张力带钢板重建骨盆后环稳定性的解剖学研究及有限元分析

摘要

背景:
　　不稳定性骨盆骨折，尤其是开放性骨盆骨折，常合并周围血管、神经的损伤，临床上其致死率及致残率较高。研究发现，在整体骨盆环的稳定性方面，骨盆前环的作用占了40％，而骨盆后环则占了60％，因此对于不稳定性骨盆骨折的治疗，内固定重建骨盆后环的稳定性成为整体骨盆环的治疗中的关键操作。目前，骨盆后环的手术内固定方式很多，各种内固定方式各有优缺点和手术适应症。
　　骨盆后环张力带钢板(Posterior Pelvic Ring Tension Band Plate，PPRTBP)固定技术治疗不稳定性骨盆骨折具有操作简单，手术创伤较小，手术操作安全，手术并发症相对较少等优点，其在骨盆骨折的临床治疗上的应用也越来越多。在临床操作及发表的相关文献中可发现，骨盆后环张力带钢板的置放位置及方向在实际操作中有较大差异，谭国庆已对骨盆后环张力带钢板的三种临床常见位置进行了生物力学研究，提示置放在髂后上棘附近的张力带钢板其对骶髂关节分离的固定效果较好，提出了整体骨盆环“箍桶”式结构理论，但关于骨盆后环张力带钢板具体的手术置放位置及方向未做进一步研究。
　　有限元分析方法，是一种理论生物力学研究方法。骨盆有限元分析就是利用数学近似的方法对真实的骨盆结构进行模拟，利用有限元软件建造骨盆三维有限元模型，分析后研究模型的应力、应变及位移情况。有限元分析法已成为人体生物力学研究的重要方法。
　　本研究旨在，利用整体骨盆环“箍桶”式理论，通过对整体骨盆环及骶髂关节、耻骨联合关节的尸体解剖形态学研究，确定骨盆环中心平面在后方髂骨上的位置，测量其与髂后上棘(posterior superior iliac spine，PSIS)的距离，同时确定骨盆环中心平面的方向;然后，在解剖学研究基础上，建立骨盆三维有限元分析模型，探讨骨盆后环张力带钢板各不同固定方式的固定效果，筛选出最佳的固定方式，为临床合理应用张力带钢板重建骨盆后环稳定性提供理论依据。
　　第一部分 张力带钢板内固定治疗骨盆后环损伤的解剖形态学研究
　　目的:
　　通过对骨盆实体标本的观察和测量，及利用Mimics、CAD逆向工程技术，寻找整体骨盆环的中心平面，确定骨盆环中心平面在后方髂嵴的位置;进一步测量后，确定骨盆环中心平面在后方髂嵴位置至髂后上棘的距离，并确定骨盆环中心平面的倾斜角度。为进一步研究提供解剖基础。
　　方法:
　　选取防腐的成年人尸体骨盆标本及干性骨盆标本共12具，其中男性骨盆实体标本8具，女性骨盆标本4具，解剖处理后取得骨性骨盆标本，分离骶髂关节及耻骨联合关节，暴露两关节的关节面;选取健康成人骨盆CT平扫资料20例，其平扫厚度为1.0mm，像素512*512,备用。采用三种不同方法对骨盆进行测量:一、骨盆实体标本测量。把骶髂关节及耻骨联合关节拟合成规则几何形状后，分别测量其几何重心，连接两几何重心确定骨盆环中心平面的位置，观察其与髂后上棘的位置关系，并确定其在后方髂嵴上的位置，测量髂后上棘与此位置的表面距离;确定髂后上棘及髂前上棘(anterior superior iliac spine，ASIS)连线所在平面，测量骨盆环中心平面与此平面的夹角。二、AutoCAD2014下骨盆标本的测量。拍摄骨盆实体标本的髂骨内侧面观照片，导入AutoCAD软件后，利用其强大的测量功能，确定骶髂关节及耻骨联合关节的重心所在的骨盆环中心平面，并测量髂后上棘到此平面在后方髂嵴位置的距离;确定髂后上棘及髂前上棘连线，测量骨盆环中心平面与此连线夹角。三、Mimics16.0下三维骨盆模型的测量。利用骨盆CT平扫图片重建骨盆三维模型，然后在三维模式下确定骨盆环中心所在平面，测量髂后上棘到此平面的表面距离，及此平面与髂后上棘及髂前上棘连线的夹角。所得数据采用统计学软件SPSS进行处理，结果以平均数±标准误表示。
　　结果:
　　骨盆实体标本的测量:骨盆环中心所在平面在后方髂嵴的位置与髂后上棘的表面距离为26.13±1.53mm，骨盆环中心所在平面相对于髂后上棘与髂前上棘间连线的夹角为54.00±0.78°。AutoCAD2014下骨盆标本的测量:骨盆环中心所在平面在后方髂嵴的位置与髂后上棘的表面距离为26.45±1.49mm，骨盆环中心所在平面相对于髂后上棘与髂前上棘间连线的夹角为54.75±0.94°。Mimicsl6.0下骨盆三维模型的测量:骨盆环中心所在平面在后方髂嵴的位置与髂后上棘的表面距离为25.62±0.95mm，骨盆环中心所在平面相对于髂后上棘与髂前上棘间连线的夹角为55.46±0.51°。骨盆尸体标本与骨盆三维模型测量数据合并后结果:骨盆环中心所在平面存后方髂嵴的位置与髂后上棘的表面距离为25.87±0.80mm;骨盆环中心所在平面相对于髂后上棘与髂前上棘间连线的夹角为55.05±0.45°
　　结论:
　　通过对人体骨盆解剖形态的观察及测量，确定了整体骨盆环中心平面所在位置，髂后上棘处于其后下方。骨盆环中心平面在后方髂嵴位置与髂后上棘间表面距离为25.87±0.80mm;骨盆环中心所在平面相对于髂后上棘髂前上棘连线所在平面向前向下倾斜55.05±0.45°，为进一步研究奠定基础。
　　第二部分 骨盆三维有限元模型的建立及其有效性验证
　　目的:
　　建立正常骨盆有限元分析模型，验证和分析其可靠性，为进一步有限元分析骨盆损伤模型和骨盆后环张力带钢板固定模型奠定基础。
　　方法:
　　招募成年健康男性志愿者1名，经过CT扫描后，得到层厚为1.0mm的骨盆CT横断面图像，导入Mimics软件建立骶骨及两侧髋骨的三维模型，经GeomagicStudio软件优化处理后，导入有限元分析软件Abaqus中，经赋值、装配、网格化、处理接触等处理后，建立含有周围韧带结构的完整骨盆三维有限元模型。模拟人体站立位，在两侧的髋臼设置边界条件，骶骨终板上表面施加600N重力方向载荷，计算完整骨盆环的应力、应变及位移情况。
　　结果:
　　骶骨终板上表面施加600N重力方向载荷后，骨盆有限元模型应力传导方向为从骶骨终板上表面经两侧的骶骨翼，通过骶髂关节后，经骨盆弓状线及坐骨大切迹处向前向下传导，最终传导至双侧髋臼顶;骶骨相对于髂骨有向下向前移位的趋势，而髂骨有旋转的趋势;整体骨盆环应变较小，主要集中在左右骶髂关节的两侧，骨盆前环耻骨联合处的应变几乎可以忽略不计。
　　结论:
　　利用Mimics16.0、Geomagic Studio2013及Abaqus6.14重建了正常骨盆的三维有限元分析模型;此骨盆模型可靠，能较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性，可用于骨盆相关的有限元分析，为骨盆生物力学研究提供了一种重要方法。
　　第三部分 不同方式张力带钢板重建骨盆后环稳定性的三维有限元分析
　　目的:
　　利用有限元分析的方法，比较多种张力带钢板固定方式治疗骶髂关节分离损伤的内固定疗效，以期筛选出骨盆后环张力带钢板最佳的固定方式，为临床合理应用骨盆后环张力带钢板提供生物力学依据。
　　方法:
　　招募成年健康男性志愿者1名，男性，24岁，骨盆CT扫描得到层厚为1.0mm、像素为512*512的骨盆CT横断面图像，导入Mimics软件建立骶骨及两侧髋骨的三维模型，经Geomagic Studio软件优化处理后，导入大型有限元分析软件Abaqus中，经赋值、装配、网格化、处理接触等处理后，建立左骶髂关节分离的骨盆损伤有限元模型;利用SolidWorks软件，绘制不同长度的3.5mm螺钉及骨盆重建钢板，根据骨盆后方结构测量数据预弯重建钢板成不同形态;张力带钢板模型及螺钉模型导入Abaqus中，与骨盆损伤模型装配在一起，制作六种不同张力带钢板固定方式的骨盆内固定模型，分别记为:髂后向上(IPAS)模型、髂后向下(IPAI)模型、髂后水平(IPAH)模型、髂上水平(ISAH)模型、髂上向下(ISAI)模型及髂下向上(IIAS)模型。模拟人体站立位状态，固定两侧髋臼，骶骨终板上表面施加600N重力方向载荷，记录左骶髂关节线两侧骶骨及髂骨位移，比较各模型对骨盆后环稳定性的固定效果。所得数据采用独立变量t检验，进行模型间两两比较。
　　结果:
　　在骶骨终板上表面施加600N的垂直载荷后，骨盆损伤模型的左骶髂关节线骶骨侧及髂骨侧位移分别为0.524677±0.009845mm、0.947979±0.096923mm，明显大于骨盆正常模型的0.070144±0.00284mm、0.550724±0.007925mm，两者间差异有明显统计学意义，p＜0.001。
　　结论:
　　张力带钢板重建骨盆后环稳定性时要考虑整体骨盆环的形态结构，利用整体骨盆环“箍桶”式生物力学结构。经骨盆有限元分析，髂后向下模型、髂后水平模型及髂上向下模型的固定效果最好，优于其它三种张力带钢板固定方式;相同固定位置不同固定方向比较，与骨盆环中心平面平行方向固定效果最好;不同固定位置相同固定方向比较，髂后上棘位置最佳，但与髂后上棘上方约26.0mm位置固定差异无明显统计学意义，髂后上棘下方固定位置最差。

目录

声明

摘要

符号说明

研究背景

参考文献

第一部分 张力带钢板内固定治疗骨盆后环损伤的解剖形态学研究

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

附图

附表

参考文献

第二部分 骨盆三维有限元模型的建立及其有效性验证

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

附图

附表

参考文献

第三部分 不同方式张力带钢板重建骨盆后环稳定性的三维有限元分析

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

附图

附表

参考文献

致谢

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