致残率为50％～60％。骨盆骨折的临床特点是高能量损伤、复合损伤，不仅有骨骼的损伤，而且还有合并损伤，包括出血性休克、胸、腹腔脏器损伤、尿道损伤、神经损伤及其它危及生命的损伤。但骨盆骨折的传统治疗法及外固定治疗的远期疗效不佳，有报告认为重度骨盆骨折的远期并发症为57％。随着对骨盆解剖及骨盆环破坏后的病理机制认识水平的不断提高，目前多数学者均主张通过切开复位内固定治疗重度骨盆骨折。 为此，本实验旨在回顾骨盆及其骨盆诸块骨之间的主要韧带结构、周围重要血管神经等结构以及与骨盆骨折类型之间的关系(综述1)基础上，尝试通过建立精确的骨盆正常与骨折脱位的三维图像；继之依据该三维图像采用数个专业软件建立骨盆的三维有限元模型，并对其可靠性进行分析与验证；最终结合临床上Tile C型骨折骶髂关节脱位的前路钢板螺钉内固定以及后路骶髂关节拉力螺钉内固定两种治疗方法进行有限元分析模拟，分析其生物力学稳定性，比较其固定的生物力学强度，并对该研究方法进行评价，进而探讨出一种高效、简便、价低、环保、质优的研究手段，丰富骨盆临床与基础研究的实验方法，从而有助于促进临床上骨盆治疗效果的提高。 二、材料与方法 1．回顾骨盆及其骨盆诸块骨之间的主要韧带结构(骶棘韧带、骶结节韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶髂骨间韧带、骶髂关节软骨、耻骨联合)、周围重要血管神经等结构以及与骨盆骨折类型之间的关系，以及与两种内固定有关的临床解剖(综述1)。 2．选择一例正常志愿者进行多排螺旋CT扫描。扫描平面：第四腰椎下缘至骨盆出口平面(坐骨结节下缘)，扫描层厚：0.625mm；存贮图像格式：DICOM格式。获得DICOM格式的二维图像数据，二维断层CT图像共410层，将其导入到三维重建软件Mimics中，采用Mimics三维重建软件重建骨盆的三维图像，然后利用Freeform自由造型系统专业软件对之进行修饰铺面，面网格划分等处理，结果以IGES文件格式保存，建立起骨盆的三维实体模型。 3．将上述所保存的IGES格式文件导入到大型通用的三维有限元分析软件ANSYS中，利用其强大的前处理功能模块添加骨盆韧带等附属结构，构建正常骨盆的三维有限元实体模型，并对其有效性进行验证；证实其有效后方能用于下一步计算。 4．在上一步的基础上，添加两块重建钢板和6枚小螺钉(钉板系统)用以模拟仿真骶髂关节脱位的前路钢板内固定，之后添加两枚骶髂关节松质骨拉力螺钉用以模拟仿真骶髂关节松质骨拉力螺钉内固定，构建骨盆骨折脱位的三维有限元实体模型，模拟临床骶髂关节脱位前路重建钢板以及骶髂关节拉力螺钉两种内固定方式，定义材料属性，利用ANSYS的Mesh tool工具的自适应模格划分功能，控制好各部位网格划分密度后，对模型各部分进行自动网格划分。之后，施加垂直载荷于第一骶骨体部的上终板，约束双侧髋臼缘，进行非线性应力分析求解。完成之后进行模拟仿真、应力等分析求解过程，求解结束之后采用该有限元分析软件的后处理功能，得出应力云图、应变云图等结果，结合临床进行结果分析。 三、结果 1．骨盆环的稳定性主要取决于韧带结构的完整程度，主要是后方韧带结构；骨盆创伤可以有几种不同的方式，每种方式都有特定的韧带损伤。S_1椎体及其周围重要组织的临床应用解剖有助于指导临床骶髂关节脱位的手术治疗。 2．MSCT扫描，获得了一套高精度DICOM数据资料；采用医学影像三维重建软件直接进行三维重建；利用Freeform对图像进行修饰、光滑、除去噪声等处理，并铺面，得到CAD实体模型。 3．将实体模型导入有限元分析软件，划分网格、单元，建立了高精度的骨盆三维有限元模型。建立的完整骨盆三维有限元模型共有266，826节点，170，456个单元。其中皮质骨、松质骨、耻骨联合、关节软骨以及内固定材料均为solid32单元，全部韧带为link单元。 4．通过施加载荷进行正常骨盆的有限元分析，结果表明：骨盆稳定，韧带结构添加合理，仅于坐骨大切迹部位存在应力相对集中现象，结果贴近实际，与其他材料的生物力学实验结果相一致。 5．对骶髂关节脱位的两种内固定手术方法进行了模拟仿真和应力分析。从应力和应变云图结果中可以看出：在前路钢板固定工况模拟时，施加载荷后最大应力值为0.525E+09Pa，位于钉板结合部位，骶骨相对于髋骨的移位方向为向下、向前和向右，总位移为0.294E-03m；而采用骶髂关节松质骨拉力螺钉固定时，施加载荷后最大应力值为0.321E+08Pa，位于骶髂关节拉力螺钉与髂骨的结合部，骶骨相对于髋骨的移位方向为向下、向前和向右，总位移为0.838E-04m。 对内固定自身的应力分布云图分析，钉板系统内固定自身的应力集中于螺钉与重建钢板的结合部。对于重建钢板而言，应力相对集中于钢板的内侧骶骨端，外侧髂骨端应力分布较小；对于2块重建钢板上的6枚螺钉而言，内侧的4枚螺钉应力分布较集中，高于外侧髂骨端的2枚螺钉。6枚螺钉的钉尖应力分布均小于螺钉与钢板的结合部，因此，在达到一定的屈服载荷作用下，首先在结合部有可能发生断钉的可能。而采用骶髂关节拉力螺钉内固定时，对于2枚拉力螺钉自身而言，Von Miles应力集中分布于骶髂关节拉力螺钉与髂骨的结合部，均高于钉帽和钉尖部位，因此，在达到一定的屈服载荷作用下，有可能在该部位发生断钉现象。 两者相比较而言，采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小，应力分布均匀，无明显的应力高度集中现象，固定强度更大，固定后的骨盆更稳定，结果与国外学者的实验也一致。 四、结论 1．骨盆环的稳定性主要取决于韧带结构的完整程度，主要是后方韧带复合体结构；骨盆创伤可以有几种不同的方式，每种方式都有特定的韧带损伤。 2．采用16排CT对志愿者进行薄层螺旋CT扫描→获得高精度的DICOM数据→Mimics软件快速重建骨盆的三维图像→Freeform软件处理后获得高质量的骨盆三维实体模型这一方法，具有方便、快捷、高效、准确等优点。 3．骨盆骶髂关节脱位的两种内固定疗效模拟仿真、有限元分析结果表明采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小，应力分布均匀，无明显的应力高度集中现象，骶髂关节拉力螺钉固定强度更高，固定后的骨盆更稳定，效果更佳，与他人标本生物力学实验结果相一致。 4．有限元法应用于骨盆生物力学研究中，具有洁净环保、节约成本、省时高效、高度模拟、重复性好、与客观实验相辅相成等优点。 5．利用本研究所建立的骨盆三维有限元模型，可按照需要进行后期继续开发拓展，比如可方便地模拟骨盆损伤的其它类型，进而在此基础上对其临床治疗手段进行探讨，为后期进一步研究打下了良好的基础。 6．本研究的不足之处。本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性，实物材料本身并不是均质、连续的，也不是各向同性，而是呈各向异性的特征。 7．有限元分析分析方法和其他的实物标本的生物力学测试方法各有优点和不足之处，应该相互结合，以弥补彼此不足，最后进行综合分析，才得出更为科学、合理的结果。