不同固定方式的髋臼周围截骨的有限元分析

2.1采集与软件介绍 

2.1.1资料采集 

本研究选取DDH的患者1名，年龄46岁，体重70kg，身高160cm。该患 者无骨盆骨折或其他骨盆手术病史，排除骨质疏松等骨病病史。通过患者骨盆X 线片的分析，该患者为Crew I型的右侧髋关节发育不良，且患侧髋臼ACE角在 正常范围内。 

2.1.2研究中所用软件及设备介绍  2.1.2.1 主要软件 

本研究中用到的软件包括MIMICS17.0（Materialise，Leuven，比利时）、 参数化设计逆向工程软件Geomagic Studio2014（美国Geomagic公司）、CAE 应用软件Hypermesh2013（美国Altair公司）、实体模型设计软件Solidwork2012 （法国）、常用有限元分析软件Abaqus6.12（美国SIMULIA公司）。  2.1.2.2 主要设备 

实验所用的计算机为戴尔Precision Tower7810，处理器为英特尔Xeon  E5-2650 v4，主板为戴尔0KJCC5，内存64G，硬盘为三星SSD SM871 2.5 7mm  256G固态硬盘，显卡为Nvidia 8G，显示器为戴尔DEL40F6 DELL P2717H。 

2.2 实验方法 

2.2.1 建立并优化完整骨盆模型  

     按照第一部分验证模型的方法，利用CT数据在MIMICS17.0软件 （Materialise，Leuven，Belgium）建立骨盆模型，同样定义骨盆站立时，正位上 满足双侧髂嵴连线与水平面平行、双侧坐骨结节底部连线与水平面平行；侧位 上满足耻骨联合前缘与髂前上棘在同一条竖直线上，并且尽量满足左右侧骨盆轮廓重合。然后通过Geomagic Studio2014软件对模型进行优化处理，创建耻骨 联合软骨和骶髂关节软骨。 

2.2.2建立髋臼周围截骨模型及矫形 

      截骨前通过测量骨盆正位平片和假侧位片上的角度，如第一部分图1.1，确 定骨盆左侧中心边缘角、臼顶倾斜角及头臼覆盖率均正常，因此按照左侧的标 准，对骨盆右侧发育不良髋臼进行矫形，大体流程如下，将优化后的完整骨盆 及软骨模型导入Solidwork2012（法国）软件，严格参照坎贝尔骨科学对髋臼周 围截骨术的手术标准进行截骨，具体截骨步骤为：（1）坐骨前部截骨，截骨位 置在髋臼下唇以下约10mm处，方向指向坐骨棘，深度15mm到20mm之间；（2）耻骨上支截骨，沿髂耻粗隆内侧且垂直于耻骨支进行截骨；（3）上髂骨 截骨，在髂前上棘远端截骨，至髂耻线以上10mm，坐骨大切迹前方；（4）后 柱截骨，从髂骨截骨终点起，跨过髂耻线，与坐骨切记平行指向坐骨棘。按照 上述步骤在Solidwork软件中建立相应的截骨刀的三维模型，并且将右髂骨部件 与截骨刀部件进行切除运算，得到截骨后的骨盆和髋臼骨块模型，然后将游离 的患侧髋臼以患侧股骨头球心为旋转点进行向外侧的旋转，以满足髋臼的外侧 中心边缘角（LCEA）、臼顶倾斜角（AIA）及头臼覆盖率（HAI）的纠正，通 过正位透视图上可以测量出髋臼旋转后的满意位置，旋转后满足患侧LCE角从 原来的15度增加至29度（与健侧一致），并且兼顾前后髋臼唇不出现交叉征， 具体矫形前后对比如图2.1示。

2.2.3 建立髋臼周围截骨后不同固定方式模型 

    在截骨矫形后的模型基础上，继续利用Solidwork软件，建立螺钉和钢板的 模型，忽略螺钉上的螺纹，参照目前骨盆常用螺钉钢板尺寸，本研究中选用的 固定物尺寸如下：空心螺钉直径为4.5mm，钢板厚为3.5mm，宽度为12mm。根 据相关髋臼周围截骨固定方式的文献报道[ 12，13，28] ，本研究将髋臼周围截骨的固 定方式设定为4种，分别为平行组、髂骨三维组、髋臼三维组、螺钉联合钢板 组。 

      设定平行组的固定方式为3枚相互平行的螺钉，第1枚螺钉在髂结节最宽 处髂嵴内侧缘进钉，尽可能与后柱截骨线平行，以满足更多的螺钉置入髂骨块 内，长度满足刚好与髋臼内侧缘最深处相切，第2枚和第3枚螺钉满足与第一 枚螺钉平行，且3枚螺钉在一条直线上，距离控制在10mm左右，且3枚螺钉 尽可能分散，置钉后的平行组模型如图2.2a。

a：平行组；b：髂骨三维组；c：髋臼三维组；d：螺钉联合钢板组  

      设定髂骨三维组的固定方式同样为3枚螺钉，第1枚螺钉与平行组位置相 同，第2枚螺钉即在平行组的第2枚螺钉的基础上远端向髋臼外侧旋转，螺钉 远端与髋臼骨块外侧缘相切，长度达髋臼顶上缘即可，第3枚螺钉即在平行组 的第3枚螺钉的基础上远端向髋臼骨块前缘旋转。由此3枚螺钉形成一个类似 立体三角形的三维固定结构，在满足以上条件的情况下，尽可能使螺钉的远端 更加分散，但由于髂骨截骨面及髋臼骨块并不规则，因此该立体三角形很难做 到侧边成角相等。如图2.2 b。 

      设定髋臼三维组的固定方式也是3枚螺钉，第1枚和第3枚螺钉与髂骨三 维组位置相同，第2枚螺钉在髋臼骨块的髂前下棘下缘进钉，方向指向骶髂关 节，长度设定为130mm，3枚螺钉两两不平行，将该三维固定方式称之为髋臼 三维固定，如图2.2 c。 

      设定螺钉联合钢板组的固定方式为1枚螺钉联合1块骨盆重建钢板，螺钉 的位置与髋臼三维固定组的第2枚螺钉位置相同，重建钢板放置于骨盆内侧， 并对重建钢板进行预弯，使其帖附于矫形后骨盆内侧壁，具体位置如图2.2 d。 

2.2.4 对各实验组三维模型划分网格及材料赋值 

       将上述矫形后的骨盆及固定物部件输入Hypermesh中，在2D编辑板块的编 辑器中，设置需要划分网格的基本参数，对面网格不合格的轮廓线或网格大小 进行调整，再重新划分面网格，直至面网格划分合格后，再通过3D编辑器进行 体网格的划分，网格数在满足可以进行分析的前提下，尽量划分的更多，以减 小由于网格过大而带来的误差，在网格划分过程通，设置骨盆骨骼的表面1.6mm 厚度为骨皮质，内部为骨松质，网格划分完毕后，将所有模型逐个导入Abaqus 软件中，利用网格板块中的检查网格功能，对模型逐一检查，发现有错误网格 的模型，就在Hypermesh软件中对网格进行进一步的优化处理，直至所有模型 的网格全部通过检测。 

     对划分完网格的模型进行材料属性的设置。髂骨、骶骨、截骨矫形后的髋 臼骨块、内固定物、骶髂关节软骨及耻骨联合软骨均设置为均匀、连续且同性 的材料属性。应用弹簧部件模拟骨盆的韧带，数据见表2.1。 

2.2.5 不同固定模式的髋臼周围截骨的分析条件

     将上述骨盆及软骨模型分别导入Abaqus中，首先建立分析步，然后定义部 件之间的相互作用，软骨与骨面之间、固定物和钉道之间均设置为绑定关系 （tie）。利用弹簧模拟骨盆主要韧带，弹簧属性设置为只受拉力的线性弹簧。

      设置力学加载条件，本研究施加载荷于骶骨椎体上终板处，方向为垂直向 下，大小依次加载500N、1000N、2000N、4000N，载荷逐渐增大以模拟人体步 态周期中髋臼受力增加的过程，有关文献报道[ 29] ，人体行走时髋臼承受应力可 达体重的3倍，因此本研究模拟双足站立时，于骶骨上终板施加载荷约为人体 体重的6倍，此过程不考虑步态中髋关节周围肌肉的作用力及髋臼受力方向的 改变。然后设置模型的边界条件，限定骨盆两侧髋臼完全固定 （U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3），模拟双足站立和行走时骨盆模型的力学环境， 最后依次创建作业和提交作业。 

2.3 结果 

2.3.1 不同固定方案下骨盆的应力及位移情况 

      在云图上可以看出，当施加500N载荷时，不同固定模型的骨盆应力云图如 图2.3，平行组骨盆应力最大值在第1枚螺钉穿出骨盆外侧壁部位，髂骨三维组 骨盆应力最大值位置与平行组一致，髋臼三维组骨盆应力最大值在第2枚螺钉 穿出髋臼骨块部位，螺钉联合钢板组骨盆应力最大值同样在螺钉穿出髋臼骨块 部位。施加500N载荷时，骨盆的位移云图如图2.4，在位移云图上可以明显看 出骨盆的大体位移髋臼三维组和螺钉联合钢板组要优于其余两组，稳定性更好。

      对应力最大值及位移最大值数据分析，随施加载荷逐渐增大，骨盆的应力 最大值和位移最大值结果如图2.5。骨盆应力最大值对比结果：平行组>髂骨三 维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组。应力最大值方面可以看出随载荷的增大， 骨盆的应力最大值也随之增大，在相同载荷下，位移最大值对比结果：平行组> 髂骨三维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组，根据文献报道[ 30] ，固定物周围应力， 皮质骨的破坏载荷约为(140-170)Mpa，结果显示施加载荷在2000N时，平行组 和髂骨三维组均140Mpa左右，当施加载荷在4000N时，所有研究组均达到或 超出皮质骨破坏载荷。在施加500N载荷时，骨盆不同轴向的位移结果如图2.6。 

2.3.2 不同固定方案下固定物的应力及位移情况 

      在施加500N载荷时，图2.7所示不同实验组的固定物应力云图（固定物应 力最大值部位为红色圈部位），平行组和髂骨三维组的固定物应力最大值均为 第1枚螺钉的中部，髋臼三维组和螺钉联合钢板组固定物应力最大值均分布于 指向骶髂关节的螺钉的中部。 

      对内固定物应力最大值及位移最大值数据分析，固定物位移最大值对比结 果：平行组>髂骨三维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组；固定物应力最大值对比 结果：平行组>髂骨三维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组，随施加载荷逐渐增大， 内固定物的应力最大值结果如图2.8。根据文献报道，钛合金的破坏载荷约为 600Mpa，结果显示在施加载荷在4000N时，平行组和髂骨三维组均接近破坏载 荷。 

2.4 讨论 

2.4.1 髋关节发育不良及Ganz截骨的特点 

      成人髋关节发育不良主要是由于早期患病后未被诊断及治疗导致，其一般 通过X线进行诊断，DDH的X线片的特点为外侧CE角小于20°，LCE角在 20-25°范围内属于临界性发育不良，通常这些髋关节的AI角超过10°。DDH 是导致髋关节炎发生的主要原因之一[ 30-35] ，虽然全髋关节置换技术发展的已经非 常成熟，但Ganz截骨术仍然也是有症状的髋关节发育不良的年轻患者的推荐选 择[ 9] ，Ganz截骨术适用于有症状、头臼匹配关系良好、LCE角小于20°且无明 显骨性关节炎的年轻髋关节发育不良的患者。 

      该截骨术主要用于稳定病情，防止关节炎进一步恶化，手术过程通过旋转 髋臼骨块，重新定位髋臼位置，优化髋臼覆盖股骨头的比率，以达到缓解髋臼 局部应力集中的局面，从而改善髋部不适的症状。旋转后一般采用螺钉固定， 由于该截骨术仍然保持的骨盆后柱的连续性，为患者更早的早起和下床活动提 供条件。