通過有限元法分析Magic螺釘治療髖臼后柱骨折的生物力學穩定性。基于志愿者計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）數據建立骨盆三維有限元模型并驗證其有效性，然后生成髖臼后柱骨折模型，模擬采用經坐骨結節逆行拉力螺釘、后柱單鋼板、后柱雙鋼板和Magic螺釘進行固定，比較四種固定模型的生物力學穩定性差異。在骶骨上部施加500 N壓力模擬人體重力，站位以及坐位狀態下逆行拉力螺釘、后柱單鋼板、雙鋼板以及Magic螺釘固定模型的植入物最大應力分別為：114.10、113.40 MPa；58.93、55.72 MPa；58.76、47.47 MPa；24.36、27.50 MPa；骨折端最大應力分別為：72.71、70.51 MPa；48.18、22.80 MPa；52.38、27.14 MPa；34.05、30.78 MPa。兩種狀態下逆行拉力螺釘固定模型骨折端位移均為最大，Magic螺釘在站立狀態下位移變化量最小，但是坐位狀態明顯高于兩種鋼板固定。Magic螺釘可以滿足髖臼后柱骨折的穩定性需要，與傳統拉力螺釘、鋼板固定方式相比具有應力分布更均勻、受力更小等優點，是一種值得推薦的內固定方法。
引用本文： 章浩偉, 徐子環, 劉穎, 王永欽, 李鵬飛, 蔡鴻敏, 倪明. Magic螺釘固定治療髖臼后柱骨折的生物力學分析. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(4): 672-678. doi: 10.7507/1001-5515.202109042 復制
引言
髖臼由髂骨、恥骨和坐骨組成，為一半球形深窩，與股骨頭共同組成髖關節。從解剖上看，髖臼由前后兩柱構成，其中后柱被稱為髂坐柱，骨質堅厚致密，是骨盆承重的主要結構[1]。髖臼后柱骨折占全部髖臼骨折的50%以上[2-3]，多與車禍或高處墜落等高能量損傷有關，骨折位移較明顯，可伴有坐骨神經損傷、大出血等并發癥，通常需要手術治療。前側入路（髂腹股溝入路、Stoppa入路）不能直視下顯露后柱和后壁結構，復位工作需要借助前柱間接完成[4]。后側K-L入路盡管可以直視下復位后柱和后壁骨折塊，但內固定物在術中常需反復塑形及調試，手術創傷大，術后感染和異位骨化率較高[5-6]。微創治療是髖臼骨折治療的最新趨勢。Starr等[7]在2001年提出一種治療髖臼后柱骨折的新型微創方案——Magic螺釘技術，進釘點位于臀中柱上方，靠近髖臼頂，尖端朝向坐骨棘，骨通道位于髖關節后方[8]。陳劍飛等[9]通過對100例髖臼后柱骨折患者模擬Magic螺釘固定，發現選擇合適的角度和入釘位置可有效治療髖臼后柱骨折。Ruan等[10]報告了使用Magic螺釘在三維導航系統的幫助下治療5例髖臼骨折的案例，并介紹了手術方法。Li等[8]在骨盆三維模型中通過影像投影技術研究Magic螺釘固定的可行性，發現7.3 mm Magic螺釘是治療髖臼骨折，尤其是累及四邊體骨折的良好選擇。然而，有關Magic螺釘固定治療髖臼骨折的生物力學特征研究較少，缺少Magic螺釘的支持證據。本研究擬采用有限元分析方法分析Magic螺釘、逆行拉力螺釘及鋼板固定治療髖臼后柱骨折的生物力學穩定性，旨在：① 構建髖臼后柱骨折有限元模型并驗證；② 分析不同內固定技術治療髖臼后柱骨折的穩定性差異。本研究可以為髖臼后柱骨折的臨床治療提供參考。
1 材料和方法
1.1 骨盆有限元模型建立
選擇一名健康男性志愿者，年齡63歲，身高172 cm，體重75 kg。經拍攝X線片證實志愿者無骨質增生、骨質疏松現象，采用CT750 HD（GE公司，美國)和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）圖像采集設備Skyra 3.0（Siemens公司，德國），采集骨盆部計算機斷層掃描（computed tomography，CT）及MRI圖像，掃描部位自L5椎體下緣至雙側股骨上端，整個髂骨、骶骨包含在內，共獲取掃描層厚為1.5 mm、層距1.5 mm的MRI圖像147張。志愿者知情同意并簽署知情同意書。
將志愿者MRI圖像導入Mimics 19.0（Materialise公司，比利時）中建立骨盆模型（見圖1a），再導入Geomagic Wrap 2017（Geomagic公司，美國）中優化模型，最終在Hypermesh 2021（Altair公司，美國）中行網格劃分。骨盆模型中的骨骼和軟骨采用四節點三維應力四面體單元（C3D4），韌帶采用二節點Truss（T3D2）單元。最終分別得到375 658個節點和1 900 843個實體單元（見圖1b）。
圖1
骨盆骨骼系統
a. 骨盆骨骼系統三維模型；b. 骨盆系統局部網格劃分圖
Figure1. Pelvic skeletal systema. three-dimensional model of the pelvic skeletal system; b. partial meshing diagram of the pelvic system
將骨盆進行切割，建立髖臼后柱骨折模型，骨折間隙0.1 mm。通過Solidworks軟件（Dassault Systemes，美國）建立直徑6.5 mm逆行拉力螺釘（普通型，上海辛迪斯公司）、厚度3.0 mm常規后柱鋼板、直徑3.5 mm普通皮質骨螺釘（普通型，常州南翔醫療公司）及直徑7.3 mm Magic螺釘的模型。按照標準的手術程序對骨折進行模擬固定，其中逆行拉力螺釘固定使用直徑6.5 mm拉力螺釘經坐骨結節植入骨折髖部（見圖2a），單后柱鋼板固定使用5枚皮質骨螺釘（S1～S5）將鋼板固定于骨盆后壁（見圖2b），雙后柱鋼板固定使用9枚皮質骨螺釘（S1～S9）將雙鋼板（內側為T1，外側為T2，T1含有5枚螺釘，T2含有4枚螺釘）固定于骨盆后壁（見圖2c），Magic螺釘固定使用7.3 mm Magic螺釘經髖臼上緣打入，從坐骨小切跡穿出（見圖2d）。
圖2
四種內固定方式示意圖
a. 逆行螺釘固定模型；b. 單鋼板固定模型；c. 雙鋼板固定模型；d. Magic螺釘固定模型
Figure2. Schematic diagram of four internal fixation methodsa. retrograde screw fixation model; b. single-plate fixation model; c. double-plate fixation model; d. Magic screw fixation model
1.2 材料屬性
將骨盆各骨塊視為一個整體，簡化設定為密質均勻的線彈性材料，按照骨盆內關鍵韌帶的解剖起止點，采用二節點Truss（T3D2）單元依次添加骶髂韌帶、骶棘韌帶、骶結節韌帶和恥骨上韌帶等，模型中相關參數設定參見表1～2[11-12]。
表1
骨盆主要骨質參數
Table1.
Major bone parameters of the pelvis
表2
骨盆主要韌帶參數
Table2.
Parameters of major ligaments of the pelvis
1.3 加載與邊界條件
將有限元模型導入Abaqus2020軟件（達索SIMULIA公司，美國）。于骶骨上表面設置一個剛性面，經幾何中心給予500 N載荷，模擬人體上軀干重量，分別對雙側髖臼和坐骨結節進行完全約束，限制髖關節的6個方向自由度，模擬人體站立以及坐位狀態。鋼板與螺釘之間進行綁定約束。骨折塊與螺釘、不同骨折面之間均設為帶有摩擦的硬接觸，摩擦系數0.2[13]。
1.4 統計學分析
采用SPSS 27統計軟件（SPSS公司，美國）進行統計學分析。四種方式內固定后骨盆模型的最大位移和標志點位移變化量均進行t檢驗，檢驗水準α = 0.05。
2 結果
2.1 模型驗證
模擬完整骨盆站位和坐位狀態，施加于骶骨上部的人體模擬重力，經過兩側的骶髂關節傳遞至兩側的髂骨，力向后、向下經髖臼后柱，向前經骨盆內側弓狀緣至恥骨聯合，最后經髖關節傳至雙側下肢。其中骨盆模型的應力主要集中在骶髂關節和坐骨大切跡等部位，而由于固定位置的不同，站、坐位狀態分別在髖臼、坐骨結節也出現了應力集中。從骨盆的整體位移云圖可以發現，骨盆位移云圖呈對稱型，由受力部位向完全約束部位逐漸遞減。根據骨盆的應力集中部位以及位移云圖特征（見圖3）發現，骨盆模型的有限元結果與以往的相關報道相符[11,14-16]。
圖3
站位和坐位狀態下正常骨盆的應力、位移云圖
Figure3.
Stress and displacement clouds of normal pelvis in standing and sitting position
2.2 應力分布分析
2.2.1 內固定模型的應力特征
兩種狀態下的植入物應力對比如圖4所示。站立位時，逆行拉力螺釘的應力集中在拉力螺釘上端與后柱骨折端相鄰的部位，最大應力為114.10 MPa。單鋼板固定模型中螺釘應力集中在固定上下骨塊的S1（54.32 MPa）、S2（58.93 MPa）和S3（48.35 MPa），固定下骨塊的螺釘S5應力最小，為18.06 MPa；鋼板的應力集中于鋼板與骨折線相近處，最大應力為26.75 MPa。雙鋼板固定模型的螺釘應力主要集中在S1、S4、S6三個對角線位置螺釘，距離骨折線最近的螺釘S2應力最小，為18.19 MPa；鋼板最大應力為35.40 MPa，位于鋼板T2與螺釘S7的相交處。Magic螺釘固定模型中Magic螺釘應力集中在螺釘與骨折線相切處，僅為24.36 MPa。坐位時，逆行拉力螺釘的最大應力與站位無較大差異；單鋼板固定模型中最大應力部位與站位相同，集中于S1、S2、S3；雙鋼板固定模型的最大應力位于S6（47.47 MPa）處，鋼板T1應力比T2高26%；Magic螺釘的最大應力比站位高12.9%。
圖4
站位和坐位狀態下四種植入物應力云圖
Figure4.
Stress clouds of four implants in standing and sitting position
2.2.2 骨折塊應力分析
正常骨盆的應力主要集中在骶髂關節、坐骨大切跡附近以及不同狀態下的固定面（見圖3）。如圖5所示，站位時，逆行螺釘固定模型的應力主要集中在螺釘與骨塊的接觸部位，最大應力為72.71 MPa。骨折線上下骨塊接觸部位也出現了大面積的應力集中。單、雙鋼板固定模型在骨折下骨塊與螺釘接觸處出現了較多的應力集中現象，且最大應力也在釘孔附近。Magic螺釘固定模型的最大應力則位于Magic螺釘進釘點附近，為34.05 MPa。坐位狀態下，四種固定方式下的骨折端最大應力，分別比站位時低3.0%、52.7%、48.2%、9.6%。
圖5
站位和坐位狀態下四種固定方式的骨折端應力云圖
Figure5.
Stress clouds of the fracture ends of the four fixation methods in the standing and sitting position
2.3 位移結果分析
2.3.1 骨盆整體位移
內固定后骨盆模型的整體位移與正常骨盆模型相近，最大位移均不是發生在骨折斷面。其中，站位和坐位狀態下的逆行拉力螺釘、常規單鋼板、常規雙鋼板、Magic螺釘固定模型的最大位移分別為：20.09 × 10?2、68.77 × 10?2 mm；24.73 × 10?2、64.59 × 10?2 mm；23.57 × 10?2、63.83 × 10?2 mm；22.92 × 10?2、71.00 × 10?2 mm。將相同固定條件下的4組最大位移進行統計學處理，4組結果均有顯著差異（P < 0.05）。將位移沿著坐標系進行分解，X、Y軸分別代表內外和前后方向位移，Z軸代表垂直方向。結果顯示，站位狀態下逆行拉力螺釘固定模型在X、Y、Z三方向的位移量均低于其他三種固定模型，而常規后柱單鋼板固定模型的三方向位移量均為最大；坐位狀態下，Magic螺釘固定模型在X方向位移量最小，但另外兩方向的位移均比鋼板固定大，且不同固定方式下的各位移量均明顯高于站位（見表3）。
表3
骨盆整體位移和骨折端評價位移（× 10?2 mm）
Table3.
Overall pelvic displacement and fracture end evaluation displacement (× 10?2 mm)
2.3.2 骨折端評價位移
在骨盆骨折線等距選取10個標志點，測量相同狀態下加載前后標志點位移變化量，用來評估內固定后骨折治療情況，對兩種狀態下10組位移變化量進行統計學分析。結果顯示兩種狀態下位移變化量有顯著差異（P < 0.05）。根據測量結果發現，后柱骨折線上節點平均位移：站位時，Magic螺釘固定模型 < 常規后柱雙鋼板固定模型 < 常規后柱單鋼板固定模型 < 逆行拉力螺釘固定模型；坐位時，常規后柱雙鋼板固定模型 < 常規后柱單鋼板固定模型 < Magic螺釘固定模型 < 逆行拉力螺釘固定模型（見表3）。
3 討論
髖關節是連接軀干與下肢的重要關節，也是全身負載體重最多、受力最重的關節，髖臼后柱在髖臼承重中發揮了巨大作用[17]。髖臼后柱骨折是Letoumel-Judet簡明分型中的分型之一[3]，骨折線通常在坐骨大切跡上方，向下延伸通過髖臼頂部或負重區直至閉孔[18]。在骨盆前后位X線片上，可見髂坐線不連續，但髂恥線、前壁、髖臼頂和淚滴均完整，可伴有恥骨支骨折[19]。微創手術是髖臼后柱骨折最新的治療趨勢。本研究通過采集骨盆影像資料，構建了包括骨骼和韌帶的骨盆模型。施加模擬重力后發現骨盆的應力集中部位以及位移云圖特征與既往研究相同，證明所建模型精準可靠。在完整骨盆模型基礎上，建立髖臼后柱骨折模型，模擬采用逆行拉力螺釘、后柱單鋼板、后柱雙鋼板和Magic螺釘固定，分析站立以及坐位狀態下四種內固定方案的穩定性差異。研究發現，Magic螺釘固定具有良好的生物力學穩定性，可以作為治療髖臼后柱骨折的首選治療方案。
從有限元分析結果來看，Magic螺釘固定髖臼后柱骨折可以滿足髖臼后柱骨折治療的穩定性需求。Magic螺釘固定模型在站立以及坐位狀態下的骨折端最大應力為34.05、30.78 MPa，與正常模型的應力接近。這說明Magic螺釘固定模型具有很好的穩定性，可以進行早期的承重作用，并且模型的最大應力均低于松質骨的應力極限130 MPa[20]，不會出現應力性骨折。兩種狀態下固定模型的骨折端位移分別為（2.40 ± 0.34） × 10?2、（7.72 ± 0.82） × 10?2 mm，與常規鋼板治療后柱骨折無顯著差異。通過與其他固定方式對比，Magic螺釘固定在應力以及位移量方面與其他固定并無較大差異。
四種內固定模型中內固定物的應力存在較大的差異。逆行拉力螺釘、常規單鋼板、常雙鋼板以及Magic螺釘固定模型的內植物在站立和坐位狀態的應力差異為0.6%、5.8%、23.8%、11.4%，骨折端應力差異為3.1%、111.3%、93%、10.6%。內植物的形態、植入方向以及不同狀態均會導致上述差異。逆行拉力螺釘經坐骨結節垂直植入骨內，在矢狀面和冠狀面的角度很小，所以當加載外力后，螺釘受到的后柱骨折端剪切力較大。而其他三種模型中，螺釘均是傾斜植入骨內，受力更加均勻，所以并不存在較大的剪切力。但從應力云圖看，四種模型的應力均集中于內植物周圍。逆行拉力螺釘和Magic螺釘固定模型的應力主要集中在螺釘與髖臼骨折相鄰的部位；單、雙鋼板固定模型均采用多個螺釘將鋼板固定于骨盆后壁，在受到垂直向下的生理載荷時，鋼板和螺釘可以共同分擔髖臼后柱所受到的力，故應力主要集中在鋼板與螺釘的相交處。但是固定后模型的最大應力均遠高于正常模型，這表明骨盆在發生后柱骨折后，其穩定性明顯降低，即使通過手術治療也無法作為整體受力，所以出現局部應力集中。為了有效固定分離骨塊，可適當更改鋼板、螺釘位置以及螺釘進出釘方向以實現更好的固定。
后柱單鋼板和雙鋼板固定模型的穩定性較為接近。從骨折端應力分布看，雙鋼板固定應力較大，兩種狀態下二者峰值應力相差8%、16%，應力集中部位均位于后柱骨折端與螺釘接觸處。但從整體位移以及骨折端的位移分析，雙鋼板固定模型并沒有過多優勢，操作更為復雜，治療費用更高，從總體的穩定效果分析，對于單純后柱骨折，單鋼板固定更值得推薦使用。后期可考慮改變單鋼板入釘方向以及固定螺釘的長度，并與其他螺釘（逆行拉力螺釘、Magic螺釘）相結合，分析其固定效果與雙鋼板固定的差異性。
從模型的應變位移數值分析，站位狀態下逆行拉力螺釘、常規單鋼板、雙鋼板以及Magic螺釘固定模型應變位移量分別為0.05～0.20 mm、0.03～0.25 mm、0.03～0.24 mm、0.02～0.23 mm，其中Magic螺釘的位移量最小，位移結果與古金山等[21]研究中髖臼后柱應變位移量相近。坐位狀態下，Magic螺釘固定略高于鋼板固定。髖臼的應變位移量越小，說明內植物對骨折塊內固定效果越佳，有利于患者的早期恢復，這與臨床實際相符[6,22-23]。而坐位時逆行拉力螺釘固定模型和Magic螺釘固定模型位移量均大于鋼板固定，該差異性主要源于單根螺釘抗旋轉效果較差，但是從應力以及位移結果均可以得出逆行拉力螺釘和Magic螺釘也可以達到良好的固定髖臼后柱骨折的效果。
本研究中建立的骨盆模型沒有考慮周圍肌肉對穩定性的影響，其原因在于骨盆周圍肌肉為骨盆髖臼生物力學研究非必需條件，在模型中模擬肌肉有助于減少骨性應力集中，但并不影響模型分析結果的整體趨勢[11]。在涉及骨盆髖臼生物力學的研究中，無論是標本實驗，還是有限元分析，均較少模擬骨盆周圍肌肉對治療穩定的影響[24]。但需要指出的是：骨盆周圍肌肉等軟組織在骨盆髖臼骨折治療中的關鍵作用仍不可被忽視，肌肉收縮依然是影響骨折治療穩定的因素。在后續研究中，我們將結合Anybody等肌骨系統軟件，分析站立行走狀態下骨盆周圍肌肉的受力特征，建立接近真實受力狀態的髖臼骨折模型，從而對不同手術方案的生物力學特征進行更精準的分析。
本文在研究中存在一些局限性。首先，本實驗只建立了骨盆骨骼-韌帶模型，但骨盆周圍肌肉對骨盆穩定性具有一定影響，這可能造成研究中骨盆生物力學體內差異。但是，所有內固定有限元模型都是在相同的實驗條件下模擬，可以真實有效地區分四種內固定的生物力學差異。第二，本模型未考慮各個骨塊的密度，預計如果骨塊發生骨質疏松將產生更大的位移。第三，骨折線上選擇的參考節點較少，在計算骨折端位移時難免會有一定的誤差，后期將增加骨折線上的參考節點數量，以提高數據的精準性。
4 結論
本文分析了Magic螺釘治療髖臼后柱骨折的生物力學可行性。通過建立髖臼后柱骨折不同內固定方式的有限元模型，比較四種手術方式的生物力學特征。研究表明，四種內固定方式的生物力學穩定性并沒有顯著差異。與傳統拉力螺釘、鋼板固定方式相比，Magic螺釘具有應力分布更均勻、受力更小等優點，可以滿足髖臼后柱骨折的穩定性需要，是一種值得推薦的內固定方法。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：蔡鴻敏、王永欽負責數據收集、處理與分析；李鵬飛、劉穎負責骨盆模型建立與驗證；章浩偉、徐子環、倪明負責數據整理、統計分析及文章撰寫。
倫理聲明：本研究獲得上海市浦東新區人民醫院倫理委員會批準（批文編號：No.2019-16）。
引言
髖臼由髂骨、恥骨和坐骨組成，為一半球形深窩，與股骨頭共同組成髖關節。從解剖上看，髖臼由前后兩柱構成，其中后柱被稱為髂坐柱，骨質堅厚致密，是骨盆承重的主要結構[1]。髖臼后柱骨折占全部髖臼骨折的50%以上[2-3]，多與車禍或高處墜落等高能量損傷有關，骨折位移較明顯，可伴有坐骨神經損傷、大出血等并發癥，通常需要手術治療。前側入路（髂腹股溝入路、Stoppa入路）不能直視下顯露后柱和后壁結構，復位工作需要借助前柱間接完成[4]。后側K-L入路盡管可以直視下復位后柱和后壁骨折塊，但內固定物在術中常需反復塑形及調試，手術創傷大，術后感染和異位骨化率較高[5-6]。微創治療是髖臼骨折治療的最新趨勢。Starr等[7]在2001年提出一種治療髖臼后柱骨折的新型微創方案——Magic螺釘技術，進釘點位于臀中柱上方，靠近髖臼頂，尖端朝向坐骨棘，骨通道位于髖關節后方[8]。陳劍飛等[9]通過對100例髖臼后柱骨折患者模擬Magic螺釘固定，發現選擇合適的角度和入釘位置可有效治療髖臼后柱骨折。Ruan等[10]報告了使用Magic螺釘在三維導航系統的幫助下治療5例髖臼骨折的案例，并介紹了手術方法。Li等[8]在骨盆三維模型中通過影像投影技術研究Magic螺釘固定的可行性，發現7.3 mm Magic螺釘是治療髖臼骨折，尤其是累及四邊體骨折的良好選擇。然而，有關Magic螺釘固定治療髖臼骨折的生物力學特征研究較少，缺少Magic螺釘的支持證據。本研究擬采用有限元分析方法分析Magic螺釘、逆行拉力螺釘及鋼板固定治療髖臼后柱骨折的生物力學穩定性，旨在：① 構建髖臼后柱骨折有限元模型并驗證；② 分析不同內固定技術治療髖臼后柱骨折的穩定性差異。本研究可以為髖臼后柱骨折的臨床治療提供參考。
1 材料和方法
1.1 骨盆有限元模型建立
選擇一名健康男性志愿者，年齡63歲，身高172 cm，體重75 kg。經拍攝X線片證實志愿者無骨質增生、骨質疏松現象，采用CT750 HD（GE公司，美國)和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）圖像采集設備Skyra 3.0（Siemens公司，德國），采集骨盆部計算機斷層掃描（computed tomography，CT）及MRI圖像，掃描部位自L5椎體下緣至雙側股骨上端，整個髂骨、骶骨包含在內，共獲取掃描層厚為1.5 mm、層距1.5 mm的MRI圖像147張。志愿者知情同意并簽署知情同意書。
將志愿者MRI圖像導入Mimics 19.0（Materialise公司，比利時）中建立骨盆模型（見圖1a），再導入Geomagic Wrap 2017（Geomagic公司，美國）中優化模型，最終在Hypermesh 2021（Altair公司，美國）中行網格劃分。骨盆模型中的骨骼和軟骨采用四節點三維應力四面體單元（C3D4），韌帶采用二節點Truss（T3D2）單元。最終分別得到375 658個節點和1 900 843個實體單元（見圖1b）。
圖1
骨盆骨骼系統
a. 骨盆骨骼系統三維模型；b. 骨盆系統局部網格劃分圖
Figure1. Pelvic skeletal systema. three-dimensional model of the pelvic skeletal system; b. partial meshing diagram of the pelvic system
將骨盆進行切割，建立髖臼后柱骨折模型，骨折間隙0.1 mm。通過Solidworks軟件（Dassault Systemes，美國）建立直徑6.5 mm逆行拉力螺釘（普通型，上海辛迪斯公司）、厚度3.0 mm常規后柱鋼板、直徑3.5 mm普通皮質骨螺釘（普通型，常州南翔醫療公司）及直徑7.3 mm Magic螺釘的模型。按照標準的手術程序對骨折進行模擬固定，其中逆行拉力螺釘固定使用直徑6.5 mm拉力螺釘經坐骨結節植入骨折髖部（見圖2a），單后柱鋼板固定使用5枚皮質骨螺釘（S1～S5）將鋼板固定于骨盆后壁（見圖2b），雙后柱鋼板固定使用9枚皮質骨螺釘（S1～S9）將雙鋼板（內側為T1，外側為T2，T1含有5枚螺釘，T2含有4枚螺釘）固定于骨盆后壁（見圖2c），Magic螺釘固定使用7.3 mm Magic螺釘經髖臼上緣打入，從坐骨小切跡穿出（見圖2d）。
圖2
四種內固定方式示意圖
a. 逆行螺釘固定模型；b. 單鋼板固定模型；c. 雙鋼板固定模型；d. Magic螺釘固定模型
Figure2. Schematic diagram of four internal fixation methodsa. retrograde screw fixation model; b. single-plate fixation model; c. double-plate fixation model; d. Magic screw fixation model
1.2 材料屬性
將骨盆各骨塊視為一個整體，簡化設定為密質均勻的線彈性材料，按照骨盆內關鍵韌帶的解剖起止點，采用二節點Truss（T3D2）單元依次添加骶髂韌帶、骶棘韌帶、骶結節韌帶和恥骨上韌帶等，模型中相關參數設定參見表1～2[11-12]。
表1
骨盆主要骨質參數
Table1.
Major bone parameters of the pelvis
表2
骨盆主要韌帶參數
Table2.
Parameters of major ligaments of the pelvis
1.3 加載與邊界條件
將有限元模型導入Abaqus2020軟件（達索SIMULIA公司，美國）。于骶骨上表面設置一個剛性面，經幾何中心給予500 N載荷，模擬人體上軀干重量，分別對雙側髖臼和坐骨結節進行完全約束，限制髖關節的6個方向自由度，模擬人體站立以及坐位狀態。鋼板與螺釘之間進行綁定約束。骨折塊與螺釘、不同骨折面之間均設為帶有摩擦的硬接觸，摩擦系數0.2[13]。
1.4 統計學分析
采用SPSS 27統計軟件（SPSS公司，美國）進行統計學分析。四種方式內固定后骨盆模型的最大位移和標志點位移變化量均進行t檢驗，檢驗水準α = 0.05。
2 結果
2.1 模型驗證
模擬完整骨盆站位和坐位狀態，施加于骶骨上部的人體模擬重力，經過兩側的骶髂關節傳遞至兩側的髂骨，力向后、向下經髖臼后柱，向前經骨盆內側弓狀緣至恥骨聯合，最后經髖關節傳至雙側下肢。其中骨盆模型的應力主要集中在骶髂關節和坐骨大切跡等部位，而由于固定位置的不同，站、坐位狀態分別在髖臼、坐骨結節也出現了應力集中。從骨盆的整體位移云圖可以發現，骨盆位移云圖呈對稱型，由受力部位向完全約束部位逐漸遞減。根據骨盆的應力集中部位以及位移云圖特征（見圖3）發現，骨盆模型的有限元結果與以往的相關報道相符[11,14-16]。
圖3
站位和坐位狀態下正常骨盆的應力、位移云圖
Figure3.
Stress and displacement clouds of normal pelvis in standing and sitting position
2.2 應力分布分析
2.2.1 內固定模型的應力特征
兩種狀態下的植入物應力對比如圖4所示。站立位時，逆行拉力螺釘的應力集中在拉力螺釘上端與后柱骨折端相鄰的部位，最大應力為114.10 MPa。單鋼板固定模型中螺釘應力集中在固定上下骨塊的S1（54.32 MPa）、S2（58.93 MPa）和S3（48.35 MPa），固定下骨塊的螺釘S5應力最小，為18.06 MPa；鋼板的應力集中于鋼板與骨折線相近處，最大應力為26.75 MPa。雙鋼板固定模型的螺釘應力主要集中在S1、S4、S6三個對角線位置螺釘，距離骨折線最近的螺釘S2應力最小，為18.19 MPa；鋼板最大應力為35.40 MPa，位于鋼板T2與螺釘S7的相交處。Magic螺釘固定模型中Magic螺釘應力集中在螺釘與骨折線相切處，僅為24.36 MPa。坐位時，逆行拉力螺釘的最大應力與站位無較大差異；單鋼板固定模型中最大應力部位與站位相同，集中于S1、S2、S3；雙鋼板固定模型的最大應力位于S6（47.47 MPa）處，鋼板T1應力比T2高26%；Magic螺釘的最大應力比站位高12.9%。
圖4
站位和坐位狀態下四種植入物應力云圖
Figure4.
Stress clouds of four implants in standing and sitting position
2.2.2 骨折塊應力分析
正常骨盆的應力主要集中在骶髂關節、坐骨大切跡附近以及不同狀態下的固定面（見圖3）。如圖5所示，站位時，逆行螺釘固定模型的應力主要集中在螺釘與骨塊的接觸部位，最大應力為72.71 MPa。骨折線上下骨塊接觸部位也出現了大面積的應力集中。單、雙鋼板固定模型在骨折下骨塊與螺釘接觸處出現了較多的應力集中現象，且最大應力也在釘孔附近。Magic螺釘固定模型的最大應力則位于Magic螺釘進釘點附近，為34.05 MPa。坐位狀態下，四種固定方式下的骨折端最大應力，分別比站位時低3.0%、52.7%、48.2%、9.6%。
圖5
站位和坐位狀態下四種固定方式的骨折端應力云圖
Figure5.
Stress clouds of the fracture ends of the four fixation methods in the standing and sitting position
2.3 位移結果分析
2.3.1 骨盆整體位移
內固定后骨盆模型的整體位移與正常骨盆模型相近，最大位移均不是發生在骨折斷面。其中，站位和坐位狀態下的逆行拉力螺釘、常規單鋼板、常規雙鋼板、Magic螺釘固定模型的最大位移分別為：20.09 × 10?2、68.77 × 10?2 mm；24.73 × 10?2、64.59 × 10?2 mm；23.57 × 10?2、63.83 × 10?2 mm；22.92 × 10?2、71.00 × 10?2 mm。將相同固定條件下的4組最大位移進行統計學處理，4組結果均有顯著差異（P < 0.05）。將位移沿著坐標系進行分解，X、Y軸分別代表內外和前后方向位移，Z軸代表垂直方向。結果顯示，站位狀態下逆行拉力螺釘固定模型在X、Y、Z三方向的位移量均低于其他三種固定模型，而常規后柱單鋼板固定模型的三方向位移量均為最大；坐位狀態下，Magic螺釘固定模型在X方向位移量最小，但另外兩方向的位移均比鋼板固定大，且不同固定方式下的各位移量均明顯高于站位（見表3）。
表3
骨盆整體位移和骨折端評價位移（× 10?2 mm）
Table3.
Overall pelvic displacement and fracture end evaluation displacement (× 10?2 mm)
2.3.2 骨折端評價位移
在骨盆骨折線等距選取10個標志點，測量相同狀態下加載前后標志點位移變化量，用來評估內固定后骨折治療情況，對兩種狀態下10組位移變化量進行統計學分析。結果顯示兩種狀態下位移變化量有顯著差異（P < 0.05）。根據測量結果發現，后柱骨折線上節點平均位移：站位時，Magic螺釘固定模型 < 常規后柱雙鋼板固定模型 < 常規后柱單鋼板固定模型 < 逆行拉力螺釘固定模型；坐位時，常規后柱雙鋼板固定模型 < 常規后柱單鋼板固定模型 < Magic螺釘固定模型 < 逆行拉力螺釘固定模型（見表3）。
3 討論
髖關節是連接軀干與下肢的重要關節，也是全身負載體重最多、受力最重的關節，髖臼后柱在髖臼承重中發揮了巨大作用[17]。髖臼后柱骨折是Letoumel-Judet簡明分型中的分型之一[3]，骨折線通常在坐骨大切跡上方，向下延伸通過髖臼頂部或負重區直至閉孔[18]。在骨盆前后位X線片上，可見髂坐線不連續，但髂恥線、前壁、髖臼頂和淚滴均完整，可伴有恥骨支骨折[19]。微創手術是髖臼后柱骨折最新的治療趨勢。本研究通過采集骨盆影像資料，構建了包括骨骼和韌帶的骨盆模型。施加模擬重力后發現骨盆的應力集中部位以及位移云圖特征與既往研究相同，證明所建模型精準可靠。在完整骨盆模型基礎上，建立髖臼后柱骨折模型，模擬采用逆行拉力螺釘、后柱單鋼板、后柱雙鋼板和Magic螺釘固定，分析站立以及坐位狀態下四種內固定方案的穩定性差異。研究發現，Magic螺釘固定具有良好的生物力學穩定性，可以作為治療髖臼后柱骨折的首選治療方案。
從有限元分析結果來看，Magic螺釘固定髖臼后柱骨折可以滿足髖臼后柱骨折治療的穩定性需求。Magic螺釘固定模型在站立以及坐位狀態下的骨折端最大應力為34.05、30.78 MPa，與正常模型的應力接近。這說明Magic螺釘固定模型具有很好的穩定性，可以進行早期的承重作用，并且模型的最大應力均低于松質骨的應力極限130 MPa[20]，不會出現應力性骨折。兩種狀態下固定模型的骨折端位移分別為（2.40 ± 0.34） × 10?2、（7.72 ± 0.82） × 10?2 mm，與常規鋼板治療后柱骨折無顯著差異。通過與其他固定方式對比，Magic螺釘固定在應力以及位移量方面與其他固定并無較大差異。
四種內固定模型中內固定物的應力存在較大的差異。逆行拉力螺釘、常規單鋼板、常雙鋼板以及Magic螺釘固定模型的內植物在站立和坐位狀態的應力差異為0.6%、5.8%、23.8%、11.4%，骨折端應力差異為3.1%、111.3%、93%、10.6%。內植物的形態、植入方向以及不同狀態均會導致上述差異。逆行拉力螺釘經坐骨結節垂直植入骨內，在矢狀面和冠狀面的角度很小，所以當加載外力后，螺釘受到的后柱骨折端剪切力較大。而其他三種模型中，螺釘均是傾斜植入骨內，受力更加均勻，所以并不存在較大的剪切力。但從應力云圖看，四種模型的應力均集中于內植物周圍。逆行拉力螺釘和Magic螺釘固定模型的應力主要集中在螺釘與髖臼骨折相鄰的部位；單、雙鋼板固定模型均采用多個螺釘將鋼板固定于骨盆后壁，在受到垂直向下的生理載荷時，鋼板和螺釘可以共同分擔髖臼后柱所受到的力，故應力主要集中在鋼板與螺釘的相交處。但是固定后模型的最大應力均遠高于正常模型，這表明骨盆在發生后柱骨折后，其穩定性明顯降低，即使通過手術治療也無法作為整體受力，所以出現局部應力集中。為了有效固定分離骨塊，可適當更改鋼板、螺釘位置以及螺釘進出釘方向以實現更好的固定。
后柱單鋼板和雙鋼板固定模型的穩定性較為接近。從骨折端應力分布看，雙鋼板固定應力較大，兩種狀態下二者峰值應力相差8%、16%，應力集中部位均位于后柱骨折端與螺釘接觸處。但從整體位移以及骨折端的位移分析，雙鋼板固定模型并沒有過多優勢，操作更為復雜，治療費用更高，從總體的穩定效果分析，對于單純后柱骨折，單鋼板固定更值得推薦使用。后期可考慮改變單鋼板入釘方向以及固定螺釘的長度，并與其他螺釘（逆行拉力螺釘、Magic螺釘）相結合，分析其固定效果與雙鋼板固定的差異性。
從模型的應變位移數值分析，站位狀態下逆行拉力螺釘、常規單鋼板、雙鋼板以及Magic螺釘固定模型應變位移量分別為0.05～0.20 mm、0.03～0.25 mm、0.03～0.24 mm、0.02～0.23 mm，其中Magic螺釘的位移量最小，位移結果與古金山等[21]研究中髖臼后柱應變位移量相近。坐位狀態下，Magic螺釘固定略高于鋼板固定。髖臼的應變位移量越小，說明內植物對骨折塊內固定效果越佳，有利于患者的早期恢復，這與臨床實際相符[6,22-23]。而坐位時逆行拉力螺釘固定模型和Magic螺釘固定模型位移量均大于鋼板固定，該差異性主要源于單根螺釘抗旋轉效果較差，但是從應力以及位移結果均可以得出逆行拉力螺釘和Magic螺釘也可以達到良好的固定髖臼后柱骨折的效果。
本研究中建立的骨盆模型沒有考慮周圍肌肉對穩定性的影響，其原因在于骨盆周圍肌肉為骨盆髖臼生物力學研究非必需條件，在模型中模擬肌肉有助于減少骨性應力集中，但并不影響模型分析結果的整體趨勢[11]。在涉及骨盆髖臼生物力學的研究中，無論是標本實驗，還是有限元分析，均較少模擬骨盆周圍肌肉對治療穩定的影響[24]。但需要指出的是：骨盆周圍肌肉等軟組織在骨盆髖臼骨折治療中的關鍵作用仍不可被忽視，肌肉收縮依然是影響骨折治療穩定的因素。在后續研究中，我們將結合Anybody等肌骨系統軟件，分析站立行走狀態下骨盆周圍肌肉的受力特征，建立接近真實受力狀態的髖臼骨折模型，從而對不同手術方案的生物力學特征進行更精準的分析。
本文在研究中存在一些局限性。首先，本實驗只建立了骨盆骨骼-韌帶模型，但骨盆周圍肌肉對骨盆穩定性具有一定影響，這可能造成研究中骨盆生物力學體內差異。但是，所有內固定有限元模型都是在相同的實驗條件下模擬，可以真實有效地區分四種內固定的生物力學差異。第二，本模型未考慮各個骨塊的密度，預計如果骨塊發生骨質疏松將產生更大的位移。第三，骨折線上選擇的參考節點較少，在計算骨折端位移時難免會有一定的誤差，后期將增加骨折線上的參考節點數量，以提高數據的精準性。
4 結論
本文分析了Magic螺釘治療髖臼后柱骨折的生物力學可行性。通過建立髖臼后柱骨折不同內固定方式的有限元模型，比較四種手術方式的生物力學特征。研究表明，四種內固定方式的生物力學穩定性并沒有顯著差異。與傳統拉力螺釘、鋼板固定方式相比，Magic螺釘具有應力分布更均勻、受力更小等優點，可以滿足髖臼后柱骨折的穩定性需要，是一種值得推薦的內固定方法。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：蔡鴻敏、王永欽負責數據收集、處理與分析；李鵬飛、劉穎負責骨盆模型建立與驗證；章浩偉、徐子環、倪明負責數據整理、統計分析及文章撰寫。
倫理聲明：本研究獲得上海市浦東新區人民醫院倫理委員會批準（批文編號：No.2019-16）。
