骨盆前后压缩型损伤机制的有限元分析及相关韧带力学意义研究

发布时间：2020-04-27 15:16

【摘要】：在20世纪60年代以前,对于骨盆髋臼骨折的治疗,保守治疗占绝对优势。这主要是因为骨盆髋臼骨折多由高能量损伤所致,往往同时合并其他脏器损伤,常常危及生命。另外,骨盆髋臼位置深在,解剖结构复杂,毗邻盆腔重要脏器和神经血管,手术本身可能导致大量出血等风险,使得骨盆损伤的保守治疗成为首选。随着20世纪60年代Judet和Letournel两位教授对骨盆髋臼骨折分类及手术入路与复位固定技巧的相继提出,骨盆髋臼骨折治疗的现代观念逐步确立,手术治疗逐渐被大部分创伤骨科医生所接受并广泛用于临床中。自20世纪90年代初期,我国医生逐渐接触并开展骨盆髋臼手术。近20年来,随着内固定技术和影像学的发展,骨盆髋臼学习班的开办,国内外技术的深入交流,使得国内骨盆髋臼骨折诊疗有了飞速的发展。但不可否认的是骨盆骨折在临床治疗中仍有许多难题亟待解决,其仍是骨科医生所面临的十分棘手的问题。骨盆骨折作为一种复杂而严重的损伤,往往合并了骨与韧带的共同损伤。术后持续疼痛,活动受限、步态不稳等并发症仍是常常发生,由其是骶髂关节(sacroiliac joint,SIJ)所致下腰痛常常给患者生活带来不便。这与临床医生对于骨盆损伤机制和骶髂关节周围韧带解剖和功能认识不足息息相关。骶髂关节是支撑人体躯干负载和完成力学传导的重要结构,其解剖和功能的完整性对骨盆环的稳定至关重要。临床医师往往只强调修复骨性结构损伤而忽略骶髂关节周围韧带等软组织的修复,对骶髂关节周围软组织重视不足。因此,临床上虽然骶髂关节损伤的近期疗效尚可,但远期预后常常不能令人满意。自从上世纪九十年代,Young和Burgess根据骨盆损伤机制创立了Young-Burgess骨盆骨折分型系统以来,人们对各种类型骨盆骨折机制有了初步的认识和了解,尤其是前后压缩型(anteroposterior compression,APC)骨盆损伤,被认为是最典型的骨盆韧带损伤。临床医生根据不同类型骨折推导出患者受伤暴力机制,制定治疗方案,此分型至今仍广泛应用于临床中,给广大患者带来了福音。但仍有很多临床医生只熟悉骨盆骨折大体的临床分型,而对各种骨盆骨折骨与韧带损伤机制认识不充分,以至于常常误诊,给患者带了极大痛苦。目前骨盆损伤机制亦尚存在诸多争论,既往对骨盆的研究主要包括诸如骶髂关节的解剖形态,骶髂关节及其周围韧带的生物力学,运动方式及运动幅度研究等等。但是由于其解剖结构和生物力学特性十分独特,而影像学检查又难以清晰显示,所有这些都增加了我们对认知骨盆,尤其使骶髂关节疾患的难度,因此相关的研究也比较少,有许多问题尚有待于进一步研究和探索。生物力学主要包括实验生物力学研究和理论生物力学研究。两相辅相成、互为补充。一般而言实验生物力学是基础,并为计算生物力学提供校核和辅助条件,计算生物力学为实验生物力学提供了拓展空间。随着三维有限元技术的不断发展,应用三维有限元技术研究骨盆骨-韧带损伤,经济、便捷、样本量充足,结果数据精确,有较好的适应性。目前有限元模型与传统生物力学方法相结合,在骨科的基础和临床研究中正发挥着越来越大的作用,随着计算机硬件和软件性能的提高,将会建立出一个通用的模型,并能用于病情评价和制定术前、术后计划。本实验设计欲将有限元技术和实验力学技术相结合,依据骨盆CT建立骨盆损伤相关模型,利用CT扫描数据有限元模型的分析计算和尸体标本模拟骨盆损伤机制从以下五个部分进行研究。第一部分:骨盆骨-韧带三维有限元模型的建立及有效性验证研究目的:建立有效的骨盆骨-韧带有限元模型,为后续APC型骨盆损伤模型的构建提供研究基础。研究方法:获取成年男性尸体骨盆标本1个(44岁,身高172cm,体重70Kg)。通过骨盆CT扫描,得到骨盆的三维扫描DICOM格式图像,利用Mimics、Geomagic、Solidworks软件建立骨盆骨-韧带有限元模型并并绘制骨盆周围相关韧带,再行优化处理,然后导入Ansys软件中行材料属性赋值、网格划分、光滑优化等,建立骨盆骨-韧带三维有限元模型并对其有效性进行检测分析。研究结果:骨盆骨-韧带模型经过优化处理前后,骨盆髋臼各骨性突出点间的距离无明显统计学差异(P0.05);有限元分析得出:骨盆的整体形变以骶骨为中心,向两侧呈波浪式减弱,左、右两侧基本对称。所得结果与理论认识及相关研究符合,所建立的模型有效。研究结论:利用三维有限元技术所构建的骨盆骨-韧带三维有限元模型客观反映了骨盆真实解剖形态及生物力学行为,建立的骨盆骨-韧带有限元模型形态及力学有效,可用于后续实验研究。第二部分:APC型骨盆损伤模型建立及机制模拟的三维有限元分析研究目的:建立骨盆前后压缩(APC)型损伤骨-韧带三维有限元模型并探讨其损伤机制。研究方法:在已建立的正常人体全骨盆骨-韧带有限元模型的基础上,模拟APC型骨盆损伤,制造骨盆损伤测试模型:固定右半骨盆,切断并逐渐分离耻骨联合(PS),单纯使左半骨盆水平移位,使耻骨联合分离10mm,20mm,30mm,40mm,60mm,80mm,100mm。同一骨盆标本,模拟APC型骨盆骨折实验力学测试,发现耻骨联合分离28mm时,骶髂前韧带断裂,通过有限元模型计算出骶髂前韧带应变值,并应用于模型其他韧带赋值。观察耻骨联合分离距离对应的骶髂关节前方分离距离,骶髂关节周围韧带的应力、应变及骶棘韧带,骶结节韧带是否断裂及断裂时骨盆损伤情况。研究结果:耻骨联合分离28mm时,骶髂前韧带断裂,此时骶髂关节前方移位为7.41mm,通过有限元模型计算出骶髂前韧带韧带的应变值为259.5%,最大等效应力为543.24MPa。当耻骨联合分离至51mm时骶棘韧带断裂,此时骶髂关节分离距离为15.23mm,最大等效应力为35.00MPa。耻骨联合分离至10Omm,骶结节韧带出现韧带紧张并没有断裂,此时最大等效应力为13.17MPa。当骨盆逐渐外旋时,骶髂前韧带先断裂,其次为骶棘韧带,骶结节韧带不一定会断裂。骶结节韧带会限制骶棘韧带运动继续向后运动。研究结论:我们建立的骨盆骨-韧带有限元模型能有效模拟APC型骨盆损伤机制和评估损伤程度,为骨盆骨及韧带的生物力学的研究提供基础。第三部分:骨盆Apc Ⅱ型损伤中相关韧带对骨盆垂直稳定性影响的有限元分析研究目的:探讨站立位时骨盆前后压缩(APC)Ⅱ型损伤中骶髂前韧带(ASIL)、骶棘韧带(SSL)、骶结节韧带(STL)维持骨盆垂直稳定性的作用。研究方法:建立正常人体全骨盆骨与韧带有限元模型并进行验证,模拟骨盆前后压缩Ⅱ型损伤。切断耻骨联合后,根据韧带断裂顺序将APCⅡ型损伤模型分为A、B、C、D、E五组。骶髂前韧带、骶结节韧带、骶棘韧带三条韧带中,A1组:切断骶髂前韧带(ASIL),A2组:保留骶髂前韧带;B1组:切断骶棘韧带(SSL),B2组:保留骶棘韧带;C1组:切断骶结节韧带(STL),C2组:保留骶结节韧带;D组:骶髂前韧带、骶结节韧带、骶棘韧带全部切断;E组:骶髂前韧带、骶结节韧带、骶棘韧带全部保留。加载生理载荷后进行有限元计算,记录各组韧带断裂时骶髂关节位移情况及骶髂前韧带、骶棘韧带、骶结节韧带应力、应变分布情况。研究结果:五组模型中无论耻骨联合分离和骶髂前韧带、骶棘韧带、骶结节韧带是否被切断时均位移不明显。骶髂关节位移为A1组B1组C1组,C2组B2组A2组,所有分组中D组位移最大,E组位移最小,各组应力及应变均为ASILSSLSTL。研究结论:单侧骨盆APCⅡ型损伤ASIL、SSL、STL韧带对骨盆垂直稳定性影响较小,三条韧带中,ASIL维持骨盆稳定性作用最强,其次是SSL,而STL作用最弱。第四部分:骨盆前后压缩Ⅰ、Ⅱ型损伤的区分及严重程度评估研究目的:探讨耻骨联合(PS)分离2.5cm、骶髂关节前方分离距离在区分骨盆前后压缩(APC)Ⅰ、Ⅱ型损伤中可靠性,并评估损伤严重程度。研究方法:取11个(男性7个,女性4个)新鲜尸体标本共22侧半骨盆,制造半骨盆固定(限制组)和半骨盆不固定(非限制组)2种骨盆APC型损伤测试模型,将标本随机分为2组(n=11)。模拟APC型损伤外旋半骨盆,观察限制组与非限制组相关韧带的损伤情况并记录各组骶髂前韧带失效时耻骨联合分离距离、骶髂关节前方分离距离,患侧骨盆骶棘韧带、骶结节韧带损伤情况。研究结果:原始骨盆的耻骨联合,骶髂关节前方间距分别为4.73±0.84mm,3.16±0.38mm。当骶髂前韧带断裂时,耻骨联合分离平均距离为23.36±7.27mmm,范围在12～41 mm,骶髂关节前方分离平均距离为9.82±3.25mm,范围在5～18 mm;此时耻骨联合及骶髂关节前方分离距离,男女性别均有明显统计学差异(P0.05),限制组与非限制组均无明显统计学差异(P0.05)。单纯耻骨联合或骶髂关节前方分离距离大于23.36mm或9.82mm样本数均为10侧(45.5%);满足耻骨联合和骶髂关节前方距离至少一侧大于23.36mm,或9.82mm样本数为15侧(68.2%)。研究结论:由于形态学上存在的差异,耻骨联合分离2.5 cm为区分骨盆前后压缩Ⅰ、Ⅱ型损伤近似平均值,但不是金标准。临床上往往低估骨盆前后压缩型损伤程度,建议根据具体情况进行综合评估。耻骨联合结合骶髂关节前方分离距离更有利于评估骨盆损伤程度。第五部分:骶髂复合体生物力学特征研究进展(综述)
【图文】：

三维图像,皮质骨,松质骨,浅色

保存为Ｍｉｍｉｃｓ邋Ｐｒｏｊｅｃｔ邋Ｆｉｌｅｓ．ｍｃｓ文件命名为骨盆（ｐｅｌｖｉｃ），在阈值设定逡逑（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）中，根据预先设定的ＣＴ骨密度（邋１８０－１６５０ＨＵ），点击“Ａｐｐｌｙ”逡逑应用生成图层，此文件即为骨盆（如图１－２所示）。逡逑ＩｄＵ邋Ｖ？ｗ邋ｒ0ｏ＜？逦ＣＵＦＡｉｍｊＵｔｉｏｏ邋Ｍ？ｄＣＡＯ邋ｆ｛Ａ邋Ｒ？９ｎｔｒａ？ｏ？＜邋Ｉｘｐｅｆｔ邋Ｏｐｔｔｏ？ｔ逡逑．Ｖｊｉ１邋．ＩｂｆｌＨ逦－ｊ＾———．邋；＇，Ｓｔｉｒｔｏｒ．逡逑图１－２邋Ｍｉｍｉｃｓ邋１５．０软件阈值设定骨ＣＴ密度后生成的初步骨盆三维图像。逡逑手动点击选取右侧骨盆作为分析，初步生成供分析的三维图像，对蒙板进逡逑行擦除、填充等处理后，逐步分割腰５椎体、双侧骶髂关节、双侧髋关节，分逡逑别提取出骺骨、双侧髋骨和双侧股骨上１邋／邋３，并进行骨盆髋臼的初步三维重建，逡逑生成骨盆模型，骨表面较为粗糙，为达到方便三维图像分析目的，手动使用Ｓｌｉｃｅ逡逑Ｅｄｉｔ中Ｄｒａｗ功能及Ｍｉｍｉｃｓ中Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ功能，最后使用Ｃａｌｃｕｌａｔｅ邋３Ｄ工具对各逡逑图层进行三维模型建立

骨盆,三维模型,曲面,功能修复

得出内部空心骨块的面模型。使用“网格医生”中“自动修复”功能修复多边形网格逡逑内的缺陷，，然后将模型依次松弛、去除特征、快速平滑、删除钉状物并填充，逡逑重建出双侧髋骨及骶骨面模型，继续分别进行精确曲面（如图１－６）、自动化曲逡逑面（包括探测轮廓线、构造曲面并修理曲面、构造并编辑格栅）、拟合曲面等处理，逡逑对模型进行合适的网格划分有利于后续在有限元软件中的分析计算，最终得到逡逑曲面片均匀网格化模型。逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3

【参考文献】