骶髂復(fù)合體的三維有限元分析及其生物力學(xué)意義.pdf

1、骶髂復(fù)合體(sacroiac complex)位處骨盆后環(huán)的中央，是支撐人體軀干負(fù)載并完成力學(xué)傳導(dǎo)的重要結(jié)構(gòu)，其解剖及功能的完整性對骨盆環(huán)的穩(wěn)定至關(guān)重要。其中，骶骨是以兩側(cè)的骶髂韌帶(前部、骨間、后部)以及骶棘韌帶和骶結(jié)節(jié)韌帶來維持與兩側(cè)髖骨的解剖及功能聯(lián)系的。已有的生物力學(xué)研究成果表明，骨盆的穩(wěn)定性和功能動力學(xué)依賴于其周圍強(qiáng)有力的固有連接(恥骨聯(lián)合和骶髂韌帶)和外部的韌帶復(fù)合體(骶棘韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶和髂腰韌帶)，但是，前部連接結(jié)構(gòu)(前

2、弓和恥骨聯(lián)合)僅提供40％功能完整性，前部連接結(jié)構(gòu)的先天缺如(膀胱外翻)或切除(腫瘤切除等)不會導(dǎo)致骨盆穩(wěn)定性的完全喪失，也就是說骶髂復(fù)合體承擔(dān)了保持骨盆穩(wěn)定性和完整性的60％的功能，由此可知骶髂復(fù)合體的重要性。但是往往臨床上在骨盆手術(shù)過程中對恢復(fù)骶髂復(fù)合體(Sacroiliaccomplex)的穩(wěn)定性尚未引起足夠的重視，無論骨盆骨折還是骶骨腫瘤切除，均會破壞骶髂復(fù)合體(sacroiliac complex)的完整性，從而引發(fā)骨盆環(huán)的不

3、穩(wěn)定，導(dǎo)致較高的病殘率，因此臨床上骨盆損傷的遠(yuǎn)期療效不甚理想。本實(shí)驗設(shè)計從臨床實(shí)踐出發(fā)，共分三個部分，首先建立解剖意義上的骨盆(pelvis)和骶髂復(fù)合體(Sacroiliac complex)的三維有限元模型(Finite element model，F(xiàn)EM)并與既往研究成果進(jìn)行比較，驗證所建模型的可信度，其次利用現(xiàn)有模型，模擬骨盆損傷機(jī)制，探討韌帶群對維持骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的作用；最后模擬骶骨腫瘤三種切除方式，分析其對骨盆穩(wěn)定性的影響

4、。通過上述三個部分來闡述臨床上保持骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的重要性及其生物力學(xué)意義。實(shí)驗一 骶髂復(fù)合體三維有限元模型的建立及驗證 目的：尋求骶髂復(fù)合體三維有限元模型準(zhǔn)確構(gòu)建的方法，并探討不同體位下骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力的變化，研究與之相關(guān)疾病的生物力學(xué)病理基礎(chǔ)與機(jī)制。方法：選耳義一名健康成年男性志愿者，行影像學(xué)檢查和臨床查體排除骨盆腫瘤、感染、結(jié)核和畸形(先天性和外傷性)等情況后，對骨盆行螺旋CT斷層掃描，0.75mm層厚，掃描范圍自S<

5、,1>椎體上緣至股骨大轉(zhuǎn)子下5cm處，提取相關(guān)數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出后，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics，經(jīng)過圖片的篩選和預(yù)處理，提取邊界坐標(biāo)生成表面三維圖像，再將此圖像通過Unigraphics Ⅱ作圖軟件建立骨盆和骶髂關(guān)節(jié)三維實(shí)體，再根據(jù)韌帶群的解剖學(xué)觀測建立韌帶的三維實(shí)體圖形，利用MARC有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分為若干四面體單元和桿單元，錄入各結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特性，建立骨盆和骶髂復(fù)合體的三維有限元模型。設(shè)定上部軀體重力負(fù)載為50

6、0N，模擬雙足站立位、單足站立位和坐位三種常見的情況，評價骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布和骨盆環(huán)應(yīng)力傳導(dǎo)的規(guī)律以及骶髂關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，并與人體實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較驗證模型建立的準(zhǔn)確性；結(jié)果：所構(gòu)建的骨盆模型共劃分為48，900個節(jié)點(diǎn)，100，003個四面體單元，骶髂關(guān)節(jié)周圍12條韌帶共設(shè)立12個桿單元(Truss單元)。比較三種體位下骶髂關(guān)節(jié)面的應(yīng)力值：單足站立位(負(fù)重側(cè))最大，雙足站立位次之，坐位最小。坐位較之雙足站立位和單足站立位應(yīng)力分布更加均勻。雙

7、足站立位和坐位的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在關(guān)節(jié)面前下緣，而單足站立位則出現(xiàn)在關(guān)節(jié)面的前上緣和關(guān)節(jié)面的中部后緣。其運(yùn)動范圍與人體實(shí)驗結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著差異(P>0.05)，三種體位下骶髂關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析：單足站立位明顯大于雙足站立位和坐位(P<0.01)。結(jié)論：所構(gòu)建的骨盆和骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體的三維有限元模型客觀反映了骨盆真實(shí)解剖形態(tài)及生物力學(xué)行為，有利于我們以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步進(jìn)行生物力學(xué)研究。分析比較不同體位下應(yīng)力在骶髂關(guān)節(jié)面的分布和骨盆

8、環(huán)上的傳導(dǎo)，有助于我們?nèi)粘Ｉ钪凶⒅伢w位對骶髂復(fù)合體的保護(hù)作用，降低骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體的病損和退變。實(shí)驗二 骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的三維有限元分析及其生物力學(xué)意義 目的：應(yīng)用三維有限元方法研究骶髂復(fù)合體韌帶結(jié)構(gòu)對骨盆環(huán)的穩(wěn)定性以及骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布和骨盆環(huán)應(yīng)力傳導(dǎo)的影響，指導(dǎo)臨床骨盆創(chuàng)傷的治療。 方法：根據(jù)實(shí)驗一所述方法建立骶髂復(fù)合體和骨盆的三維有限元模型，其中韌帶的有限元模型是根據(jù)韌帶群的解剖學(xué)觀測建立。在雙足站立位的情況下

9、，于骶骨上垂直加載50(JN，分別逐根同時切斷雙側(cè)同名韌帶(保持其他韌帶的完整)和完全切斷一側(cè)的骶髂關(guān)節(jié)周圍韌帶群，以垂直位移和矢狀軸位移為評價標(biāo)準(zhǔn)，選取其中若干節(jié)點(diǎn)將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSSl3.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，探討韌帶群對維持骶髂關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的作用，分析骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力的相應(yīng)變化； 結(jié)果：當(dāng)切除一側(cè)的骶髂關(guān)節(jié)周圍韌帶群，骶骨各部的位移變化不均勻，雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布較之正常情況差異顯著，雙側(cè)骨盆環(huán)應(yīng)力傳導(dǎo)亦出現(xiàn)明顯差異；逐根同時

10、切斷雙側(cè)同名韌帶后，產(chǎn)生的骶骨垂直位移和矢狀軸位移進(jìn)行比較：骶髂骨間韌帶、骶髂后短/長韌帶切斷后骶骨位移變化最顯著，其中骶髂骨間韌帶>骶髂后短韌帶>骶髂后長韌帶，而骶髂前韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶和骶棘韌帶切斷后對骶骨位移無明顯影響，骶髂關(guān)節(jié)面和骨分盆分環(huán)應(yīng)力分布也受到相應(yīng)影響。 結(jié)論：分析骶髂關(guān)節(jié)韌帶群損傷對骶骨位移、骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布和骨盆環(huán)應(yīng)力傳導(dǎo)的影響，有助于我們重視韌帶群對于骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重要作用，理解骨盆各型損傷的力學(xué)機(jī)制，指

11、導(dǎo)臨床保護(hù)骶髂復(fù)合體的完整性和骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重建工作。實(shí)驗三后路骶骨切除后骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的三維有限元分析及其生物力學(xué)意義 目的：應(yīng)用三維有限元方法研究后路骶骨切除的三種情況對骨盆環(huán)的穩(wěn)定性和骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力的影響，指導(dǎo)臨床的骨盆重建工作。方法：模擬后路骶骨切除的三種方式，建立相應(yīng)骶髂復(fù)合體和骨盆的三維有限元模型，在雙足站立位下于骶骨上方垂直加載500N的力，計算在三種切除方式下骶髂關(guān)節(jié)面和骨盆環(huán)應(yīng)力的分布，提取骶骨表面若干節(jié)點(diǎn)

12、的Z和Y向位移值利用SPSSl3.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，評價三種切除方式對骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果：比較骶骨切除前后骶髂關(guān)節(jié)面和骨盆環(huán)的應(yīng)力分布以及骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的變化：(1)S<,3>骶后孔水平切除(未波及骶髂關(guān)節(jié)面)：骶髂關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布規(guī)律與骶骨切除前相似，骶骨位移無明顯差異，骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性保持較好，應(yīng)力沿弓狀線傳導(dǎo)至髖臼方形區(qū)，繼而經(jīng)髂恥隆起至股骨近端；(2)S<,2>骶后孔水平切除(低于骶髂關(guān)節(jié)面積的50％)：骶髂關(guān)節(jié)面的應(yīng)

13、力分布和骶骨位移與切除前差異顯著，骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性已受到影響，應(yīng)力集中于弓狀線上方的狹長區(qū)域；(3)S<,2>和S<,1>骶后孔之間水平切除(超過骶髂關(guān)節(jié)面積的50％)：骨盆環(huán)的穩(wěn)定性遭到破壞，僅在坐位能承受150N的力，應(yīng)力分布和骶骨位移極其不均勻，有應(yīng)力集中的趨勢。結(jié)論：骶骨切除未波及骶髂關(guān)節(jié)面對骨衙環(huán)影響不大；在S<,2>骶后孔水平切除(低于骶髂關(guān)節(jié)面積的50％)骶骨對骨盆環(huán)的穩(wěn)定性有部分影響，但仍能夠承擔(dān)正常人體體重，而在S<,

14、2>和S<,1>骶后孔之間水平切除(超過骶髂關(guān)節(jié)面積的50％)骶骨對骨盆環(huán)的穩(wěn)定性影響較大，建議臨床根據(jù)骨盆環(huán)應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性的重建工作。 小結(jié)：①本實(shí)驗建立的骶髂復(fù)合體和骨盆的三維有限元模型在正常人體負(fù)載情況下產(chǎn)生的位移與體外實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較和驗證，基本與之相符合(p>0.05)；而不同體位F骶髂關(guān)節(jié)面和骨盆環(huán)應(yīng)力分布規(guī)律與既往實(shí)驗結(jié)果相一致，證明我們建立骶髂復(fù)合體三維有限元模型客觀反映了骨盆真實(shí)解剖形態(tài)及生

15、物力學(xué)行為，可以進(jìn)行骨盆創(chuàng)傷所致韌帶斷裂和骶骨腫瘤切除后骶髂復(fù)合體穩(wěn)定性遭到破壞的力學(xué)實(shí)驗；②骶髂復(fù)合體由于獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性，在骨盆損傷機(jī)制中有一系列的生物力學(xué)改變。通過本實(shí)驗分析我們認(rèn)為骶髂復(fù)合體既是解剖學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，也是生物力學(xué)功能穩(wěn)定系統(tǒng)。解剖學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)包括骨性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(骶髂關(guān)節(jié)面凹凸不平、相互嚙合的內(nèi)鎖形態(tài))和軟組織性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(骶髂關(guān)節(jié)周圍韌帶)，而生物力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)包括靜力性穩(wěn)定組織(完整的骨盆骨骼與周圍韌帶的有機(jī)組合

16、)和動力性穩(wěn)定組織(骶髂關(guān)節(jié)周圍的肌肉及筋膜)。我們著眼于韌帶群對骶骨位移和骨盆各部位應(yīng)力分布的影響，有助于我們重視軟組織穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對于骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重要作用，理解骨盆損傷的力學(xué)機(jī)制，指導(dǎo)臨床盡可能修復(fù)和保護(hù)骶髂復(fù)合體的完整性，盡量防止骶髂關(guān)節(jié)周圍韌帶的損傷，維護(hù)骶髂復(fù)合體的功能就是維護(hù)骨盆的功能。③骶骨腫瘤行后路切除后不僅破壞了骶髂復(fù)合體骨性結(jié)構(gòu)的完整，而且造成了軟組織穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的殘缺，使得生物力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)失去平衡。通過有限元分析方法可以