選擇性切除骶骨后骨盆力學特性及新型骶骨假體設計的實驗研究.pdf

1、本文針對選擇性切除骶骨進行系列研究，通過標本模型和有限元模型，系統(tǒng)地測試骨盆的力學特性的變化，判斷對其穩(wěn)定性和承重能力的影響；并針對骶骨全切后的情況設計一種新型的人工骶骨假體，以期在結構上恢復中軸骨和骨盆連接的同時，在生物力學上恢復必要的承重和應力傳導作用。全文分以下三個部分。 第一部分骶骨切除的骨盆生物力學分析。 目的：研究正常骶骨的力學特性和選擇性切除骶骨后對骨盆力學結構產(chǎn)生的生物力學效應，探討骶骨部分切除后重建的必

2、要性。 方法：采用6具成人防腐骨盆標本，于檢驗器具里固定雙側坐骨結節(jié)模擬坐姿，通過WE-5電子萬能試驗機垂直方向實行分級加載0、200、400、600、800、1000N，分別測量并記錄骨盆完整時、經(jīng)S3、S2、S1神經(jīng)孔上下緣橫行切除骶骨時、切除一側骶髂關節(jié)時骨盆的主要應力傳導路徑和應力分布、應力應變關系、位移趨勢以及剛度變化，測量并記錄經(jīng)S1神經(jīng)孔上緣切除后殘余骶骨結構的極限載荷。 結果：隨著骶骨切除平面越向頭側，經(jīng)

3、S3孔上緣、經(jīng)S2孔下緣、經(jīng)S2孔上緣切除時骶髂關節(jié)骶骨側應力值增加很少。經(jīng)S1孔下緣切除時骶髂關節(jié)應力明顯增加為37.10Mpa，經(jīng)S1孔上緣時應力值急劇增加達48.20Mpa，對整個骨盆軸向剛度影響50～60％，彎曲剛度和位移也明顯增大。切除一側骶髂關節(jié)時，未切除側骶髂關節(jié)處應力增加為59.60Mpa。殘余的髂骨坍塌并靠向殘存的骶骨，重心內移，骨盆環(huán)重構。經(jīng)S1孔上緣橫行切除時其骨盆的破壞載荷為P<,max>=2042.50±46.

4、25N。 結論：骶骨的主要應力傳導結構位于S1以上。當切除達S1孔平面以上時，隨著骶髂關節(jié)面積急劇減少，前方骨皮質及其周圍骨結構被嚴重破壞，應力傳導方向偏離正常，局部應力產(chǎn)生突變，嚴重損害了骨盆穩(wěn)定性，在日常的活動如坐立、行走時有產(chǎn)生骨折的危險。 第二部分骶骨切除的三維有限元模型分析。 目的：研究正常骨盆和選擇性切除骶骨后骨盆力學結構產(chǎn)生的生物力學效應，探討骶骨切除后重建的必要性。 方法：通過一成年男子的

5、骨盆薄層CT掃描數(shù)據(jù)，建立正常骨盆和不同方式范圍切除部分骶骨后的骨盆三維有限元模型，模擬站立位和坐位時于骶骨底加載正常生理載荷及極限載荷，計算并記錄骶骨完整時、經(jīng)S3、S2、S1孔上下緣平面切除后、累及一側S1和骶髂關節(jié)的骶骨腫瘤刮除術后、切除一側部分骶髂關節(jié)直至S1孔上緣水平以上和切除一側骶髂關節(jié)等10種骨盆模型的主要應力分布、應力傳導方向和位移。 結果：骶骨應力主要分布在S1以上骶段的前部。隨著切除平面的提高，經(jīng)S3孔上緣、

6、經(jīng)S2孔下緣、經(jīng)S2孔上緣切除時骶髂關節(jié)骶骨側應力值增加很少。經(jīng)S1孔下緣切除時應力值明顯增加為2.1倍，經(jīng)S1孔上緣時應力值急劇增加達4.3倍，而骶髂關節(jié)髂骨側只在經(jīng)S1孔下、上緣切除時分別增加67.7％和87.5％，對整個骨盆軸向剛度影響50～60％，做更多切除時，骶髂關節(jié)骶骨側應力增加更多，而髂骨側突變，驟減54.3％。逐步增加載荷，上述部位應力值也明顯增加，而且位移增大。切除一側骶髂關節(jié)時，另側骶髂關節(jié)骶骨側應力增加3.98倍，

7、髂骨側則增高達4倍，且其最大應力值轉移到坐骨切跡部位，遠超骶骨側。殘余的髂骨坍塌并靠向殘存的骶骨，重心內移。 結論：骶骨的主要應力傳導結構位于S1以上。當切除達S1孔平面以上時，骶髂關節(jié)大部分被切除，骶骨前方骨皮質及其周圍骨結構嚴重破壞，應力傳導方向偏離正常，局部應力值急劇增高，位移增大，嚴重損害了骨盆的穩(wěn)定性，在正常的活動中有產(chǎn)生骨折的危險。對骶骨切除后進行重建應盡可能恢復這種生理性應力傳導結構。對于骶骨切除對骨盆結構的力學影

8、響，標本模型和有限元模型力學分析顯示了相同的變化趨勢。 第三部分新型人工骶骨假體的設計。 目的：設計一種應用于骶骨全切術后能夠穩(wěn)定骨盆環(huán)，承擔生理載荷，有效恢復正常應力傳導結構的新型人工骶骨假體。 方法：采集病人的骨盆CT資料，通過有限元三維建模分析，確定骶骨主要應力傳導結構。運用三維建模技術設計個體化假體，形狀擬合S1前側主要應力傳導的骨結構。組合安裝骨盆和假體進行有限元應力分析，判斷假體承擔載荷、傳導應力和維

9、持骨盆穩(wěn)定的有效性。采集19例正常骨盆CT資料作三維重建，模擬骶骨切除后安裝骶骨假體，測量相關尺寸。 結果：由于骶骨切除的范圍和殘余的髂骨翼的大小不同，假體的規(guī)格在術前確定切除范圍后決定。假體結構部分可調。有限元分析結果顯示，整個骶骨假體內固定系統(tǒng)重建了骨盆環(huán)，并形成了穩(wěn)定的承重結構，可以將腰椎下傳的應力通過假體傳導至雙側髖關節(jié)或坐骨結節(jié)。應力傳導的三維空間路徑很好地擬合了正常骨盆的應力傳導路徑，沒有出現(xiàn)過度應力集中。

10、結論：設計的新型個體化人工骶骨假體模型既能夠很好地承重，又模擬了正常的應力傳導路徑，并穩(wěn)定了骨盆環(huán)，符合生理需要。但是，能否真正應用于臨床還有待進一步研究。綜上所述，通過選擇性骶骨切除的骨盆生物力學模型和有限元模型的實驗研究，發(fā)現(xiàn)骶骨主要的應力傳導結構位于S1以上，切除骶骨達S1孔以上則產(chǎn)生局部應力突變，嚴重破壞骨盆的穩(wěn)定性，在正常的活動中有產(chǎn)生骨折的危險。對骶骨切除后進行重建應盡可能恢復這種生理性應力傳導結構，實驗設計的新型人工骶骨假