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,截断骶髂关节间的骶髂前后韧带(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。     

一种新型骶髂关节内固定装置的三维仿真与对比验证

目的采用三维有限元方法对一种新型的棒-板内固定装置固定骶髂关节骨折脱位的力学性能进行分析,并与骶髂关节螺钉和前路植入钢板两种固定方法进行比较。方法根据CT扫描数据建立完整骨盆的三维有限元模型。去除模型一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位,然后使用棒-板内固定装置,骶髂关节螺钉和前路植入钢板进行模拟固定。对各模型施加同样的载荷来确定每种固定的力学性能。结果与骶髂关节螺钉和前路植入钢板相比,棒-板内固定装置可使骶髂关节的最大位移分别下降40%和42%。与对照组相比,棒-板内固定装置可使主要承载区的最大应力明显下降。此外,使用棒-板内固定装置固定可使髋部软骨和皮质骨的最大应力显著低于骶髂关节螺钉和前路植入钢板固定。结论由于棒-板内固定装置具有较好的力学性能,其可为骨盆骨折提供较稳定的固定方式。     

不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析

背景：骨盆稳定性主要由骨盆后环决定及骶髂关节决定，车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。手术治疗是最优方法，临床中存在多种内植物修复方式，但哪种治疗方式的生物力学性能最优仍有一定争议。目的：对比前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能，为其临床治疗及骨盆新型拉力钉研发提供参考。方法：(1)有限元仿真：利用Mimics、Wrap和SolidWorks分别建立正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复模型，利用Ansys分析模型的应力和变形情况；(2)生物力学实验：用15个完整骨盆标本随机分为5组，分别为正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复组，并用Instron E10000力学试验机进行力学测试。结果与结论：(1)仿真分析结果显示，正常骨盆模型骶骨平均位移为0.174 mm，骶髂骨最大应力为10.51 MPa，应力分布均匀；单侧不稳定损伤骨盆模型骶骨平均位移最大，为0.267 mm，模型应力集中明显；3种修复模型骶骨平均位移都接近正常骨盆模型，拉力钉修复模型骶髂骨应力分...     

新型骶髂关节内固定系统的三维仿真与对比验证

目的 建立使用新型的骶髂关节解剖型棒-板内固定系统（SABP）对骶髂关节骨折脱位 进行固定的三维有限元模型,并与骶髂关节螺钉、和前路重建钢板固定进行对比,验证 和分析其力学性能。 方法 根据CT扫描数据,采用专门的流线型生物力学有限元网格划 分器,建立完整骨盆三维有限元模型。去掉模型一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位, 使用新型的SABP内固定系统进行固定模拟,同时分别使用骶髂关节螺钉（SS）和前路重 建钢板固定（SP）建立对比模型,进行加载计算,分析受力情况。 结果 SABP 固定的 最大位移值比 SS固定减小约40%,比 SP固定减小约42%。与对照组相比,SABP 固定模 型中,在主要传承负载区域的最大Stress 值均为最小：在损侧髋皮质骨、和损侧髋软 骨区域, 比SS固定减小约 33%-70%;在骶皮质骨、和损侧髋皮质骨区域,比SP固定减 约 60%-75%。 结论 新型骶髂关节解剖型棒-板内固定系统的固定形式更趋合理,固定 结构更趋稳定,为骨盆骨折的治疗增加了一种更有效的新方法。     

第二代数字化人体骶骨纵形骨折微创内固定的有限元分析

目的比较经皮骨盆后方张力带钢板和经皮骶髂螺钉固定Denis 3类骶骨纵行骨折的术后稳定性和力学相容性,为不同类型骨折的内固定术式选择提供依据。方法采用第2代中国数字化人体"男性第23号"CT和MRI,构建完整骨盆有限元模型,骶骨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区纵形骨折伴同侧耻骨上下支骨折的经皮后方张力带钢板内固定有限元模型,以及这3类骨折的经皮骶髂螺钉内固定有限元模型。根据腰骶脊柱三柱加载模式和骶髂关节生理运动模式采用多方案有限元分析及实验验证。结果骶骨Ⅰ区骨折时,张力带钢板组(P组)的后环与前环器械应力均比骶髂螺钉组(S组)明显增加,骶骨位移也增加。骶骨Ⅱ区骨折时,P组后环与前环器械应力均比S组减小,骶骨位移明显减小。骶骨Ⅲ区骨折时,P组后环与前环器械应力以及骶骨位移均比S组明显减小。结论从内固定术后稳定性、骨折愈合的力学相容性及手术操作的安全性等方面考虑,经皮骶髂螺钉比较适合治疗骶骨Ⅰ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆,而经皮后方张力带钢板比较适合治疗骶骨Ⅱ区和Ⅲ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆。     

不同固定方法治疗Tile C型骨盆骨折的生物力学稳定性比较

目的比较不同固定方法治疗不稳定骨盆骨折的生物力学稳定性,为临床治疗提供参考。方法使用三维有限元方法,建立一侧骶髂关节脱位合并耻骨支骨折的不稳定骨盆骨折模型(Tile C型),前方采用改良Stoppa入路(anterior pelvic Stoppa approach,ASA)、前方经皮入路(anterior pelvic approach,APA)、传统的髂腹股沟入路(anterior pelvic ilioinguinal approach,AIA)、外固定架(anterior pelvic external fixation,AEF) 4种方法固定,后方采用骶髂螺钉固定(sacroiliac joint screw,SIJS)和经皮重建钢板(posterior tension-band plate,PTP)两种方法固定,并比较分析模拟站立状态时8种不同组合固定方法下骨盆环Von Mises应力、应变分布情况。结果加载竖直方向500 N载荷后,在前方内固定组中,骨折处的最大应力均被限制在10 MPa以下。内固定前、后方的最大应力分布ASA AIA AEF APA;在相同应力下,平均位移为ASA AIA AEF APA。而在后方固定组中PTP组在骶髂关节处及内固定后方的最大应力明显小于SIJS组,且在骶髂关节和骨折处的最大总位移和垂直位移也比SIJS组要小。结论不稳定性骨盆骨折在8种组合方法植入物的固定后均能得到明显改善,但采用ASA、AIA治疗前环损伤的生物力学总体性能要优于APA和AIA治疗的方法,PTP治疗后方损伤稳定性要优于SIJS固定。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

旋转和垂直不稳定型骨盆骨折临床特点与治疗方法探讨

目的：探讨旋转和垂直不稳定型骨盆骨折的临床特点及其治疗方法选择。方法：30例旋转和垂直不稳定的骨盆骨折患者，16例保守治疗，14例手术治疗，骨盆前环均行切开复位内固定；5例骨盆后环行切开复位双钢板固定，9例在CT引导经皮置人松质骨螺钉固定骶髂关节。结果：30例随访2—3年，14例手术患者全部恢复行走功能：9例cT引导经皮骶髂关节螺钉内固定骨盆外形恢复好，功能恢复快，效果满意，5例行前路切开骶髂关节双钢板固定患者中骨盆外形恢复，3例沿髂嵴切口不适；16例保守治疗患者全部骨盆畸形愈合，10例遗留骶髂关节部位酸痛。结论：旋转和垂直不稳定型骨盆骨折保守治疗效果差，宜首选内固定治疗。CT引导下经皮骶髂关节螺钉内固定操作简单、费时短、出血少、损伤轻、牢靠，是骶髂关节骨折固定的好方法。     

骶髂关节骨折脱位的手术治疗

目的回顾性分析26例骶髂关节骨折脱位的内固定方法和临床疗效,探讨骶髂关节骨折脱位的手术方法。方法对26例骶髂关节骨折脱位的TileC型骨盆骨折病例,16例采用经皮骶髂关节空心螺钉技术固定骨盆后环,10例采用骶髂关节前路钢板技术固定骨盆后环,所有病例同时固定骨盆前环,采用Majeed功能评分进行疗效评定。结果随访6个月～6年,平均2年3个月,本组病例术后未发生骶神经损伤、伤口感染等并发症,X线片示骶髂关节复位及内固定位置良好。根据Majeed功能评分,优9例,良10例,优良率达73.1%。结论对于骶髂关节骨折脱位的TileC型骨盆骨折,经皮骶髂关节空心螺钉和骶髂关节前路钢板均可重建骨盆后环的稳定性。而经皮骶髂关节空心螺钉固定具有固定坚强、损伤小等优点,值得推广应用,但操作技术要求高,并要注意防止手术并发症的发生。     

前路骶髂关节融合术治疗骶髂关节脱位

目的 报道前路钢板螺钉植骨内固定融合术治疗骶髂关节脱位的方法和疗效。 方法 采用前路钢板螺钉内固定植骨融合术治疗21例。 结果 21例骶髂关节脱位患者均施行前路骶髂关节融合术,随访时间10－24个月（平均12.5个月）。全部患者下地行走,17例无疼痛,4例轻度疼痛,无再次脱位等并发症发生,均恢复正常生活。 结论 前路骶髂关节融合术能有效恢复骶髂关节的稳定性,具有手术操作简单、疗效可靠的优点。     

三维组架螺钉与微创钢板固定SandersⅢ型跟骨骨折的有限元分析

背景：经皮复位加压固定的三维组架螺钉内固定在治疗SandersⅢ型跟骨骨折上已经取得了满意的临床疗效,但在生物力学方面是否可以达到微创钢板内固定的稳定性,以及对比之后的优势与缺点还不得而知。目的：通过有限元分析方法探讨不同内固定装置对SandersⅢ型跟骨骨折的固定效果。方法：选择1名26岁成年健康男性志愿者,根据其跟骨CT数据制作SandersⅢ型跟骨骨折有限元模型。选用经皮微创三维组架螺钉、跗骨窦微创钢板分别固定跟骨骨折模型,分别施加350,700 N纵向载荷,分析2种模型的位移、应力分布情况,比较各种模型的稳定性。结果与结论：(1)三维组架螺钉模型中骨块与内植物的峰值应力明显低于微创钢板模型,三维组架螺钉模型中骨块与内植物的平均应力也明显低于微创钢板模型;(2)2种模型的最大位移均位于后距关节面内侧,三维组架螺钉模型的最大位移小于微创钢板模型;(3)微创钢板模型前突骨块与内侧骨块的纵向位移更小,三维组架螺钉模型内侧骨块与中段骨块的横向与垂直位移更小;(4)提示2种内固定模型均能提供满意的固定效果,其中三维组架螺钉模型使应力分布更均匀、骨块综合位移更小,能提供更好的横向与垂直稳定性...     

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Mimics 10.0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600 N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600 N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。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

钉棒内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学效果

目的通过对比钉棒系统和钢板内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学行为,研究钉棒系统固定骨盆骨折的有效性。方法构建包含韧带结构的正常骨盆和2钉、3钉患侧、3钉健侧、钢板内固定Tile B2型骨盆有限元模型,在S1椎体上施加500 N均布载荷,模拟骨盆在双腿站立、单腿站立和坐位下的受力情况,对比正常骨盆与钉棒内固定、钢板内固定骨盆的位移和应力分布。结果钉棒系统和钢板均能对骨盆骨折进行有效固定,两者显示出与正常骨盆相似的位移和应力分布。各内固定中,3钉患侧内固定骨盆的最大位移在各工况下均最小,同时其应力水平明显低于其他内固定,双腿站立下其最大等效应力比2钉、3钉健侧和钢板内固定分别降低30.4%、20.8%、20.3%;坐位下分别降低31.8%、25.4%、18.5%;单腿站立下分别降低-6.5%、28.0%、61.1%。结论钉棒系统能够对Tile B2型骨盆骨折进行有效固定,且3钉患侧固定效果最佳。研究结果能够为临床骨盆骨折的方案选择提供理论依据。     

骶髂关节前路钢板螺钉固定手术安全区的应用解剖学研究

目的　通过对骶髂关节周围解剖和CT重建进行研究,明确骶髂关节前路钢板螺钉固定的安全区。 方法　选15具成人尸体骨盆,做以下测量：L4、L5神经前支到骶髂关节线的水平距离及到骶骨翼的垂直距离;L4、L5神经根从椎间孔到真骨盆缘的长度及其中点直径;在CT冠状位二维重建中测量：骶髂关节切线与矢状面的夹角;骶髂关节骶骨侧宽度。 结果 L4、L5神经根从上到下距离骶髂关节线的距离逐渐减小,最宽处分别为（2.1±0.2）cm和（2.6±0.2）cm,最窄处分别为（1.2±0.2）cm和（1.5±0.2）cm;L4神经根距离骶骨面的垂直距离从上到下也是逐渐减少,最高处约10 mm,最低处则紧贴骨膜,L5神经根前支则全长紧贴于骨膜;从出椎间孔到真骨盆边缘L4神经根的长度为（7.4±0.8）cm,其中点直径为（2.7±0.8）　mm;L5神经根的长度为（3.9±0.5）cm,其中点直径为（7.3±1.4）mm;CT重建中观察结果：骶髂关节面与矢状面的角度约为30度;骶髂关节线到椎管外侧缘的距离从上到下逐渐减少,最宽处3.3 cm,最窄处2.3 cm;到椎间孔外侧缘的距离较为恒定,约2 cm;　结论　骶髂关节前路钢板螺钉的安全区：钢板应置于骶髂关节的中、上部,上钢板向骶骨侧剥离不超过2.5 cm,下钢板向骶骨剥离不超过1.5 cm,螺钉内倾30°植入。     

钛板重建下颌骨体部缺损的生物力学变化

BACKGROUND:Three-dimensional finite element has been widely used in the oral cavity field, but little is reported on the three-dimensional finite element reconstruction of the mandibular body using titanium plate. OBJECTIVE:To study the biomechanical characteristics of reconstructing the mandibular body using titanium plate. METHODS:We established a three-dimensional finite element model of mandibular body defect undergoing reconstruction using bicortical titanium screws and titanium plate. Under the simulated normal occlusion state, a 200 N vertical load was added to the central fossa of the occlusal surface of the right mandible first molar. Then, stress distribution and maximum displacement of the mandible, titanium screw, and titanium plate were analyzed. RESULTS AND CONCLUSION:Under the simulated normal occlusion state, mandible stress was concentrated in the mandibular body and mandibular branch, especially in the anterior and posterior edges of the mandibular branch and the lower edge of the mandible. The stress in the posterior edge of the mandible was lower than that in the anterior edge of the mandible, and moreover, the contact site between the titanium plate and the mandible also presented a concentration of stress. The maximum stress of the bicortical titanium screws appeared near the screw cap, and the stress was also concentrated at the contact site between the titanium screw and the titanium plate. The maximum stress of the titanium screw at the ascending branch of the mandible was higher than that of the titanium screw at the anterior end of the defect. For the titanium plate, the stress was mainly concentrated at the fixed site of the titanium screws; the peak stress of the anterior and posterior edges of the titanium plate was found at the contact site between the anterior end of mandibular defect and the titanium stress as well as between the ascending branch of the mandible and the titanium screw. After mandibular body reconstruction using the titanium plate, a displacement was likely to occur at the contact site between the anterior end of mandibular defect and the titanium plate. In conclusion, these findings indicate that mandibular body reconstruction using bicortical titanium screws and titanium plate is relatively stable, but the titanium plate fixed at the anterior part of the mandibular angle is prone to breakage.     

新型骶髂拉力钉生物力学性能评价

目的 研究一种具有螺旋刀片结构新型骶髂拉力钉的生物力学性能。 方法 用临床中常用的骶髂经皮拉力钉作为对照。使用聚氨酯材料模拟松质骨,利用Instron力学试验机测试对比抗拔出性能。然后使用骨盆标本,以正常骨盆、单侧骶髂关节损伤骨盆、骶髂经皮拉力钉-单钉修复、骶髂经皮拉力钉-双钉修复骶髂关节损伤为对照,分析新型骶髂拉力钉修复正常站立姿态骶髂关节损伤的静态刚度和动态稳定性。 结果 新型骶髂拉力钉组拉力钉拔出后的聚氨酯材料破坏更小。新型骶髂拉力钉抗拔出的有效把持位移显著大于骶髂经皮拉力钉（P﹤0.05）。但骶髂经皮拉力的最大抗拔出力显著大于新型骶髂拉力钉（P﹤0.05）。骶髂关节损伤修复后,采用1枚骶髂新型骶髂拉力钉刚度显著高于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组（P﹤0.05）。骶髂关节损伤组的位移振幅最大,其次为正常组;其余组别的位移振幅较为接近,但差异具有统计学意义（P﹤0.05）。新型骶髂拉力钉修复的动态稳定性最优,略优于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组,骶髂关节损伤组的稳定性最差。新型骶髂拉力钉能有效修复骶髂关节损伤。结论 骶髂新型骶髂拉力钉能更有效地把持松质骨,具有一定的临床实用性。     

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。     

髋臼横断骨折后柱长/短钢板内固定的有限元建模及分析

目的 建立有效的髋臼横断骨折有限元模型,完成两种内固定方式的比较.方法 利用Mimics 10.0中建立髋臼骨骨折的三维模型,在逆向工程Geomagic中进行相应处理后,在ANSYS Workbench中生成短/长钢板固定模型,并进行加载分析.结果 相同加载方式下,短钢板模型的最大位移、模型整体及髋臼窝处的最大应力和最大应变,均大于长钢板模型.另外,短钢板模型更容易错位失效.结论 本文有限元模型能有效地反映骨盆应力分布,分析结果表明后壁钢板固定时,将钢板长度延伸至坐骨结节处能提供更大的稳定性.