前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析(英文)

背景:已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。目的:利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。方法:在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。结果与结论:在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段.目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性.方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节问的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位.分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析.计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型.通过应力应变云图分析与比较后发现,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,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定.利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要.     

骶髂拉力螺钉和前路钢板治疗骶髂关节分离

骶髂关节分离为一种高能量骨盆损伤,关节分离超过0．5cm就可能影响到骨盆环的稳定性,需要手术复位固定,常用的手术方法有骶髂关节拉力螺钉内固定和前路钢板内固定等。作者2003～2007年共收治18例骶髂关节分离,其中采用前路重建钢板治疗10例,空心松质骨拉力钉固定治疗8例,报告如下。     

骶髂拉力螺钉和前路钢板治疗骶髂关节分离

骶髂关节分离为一种高能量骨盆损伤,关节分离超过0.5 cm就可能影响到骨盆环的稳定性,需要手术复位固定,常用的手术方法有骶髂关节拉力螺钉内固定和前路钢板内固定等.作者2003～2007年共收治18例骶髂关节分离,其中采用前路重建钢板治疗10例,空心松质骨拉力钉固定治疗8例,报告如下.     

骶髂螺钉联合前路重建钢板治疗合并骶骨骨折的骶髂关节脱位15例分析

目的：探讨联合使用骶髂螺钉、前路重建钢板两种内固定对治疗合并骶骨骨折的骶髂关节脱位的疗效。方法：15例TileC型骨盆骨折患者均合并骶骨骨折的骶髂关节脱位,“C”臂引导下行中空骶髂螺钉内固定,同时行3．5mm前路重建钢板切开复位内固定。结果：联合固定可达到最好的复位及固定效果,可早期功能锻炼。术后随访6～36个月,Majeed骨盆骨折评分：优9例,良6例。结论：骶髂螺钉与前路重建钢板联合固定适用于骶骨骨折的骶髂关节脱位。     

重建钢板结合骶髂关节螺钉治疗复杂骶髂关节骨折脱位

目的：评价重建钢板结合骶髂关节螺钉技术治疗复杂骶髂关节骨折脱位的临床疗效。方法：对11例髂骨翼骨折合并骶髂关节脱位的Tile C型骨盆骨折病例,采用后路重建钢板结合骶髂关节螺钉技术固定骨盆后环,8例同时固定骨盆前环,采用Matta 评分标准和Majeed 功能评分进行疗效评定。结果：8例前后环同时固定者,术后2周骨盆疼痛消失;3例未行前环固定者,骨盆疼痛消失时间需6周以上,1例骶髂螺钉发生松动。根据Matta评分标准评定,优9例,良2例。根据Majeed功能评分评定,优7例,良4例。结论：对于骶髂关节骨折脱位的Tile C型骨盆骨折,联合重建钢板和骶髂关节螺钉可重建骨盆后环的稳定性,同时固定前环可更快恢复。     

不同移位垂直不稳定骨盆骨折内固定稳定性的生物力学研究

目的探讨垂直不稳定骨盆骨折在不同移位下行后环骶髂关节螺钉和前环钢板螺钉固定的稳定性差异。方法将12具尸体骨盆随机取3具做压力测试为正常组，然后制成垂直不稳定骨盆骨折模型，骶髂关节和耻骨联合在移位0mm、4mm（低度移位组）、8mm、12mm（高度移位组）行后环骶髂关节螺钉和前环钢板螺钉固定，压力下测量骶髂关节和耻骨联合的垂直和水平移位。结果在不同移位下的垂直不稳定骨盆骨折行前后环内固定，低度移位组骶髂关节垂直稳定性显著高于高度移位组。结论垂直不稳定骨盆骨折尽量取得解剖复位固定，确保骶髂关节移位〈4mm，以提高骨盆环内固定的生物力学稳定性，有利于功能康复。     

垂直载荷作用下骨盆的三维有限元分析

背景：目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙阶段，而有限元法因其具有不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆的三维有限元模型，分析骨盆在垂直载荷作用下的应力／应变和位移分布。 设计、时间及地点：三维有限元分析，单一样本观察。于200703／09在南方医科大学生物力学实验室完成。 材料：健康成年男性志愿者1例进行PET—CT扫描，层厚1FfLrn，得N-维原始图像以DICOM格式输出。 方法：应用Mimics、Freeform、ANSYS等软件进行三维重建，并建立正常骨盆的有限元模型。模拟人体双腿直立位的生理姿势，对模型施加500N轴向载荷。具体方式为约束双侧靛臼，向骶骨椎体上表面垂直加压，压力均匀分布于各个结点。 主要观察指标：计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果：垂直加载500N载荷于骶骨上表面时，应力经两侧骶骨翼、骶髂关节，斜向下方经过坐骨大切迹附近，髂骨中央弓状线，传导至两侧髋臼。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。应变集中在两侧骶髂关节，绝对值很小，前方的耻骨联合处应变极小，呵忽略不计。位移以骶骨背侧的骶正中嵴处最大。 结论：正常骨盆是一个非常稳定的力学结构。过大的垂直应力容易引起骶骨或骶髂关节受损导致骨盆的垂直稳定性下降；恢复骶骨至髋臼的连续性对应力传导非常重要。     

不稳定型骨盆骨折18例诊治分析

目的:探讨不稳定型骨盆骨折的临床特点及其急诊处理、诊断和治疗方法.方法: 回顾性分析18例不稳定型骨盆骨折患者,10例保守治疗,8例手术治疗.骨盆前环骨折内固定方法为耻骨上支骨折采用重建钢板固定或拉力螺钉固定,耻骨联合分离患者采用双钢板固定;骨盆后环骨折固定方法为前路切开复位双钢板固定或CT引导闭合置入骶髂关节螺钉.结果: 18例患者全部恢复行走功能,所有保守治疗患者骨盆骨折均畸形愈合,但有6例并发骶髂关节部位酸痛,3例有双下肢麻木,2例跛行;8例手术治疗患者骨盆外形均恢复良好,仅1例患者诉沿髂嵴切口有不适,2例CT引导下经皮置入骶髂关节螺钉患者骨盆外形接近完全恢复,功能恢复快而满意.结论: 不稳定骨盆骨折患者宜首选内固定手术治疗,手术方法一般宜将骨盆前、后环均做复位固定;在骨盆后环固定方面CT引导经皮骶髂关节螺钉置入,其操作简单、时间短、出血少、损伤少、固定牢靠,是固定骨盆后环的首选方法.     

后路单钉棒治疗骶髂关节脱位的生物力学特性及其有效性

背景:目前骶髂螺钉广泛应用于治疗骶髂关节脱位,但是生物力学性能较差,不能达到坚强内固定。目的:探讨应用单钉棒治疗骶髂关节脱位的力学强度及临床疗效。方法:①取成年防腐标本12具,男女各半,分别切断骶髂关节韧带及耻骨联合结构,制作骶髂关节脱位、耻骨联合分离模型,将标本随机等分为骶髂螺钉固定组和骨盆后路单钉棒固定组,分别采用骶髂螺钉固定和骨盆后路单钉棒固定方法固定。②设定单钉棒系统临床适应证,收集16例骶髂关节脱位患者的临床资料,采用Mears的影像评定标准和骨盆骨折Majeed疗效评分评定固定效果。结果与结论:在相同载荷下,骶髂关节标本后路单钉棒固定组的位移、轴向刚度、极限载荷和屈服载荷均大于骶髂螺钉组(P<0.05)。16例患者随访时间平均为23.2个月(3～45个月)。根据Mears的影像评定标准,固定后解剖复位13例,满意3例。骨盆骨折Majeed疗效评分为60～100分,平均82分;其中C1型骨折的疗效优良率为82%,C2型为80%。提示与骶髂螺钉比较,应用后路单钉棒治疗骶髂关节脱位,其内固定强度更为可靠,临床疗效也更满意。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。结果与结论：垂直加载600N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

胫骨平台后外侧骨折3种内固定方式的有限元分析

背景：如今胫骨平台骨折的研究已由起初的内外侧＂双轨道结构＂逐步转型为＂360°全方位立体结构＂,国内外学者们更关注平台后侧结构的稳定性、复位情况以及对复位后功能恢复的影响。后侧平台的内固定材料的选择仍无明确定论,存在较大争议。目的：探讨胫骨平台后外侧骨折3种内固定方式的生物力学特性。方法：通过计算机三维有限元技术,模拟胫骨平台后外侧1/2和后外侧1/4骨折。分别使用前侧2枚6.5 mm拉力螺钉、外侧4.5 mm L型钢板以及后侧3.5 mm T型钢板置入内固定骨折块。在胫骨平台中心处加载500 N纵向应力,比较3种内固定方式的生物力学状态。结果与结论：在1/2骨块模型中,前侧拉力螺钉与后侧钢板在各个方向上的位移较小,外侧钢板的位移较其他两种固定方式大。而在1/4骨块模型中,前侧拉力螺钉在各方向的位移优势更明显,后侧钢板的位移居次,外侧钢板的位移最大。1/2骨块上,前侧拉力螺钉的最大应力为36.523 MPa,外侧钢板为153.372 MPa,后侧钢板为115.922 MPa;而在骨块上的最大应力前侧拉力螺钉模型为4.309 MPa,外侧钢板为4.37 MPa,后侧钢板为3.124 MPa。1/4骨块上前侧拉力螺钉的最大应力为36.803 MPa,外侧钢板为153.336 MPa,后侧钢板为104.234 MPa;而在骨块上的最大应力前侧拉力螺钉模型为1.195 MPa,外侧钢板为0.827 MPa,后侧钢板为1.196 MPa。提示前侧拉力螺钉能够承担更大的应力,并在受到应力后位移变化较小,可提供较稳定的支持。而后侧钢板在骨块较大（1/2骨块）时,能够提供较强的稳定性,与拉力螺钉相仿;而在骨块较小（1/4骨块）时,稳定性不如前侧拉力螺钉。外侧钢板在固定胫骨平台后外侧骨折时,稳定性较差,不如前侧拉力螺钉和后侧钢板。     

三维有限元模型分析3种内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学特点

背景：严重腰椎不稳定型骨折的内固定修复方法未形成统一的观点。目的：应用三维有限元模型对比分析不同内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学性能。方法：选取1个健康成年志愿者,用CT图像和Mimics软件建立T12～L2椎体三维模型,模拟L1椎体爆裂性骨折,并分别模拟后路减压短节段椎弓根钉固定、前路减压钛网置入内固定和后路减压内固定＋前路椎体次全切除钛网置入内固定3种治疗方法。将模型导入到有限元分析软件Abaqus,施加约束和载荷分别加载260N压力和10N·m转矩,模拟3种模型在不同工况下的椎体位移、应力传导情况,以及前后路固定器械的受力情况。结果与结论：从椎体位移分布情况来看,前后联合内固定方式下的位移要较其他两种内固定方式小。从应力分布情况来看,前后联合内固定方式更加符合载荷分布原则。从生物力学角度来看,前后联合内固定方式优于其他两种内固定方式。     

Biomechanical comparison of cervical discectomy/fusion model using allograft spacers between anterior and posterior fixation methods (lateral mass and pedicle screw)

BackgroundThe purpose of this study is to investigate effects of different fixation methods on the physical stress on allospacers, endplate-vertebral body, and implants using finite element model analyses.MethodsStress distribution and subsidence risk according to the fixation methods under the condition of hybrid motion control were analyzed. The detailed finite element model of a previously validated, three-dimensional, intact cervical spinal segment model, with C5–C6 segmental fusion using allospacer, was used to evaluate the biomechanical characteristics of different fixation combinations, such as anterior plate/screws, lateral mass screw, and posterior pedicle screw.FindingsThe load sharing on allospacers increased in extension in order of posterior pedicle screws (21.4%), lateral mass screws (31.5%), and anterior plate/screws (56.6%). lateral mass screw demonstrated the highest load sharing (68.1%) on the allospacer in flexion. The Peak von Mises stress of the allospacer was the lowest in flexion and axial rotation but the highest in extension with anterior plate/screws. Allospacer subsidence risk was the lowest in extension, lateral bending, and axial rotation with posterior pedicle screws but the lowest in flexion with anterior plate/screws. The bone-screw loosening risk was the lowest in all modes with posterior pedicle screws but the highest with anterior plate/screws.InterpretationPosterior pedicle screws demonstrated the best mechanical stability of allospacer failure-subsidence and the lowest risk of screw loosening. Different motion restrictions depending on the fixation method should be considered for implant and allospacer safety.     

Biomechanical evaluation of anterior lumbar interbody fusion with various fixation options: Finite element analysis of static and vibration conditions

BackgroundAnterior lumbar interbody fusion combined with supplementary fixation has been widely used to treat lumbar diseases. However, few studies have investigated the influence of fixation options on facet joint force and cage subsidence. The aim of this study was to explore the biomechanical performance of anterior lumbar interbody fusion with various fixation options under both static and vertical vibration loading conditions.MethodsA previously validated finite element model of the intact L1–5 lumbar spine was employed to compare five conditions: (1) Intact; (2) Fusion alone; (3) Fusion combined with anterior lumbar plate; (4) Fusion combined with Coflex-F fixation; (5) Fusion combined with bilateral pedicle screw fixation. The models were analyzed under static and vertical vibration loading conditions respectively.FindingsBilateral pedicle screws provided highest stability at surgical level. Applying supplementary fixation diminished the dynamic responses of lumbar spine. Compared with anterior lumbar plate and Coflex-F device, bilateral pedicle screws decreased the stress responses of the endplates and cage under both static and vibration conditions, while increased the facet joint force at adjacent levels. As for comparison between Coflex-F device and anterior lumbar plate, results showed a similarity in biomechanical performance under static loading, and a slightly higher dynamic response of the latter under vertical vibration.InterpretationThe biomechanical performance of lumbar spine was significantly influenced by the variation of fixations under both static and vibration conditions. Bilateral pedicle screws showed advantages in stabilizing surgical segment and relieving cage subsidence, but may increase the facet joint force at adjacent levels.     

锁骨中段骨折修复：重建钢板前置与上置的生物力学差异

背景：锁骨位置表浅,受到外界的应力极易发生骨折,重建钢板内固定是一种常用的修复方式,但钢板放置的最佳位置尚无统一观点。目的：采用有限元方法对比分析锁骨中段斜行骨折前置位和上置位重建钢板内固定的生物力学数据,以寻找更加有效的钢板放置位置。方法：从2012年9月至2013年9月在接受体检的健康群体中随机选择6名健康男性进行研究,均予以锁骨螺旋CT扫描,利用三维有限元方法,建立锁骨中段骨折重建钢板上置位和前置位内固定的三维有限元模型,并模拟不同的工况,对相关生物力学数据进行比较分析。结果与结论：压缩工况下,前置位和上置位各生物力学相关指标比较差异均无显著性意义（P均〉0.05）;顺时针扭转和弯曲时,前置位最大应力显著大于上置位,差异有显著性意义（P〈0.05）,但骨折块最大综合位移比较二者差异无显著性意义（P〉0.05）;逆时针扭转工况下,逆时针扭转和弯曲时,二者各指标数值比较差异均无显著性意义（P〉0.05）;如果在弯曲工况条件下,位移方面两种位置比较差异无显著性意义（P〉0.05）,但在骨折断端应力和内固定应力方面,前置位均显著大于上置位,具有更明显的应力集中效应,差异均有显著性意义（P均〈0.05）。提示利用重建钢板前置与上置内固定修复锁骨中段骨折会出现一定的生物力学差异,其中,采用重建钢板前置内固定是一种较为可靠的治疗方法。