張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)穩(wěn)定性的解剖學研究及有限元分析.pdf

1、背景:
　　不穩(wěn)定性骨盆骨折，尤其是開放性骨盆骨折，常合并周圍血管、神經(jīng)的損傷，臨床上其致死率及致殘率較高。研究發(fā)現(xiàn)，在整體骨盆環(huán)的穩(wěn)定性方面，骨盆前環(huán)的作用占了40％，而骨盆后環(huán)則占了60％，因此對于不穩(wěn)定性骨盆骨折的治療，內(nèi)固定重建骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性成為整體骨盆環(huán)的治療中的關鍵操作。目前，骨盆后環(huán)的手術內(nèi)固定方式很多，各種內(nèi)固定方式各有優(yōu)缺點和手術適應癥。
　　骨盆后環(huán)張力帶鋼板(Posterior Pelvic Ring

2、 Tension Band Plate，PPRTBP)固定技術治療不穩(wěn)定性骨盆骨折具有操作簡單，手術創(chuàng)傷較小，手術操作安全，手術并發(fā)癥相對較少等優(yōu)點，其在骨盆骨折的臨床治療上的應用也越來越多。在臨床操作及發(fā)表的相關文獻中可發(fā)現(xiàn)，骨盆后環(huán)張力帶鋼板的置放位置及方向在實際操作中有較大差異，譚國慶已對骨盆后環(huán)張力帶鋼板的三種臨床常見位置進行了生物力學研究，提示置放在髂后上棘附近的張力帶鋼板其對骶髂關節(jié)分離的固定效果較好，提出了整體骨盆環(huán)“箍桶

3、”式結(jié)構(gòu)理論，但關于骨盆后環(huán)張力帶鋼板具體的手術置放位置及方向未做進一步研究。
　　有限元分析方法，是一種理論生物力學研究方法。骨盆有限元分析就是利用數(shù)學近似的方法對真實的骨盆結(jié)構(gòu)進行模擬，利用有限元軟件建造骨盆三維有限元模型，分析后研究模型的應力、應變及位移情況。有限元分析法已成為人體生物力學研究的重要方法。
　　本研究旨在，利用整體骨盆環(huán)“箍桶”式理論，通過對整體骨盆環(huán)及骶髂關節(jié)、恥骨聯(lián)合關節(jié)的尸體解剖形態(tài)學研究，確定骨

4、盆環(huán)中心平面在后方髂骨上的位置，測量其與髂后上棘(posterior superior iliac spine，PSIS)的距離，同時確定骨盆環(huán)中心平面的方向;然后，在解剖學研究基礎上，建立骨盆三維有限元分析模型，探討骨盆后環(huán)張力帶鋼板各不同固定方式的固定效果，篩選出最佳的固定方式，為臨床合理應用張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。
　　第一部分 張力帶鋼板內(nèi)固定治療骨盆后環(huán)損傷的解剖形態(tài)學研究
　　目的:
　　

5、通過對骨盆實體標本的觀察和測量，及利用Mimics、CAD逆向工程技術，尋找整體骨盆環(huán)的中心平面，確定骨盆環(huán)中心平面在后方髂嵴的位置;進一步測量后，確定骨盆環(huán)中心平面在后方髂嵴位置至髂后上棘的距離，并確定骨盆環(huán)中心平面的傾斜角度。為進一步研究提供解剖基礎。
　　方法:
　　選取防腐的成年人尸體骨盆標本及干性骨盆標本共12具，其中男性骨盆實體標本8具，女性骨盆標本4具，解剖處理后取得骨性骨盆標本，分離骶髂關節(jié)及恥骨聯(lián)合關節(jié)，暴

6、露兩關節(jié)的關節(jié)面;選取健康成人骨盆CT平掃資料20例，其平掃厚度為1.0mm，像素512*512,備用。采用三種不同方法對骨盆進行測量:一、骨盆實體標本測量。把骶髂關節(jié)及恥骨聯(lián)合關節(jié)擬合成規(guī)則幾何形狀后，分別測量其幾何重心，連接兩幾何重心確定骨盆環(huán)中心平面的位置，觀察其與髂后上棘的位置關系，并確定其在后方髂嵴上的位置，測量髂后上棘與此位置的表面距離;確定髂后上棘及髂前上棘(anterior superior iliac spine，AS

7、IS)連線所在平面，測量骨盆環(huán)中心平面與此平面的夾角。二、AutoCAD2014下骨盆標本的測量。拍攝骨盆實體標本的髂骨內(nèi)側(cè)面觀照片，導入AutoCAD軟件后，利用其強大的測量功能，確定骶髂關節(jié)及恥骨聯(lián)合關節(jié)的重心所在的骨盆環(huán)中心平面，并測量髂后上棘到此平面在后方髂嵴位置的距離;確定髂后上棘及髂前上棘連線，測量骨盆環(huán)中心平面與此連線夾角。三、Mimics16.0下三維骨盆模型的測量。利用骨盆CT平掃圖片重建骨盆三維模型，然后在三維模式下

8、確定骨盆環(huán)中心所在平面，測量髂后上棘到此平面的表面距離，及此平面與髂后上棘及髂前上棘連線的夾角。所得數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計學軟件SPSS進行處理，結(jié)果以平均數(shù)±標準誤表示。
　　結(jié)果:
　　骨盆實體標本的測量:骨盆環(huán)中心所在平面在后方髂嵴的位置與髂后上棘的表面距離為26.13±1.53mm，骨盆環(huán)中心所在平面相對于髂后上棘與髂前上棘間連線的夾角為54.00±0.78°。AutoCAD2014下骨盆標本的測量:骨盆環(huán)中心所在平面在后方髂

9、嵴的位置與髂后上棘的表面距離為26.45±1.49mm，骨盆環(huán)中心所在平面相對于髂后上棘與髂前上棘間連線的夾角為54.75±0.94°。Mimicsl6.0下骨盆三維模型的測量:骨盆環(huán)中心所在平面在后方髂嵴的位置與髂后上棘的表面距離為25.62±0.95mm，骨盆環(huán)中心所在平面相對于髂后上棘與髂前上棘間連線的夾角為55.46±0.51°。骨盆尸體標本與骨盆三維模型測量數(shù)據(jù)合并后結(jié)果:骨盆環(huán)中心所在平面存后方髂嵴的位置與髂后上棘的表面距離

10、為25.87±0.80mm;骨盆環(huán)中心所在平面相對于髂后上棘與髂前上棘間連線的夾角為55.05±0.45°
　　結(jié)論:
　　通過對人體骨盆解剖形態(tài)的觀察及測量，確定了整體骨盆環(huán)中心平面所在位置，髂后上棘處于其后下方。骨盆環(huán)中心平面在后方髂嵴位置與髂后上棘間表面距離為25.87±0.80mm;骨盆環(huán)中心所在平面相對于髂后上棘髂前上棘連線所在平面向前向下傾斜55.05±0.45°，為進一步研究奠定基礎。
　　第二部分 骨盆

11、三維有限元模型的建立及其有效性驗證
　　目的:
　　建立正常骨盆有限元分析模型，驗證和分析其可靠性，為進一步有限元分析骨盆損傷模型和骨盆后環(huán)張力帶鋼板固定模型奠定基礎。
　　方法:
　　招募成年健康男性志愿者1名，經(jīng)過CT掃描后，得到層厚為1.0mm的骨盆CT橫斷面圖像，導入Mimics軟件建立骶骨及兩側(cè)髖骨的三維模型，經(jīng)GeomagicStudio軟件優(yōu)化處理后，導入有限元分析軟件Abaqus中，經(jīng)賦值、裝配、

12、網(wǎng)格化、處理接觸等處理后，建立含有周圍韌帶結(jié)構(gòu)的完整骨盆三維有限元模型。模擬人體站立位，在兩側(cè)的髖臼設置邊界條件，骶骨終板上表面施加600N重力方向載荷，計算完整骨盆環(huán)的應力、應變及位移情況。
　　結(jié)果:
　　骶骨終板上表面施加600N重力方向載荷后，骨盆有限元模型應力傳導方向為從骶骨終板上表面經(jīng)兩側(cè)的骶骨翼，通過骶髂關節(jié)后，經(jīng)骨盆弓狀線及坐骨大切跡處向前向下傳導，最終傳導至雙側(cè)髖臼頂;骶骨相對于髂骨有向下向前移位的趨勢，而

13、髂骨有旋轉(zhuǎn)的趨勢;整體骨盆環(huán)應變較小，主要集中在左右骶髂關節(jié)的兩側(cè)，骨盆前環(huán)恥骨聯(lián)合處的應變幾乎可以忽略不計。
　　結(jié)論:
　　利用Mimics16.0、Geomagic Studio2013及Abaqus6.14重建了正常骨盆的三維有限元分析模型;此骨盆模型可靠，能較客觀地反映人體骨盆的解剖結(jié)構(gòu)和力學特性，可用于骨盆相關的有限元分析，為骨盆生物力學研究提供了一種重要方法。
　　第三部分 不同方式張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)

14、穩(wěn)定性的三維有限元分析
　　目的:
　　利用有限元分析的方法，比較多種張力帶鋼板固定方式治療骶髂關節(jié)分離損傷的內(nèi)固定療效，以期篩選出骨盆后環(huán)張力帶鋼板最佳的固定方式，為臨床合理應用骨盆后環(huán)張力帶鋼板提供生物力學依據(jù)。
　　方法:
　　招募成年健康男性志愿者1名，男性，24歲，骨盆CT掃描得到層厚為1.0mm、像素為512*512的骨盆CT橫斷面圖像，導入Mimics軟件建立骶骨及兩側(cè)髖骨的三維模型，經(jīng)Geomag

15、ic Studio軟件優(yōu)化處理后，導入大型有限元分析軟件Abaqus中，經(jīng)賦值、裝配、網(wǎng)格化、處理接觸等處理后，建立左骶髂關節(jié)分離的骨盆損傷有限元模型;利用SolidWorks軟件，繪制不同長度的3.5mm螺釘及骨盆重建鋼板，根據(jù)骨盆后方結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)預彎重建鋼板成不同形態(tài);張力帶鋼板模型及螺釘模型導入Abaqus中，與骨盆損傷模型裝配在一起，制作六種不同張力帶鋼板固定方式的骨盆內(nèi)固定模型，分別記為:髂后向上(IPAS)模型、髂后向下(I

16、PAI)模型、髂后水平(IPAH)模型、髂上水平(ISAH)模型、髂上向下(ISAI)模型及髂下向上(IIAS)模型。模擬人體站立位狀態(tài)，固定兩側(cè)髖臼，骶骨終板上表面施加600N重力方向載荷，記錄左骶髂關節(jié)線兩側(cè)骶骨及髂骨位移，比較各模型對骨盆后環(huán)穩(wěn)定性的固定效果。所得數(shù)據(jù)采用獨立變量t檢驗，進行模型間兩兩比較。
　　結(jié)果:
　　在骶骨終板上表面施加600N的垂直載荷后，骨盆損傷模型的左骶髂關節(jié)線骶骨側(cè)及髂骨側(cè)位移分別為0.

17、524677±0.009845mm、0.947979±0.096923mm，明顯大于骨盆正常模型的0.070144±0.00284mm、0.550724±0.007925mm，兩者間差異有明顯統(tǒng)計學意義，p＜0.001。
　　結(jié)論:
　　張力帶鋼板重建骨盆后環(huán)穩(wěn)定性時要考慮整體骨盆環(huán)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，利用整體骨盆環(huán)“箍桶”式生物力學結(jié)構(gòu)。經(jīng)骨盆有限元分析，髂后向下模型、髂后水平模型及髂上向下模型的固定效果最好，優(yōu)于其它三種張力帶鋼