選擇性切除骶骨后骨盆力學(xué)特性及新型骶骨假體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文針對(duì)選擇性切除骶骨進(jìn)行系列研究，通過(guò)標(biāo)本模型和有限元模型，系統(tǒng)地測(cè)試骨盆的力學(xué)特性的變化，判斷對(duì)其穩(wěn)定性和承重能力的影響；并針對(duì)骶骨全切后的情況設(shè)計(jì)一種新型的人工骶骨假體，以期在結(jié)構(gòu)上恢復(fù)中軸骨和骨盆連接的同時(shí)，在生物力學(xué)上恢復(fù)必要的承重和應(yīng)力傳導(dǎo)作用。全文分以下三個(gè)部分。 第一部分骶骨切除的骨盆生物力學(xué)分析。 目的：研究正常骶骨的力學(xué)特性和選擇性切除骶骨后對(duì)骨盆力學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的生物力學(xué)效應(yīng)，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(biāo)本，于檢驗(yàn)器具里固定雙側(cè)坐骨結(jié)節(jié)模擬坐姿，通過(guò)WE-5電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)垂直方向?qū)嵭蟹旨?jí)加載0、200、400、600、800、1000N，分別測(cè)量并記錄骨盆完整時(shí)、經(jīng)S3、S2、S1神經(jīng)孔上下緣橫行切除骶骨時(shí)、切除一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)時(shí)骨盆的主要應(yīng)力傳導(dǎo)路徑和應(yīng)力分布、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、位移趨勢(shì)以及剛度變化，測(cè)量并記錄經(jīng)S1神經(jīng)孔上緣切除后殘余骶骨結(jié)構(gòu)的極限載荷。 結(jié)果：隨著骶骨切除平面越向頭側(cè)，經(jīng)

3、S3孔上緣、經(jīng)S2孔下緣、經(jīng)S2孔上緣切除時(shí)骶髂關(guān)節(jié)骶骨側(cè)應(yīng)力值增加很少。經(jīng)S1孔下緣切除時(shí)骶髂關(guān)節(jié)應(yīng)力明顯增加為37.10Mpa，經(jīng)S1孔上緣時(shí)應(yīng)力值急劇增加達(dá)48.20Mpa，對(duì)整個(gè)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(cè)骶髂關(guān)節(jié)時(shí)，未切除側(cè)骶髂關(guān)節(jié)處應(yīng)力增加為59.60Mpa。殘余的髂骨坍塌并靠向殘存的骶骨，重心內(nèi)移，骨盆環(huán)重構(gòu)。經(jīng)S1孔上緣橫行切除時(shí)其骨盆的破壞載荷為P<,max>=2042.50±46.

4、25N。 結(jié)論：骶骨的主要應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于S1以上。當(dāng)切除達(dá)S1孔平面以上時(shí)，隨著骶髂關(guān)節(jié)面積急劇減少，前方骨皮質(zhì)及其周圍骨結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，應(yīng)力傳導(dǎo)方向偏離正常，局部應(yīng)力產(chǎn)生突變，嚴(yán)重?fù)p害了骨盆穩(wěn)定性，在日常的活動(dòng)如坐立、行走時(shí)有產(chǎn)生骨折的危險(xiǎn)。 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(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的生物力學(xué)效應(yīng)，探討骶骨切除后重建的必要性。 方法：通過(guò)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(shí)于骶骨底加載正常生理載荷及極限載荷，計(jì)算并記錄骶骨完整時(shí)、經(jīng)S3、S2、S1孔上下緣平面切除后、累及一側(cè)S1和骶髂關(guān)節(jié)的骶骨腫瘤刮除術(shù)后、切除一側(cè)部分骶髂關(guān)節(jié)直至S1孔上緣水平以上和切除一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)等10種骨盆模型的主要應(yīng)力分布、應(yīng)力傳導(dǎo)方向和位移。 結(jié)果：骶骨應(yīng)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(shí)骶髂關(guān)節(jié)骶骨側(cè)應(yīng)力值增加很少。經(jīng)S1孔下緣切除時(shí)應(yīng)力值明顯增加為2.1倍，經(jīng)S1孔上緣時(shí)應(yīng)力值急劇增加達(dá)4.3倍，而骶髂關(guān)節(jié)髂骨側(cè)只在經(jīng)S1孔下、上緣切除時(shí)分別增加67.7％和87.5％，對(duì)整個(gè)骨盆軸向剛度影響50～60％，做更多切除時(shí)，骶髂關(guān)節(jié)骶骨側(cè)應(yīng)力增加更多，而髂骨側(cè)突變，驟減54.3％。逐步增加載荷，上述部位應(yīng)力值也明顯增加，而且位移增大。切除一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)時(shí)，另側(cè)骶髂關(guān)節(jié)骶骨側(cè)應(yīng)力增加3.98倍，

7、髂骨側(cè)則增高達(dá)4倍，且其最大應(yīng)力值轉(zhuǎn)移到坐骨切跡部位，遠(yuǎn)超骶骨側(cè)。殘余的髂骨坍塌并靠向殘存的骶骨，重心內(nèi)移。 結(jié)論：骶骨的主要應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于S1以上。當(dāng)切除達(dá)S1孔平面以上時(shí)，骶髂關(guān)節(jié)大部分被切除，骶骨前方骨皮質(zhì)及其周圍骨結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，應(yīng)力傳導(dǎo)方向偏離正常，局部應(yīng)力值急劇增高，位移增大，嚴(yán)重?fù)p害了骨盆的穩(wěn)定性，在正常的活動(dòng)中有產(chǎn)生骨折的危險(xiǎn)。對(duì)骶骨切除后進(jìn)行重建應(yīng)盡可能恢復(fù)這種生理性應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對(duì)于骶骨切除對(duì)骨盆結(jié)構(gòu)的力學(xué)影

8、響，標(biāo)本模型和有限元模型力學(xué)分析顯示了相同的變化趨勢(shì)。 第三部分新型人工骶骨假體的設(shè)計(jì)。 目的：設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于骶骨全切術(shù)后能夠穩(wěn)定骨盆環(huán)，承擔(dān)生理載荷，有效恢復(fù)正常應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型人工骶骨假體。 方法：采集病人的骨盆CT資料，通過(guò)有限元三維建模分析，確定骶骨主要應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用三維建模技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)體化假體，形狀擬合S1前側(cè)主要應(yīng)力傳導(dǎo)的骨結(jié)構(gòu)。組合安裝骨盆和假體進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，判斷假體承擔(dān)載荷、傳導(dǎo)應(yīng)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(cè)量相關(guān)尺寸。 結(jié)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(shù)前確定切除范圍后決定。假體結(jié)構(gòu)部分可調(diào)。有限元分析結(jié)果顯示，整個(gè)骶骨假體內(nèi)固定系統(tǒng)重建了骨盆環(huán)，并形成了穩(wěn)定的承重結(jié)構(gòu)，可以將腰椎下傳的應(yīng)力通過(guò)假體傳導(dǎo)至雙側(cè)髖關(guān)節(jié)或坐骨結(jié)節(jié)。應(yīng)力傳導(dǎo)的三維空間路徑很好地?cái)M合了正常骨盆的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)度應(yīng)力集中。

10、結(jié)論：設(shè)計(jì)的新型個(gè)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(yīng)力傳導(dǎo)路徑，并穩(wěn)定了骨盆環(huán)，符合生理需要。但是，能否真正應(yīng)用于臨床還有待進(jìn)一步研究。綜上所述，通過(guò)選擇性骶骨切除的骨盆生物力學(xué)模型和有限元模型的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)骶骨主要的應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于S1以上，切除骶骨達(dá)S1孔以上則產(chǎn)生局部應(yīng)力突變，嚴(yán)重破壞骨盆的穩(wěn)定性，在正常的活動(dòng)中有產(chǎn)生骨折的危險(xiǎn)。對(duì)骶骨切除后進(jìn)行重建應(yīng)盡可能恢復(fù)這種生理性應(yīng)力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型人工骶骨假