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。     

新型骶髂拉力钉生物力学性能评价

目的 研究一种具有螺旋刀片结构新型骶髂拉力钉的生物力学性能。 方法 用临床中常用的骶髂经皮拉力钉作为对照。使用聚氨酯材料模拟松质骨,利用Instron力学试验机测试对比抗拔出性能。然后使用骨盆标本,以正常骨盆、单侧骶髂关节损伤骨盆、骶髂经皮拉力钉-单钉修复、骶髂经皮拉力钉-双钉修复骶髂关节损伤为对照,分析新型骶髂拉力钉修复正常站立姿态骶髂关节损伤的静态刚度和动态稳定性。 结果 新型骶髂拉力钉组拉力钉拔出后的聚氨酯材料破坏更小。新型骶髂拉力钉抗拔出的有效把持位移显著大于骶髂经皮拉力钉（P﹤0.05）。但骶髂经皮拉力的最大抗拔出力显著大于新型骶髂拉力钉（P﹤0.05）。骶髂关节损伤修复后,采用1枚骶髂新型骶髂拉力钉刚度显著高于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组（P﹤0.05）。骶髂关节损伤组的位移振幅最大,其次为正常组;其余组别的位移振幅较为接近,但差异具有统计学意义（P﹤0.05）。新型骶髂拉力钉修复的动态稳定性最优,略优于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组,骶髂关节损伤组的稳定性最差。新型骶髂拉力钉能有效修复骶髂关节损伤。结论 骶髂新型骶髂拉力钉能更有效地把持松质骨,具有一定的临床实用性。     

骶骨钉治疗骨盆后环损伤的体会

目的 探讨采用骶骨钉治疗骨盆后环损伤的疗效及手术指征.方法 2004～2006年采用骶骨钉治疗骨盆后环损伤病人共18例.在C型臂透视下,将骶骨钉经过髂骨、骶髂关节、椎弓根固定到骶1椎体上.结果 18例患者经半年以上随诊,获得良好的治疗效果,优良率达94.4%,无血管、神经、内脏损伤并发症发生.结论 通过对这组患者的治疗,认为骶骨钉治疗骨盆后环损伤具有创伤小,恢复快,费用低的特点,手术指征为:(1)骶髂关节损伤、脱位或骶髂韧带损伤致骨盆不稳定;(2)骶骨骨折不稳定;(3)骶髂关节脱位伴骶骨或髂骨骨折,合并骶髂韧带损伤不稳定;(4)耻骨联合分离(＞2.5cm);(5)分离、移位明显的耻骨支骨折伴骨盆不稳定.     

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。     

第二代数字化人体骶骨纵形骨折微创内固定的有限元分析

目的比较经皮骨盆后方张力带钢板和经皮骶髂螺钉固定Denis 3类骶骨纵行骨折的术后稳定性和力学相容性,为不同类型骨折的内固定术式选择提供依据。方法采用第2代中国数字化人体"男性第23号"CT和MRI,构建完整骨盆有限元模型,骶骨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区纵形骨折伴同侧耻骨上下支骨折的经皮后方张力带钢板内固定有限元模型,以及这3类骨折的经皮骶髂螺钉内固定有限元模型。根据腰骶脊柱三柱加载模式和骶髂关节生理运动模式采用多方案有限元分析及实验验证。结果骶骨Ⅰ区骨折时,张力带钢板组(P组)的后环与前环器械应力均比骶髂螺钉组(S组)明显增加,骶骨位移也增加。骶骨Ⅱ区骨折时,P组后环与前环器械应力均比S组减小,骶骨位移明显减小。骶骨Ⅲ区骨折时,P组后环与前环器械应力以及骶骨位移均比S组明显减小。结论从内固定术后稳定性、骨折愈合的力学相容性及手术操作的安全性等方面考虑,经皮骶髂螺钉比较适合治疗骶骨Ⅰ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆,而经皮后方张力带钢板比较适合治疗骶骨Ⅱ区和Ⅲ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆。     

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。     

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的　研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法　分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷，研究3种模型的位移与应力分布变化。结果　得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论　骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性，并改变骨盆应力分布，降低骶器关节应力峰值，减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大，提示术中应当重视弯棒操作，避免钛棒过度成角，防止应力过度集中，减少断棒的危险。     

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。     

锁定加压钢板固定骶骨不稳定骨折的三维有限元分析

目的探讨锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折的生物力学性能,提供科学依据。方法应用三维有限元方法模拟骶骨Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ区伴同侧耻骨上下支骨折的不稳定骨折,分别应用骶髂螺丝钉、骶骨棒、锁定加压钢板固定骶骨骨折,采用螺丝钉固定耻骨上支骨折,对模型腰5(L_5)椎体施以500 N的轴向应力,计算固定后骶骨及耻骨上支处的位移,并将加载下的骨应力分布同正常骨盆加载下骨的应力分布进行比较。结果三种固定中,骶髂螺丝钉的固定效果最佳,锁定加压钢板的固定效果同骶骨棒相似,三种方法固定后加载下应力分布均同正常骨盆相似。结论采用锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折是一种可行的方法,尤其适用于伴有髂骨翼骨折的骶骨不稳定骨折或骶骨Ⅱ或Ⅲ区粉碎性骨折。     

骨盆垂直不稳定性骨折的生物力学研究

目的　利用人体骨盆标本制作骶髂关节骨折脱位模型,研究垂直不稳定性骨盆骨折中骶髂复合体生物力学损伤特点。 方法　成年男性冰冻骨盆标本6具,固定于MTS生物材料试验机上以2 m/s速度进行动态撞击,记录骶髂关节出现完全骨折脱位所需的最大撞击力及响应时间,用步态分析仪的动作捕捉系统测量骶髂复合体中韧带完全破坏时骶髂关节空间三维位移,解剖学方法观察骶髂复合体损伤特点。 结果　成功制备出骶髂关节骨折、脱位损伤模型,单侧骶髂复合体完全损伤所需的撞击力峰值平均值（4.05±0.42）kN,标本响应时间平均值为（22.99±1.89）ms,骶髂关节最大垂直位移平均为（8.15±1.34）　mm;骶髂复合体损伤以经骶髂关节骨折并脱位为多,髂腰韧带均表现为连同第四、五腰椎横突骨折,骶髂腹侧韧带相对薄弱易于髂骨止点处撕裂,骶髂后短韧带易发生髂骨侧的撕脱骨折,骶棘韧带骶结节韧带及盆底肌肉损伤不明显。 结论 骨盆垂直不稳定性骨折中骶髂复合体损伤具有一定的规律和特点,当骶髂关节垂直位移超过0.9 cm时提示后方骶髂复合体的韧带结构已全部破坏,骨盆环处于绝对不稳状态。     

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。     

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。     

3D打印假体与单纯钉棒系统用于全骶骨切除重建的有限元分析比较

目的 比较3D打印假体与单纯钉棒系统用于全骶骨切除后腰椎-骨盆稳定性重建效果的有限元分析差异.方法 创建三种腰椎-骨盆重建的有限元分析模型:模型1为单侧双髂骨钉双棒重建;模型2为单侧双髂骨钉双棒+3D打印假体重建,其中下方髂骨钉穿过假体;模型3为单侧双髂骨钉双棒+3D打印假体重建,髂骨钉不穿过假体.在有限元分析软件中为...     

微创前路钢板内固定技术治疗不稳定性骨盆骨折

目的探讨应用微创前路钢板固定技术在治疗不稳定骨盆骨折中的应用,并评价其疗效。方法 2009年2月~2016年8月收治20例骨盆骨折的患者,其中男性9例,女性11例,平均年龄38.5岁,按照Tile分型,B型11例,C型9例;骨盆前环损伤类型,单侧耻骨支损伤11例,双侧耻骨支损伤9例;后环损伤类型,骶骨骨折6例,骶髂关节分离8例。骨盆前环骨折采用前路微创双切口髂腰肌下入路钢板固定,合并后环骨折的患者采用骶髂螺钉或钢板固定骶髂关节骨折脱位,并记录术中出血量和手术时间,术后应用Matta标准和Majeed评分系统对骨盆复位和功能恢复进行评价。结果20例患者均获得随访,平均26个月,手术切口一期愈合,前环骨折平均手术时间1h,出血215 m L,没有出现切口感染和神经血管损伤的手术并发症,骨折愈合时间在11周~14.5周,术后骨折复位Matta标准:优17例,良2例,一般1例。术后末次随访时Majeed功能评分:优15例,良3例,一般2例,优良率90%。1例Tile C型骨盆骨折的患者,术前合并骶丛神经损伤,术后骶丛神经没有完全恢复,遗留感觉部分障碍和跛行步态。结论对于不稳定骨盆骨折的患者采用微创髂腰肌下通道入路钢板治疗,重建骨盆前环,具有创伤小,不需显露股神经和血管等结构,手术时间短,出血少,临床疗效满意和手术安全的特点。     

骶髂关节骨折脱位的手术治疗

目的回顾性分析26例骶髂关节骨折脱位的内固定方法和临床疗效,探讨骶髂关节骨折脱位的手术方法。方法对26例骶髂关节骨折脱位的TileC型骨盆骨折病例,16例采用经皮骶髂关节空心螺钉技术固定骨盆后环,10例采用骶髂关节前路钢板技术固定骨盆后环,所有病例同时固定骨盆前环,采用Majeed功能评分进行疗效评定。结果随访6个月～6年,平均2年3个月,本组病例术后未发生骶神经损伤、伤口感染等并发症,X线片示骶髂关节复位及内固定位置良好。根据Majeed功能评分,优9例,良10例,优良率达73.1%。结论对于骶髂关节骨折脱位的TileC型骨盆骨折,经皮骶髂关节空心螺钉和骶髂关节前路钢板均可重建骨盆后环的稳定性。而经皮骶髂关节空心螺钉固定具有固定坚强、损伤小等优点,值得推广应用,但操作技术要求高,并要注意防止手术并发症的发生。     

骨盆的形态特点与不稳定型骨折内固定治疗评价

目的　探讨根据骨盆的形态特点选择不同的内固定手术治疗不稳定型骨盆骨折的临床应用价值。 方法　65例不稳定型骨盆骨折,31例Tile B型骨折经前入路,将耻骨联合或耻骨支复位用重建钢板固定,其中8例合并髂骨骨折经髂窝入路将之复位用重建钢板固定;34例Tile C型骨折的前环损伤均采用与Tile B型骨盆骨折相同的方法处理,后环损伤的固定方法：17例骶骨骨折或骶髂关节脱位之中,复位后在透视引导下从后方经皮骶髂螺钉固定11例,经髂骨的螺栓固定4例,经后路在双侧髂骨后嵴之间用张力带钢板固定2例;9例骶髂关节骨折-脱位之中,经皮骶髂螺钉固定6例,钢板固定3例;8例合并髋臼骨折行重建钢板内固定。 结果　通过对术后骨盆X线测量骨折分离移位的最大距离,根据Matta评分标准：小于4 mm为优,占86.1%（56例）;4~10 mm为良,占7.7%（5例）;10~20 mm为可,占6.2%（4例）;大于20 mm为差（0例）。本组骨盆X线测量结果总优良率为93.8%。 结论 不稳定型骨盆骨折应在血流动力学稳定时尽早根据骨折的类型及骨盆的解剖形态特点选择合理的内固定手术方案。     

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。     

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。     

骶髂关节周围各韧带对骶髂关节稳定性的影响

目的利用有限元方法分析骶髂关节周围各韧带对骶髂关节稳定性的影响。方法建立正常腰椎-骨盆-股骨有限元模型,在该正常模型基础上分别去除双侧骶髂关节各韧带,建立无髂腰韧带模型、无骶髂前韧带模型、无骶髂后韧带模型、无骶结节韧带模型、无骶棘韧带模型和无骶髂骨间韧带模型。在各模型上分别模拟脊柱的生理运动,分析左右骶髂关节活动度(range of motion,ROM)和各关节面的平均应力,并与正常模型进行比较。结果相比正常骶髂关节模型,无骶结节韧带模型、无骶棘韧带模型和无骶髂后韧带模型的左右两侧骶髂关节ROM均无明显差异,而无骨间韧带模型除在脊柱右旋转情况下左侧骶髂关节ROM和后伸情况下右侧骶髂关节ROM无明显差异外,在其他脊柱生理活动下左右两侧骶髂关节ROM均显著增大。无骶髂骨间韧带模型左右两侧骶髂关节在脊柱生理活动下关节面的平均应力均明显降低。结论在所有骶髂关节周围韧带中,骶髂骨间韧带对骶髂关节的稳定性影响最大。研究结果有利于探讨骶髂关节错位的发生机制,为临床骶髂关节错位的治疗提供一定理论依据。     

一种新型骶髂关节内固定装置的三维仿真与对比验证

目的采用三维有限元方法对一种新型的棒-板内固定装置固定骶髂关节骨折脱位的力学性能进行分析,并与骶髂关节螺钉和前路植入钢板两种固定方法进行比较。方法根据CT扫描数据建立完整骨盆的三维有限元模型。去除模型一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位,然后使用棒-板内固定装置,骶髂关节螺钉和前路植入钢板进行模拟固定。对各模型施加同样的载荷来确定每种固定的力学性能。结果与骶髂关节螺钉和前路植入钢板相比,棒-板内固定装置可使骶髂关节的最大位移分别下降40%和42%。与对照组相比,棒-板内固定装置可使主要承载区的最大应力明显下降。此外,使用棒-板内固定装置固定可使髋部软骨和皮质骨的最大应力显著低于骶髂关节螺钉和前路植入钢板固定。结论由于棒-板内固定装置具有较好的力学性能,其可为骨盆骨折提供较稳定的固定方式。