骶髂螺釘釘?shù)绤?shù)的CT測(cè)量與力學(xué)性能的三維有限元分析.pdf

1、骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位時(shí),骨盆在旋轉(zhuǎn)與垂直方向均不穩(wěn)定。生物力學(xué)證實(shí)應(yīng)用骶骼螺釘內(nèi)固定,能夠提供骨盆足夠的穩(wěn)定性,其生物力學(xué)效應(yīng)等于或優(yōu)于其他內(nèi)固定。同時(shí)臨床實(shí)踐證明骶髂螺釘是治療骶髂復(fù)合結(jié)構(gòu)損傷最有效方法之一。骶骨側(cè)塊個(gè)體差異性較大,解剖位置較深,且骶髂關(guān)節(jié)周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)確切的進(jìn)針部位及最佳進(jìn)針方向沒有統(tǒng)一規(guī)范,手術(shù)相關(guān)的應(yīng)用解剖學(xué)資料尚少。這限制了骶髂螺釘技術(shù)的推廣普及。近年來,在透視與導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)上開展的經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定

2、術(shù)因創(chuàng)傷更小,固定可靠,廣受青睞。但經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù)是以閉合復(fù)位、術(shù)前患側(cè)釘?shù)绤?shù)測(cè)量與術(shù)中影像學(xué)監(jiān)測(cè)為應(yīng)用基礎(chǔ)。然而臨床上部分骶髂螺釘技術(shù)適應(yīng)癥患者經(jīng)牽引術(shù)后,患側(cè)骶髂關(guān)節(jié)仍難以復(fù)位或復(fù)位不良?；紓?cè)未復(fù)位,術(shù)前無法直接測(cè)得相應(yīng)的螺釘釘?shù)绤?shù)。這嚴(yán)重影響術(shù)中進(jìn)針點(diǎn)、進(jìn)針方向、螺釘大小及長(zhǎng)度的選擇。術(shù)中切開復(fù)位后再試圖測(cè)量,不僅耽誤手術(shù)時(shí)間,增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也可能因搬運(yùn)患者引起復(fù)位關(guān)節(jié)再脫位。為了尋找一種更為簡(jiǎn)便、精確的理想骶髂螺釘

3、釘?shù)绤?shù)的CT測(cè)量方法來指導(dǎo)術(shù)中置釘,本研究通過應(yīng)用CT三維重建技術(shù)對(duì)11例冰凍正常成人骨盆標(biāo)本左、右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)行模擬骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù),并對(duì)理想骶髂螺釘釘?shù)绤?shù)進(jìn)行測(cè)量與置釘驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。為了探討部分經(jīng)牽引術(shù)后仍未復(fù)位的骶髂螺釘技術(shù)適應(yīng)癥患者,切開復(fù)位骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù)前應(yīng)用螺旋CT個(gè)體化測(cè)量健側(cè)螺釘釘?shù)绤?shù),指導(dǎo)術(shù)中置釘?shù)目尚行?本研究根據(jù)對(duì)側(cè)的CT測(cè)量結(jié)果,在11例冰凍正常成人骨盆標(biāo)本左、右骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)行個(gè)體化置釘研究。另外,目前國(guó)內(nèi)

4、外關(guān)于骶髂螺釘力學(xué)性能的三維有限元分析的文獻(xiàn)報(bào)道鮮有。本研究通過建立骨盆垂直不穩(wěn)定三維有限元模型,評(píng)價(jià)骨盆前環(huán)穩(wěn)定與不穩(wěn)定2種情況下,單S1螺釘固定與S1、S2雙螺釘固定的生物力學(xué)性能,為骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位內(nèi)固定方式的選擇提供理論依據(jù)。
　　 目的：尋找一種更為簡(jiǎn)便、精確的理想骶髂螺釘釘?shù)绤?shù)的CT測(cè)量方法來指導(dǎo)置釘,并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性與探討臨床意義。
　　 方法：
　　 1.應(yīng)用CT三維重建技術(shù)對(duì)11例冰凍正常中國(guó)成

5、人骨盆標(biāo)本進(jìn)行螺旋CT掃描與多平面重組,左、右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)模擬骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù),并應(yīng)用數(shù)字刻度尺(精確度為0.1mm)與度量器(精確度為0.1°)測(cè)量理想骶髂螺釘?shù)尼數(shù)绤?shù)(包括理想螺釘?shù)闹睆?、長(zhǎng)度、進(jìn)針方向、安全角度及進(jìn)針點(diǎn)與髂后上、下棘的距離等)。
　　 2.根據(jù)CT測(cè)量結(jié)果,在11例骨盆標(biāo)本(22個(gè)骶髂關(guān)節(jié))上進(jìn)行個(gè)體化置釘驗(yàn)證。
　　 3.采用SPSS13.0軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,求各個(gè)參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差((x)

6、±s),并對(duì)骨盆標(biāo)本左右側(cè)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn),檢驗(yàn)水準(zhǔn)設(shè)為α=0.05。
　　 結(jié)果：
　　 1.理想骶髂螺釘?shù)拈L(zhǎng)度與最大直徑分別為:(87.62±1.68)mm與(20.26±1.20)mm；理想骶髂螺釘與冠狀面、水平面的夾角分別是(25.85±1.06)°與(19.79±1.60)°;理想骶髂螺釘在冠、軸狀面上的安全角度分別為(19.84±1.15)°與(23.64±1.35)°；理想骶髂螺釘進(jìn)針點(diǎn)與髂后上、下棘的距離分

7、別為(37.02±1.67)mm與(38.30±1.14)mm。
　　 2.11例骨盆標(biāo)本左、右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)所置螺釘均安全、準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定位置。3.同一個(gè)體左、右側(cè)理想骶髂螺釘釘?shù)绤?shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差別。
　　 結(jié)論：
　　 1.應(yīng)用CT三維重建技術(shù)模擬骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù),可簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地測(cè)量理想骶螺釘?shù)尼數(shù)绤?shù)并進(jìn)行術(shù)前評(píng)估,這對(duì)術(shù)中置入螺釘?shù)倪M(jìn)針點(diǎn)、角度和形態(tài)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 2.臨床上部分骶髂螺

8、釘技術(shù)適應(yīng)癥患者經(jīng)牽引術(shù)后,患側(cè)骶髂關(guān)節(jié)仍難以復(fù)位或復(fù)位不良,或許能根據(jù)健側(cè)理想螺釘?shù)尼數(shù)绤?shù)指導(dǎo)術(shù)中置釘。
　　 目的：探討切開復(fù)位骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù)前應(yīng)用螺旋CT個(gè)體化測(cè)量健側(cè)螺釘釘?shù)绤?shù),指導(dǎo)術(shù)中置釘?shù)目尚行浴?br>　　 方法：
　　 1.實(shí)驗(yàn)-結(jié)束后,應(yīng)用MTS MiniBionix-858型生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(MTS公司,USA,南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室)將11例骨盆標(biāo)本左、右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)均制成垂直不穩(wěn)定模型。<

9、br>　　 2.復(fù)位骶髂關(guān)節(jié)后,根據(jù)對(duì)側(cè)的CT測(cè)量結(jié)果,在11例骨盆標(biāo)本(22個(gè)骶髂關(guān)節(jié))左、右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)上進(jìn)行個(gè)體化置釘。
　　 結(jié)果：左側(cè)骶髂關(guān)節(jié)所置11枚螺釘均安全、準(zhǔn)確地到達(dá)S1椎體預(yù)定位置；右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)所置螺釘除1枚偏離突出骨質(zhì)外,其余10枚均安全到達(dá)S1椎體預(yù)定位置。
　　 結(jié)論：切開復(fù)位骶髂螺釘內(nèi)固定術(shù)前應(yīng)用螺旋CT個(gè)體化測(cè)量健側(cè)螺釘釘?shù)绤?shù),指導(dǎo)患側(cè)術(shù)中置釘?shù)姆椒ㄊ强煽康摹?br>　　 目的：建立可靠

10、的骨盆三維有限元模型,為進(jìn)一步研究骨盆骨折損傷機(jī)制及評(píng)價(jià)內(nèi)固定物的生物力學(xué)性能提供可靠的數(shù)字仿真模型。
　　 方法：選擇1例有代表性的健康成人男性志愿者,經(jīng)影像學(xué)檢查排除骨盆損傷、腫瘤、畸形等病變后,采用螺旋CT(Toshiba Aguilion16,東芝公司,日本)橫斷掃描第4腰椎下緣至股骨大轉(zhuǎn)子下5cm處,層厚為0.5cm。掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式存入計(jì)算機(jī),借助MINICS10.0軟件(Materialise公司,比利時(shí))

11、重建骨盆骨性結(jié)構(gòu),幾何模型導(dǎo)入FREEFORM PLUS軟件(SensAbole公司,美國(guó))進(jìn)行打磨、填孔及去噪處理,形成接近正常的幾何實(shí)體模型。幾何實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS10.0軟件(Ansys公司,美國(guó))進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)韌帶的起止點(diǎn)及橫截面積加載韌帶,錄入各結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)屬性,建立骨盆的三維有限元模型。設(shè)立上部軀體重力負(fù)荷為500N,垂直加壓于骶骨椎體上表面。模擬雙足站立,評(píng)價(jià)骨盆環(huán)的應(yīng)力傳導(dǎo)規(guī)律與骶髂關(guān)節(jié)應(yīng)力分布:計(jì)算出骶骨25

12、個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)垂直位移與角位移的均值和標(biāo)準(zhǔn)差((x)±s),并采用SPSS13.0軟件與人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn),檢驗(yàn)水準(zhǔn)設(shè)為α=0.05。
　　 結(jié)果：
　　 1.所構(gòu)建的骨盆三維有限元模型共劃分為221139節(jié)點(diǎn),143115個(gè)四面體單元,其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、恥骨聯(lián)合以及關(guān)節(jié)軟骨均為solid32單元,全部韌帶均為link單元。
　　 2.骨盆加載后,應(yīng)力分布均勻,兩側(cè)半骨盆受力呈對(duì)稱性分布,最大應(yīng)力分布于坐

13、骨大切跡附近。
　　 3.模擬雙足站立位時(shí),骶骨在矢狀面的垂直位移平均值為0.698mm,角位移平均值為1.69°,與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的尸體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。
　　 結(jié)論：本研究所構(gòu)建的三維有限元模型客觀地反映了骨盆真實(shí)的解剖形態(tài)與生物力學(xué)行為,是有效、可靠的。
　　 目的：通過建立骨盆垂直不穩(wěn)定三維有限元模型,評(píng)價(jià)骨盆前環(huán)穩(wěn)定與不穩(wěn)定2種情況下,單S1螺釘固定與S1、S2雙螺釘固定的生物力學(xué)性能,為骶髂關(guān)節(jié)

14、骨折脫位內(nèi)固定方式的選擇提供理論依據(jù)。
　　 方法：在實(shí)驗(yàn)三的基礎(chǔ)上,建立單純骶髂關(guān)節(jié)脫位(A模型)與骶髂關(guān)節(jié)脫位+恥骨聯(lián)合分離(B模型)三維有限元模型。2模型分別應(yīng)用單S1螺釘(Ⅰ類固定)與S1、S2雙螺釘固定(Ⅱ類固定),即可獲得4種(AⅠ、AⅡ、BⅠ與BⅡ)骶髂關(guān)節(jié)脫位螺釘內(nèi)固定模型。對(duì)4種骶髂關(guān)節(jié)脫位螺釘內(nèi)固定模型進(jìn)行加載與非線性有限元分析,計(jì)算出S1螺釘?shù)奈灰婆c應(yīng)力分布,并與正常骨盆進(jìn)行比較。
　　 結(jié)果：

15、r>　　 1.4種骶髂關(guān)節(jié)脫位螺釘內(nèi)固定模型的S1螺釘表面取點(diǎn)路徑上各點(diǎn)的位移曲線結(jié)果顯示:S1螺釘?shù)奈灰谱葬斆敝玲斘仓饾u增大。最大位移值的比較結(jié)果為:AⅡ模型＜BⅡ模型＜AⅠ模型＜正常骨盆＜BⅠ模型,其中AⅡ、BⅡ、AⅠ模型分別是正常骨盆的55％、82％、96％,而BⅠ模型是正常骨盆的1.93倍(AⅠ模型:1.630×10-3m；AⅡ模型:9.324×10-4；BⅠ模型:3.271×10-3m;BⅡ模型:1.400×10-3m；正常

16、骨盆:1.698×10-3m)。
　　 2.4種骶髂關(guān)節(jié)脫位螺釘內(nèi)固定模型的S1螺釘表面取點(diǎn)路徑上各點(diǎn)的應(yīng)力曲線與S1螺釘?shù)膽?yīng)力云圖結(jié)果顯示:S1螺釘?shù)膽?yīng)力分布較集中,應(yīng)力峰值出現(xiàn)于通過骶髂關(guān)節(jié)處。最大應(yīng)力的比較結(jié)果為:BⅠ模型＞AⅠ模型＞BⅡ模型＞AⅡ模型＞正常骨盆,其中BⅠ、AⅠ、BⅡ、AⅡ模型分別是正常骨盆的736倍、348倍、162倍、75倍(AⅠ模型:3.285×108N；AⅡ模型:7.093×107N;BⅠ模型:6.

17、941×108N；BⅡ模型:1.532×108N；正常骨盆:9.433×105N)。
　　 結(jié)論：
　　 1.單純骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位解剖復(fù)位后,予以單純S1螺釘內(nèi)固定,骨盆環(huán)即可獲得可靠的穩(wěn)定,臨床上再冒險(xiǎn)置入S2螺釘意義不大。
　　 2.骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位+恥骨聯(lián)合分離時(shí),單純S1螺釘內(nèi)固定難以恢復(fù)骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性。
　　 3.S1、S2雙螺釘固定較單枚S1螺釘固定,骨盆穩(wěn)定性更強(qiáng)。
　　 4.穩(wěn)定