骶髂復合體的三維有限元分析及其生物力學意義.pdf

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

2、弓和恥骨聯(lián)合)僅提供40％功能完整性，前部連接結構的先天缺如(膀胱外翻)或切除(腫瘤切除等)不會導致骨盆穩(wěn)定性的完全喪失，也就是說骶髂復合體承擔了保持骨盆穩(wěn)定性和完整性的60％的功能，由此可知骶髂復合體的重要性。但是往往臨床上在骨盆手術過程中對恢復骶髂復合體(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，均會破壞骶髂復合體(sacroiliac complex)的完整性，從而引發(fā)骨盆環(huán)的不

3、穩(wěn)定，導致較高的病殘率，因此臨床上骨盆損傷的遠期療效不甚理想。本實驗設計從臨床實踐出發(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，模擬骨盆損傷機制，探討韌帶群對維持骶髂復合體穩(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合體穩(wěn)定性的重要性及其生物力學意義。實驗一 骶髂復合體三維有限元模型的建立及驗證 目的：尋求骶髂復合體三維有限元模型準確構建的方法，并探討不同體位下骶髂關節(jié)面應力的變化，研究與之相關疾病的生物力學病理基礎與機制。方法：選耳義一名健康成年男性志愿者，行影像學檢查和臨床查體排除骨盆腫瘤、感染、結核和畸形(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子下5cm處，提取相關數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出后，導入醫(yī)學三維重建軟件Mimics，經過圖片的篩選和預處理，提取邊界坐標生成表面三維圖像，再將此圖像通過Unigraphics Ⅱ作圖軟件建立骨盆和骶髂關節(jié)三維實體，再根據(jù)韌帶群的解剖學觀測建立韌帶的三維實體圖形，利用MARC有限元分析軟件進行網格劃分為若干四面體單元和桿單元，錄入各結構的材料力學特性，建立骨盆和骶髂復合體的三維有限元模型。設定上部軀體重力負載為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，評價骶髂關節(jié)面應力分布和骨盆環(huán)應力傳導的規(guī)律以及骶髂關節(jié)運動范圍，并與人體實驗結果進行比較驗證模型建立的準確性；結果：所構建的骨盆模型共劃分為48，900個節(jié)點，100，003個四面體單元，骶髂關節(jié)周圍12條韌帶共設立12個桿單元(Truss單元)。比較三種體位下骶髂關節(jié)面的應力值：單足站立位(負重側)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力分布更加均勻。雙

7、足站立位和坐位的最大應力值出現(xiàn)在關節(jié)面前下緣，而單足站立位則出現(xiàn)在關節(jié)面的前上緣和關節(jié)面的中部后緣。其運動范圍與人體實驗結果在統(tǒng)計學上沒有顯著差異(P>0.05)，三種體位下骶髂關節(jié)運動范圍進行統(tǒng)計學分析：單足站立位明顯大于雙足站立位和坐位(P<0.01)。結論：所構建的骨盆和骶髂關節(jié)復合體的三維有限元模型客觀反映了骨盆真實解剖形態(tài)及生物力學行為，有利于我們以此為基礎進一步進行生物力學研究。分析比較不同體位下應力在骶髂關節(jié)面的分布和骨盆

8、環(huán)上的傳導，有助于我們日常生活中注重體位對骶髂復合體的保護作用，降低骶髂關節(jié)復合體的病損和退變。實驗二 骶髂復合體穩(wěn)定性的三維有限元分析及其生物力學意義 目的：應用三維有限元方法研究骶髂復合體韌帶結構對骨盆環(huán)的穩(wěn)定性以及骶髂關節(jié)面應力分布和骨盆環(huán)應力傳導的影響，指導臨床骨盆創(chuàng)傷的治療。 方法：根據(jù)實驗一所述方法建立骶髂復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同名韌帶(保持其他韌帶的完整)和完全切斷一側的骶髂關節(jié)周圍韌帶群，以垂直位移和矢狀軸位移為評價標準，選取其中若干節(jié)點將獲得的數(shù)據(jù)導入SPSSl3.0進行統(tǒng)計分析，探討韌帶群對維持骶髂關節(jié)穩(wěn)定性的作用，分析骶髂關節(jié)面應力的相應變化； 結果：當切除一側的骶髂關節(jié)周圍韌帶群，骶骨各部的位移變化不均勻，雙側骶髂關節(jié)面應力分布較之正常情況差異顯著，雙側骨盆環(huán)應力傳導亦出現(xiàn)明顯差異；逐根同時

10、切斷雙側同名韌帶后，產生的骶骨垂直位移和矢狀軸位移進行比較：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，骶髂關節(jié)面和骨分盆分環(huán)應力分布也受到相應影響。 結論：分析骶髂關節(jié)韌帶群損傷對骶骨位移、骶髂關節(jié)面應力分布和骨盆環(huán)應力傳導的影響，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機制，指

11、導臨床保護骶髂復合體的完整性和骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重建工作。實驗三后路骶骨切除后骶髂復合體穩(wěn)定性的三維有限元分析及其生物力學意義 目的：應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)定性和骶髂關節(jié)面應力的影響，指導臨床的骨盆重建工作。方法：模擬后路骶骨切除的三種方式，建立相應骶髂復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節(jié)面和骨盆環(huán)應力的分布，提取骶骨表面若干節(jié)點

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

13、力分布和骶骨位移與切除前差異顯著，骶髂復合體穩(wěn)定性已受到影響，應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，應力分布和骶骨位移極其不均勻，有應力集中的趨勢。結論：骶骨切除未波及骶髂關節(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)應力集中的區(qū)域進行骶髂復合體穩(wěn)定性的重建工作。 小結：①本實驗建立的骶髂復合體和骨盆的三維有限元模型在正常人體負載情況下產生的位移與體外實驗結果進行比較和驗證，基本與之相符合(p>0.05)；而不同體位F骶髂關節(jié)面和骨盆環(huán)應力分布規(guī)律與既往實驗結果相一致，證明我們建立骶髂復合體三維有限元模型客觀反映了骨盆真實解剖形態(tài)及生

15、物力學行為，可以進行骨盆創(chuàng)傷所致韌帶斷裂和骶骨腫瘤切除后骶髂復合體穩(wěn)定性遭到破壞的力學實驗；②骶髂復合體由于獨特的解剖結構和生物力學特性，在骨盆損傷機制中有一系列的生物力學改變。通過本實驗分析我們認為骶髂復合體既是解剖學穩(wěn)定系統(tǒng)，也是生物力學功能穩(wěn)定系統(tǒng)。解剖學穩(wěn)定系統(tǒng)包括骨性穩(wěn)定結構(骶髂關節(jié)面凹凸不平、相互嚙合的內鎖形態(tài))和軟組織性穩(wěn)定結構(骶髂關節(jié)周圍韌帶)，而生物力學穩(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組合

16、)和動力性穩(wěn)定組織(骶髂關節(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力分布的影響，有助于我們重視軟組織穩(wěn)定結構對于骨盆環(huán)穩(wěn)定性的重要作用，理解骨盆損傷的力學機制，指導臨床盡可能修復和保護骶髂復合體的完整性，盡量防止骶髂關節(jié)周圍韌帶的損傷，維護骶髂復合體的功能就是維護骨盆的功能。③骶骨腫瘤行后路切除后不僅破壞了骶髂復合體骨性結構的完整，而且造成了軟組織穩(wěn)定結構的殘缺，使得生物力學穩(wěn)定系統(tǒng)失去平衡。通過有限元分析方法可以