骶髂复合体.doc

骶髂复合体(sacroiac complex)位处骨盆后环的中央，是支撑人体躯干负载并完成力学传导的重要结构，其解剖及功能的完整性对骨盆环的稳定至关重要。其中，骶骨是以两侧的骶髂韧带(前部、骨间、后部)以及骶棘韧带和骶结节韧带来维持与两侧髋骨的解剖及功能联系的。已有的生物力学研究成果表明，骨盆的稳定性和功能动力学依赖于其周围强有力的固有连接(耻骨联合和骶髂韧带)和外部的韧带复合体(骶棘韧带、骶结节韧带和髂腰韧带)，但是，前部连接结构(前弓和耻骨联合)仅提供40功能完整性，前部连接结构的先天缺如(膀胱外翻)或切除(肿瘤切除等)不会导致骨盆稳定性的完全丧失，也就是说骶髂复合体承担了保持骨盆稳定性和完整性的60的功能，由此可知骶髂复合体的重要性。但是往往临床上在骨盆手术过程中对恢复骶髂复合体(Sacroiliaccomplex)的稳定性尚未引起足够的重视，无论骨盆骨折还是骶骨肿瘤切除，均会破坏骶髂复合体(sacroiliac complex)的完整性，从而引发骨盆环的不稳定，导致较高的病残率，因此临床上骨盆损伤的远期疗效不甚理想。本实验设计从临床实践出发，共分三个部分，首先建立解剖意义上的骨盆(pelvis)和骶髂复合体(Sacroiliac complex)的三维有限元模型(Finite element model，FEM)并与既往研究成果进行比较，验证所建模型的可信度，其次利用现有模型，模拟骨盆损伤机制，探讨韧带群对维持骶髂复合体稳定性的作用；最后模拟骶骨肿瘤三种切除方式，分析其对骨盆稳定性的影响。通过上述三个部分来阐述临床上保持骶髂复合体稳定性的重要性及其生物力学意义。实验一 骶髂复合体三维有限元模型的建立及验证 目的：寻求骶髂复合体三维有限元模型准确构建的方法，并探讨不同体位下骶髂关节面应力的变化，研究与之相关疾病的生物力学病理基础与机制。方法：选耳义一名健康成年男性志愿者，行影像学检查和临床查体排除骨盆肿瘤、感染、结核和畸形(先天性和外伤性)等情况后，对骨盆行螺旋CT断层扫描，0.75mm层厚，扫描范围自S椎体上缘至股骨大转子下5cm处，提取相关数据以DICOM格式输出后，导入医学三维重建软件Mimics，经过图片的筛选和预处理，提取边界坐标生成表面三维图像，再将此图像通过Unigraphics 作图软件建立骨盆和骶髂关节三维实体，再根据韧带群的解剖学观测建立韧带的三维实体图形，利用MARC有限元分析软件进行网格划分为若干四面体单元和杆单元，录入各结构的材料力学特性，建立骨盆和骶髂复合体的三维有限元模型。设定上部躯体重力负载为500N，模拟双足站立位、单足站立位和坐位三种常见的情况，评价骶髂关节面应力分布和骨盆环应力传导的规律以及骶髂关节运动范围，并与人体实验结果进行比较验证模型建立的准确性；结果：所构建的骨盆模型共划分为48，900个节点，100，003个四面体单元，骶髂关节周围12条韧带共设立12个杆单元(Truss单元)。比较三种体位下骶髂关节面的应力值：单足站立位(负重侧)最大，双足站立位次之，坐位最小。坐位较之双足站立位和单足站立位应力分布更加均匀。双足站立位和坐位的最大应力值出现在关节面前下缘，而单足站立位则出现在关节面的前上缘和关节面的中部后缘。其运动范围与人体实验结果在统计学上没有显著差异(P0.05)，三种体位下骶髂关节运动范围进行统计学分析：单足站立位明显大于双足站立位和坐位(P骶髂后短韧带骶髂后长韧带，而骶髂前韧带、骶结节韧带和骶棘韧带切断后对骶骨位移无明显影响，骶髂关节面和骨分盆分环应力分布也受到相应影响。 结论：分析骶髂关节韧带群损伤对骶骨位移、骶髂关节面应力分布和骨盆环应力传导的影响，有助于我们重视韧带群对于骨盆环稳定性的重要作用，理解骨盆各型损伤的力学机制，指导临床保护骶髂复合体的完整性和骨盆环稳定性的重建工作。实验三后路骶骨切除后骶髂复合体稳定性的三维有限元分析及其生物力学意义 目的：应用三维有限元方法研究后路骶骨切除的三种情况对骨盆环的稳定性和骶髂关节面应力的影响，指导临床的骨盆重建工作。方法：模拟后路骶骨切除的三种方式，建立相应骶髂复合体和骨盆的三维有限元模型，在双足站立位下于骶骨上方垂直加载500N的力，计算在三种切除方式下骶髂关节面和骨盆环应力的分布，提取骶骨表面若干节点的Z和Y向位移值利用SPSSl3.0进行统计学分析，评价三种切除方式对骶髂复合体稳定性的影响。结果：比较骶骨切除前后骶髂关节面和骨盆环的应力分布以及骶髂复合体稳定性的变化：(1)S骶后孔水平切除(未波及骶髂关节面)：骶髂关节面应力分布规律与骶骨切除前相似，骶骨位移无明显差异，骶髂复合体稳定性保持较好，应力沿弓状线传导至髋臼方形区，继而经髂耻隆起至股骨近端；(2)S骶后孔水平切除(低于骶髂关节面积的50)：骶髂关节面的应力分布和骶骨位移与切除前差异显著，骶髂复合体稳定性已受到影响，应力集中于弓状线上方的狭长区域；(3)S和S骶后孔之间水平切除(超过骶髂关节面积的50)：骨盆环的稳定性遭到破坏，仅在坐位能承受150N的力，应力分布和骶骨位移极其不均匀，有应力集中的趋势。结论：骶骨切除未波及骶髂关节面对骨衙环影响不大；在S骶后孔水平切除(低于骶髂关节面积的50)骶骨对骨盆环的稳定性有部分影响，但仍能够承担正常人体体重，而在S和S骶后孔之间水平切除(超过骶髂关节面积的50)骶骨对骨盆环的稳定性影响较大，建议临床根据骨盆环应力集中的区域进行骶髂复合体稳定性的重建工作。 小结：本实验建立的骶髂复合体和骨盆的三维有限元模型在正常人体负载情况下产生的位移与体外实验结果进行比较和验证，基本与之相符合(p0.05)；而不同体位F骶髂关节面和骨盆环应力分布规律与既往实验结果相一致，证明我们建立骶髂复合体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，可以进行骨盆创伤所致韧带断裂和骶骨肿瘤切除后骶髂复合体稳定性遭到破坏的力学实验；骶髂复合体由于独特的解剖结构和生物力学特性，在骨盆损伤机制中有一系列的生物力学改变。通过本实验分析我们认为骶髂复合体既是解剖学稳定系统，也是生物力学功能稳定系统。解剖学稳定系统包括骨性稳定结构(骶髂关节面凹凸不平、相互啮合的内锁形态)和软组织性稳定结构(骶髂关节周围韧带)，而生物力学稳定系统包括静力性稳定组织(完整的骨盆骨骼与周围韧带的有机组合)和动力性稳定组织(骶髂关节周围的肌肉及筋膜)。我们着眼于韧带群对骶骨位移和骨盆各部位应力分布的影响，有助于我们重视软组织稳定结构对于骨盆环稳定性的重要作用，理解骨盆损伤的力学机制，指导临床尽可能修复和保护骶髂复合体的完整性，尽量防止骶髂关节周围韧带的损伤，维护骶髂复合体的功能就是维护骨盆的功能。骶骨肿瘤行后路切除后不仅破坏了骶髂复合体骨性结构的完整，而且造成了软组织稳定结构的残缺，使得生物力学稳定系统失去平衡。通过有限元分析方法可以帮助我们在手术过程中评判进行骨盆重建工作的必要性，以及在重建过程中如何确定内固定的部位