前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析

背景：已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。 目的：利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。 方法：在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500 N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。 结果与结论：在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段。目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性。方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节间的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位。分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析。计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况。结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型。通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定。利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要。     

肌肉加载下腰椎间盘突出的有限元研究

目的通过观察腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)患者肌肉加载下腰椎有限元模型的应力变化,探讨LDH患者肌肉功能对结构应力的影响。方法选取正常志愿者、LDH患者各1名,采集CT数据建立相应的正常、LDH腰椎-骨盆三维有限元模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到附着在腰椎骨盆周围肌肉的肌力及髋关节力作为加载条件,分别进行自身加载和正常模型加载LDH肌肉力,比较两种加载情况下L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力变化。结果正常模型加载LDH肌肉力后,自身加载时的双峰曲线消失,代之以异常的单峰曲线,与LDH模型自身加载后的时间-应力曲线变化趋势一致。LDH患者肌肉力加载于正常模型后,L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力差值较LDH模型自身加载后的应力差值减小。结论 LDH患者腰椎骨盆肌肉功能异常会引起腰椎及骶髂关节应力异常,结构失衡本身可导致应力失衡,而肌肉作为动力因素是导致结构动态应力异常的重要原因,由此可导致关节运动模式的异常。临床治疗LDH要重视对周围肌肉功能失衡的评估。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

骶骨肿瘤切除术后骨盆三维有限元模型的建立及相关应力分析

目的研究骶骨肿瘤切除术后骨盆三维有限元模型的建立及相关应力分析。方法利用三维有限元分析软件ANSYS,建立正常骨盆模型和模拟骶骨肿瘤切除术后骨盆模型,并根据坐位承重情况,对比研究相关应力分布。结果成功建立正常骨盆模型和模拟骶骨肿瘤切除术后骨盆模型,并对其在坐位时承重情况进行加载分析,证明:(1) 完整骨盆受到外力后,力的传导沿腰椎→骶骨→双侧骶髂关节面→髂骨→坐骨支的传导途径,力的分布比较分散, 相应节点上受到的压强平均,最高压强局限;而骶骨肿瘤切除术后骨盆模型在受到外力后,由于丧失了大部分的骶骨,使得力的传导受限。(2)去掉骶骨后,骶髂关节周围和坐骨支处的节点受到的压强超过完整骨盆,即骨盆的稳定性降低,导致骨盆完整性的改变。结论建立骶骨肿瘤切除术后三维有限元模型并与完整骨盆模型对比,说明其稳定性发生变化。     

垂直应力作用下骨盆旋转位时的生物力学研究

目的运用生物力学实验技术在扭转实验机上对垂直并旋转不稳定型骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行了初步探讨。方法选取正常成人骨盆实验标本12具,模拟正常人在单纯垂直应力作用下、单纯旋转应力作用下、垂直并旋转应力作用下、不同工况时,骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆关键部位的受力状况,用应变仪获得骨盆各关键点的主应变、主方向,以及骨盆的极限应力及极限扭矩。结果①单纯垂直压缩状态下,在骨盆环结构中,骶髂关节附近(尤以骶骨侧)承载压、拉应变最大,耻骨、坐骨支最小。②单纯扭转状态时,骨盆各点所受拉应变明显增加,尤以耻骨上支处增加最为明显;各实验点中以左骶髂关节髂骨侧所受拉应变最大,而左骶髂关节骶骨侧所受压应变最大,且应变值随着扭矩增加而增加。③骨盆标本在单纯垂直应力状态下的屈服点载荷均值为2860N,极限载荷3600N;在单纯扭转状态下的屈服点扭矩均值为12.5°,极限扭矩15°。④无论在垂直应力或扭转应力下,髋臼前柱应变值均明显高于后柱。⑤耻骨支仅参与维持骨盆环的旋转稳定性,而骶髂关节对于维持骨盆环的垂直及旋转稳定性均至关重要。结论①垂直应力作用下骨盆旋转位时各实验点应变值远高于单纯垂直应力状态或单纯扭转状态。②骶髂关节等后环结构对于维持骨盆环在垂直及旋转应力下骨盆环的稳定性至关重要。     

骶髂融合治疗下腰痛的生物力学效应

目的基于有限元方法,建立骶髂关节融合和接触的模型,比较两模型的生物力学差异,探究骶髂融合治疗下腰痛的生物力学机理。方法构建包含骨盆环、骶骨、部分股骨、关节软骨和关节连接的骨盆有限元模型两例,分别设定骶髂关节连接为接触和融合,探究在500 N载荷下,两例模型中骨盆环特别是骶髂关节处力学传导的差异。结果在融合条件下骶髂软骨承受的应力及位移明显低于接触条件,在双侧骶髂软骨处尤为明显,其中左骶骨关节处,位移由0.83 mm减低为0.23 mm,减低幅度达约261%,等效应力由6.6 MPa减低至5.0 MPa,减低约32%。但融合条件下,骨盆环应力的传递相对更集中。结论骶髂融合可能提供较好的疼痛治疗效果,但同时必须谨慎评估伴发骨盆损伤和股骨头损伤的危险性。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

步态仿真下腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的有限元分析

目的通过观察腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特征,探讨腰椎间盘退变与骶髂关节紊乱相关性的生物力学机制。方法选取正常志愿者1名,腰椎间盘突出症合并骶髂关节紊乱者2名(骶骨错位、髂骨错位各1名),采集CT数据建立相应的正常、骶骨错位、髂骨错位腰椎-骨盆模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到腰椎骨盆周围肌肉力及髋关节力作为加载条件,进行有限元分析。比较患者与正常志愿者L4、L5椎间盘及骶髂关节应力变化。结果正常模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线呈双峰,且无明显差异;骶骨错位模型与髂骨错位模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线双峰改变甚至消失,L4左右两侧应力峰值差分别为0.55、0.80 MPa,L5左右两侧应力峰值差分别为4.05、2.08 MPa,骶髂关节右侧应力峰值与左侧峰值差分别为0.96、3.32 MPa。结论腰椎间盘退变合并骶髂关节错位导致人体承重力线的偏移,骶髂关节紊乱可加重身体两侧应力失衡,在腰椎间盘突出症的治疗过程不能忽视骶髂关节紊乱的影响。     

个性化全骨盆三维有限元建模及骶髂关节骨折脱位模拟

目的建立高度仿真的个性化的完整骨盆三维有限元模型,并在此基础上进行骶髂关节骨折脱位的模拟。方法从CT精确重建独立的左、右髋骨和骶骨实体模型,根据髋骨和骶骨的外形特征,利用专门的流线型生物力学有限元网格划分器生成规则的体网格模型,并进一步建立骶髂关节的终板、软骨、关节接触面,和骨盆上的主要韧带组织及耻骨间盘。在建立的完整模型上去掉一侧的骶髂关节韧带群进行骨折脱位模拟,并与正常的情况进行对比。结果建立了高精度的个性化全骨盆的三维有限元模型,包括左右髋骨和骶骨的皮质骨、松质骨,骶髂关节的终板、软骨和带摩擦的关节接触面,韧带包括骶髂骨间韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨上韧带和耻骨弓状韧带,以及耻骨间盘。正常模型的加载模拟和骶髂关节骨折脱位模拟的预测结果均与文献试验生物力学结果相符合。结论利用专门的生物力学有限元建模工具能建立更复杂更精确的三维有限元模型,成为全骨盆生物力学分析研究的平台和基础。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

新型骶髂关节内固定系统的三维仿真与对比验证

目的 建立使用新型的骶髂关节解剖型棒-板内固定系统（SABP）对骶髂关节骨折脱位 进行固定的三维有限元模型,并与骶髂关节螺钉、和前路重建钢板固定进行对比,验证 和分析其力学性能。 方法 根据CT扫描数据,采用专门的流线型生物力学有限元网格划 分器,建立完整骨盆三维有限元模型。去掉模型一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位, 使用新型的SABP内固定系统进行固定模拟,同时分别使用骶髂关节螺钉（SS）和前路重 建钢板固定（SP）建立对比模型,进行加载计算,分析受力情况。 结果 SABP 固定的 最大位移值比 SS固定减小约40%,比 SP固定减小约42%。与对照组相比,SABP 固定模 型中,在主要传承负载区域的最大Stress 值均为最小：在损侧髋皮质骨、和损侧髋软 骨区域, 比SS固定减小约 33%-70%;在骶皮质骨、和损侧髋皮质骨区域,比SP固定减 约 60%-75%。 结论 新型骶髂关节解剖型棒-板内固定系统的固定形式更趋合理,固定 结构更趋稳定,为骨盆骨折的治疗增加了一种更有效的新方法。     

冲击条件下骨盆动脉损伤有限元模型的建立及验证

目的 构建并验证含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型,研究骨盆动脉在侧向冲击条件下的力学响应。方法 基于1名女性志愿者的骨盆CT图像,建立骨盆及其动脉的三维有限元模型,包括骨、动脉、周围软组织以及骶髂关节、髋关节和耻骨联合等骨盆关节软骨和韧带。采用线弹性实体单元模拟骨骼,采用非线性的弹性连接单元模拟韧带,软组织包括软骨、包裹软组织和动脉等采用超弹性材料和实体单元仿真。以22.1 kg的冲击质量,3.13和5 m/s的冲击速度对坐位下的复合体进行侧面碰撞,记录模型的输出。结果 计算结果与文献报道的实验结果一致。3.31和5 m/s冲击速度下动脉的最大等效应力分别为98和216 kPa,最大拉伸应变为14.9%和20%,但不至于导致动脉断裂。结论 所建立的骨盆-股骨-软组织复合模型可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析,为预测动脉损伤程度提供生物力学依据。     

膝关节单髁置换术胫骨假体不同后倾角对假体磨损和功能的影响

目的 建立单髁置换术胫骨假体后倾3°和7°膝关节不同屈膝角度三维有限元模型,研究两种后倾角膝关节生物力学特性和假体磨损及其对功能的影响。方法 结合人体膝关节CT与MRI图像和第3代Oxford假体,建立胫骨假体后倾3°和7°下屈膝单髁置换术有限元模型,在股骨内外侧髁中心点上施加1 kN载荷模拟人体站立相负重,分析不同屈膝角度下单髁假体与关节软骨的最大应力及分布。结果 0°、30°、60°、90°和120°屈膝角度下后倾3°半月板衬垫最大应力分别比后倾7°增加了28.06%、68.99%、19.45%、21.06%、53.38%,应力分布区域从衬垫侧边向中央区域集中,屈膝120°时应力集中明显。胫骨假体后倾3°单髁假体最大应力均大于后倾7°,应力集中区域的扩大会导致假体的磨损和松动,关节软骨接触应力和集中区域随后倾角增大而增大,在高屈曲角度时应力集中更明显。结论 单髁置换术胫骨假体后倾角3°较7°时假体应力和磨损更高,研究结果为临床膝关节单髁置换手术方案设计提供理论依据。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄 形态分布。 方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期 8 个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建 技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。 结果 步态周期支撑相下 髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能 55% ~69% ,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占 百分比减小。 髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。 所获得髋臼各柱的生物力线分 布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。 结论 通过数值 模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。     

坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测

目的：研究坐位旋转手法时对腰椎内在应力分布的特点。方法：使用L4-5腰椎CT片，以Mimics软件系统逐层重建，建立L4-5三维有限元模型。根据手法原理，将坐位腰椎旋转手法进行分解，把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎间盘的位移和内在应力的变化。结果：正常腰椎在旋转手法作用时应力主要集中在椎体、终板和椎间盘处。退变腰椎在手法作用时应力主要集中在L4小关节的下关节突和椎弓，且应力分布集中。结论：(1)坐位腰椎旋转手法时，对于正常腰椎应力主要作用于椎体、终板和椎间盘等前部结构。(2)对于退变腰椎，应力主要作用于后部结构，并且所受应力分布集中，易损伤小关节、椎弓。     

骶髂关节的放射解剖学研究

目的　研究骨盆正位与斜位X线片中骶髂关节的放射解剖学特点,为临床诊断骶髂关节病变提供确切的放射解剖学依据。 方法　在男女各1具成人干燥髂骨和骶骨的耳状面上分别均匀涂上钡粉,合拢骨盆胶带固定,拍摄骨盆正位和斜位X线片;再将钡粉洗净,用细铅丝分别沿着骶骨和髂骨耳状面的边缘环绕,合拢骨盆胶带固定,分别拍摄骨盆正位和斜位X线片。观察耳状面和骶髂关节在骨盆正位片与斜位片上的投影变化和形态特征。 结果　在骨盆正位片可清晰的观察到双侧骶髂关节的前间隙和后间隙及耳状面。斜位片可观察到对侧骶髂关节的情况,骶髂滑膜关节位于X线上骶髂关节间隙的中下2/3;女性骶髂关节较男性短。 结论　骶髂关节在骨盆正位和斜位X线片上有其放射解剖学及性别特征,骶髂关节前间隙和后间隙以及耳状面是观察的重点,骨盆正位X线片基本可满足临床需要。     

站、坐位态骨盆应力分布的实验研究

目的：明确骨盆的应力分布，指导骨盆肿瘤瘤段骨切除后骨盆环的重建及人工半骨盆的设计与固定。方法：实验取完整骨盆的新鲜尸体（意外死亡）4具，采用应变计测量方法，对不同状态下骨盆的应力进行分析。结果：站立时，骶髂关节中部、耻骨支、髋关节前上方承受较大的压应变；而坐位时，坐骨支、骶髂关节中下部、耻骨支均承受较大的压应变。结论：站立时应力主要是经髋臼的前上方耻骨、骶髂关节传导，人工半骨盆置换设计与置换时，其结构应予加强，并作到确切固定，尤其是骶髂关节的中下部。