基于髋臼四边形骨折线的数字模型，对不同螺钉固定方法的力学特性进行分析

《Information Processing in Agriculture》：Analysis of mechanical characteristics of different screw fixation methods based on digital models of acetabular quadrilateral fracture line

髋臼四边形骨折单多螺钉固定有限元分析显示：多螺钉组在站立及腰椎姿势下骨折线位移较单螺钉组减少12%-18%，且后柱通道螺钉应力低于单螺钉组，而阻挡螺钉应力显著升高。中央段位移在直立位仅0.3mm，侧卧位达0.8mm。验证了三维建模及加载方式的可靠性。

　　

陈洁宇|刘华武|白磊|谢尔盖·V·佩特连科|严建辉|王超辉|雷碧秀|何双平|翟美兰

湘南大学基础医学院，中国郴州，423000

摘要

目的

本研究旨在利用有限元技术，对单颗螺钉和多颗螺钉在髋臼区域处理四边形骨折时的固定效果进行层次分析。

方法

基于正常成年人的CT数据，使用Mimics、Geomagic、SolidWorks和ANSYS软件构建了三维有限元模型。设计了六条等间距的横向骨折线用于层次分析，并考虑了五种模拟人体姿势。

结果

我们比较了在不同操作条件下，单颗螺钉和多颗螺钉用于固定的力学性能。结果显示，在站立姿势和腰椎情况下，不同强度条件下，骨折线的相对位移从上到下逐渐减小。在侧卧位时，骨折线1-5逐渐减小，而骨折线6则逐渐增大。此外，在多颗螺钉模型中，后柱通道螺钉所承受的应力低于单颗螺钉模型；而阻挡螺钉所承受的应力显著高于后柱通道螺钉。此外，在四边形区域的前后柱侧部出现了明显的位移，而在中心和段在不同加载状态下仅表现出轻微的移动；相比之下，在侧卧位则未观察到这种现象。

结论

有限元分析表明，在不同加载条件下，多颗螺钉固定比单颗螺钉固定具有更好的稳定性，且相对位移更小。

引言

髋臼骨折是常见的关节内骨折，通常由高能量创伤引起，需要精确的解剖复位才能有效治疗。流行病学研究表明，髋臼骨折的发病率约为每年每10万人中有3例[1]。然而，随着人口老龄化，由于低能量跌倒导致的髋臼骨折发病率一直在稳步上升[2]。

髋臼四边形区域是由髋臼前柱和后柱在其内侧表面相交形成的四边形区域，在承受身体重量和防止股骨头突入骨盆腔方面起着关键作用[3]。由于其复杂的解剖结构和位置较深，涉及该区域的骨折给稳定固定带来了挑战。有限元分析（FEA）已成为研究髋臼骨折生物力学的有效工具，能够定量评估不同加载条件下的应力分布和固定稳定性。目前，髋臼周围通道螺钉常用于髋臼骨折的内固定，通过插入这些螺钉来创建一个“框架”结构以稳定髋臼[4]。尽管临床医生普遍认为多颗螺钉比单颗螺钉提供更好的稳定性，但大多数研究都集中在钢板与螺钉内固定结合对骨折结果的影响上[5,6]。相比之下，很少有研究专门比较单颗螺钉与多颗螺钉在固定髋臼四边形骨折方面的有效性。

为了解决这一空白，我们的研究利用数字骨科技术，根据健康成年人的CT数据构建了12组髋臼四边形水平骨折模型，然后进行了有限元分析以比较五种不同条件下的结果。

部分摘录

参与者

选择了一名26岁、体重50公斤的健康成年女性志愿者，无骨质增生或骨质疏松症。在xxx医院，志愿者被置于仰卧位，使用256层螺旋CT设备（GE Revolution；GE Healthcare，美国伊利诺伊州芝加哥）从L5椎体上缘到双侧股骨上端进行连续扫描，层厚为1.50毫米。在研究开始前，志愿者签署了知情同意书

有限元模型有效性的验证

单颗螺钉髋臼模型的平均节点数为2,584,472个，单元数为1,453,255个；多颗螺钉髋臼模型的平均节点数为2,646,872个，单元数为1,484,203个。在400 N垂直载荷下，骨折线6的最大应力分别为单颗螺钉45.928 MPa和多颗螺钉46.199 MPa，这与500 N垂直载荷下单颗螺钉57.033 MPa和多颗螺钉57.795 MPa的最大应力相似，表明所构建模型的有效性

讨论

髋臼骨折约占所有骨盆损伤的10%，与较高的死亡率相关，一般范围为5%至30%，在多发性创伤且骨盆严重损伤的患者中这一比例可高达70%[10,11]。由于四边形区域几乎涉及所有复杂病例，因此实现其稳定固定是一个关键的外科目标。我们之前的临床研究直接解决了这个问题，通过在双柱骨折队列中展示

结论

总之，有限元分析表明，在不同加载条件下，多颗螺钉固定比单颗螺钉固定具有更好的稳定性，且相对位移更小。此外，本研究利用髋臼四边形区域的有限元分析验证了骨盆环结构的生物力学特性，为骨盆和髋臼研究的发展做出了贡献。

伦理声明

本研究涉及的所有涉及人类数据的程序均符合机构和/或国家研究委员会的伦理标准以及1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订案或类似的伦理标准。该研究已获得湘南大学附属医院技术及科学研究伦理委员会的批准（批准编号：K2024-008-01）。该批准涵盖了整个研究项目（包括本文中介绍的子研究）

作者贡献声明

陈洁宇：撰写——原始草案、可视化、验证、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。刘华武：撰写——审阅与编辑、监督、研究、资金获取、正式分析、数据管理。白磊：方法学、研究、正式分析、数据管理。谢尔盖·V·佩特连科：验证、监督、方法学、研究、正式分析、数据管理。