一.研究背景与目的随着交通伤和工伤事故增多,骨盆骨折的发病率为逐年增高,目前己占骨折总例数的1%-3%,病死率约5%-20%,致残率高达50%-60%,而骨盆骨折中多半以髋臼骨折表现为主,目前研究认为手术疗效优于保守治疗。髋臼双柱骨折在髋臼复杂骨折中发生率较高,解剖复位、坚强内固定及术后康复锻炼是主要的治疗方法。然而髋臼方形区由于解剖位置深且形态不规则、周围有重要血管神经伴行、髋臼内壁菲薄等客观原因,手术视野暴露有限,内固定固定方式多种多样,目前尚无一种固定方式被大家一致接受。我们倡导的“前路特殊塑形钛板加方形区螺钉”治疗髋臼骨折,尤其髋臼方形区处骨折,具有单一切口、直视下安全进钉、早期下地等优势。Letournal及Judet等人对髋臼骨折大量病例进行了长期随诊,指出目前手术治疗髋臼骨折优良率为75-80%之间。蔡贤华教授等在2004-2010年应用前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定髋臼复杂骨折36例,平均随访41.7月,根据改良的Merled’ Aubigne和Postell评分标准,治疗优良率在83.3%以上,明显高于国内髋臼治疗优良率的标准。随着临床及科研的进一步深入,迫切需要明确：前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定后骨盆髋臼稳定性如何?患者是否可以早起取坐位或者下地活动?内固定后骨盆及内固定物的应力及位移场分布如何?传统生物力学检测可以很好的反映内固定术后的稳定性,而三维有限元模型对于检测髋臼内部应力及位移分布也具有较高的仿真度,两种方法均可用于研究髋臼骨折术后的生物力学状态,为术后评价提供生物力学方面的依据。本实验分别从这两个方向出发,以髋臼双柱骨折为骨折模型,探讨前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定髋臼双柱骨折的力学特征,以便更好的指导我们临床治疗。二.方法1.传统生物力学的方法选取6具经防腐保湿处理成人完整骨盆(由南方医科大学解剖教研室提供),清除肌肉及盆腔脏器,X线和CT检查排除肿瘤、畸形及骨质破坏。上端保留腰5骶1椎体,下端保留股骨干上1/3,同时保留骶骨、骶髂关节、髋关节囊、骶棘韧带、骶结节韧带及闭孔内肌。内固定材料选用A0重建板、1/3管形板及3.5钛质螺钉,测量仪器选用ZWICKZ100材料机(德国ZWICKZ,精度0.1%,武汉理工大学力学测试中心)及多功能数显千分表(日本三丰量具,武汉理工大学力学测试中心)。实验中采取一侧髋臼制作骨折模型。分别模拟站位及坐位,在400-700N负荷下反复加载,坐位下：多功能数显千分表测量骨折侧后柱内壁横向和ZwickZ100电子万能试验机横梁传感器测量骨盆整体轴向位移；站位下：多功能数显千分表测量骨折侧后柱内壁横向和髂前下棘纵向位移。先测量完整骨盆(对照组1GroupA)在站位及坐位下的数据,再制作一侧髋臼高位双柱骨折,随机先后行前路重建钛板加1/3管型钛板内固定(对照组2GroupC)和前路特殊塑形钛板加方形区螺钉(实验组GroupB)固定。分别测量记录每种内固定后站位及坐位时的上述指标。2.有限元生物力学方法1例成年男性志愿者,32岁,经X射线检查排除骨盆损伤、肿瘤、畸形等病变,进行CT扫描,仪器由广州军区武汉总医院CT中心提供(Biograph16HR型,西门子公司,德国)。层厚1mm,得到的二维原始图像采用Mimics8.1软件进行骨盆的数字化三维重建图形。图形利用Freeform软件处理后导入到有限元分析软件ANSYS9.0中建立左半骨盆有限元模型。在该模型的基础上通过重新网格化构建髋臼高位双柱骨折。采用游标卡详细测量3.5系列螺钉、重建钛板(AO强生辛迪思器材)实物尺寸,经Proe3.0、Freeform及ANSYS9.0软件处理建立前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定三维有限元模型。根据不同材料设置单位属性,约束单侧髋臼、半骶尾骨及耻骨联合,模拟股骨头与髋臼单足站立位(500N)状态下的相互作用。计算该加载方式下内固定及髋臼应力、位移分布云图,并标记最大应力及位移区域。三.结果：1.传统生物力学结果一般情况：髋臼骨折标本经B、C组内固定后,前、后柱骨折均得到即刻稳定,骶结节韧带、骶棘韧带及闭孔内肌明显绷紧,CT及X光片显示骨折已解剖复位,B组后柱抗手动扭转、抗内移及抗分离作用较C组强。各组标本在力学测试过程中钛板螺钉无断裂,方形区螺钉无拔出及松动,但去除载荷后出现位移的髋臼与内固定恢复原状。站位：随着载荷由400N增加至700N,后柱内壁水平位移及髂前纵向位移呈逐渐增加的线性变化,B组绝对值均在1mm以内,明显小于C组。而C组标本在400N载荷时位移开始大于1mm即出现股骨头脱位,内壁水平位移：400N1例,700N2例；纵向位移：400N1例,500N2例,600N3例,700N3例。统计学分析显示,A组与B组间水平与纵向位移比较,差异均不明显(P>0.05),而B组与C组、A组与C组间比较差异显著或非常显著(p<0.01或p<0.05)。在600N生理负荷下,统计分析；B组与C组之间差异显著(P=0.012)、与A组间差异不明显(P=0.089)；Thomas标准：B组与C组均出现了髋关节部分不稳和部分刚度不稳,而前者明显少于后者。坐位：随着载荷由400N增加至700N,后柱内壁横向位移呈线性增加,A、B、C后柱内壁横向位移绝对值均在0.5mm以内,无明显统计学差异(P>0.05)；骨盆轴向压缩位移亦呈线性增加,呈现A组<B组<C组,B组与C组及A组与C组间比较有显著统计学差异(p<0.01),而B组与与A组接近(p>0.05)。600N下,骨折解剖复位,B组与C组在骨盆轴向刚度上有显著差异,前者与正常骨盆接近。2.有限元生物力学结果有限元建模型可以克服传统尸体标本生物力学实验所能获取的标本数量有限,重复性差等缺陷,但有其建模有效性需要验证。实验发现,单足站立500N负荷下,应力主要自骶骨上表面,沿骶髂关节、坐骨大切迹附近传导,最终至髋臼；髂骨位移分布呈现骶正中棘处最大,向远侧扩散直至髂骨翼部分,逐渐减弱至0。这些与理论认识及实验研究结果相符,说明半骨盆模型与实物接近,具有一定的力学代表价值。前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定的应力主要集中在坐骨大切迹骨折线处的螺钉和钛板上,最大值为0.838*109Pa,尤其是钛板与螺钉的接合部位,应力皆小于钛质材料的极限应力：方形区螺钉近端第一枚承担应力较大,在跨方形骨折线处出现了应力集中区域；髋臼双柱骨折经前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定后骨盆应力分布均匀,最大位移0.0474mm,生理负荷下骨折解剖复位。四.结论1.站位下,Thomas标准提示：前路特殊塑形钛板加方形区螺钉与前路重建钛板加1/3管型钛板内固定各组中均出现了髋关节部分不稳和部分刚度不稳,而后者明显少于前者；统计分析提示前路特殊塑形钛板加方形区螺钉即刻力学性能更为可靠,稳定性与完整骨盆接近。综合分析表明“前路特殊塑形钛板加方形区螺钉”术后可早期取站位,髋关节更稳定。2.坐立位下,Matta复位标准提示：前路特殊塑形钛板加方形区螺钉与前路重建钛板加1/3管型钛板内固定后生理负荷下均为解剖复位,术后均可取坐位,统计分析提示：前路特殊塑形钛板加方形区螺钉后骨盆髋关节稳定性更强,与完整骨盆接近。综合分析表明“前路特殊塑形钛板加方形区螺钉”早期取坐位是更安全和可靠的。3.前路重建钛板加1/3管型钛板内固定与完整骨盆相比统计学差异显著(站位：p=0.013,坐位：p=0.009)。说明“前路重建钛板加1/3管型钛板内固定”术后早期不宜取站位,而早期取坐位相对比较安全。4.有限元建模显示,前路特殊塑形钛板加方形区螺钉固定髋臼双柱骨折,髋臼应力分布均匀,骨折解剖复位,内固定物应力集中在坐骨大切迹骨折线处的螺钉和钛板上,皆小于钛质材料的极限应力,具有良好的力学稳定性。说明“方形区螺钉”可配合应用于固定复杂髋臼骨折中方形区及后柱骨折块。