髖臼三柱的形態(tài)學(xué)、力學(xué)及進(jìn)化研究.pdf

1、本課題從力學(xué)、形態(tài)學(xué)及進(jìn)化論三個(gè)方面研究髖臼區(qū)域的結(jié)構(gòu)功能,在此基礎(chǔ)上提出并驗(yàn)證了髖臼的三柱概念。即髖臼的前柱、中柱及后柱：前柱從耳狀面沿弓狀線向前延伸,經(jīng)髂恥隆起及恥骨上支到達(dá)恥骨聯(lián)合。中柱從臼頂向上延伸至髂結(jié)節(jié)及其前方,居于髂窩薄層皮質(zhì)骨前。后柱在在髂窩薄層皮質(zhì)骨后方,從后半髂嵴經(jīng)坐骨大切跡到達(dá)坐骨結(jié)節(jié)。從骨盆前方看,中柱夾于前后柱之間,三者共同夾持髖臼。中柱是人體骨盆的特化結(jié)構(gòu),其存在與人直立行走的特征密切相關(guān),是在從猿到人的長(zhǎng)期

2、進(jìn)化中逐漸形成的。 第一部分 髖臼區(qū)域皮質(zhì)骨松質(zhì)骨的形態(tài)學(xué)相關(guān)研究 1.1 髖臼區(qū)域皮質(zhì)骨厚度的三維測(cè)量及厚度分區(qū) 1.1.1 不規(guī)則骨皮質(zhì)骨厚度三維測(cè)量方法的建立及驗(yàn)證 目的：建立利用CT圖像測(cè)量不規(guī)則骨皮質(zhì)骨三維厚度的方法并檢驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。 方法：使用Mimics對(duì)髖骨CT圖像進(jìn)行分割提取皮質(zhì)骨并建立幾何模型,以PATRAN劃分網(wǎng)格。以PATRAN平臺(tái)提供的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL(Patran

3、CommandLanguage)編寫(xiě)了皮質(zhì)骨厚度測(cè)量的新算法,由皮質(zhì)骨外表面的1個(gè)節(jié)點(diǎn)向100個(gè)最近的內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)作向量,選取本身大小及與經(jīng)外表面節(jié)點(diǎn)的外表面垂線所成角大小皆為最小的向量,該向量大小該點(diǎn)皮質(zhì)骨的厚度,同時(shí)考慮模型急劇轉(zhuǎn)折處的特殊情況。為檢驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性,使用組織等效模型模擬皮質(zhì)骨及軟組織,比較測(cè)得厚度與原始厚度。 結(jié)論：本研究成功建立利用CT圖象測(cè)量不規(guī)則骨皮質(zhì)骨三維厚度的方法,經(jīng)驗(yàn)證測(cè)量方法準(zhǔn)確可信。 1

4、.1.2 髖臼區(qū)域皮質(zhì)骨厚度分區(qū) 目的：根據(jù)髖骨皮質(zhì)骨三維厚度分布規(guī)律對(duì)髖臼區(qū)域的皮質(zhì)骨厚度進(jìn)行分區(qū)。 方法：對(duì)8名健康志愿者的髖骨CT圖像進(jìn)行分割提取皮質(zhì)骨并建立幾何模型并劃分網(wǎng)格。以上述實(shí)驗(yàn)建立的不規(guī)則骨皮質(zhì)骨三維厚度測(cè)量方法進(jìn)行厚度測(cè)量,獲得厚度數(shù)據(jù)后根據(jù)各厚度范圍皮質(zhì)骨分布面積的大小,采用聚類分析的方法對(duì)測(cè)得的厚度范圍進(jìn)行分組。 結(jié)論：在髖臼區(qū)域皮質(zhì)骨較厚的部位可大致分為三組,其部位與較高應(yīng)力點(diǎn)基本吻合。

5、 1.2 髖臼區(qū)域松質(zhì)骨骨小梁束大體分布及三維重建 1.2.1 髖臼區(qū)域松質(zhì)骨骨小梁束的大體分布 目的：了解髖臼區(qū)域骨小梁的大體分布狀況以預(yù)測(cè)可能的力學(xué)模式,并為后續(xù)研究提供資料。 方法：采用4具干燥骨盆標(biāo)本,取其兩側(cè)髖骨分別按照髖臼邊緣構(gòu)成的平面及閉孔平面進(jìn)行切割,觀察其切面的骨小梁分布模式以了解了解髖臼區(qū)域骨小梁的大體分布狀況。 結(jié)論：人類髖骨骨小梁最明顯的特點(diǎn)為骶恥束與髂坐束明顯分開(kāi)成十字狀

6、。相交部位骨質(zhì)致密失去方向性。這提示了髖臼區(qū)域可能的應(yīng)力模式。 1.2.2 臼區(qū)域松質(zhì)骨骨密度測(cè)量及分區(qū) 目的：測(cè)量髖臼區(qū)域松質(zhì)骨骨密度并進(jìn)行區(qū)域劃分。 方法：采用雙能定量CT(DEQCT)掃描8具新鮮骨盆標(biāo)本和校正體模,根據(jù)校正體模將CT值轉(zhuǎn)化為骨密度,提取每個(gè)掃描層面的松質(zhì)骨區(qū)域,計(jì)算其平均骨密度值。采用方差分析對(duì)各層面的骨密度進(jìn)行分區(qū)。 結(jié)論：髖臼松質(zhì)骨骨密度并不平均,密度較高部位在髖臼上部及坐骨大

7、切跡。 1.2.3 髖臼區(qū)域骨小梁束的三維重建 目的：通過(guò)對(duì)髖臼部位主要骨小梁束的三維重建分析骨小梁分布模式。 方法：通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)將研究范圍確定在臼頂部位,使用新鮮骨盆標(biāo)本沿弓狀線平面切割,切片范圍包括臼頂骶髂關(guān)節(jié)及坐骨大切跡區(qū)域。將切片放置定位標(biāo)志后拍攝X片。首先在二維平面內(nèi)確定各骨小梁的嵴線,然后在同一平面內(nèi)將各短的嵴線連接為骨小梁線,按照相鄰層面間骨小梁線的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)重建骨小梁的三維方向,最后實(shí)現(xiàn)骨小梁束的

8、三維重建。 結(jié)論：成功重建髖臼部位主要骨小梁束,經(jīng)觀察后發(fā)現(xiàn)其骨小梁束主要指向骶髂關(guān)節(jié)髂結(jié)節(jié)。 第二部分 正常步態(tài)下髖臼區(qū)域的三維有限元及三維光彈研究 2.1 正常步態(tài)下髖臼區(qū)域的三維有限元研究 2.1.1 包含有肌肉軟骨并區(qū)分皮質(zhì)骨松質(zhì)骨髖臼三維有限元模型的建立 目的：建立包含有肌肉軟骨并區(qū)分皮質(zhì)骨松質(zhì)骨的髖臼三維有限元模型為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供可靠模型。 方法：以多層螺旋CT獲取的DICOM格

9、式圖象為基礎(chǔ),采用Mimics10.01及PATRAN2005r2軟件提取皮質(zhì)骨輪廓建立包含區(qū)分皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及軟骨的有限元模型,跨越髖關(guān)節(jié)的22塊肌肉則采用加載的方式模擬。 結(jié)論：構(gòu)建髖臼有限元模型形象逼真,符合實(shí)際情況?？捎糜诜治鲶y臼力學(xué)特性。 2.1.2 正常步態(tài)下髖臼區(qū)域的三維有限元研究 目的：采用骨盆三維有限元模型,研究正常步態(tài)下骨盆的應(yīng)力分布和應(yīng)力傳到特征。 方法：采用上述實(shí)驗(yàn)建立的包含有肌肉

10、軟骨并區(qū)分皮質(zhì)骨松質(zhì)骨的髖臼三維有限元模型。施加支撐相中4個(gè)子步態(tài)的頭臼作用力及肌肉收縮力。分析骨盆的應(yīng)力分布和應(yīng)力傳到特征。 結(jié)論：髖臼區(qū)域應(yīng)力分布呈“三明治”樣,最大應(yīng)力產(chǎn)生在髖臼后上部。肌肉使應(yīng)力分布更為均勻,但髖臼區(qū)域的應(yīng)力主要來(lái)源于體重負(fù)荷產(chǎn)生的頭臼作用力。 2.2 正常步態(tài)下髖臼區(qū)域的三維光彈研究 2.2.1激光快速成型技術(shù)制造骨盆光彈模型 目的：使用激光快速成型技術(shù)骨盆光彈模型并測(cè)量制造精度

11、。 方法：使用CT圖象數(shù)據(jù)以Mimics軟件提取皮質(zhì)骨輪廓構(gòu)建STL模型,使用激光快速成型機(jī)固化Somos7110樹(shù)脂構(gòu)造光彈模型。在Mimics中測(cè)量骨盆各解剖標(biāo)志間的距離,使用電子卡尺測(cè)量光彈模型上相應(yīng)各點(diǎn)間的距離并對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線回歸。 結(jié)論：激光快速成型技術(shù)制備光彈模型與原型幾何符合度高且無(wú)明顯殘余應(yīng)力。激光快速成型技術(shù)是快速制備光彈模型的有效手段,可大大減少制作時(shí)間及制作成本。 2.2.2 正常步態(tài)下

12、髖臼區(qū)域的三維光彈分析 目的：使用三維光彈法研究正常步態(tài)下髖臼區(qū)域的應(yīng)力分布特征并與使用有限元法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 方法：使用上述實(shí)驗(yàn)確立的方法制備骨盆光彈模型,包括第五腰椎及雙側(cè)股骨近端。在股骨上施加體重負(fù)荷,通過(guò)固定在髂骨翼前部髂前上棘髂后上棘及恥骨下支的鋼絲施加負(fù)荷模擬四組肌群,假定股骨內(nèi)收15度,支撐相四個(gè)子步態(tài)股骨從屈曲22度到后伸12度。應(yīng)力凍結(jié)后,沿弓狀線切片。在偏振光場(chǎng)中觀察等差線及等傾線。 結(jié)

13、論：采用三維光彈法可直觀全場(chǎng)反映髖臼區(qū)域應(yīng)力分布特征,與上述有限元實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果基本相符。第三部分不同物種髖臼骨小梁系統(tǒng)的構(gòu)成差異及骨小梁方向的定量研究 3.1 不同物種種髖臼骨小梁系統(tǒng)構(gòu)成 目的：比較人及恒河猴的髖骨X片,探討其骨小梁構(gòu)成特點(diǎn)的差異。 方法：使用人及恒河猴的髖骨,在同等條件下拍攝X片。將采集到的圖象輸入imagine pro plus6.0,經(jīng)亮度對(duì)比及Gamma值調(diào)整后獲得清晰的骨小梁系統(tǒng)圖象

14、。觀察其骨小梁構(gòu)成特點(diǎn)的差異。 結(jié)論：人類特殊的骨小梁構(gòu)成,尤其是髂坐束的出現(xiàn)及其與骶恥束的相交是與直立行走密切相關(guān)的。 3.2 不同物種髖臼骨小梁方向的定量研究 目的：研究不同物種髖臼骨小梁方向的差異,并探討可能的原因。 方法：使用人及恒河猴的髖骨,在同等條件下拍攝X片。將采集到的圖象輸入imagine pro plus 6.0,經(jīng)快速傅立葉變換(FFT)后,以不同角度的頻譜值來(lái)代表該角度的骨小梁多少。