骶髂关节解剖型钢板的全骨盆三维有限元模拟

目的在高度仿真的完整骨盆三维有限元模型基础上,模拟使用新设计的解剖型钢板对骶髂关节骨折脱位进行固定,并与普通钢板的模拟固定进行对比,验证和分析新型钢板的性能.方法从CT精确重建髋骨和骶骨模型,采用专门的半自动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.然后去掉一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位,使用新型的骶髂关节解剖型棒-板内固定系统进行固定模拟,同时使用普通钢板替代解剖型钢板建立对比模型,分别进行加载分析受力情况.结果通过使用新的解剖型钢板改进棒一板内固定系统,骶髂关节的最大相对位移值减小了约23%,骨盆主要传承负载区域的最大的应力值降低了约25%.结论新型的解剖型钢板有效地提高了骶髂关节棒-板内固定系统的力学性能,为骨盆骨折的治疗增加了一种更有效的新方法.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

CroweⅣ型髋关节发育不良骨盆有限元模型的构建

背景:骨骼生物力学数字有限元分析方法,因其有限元模型作为虚拟标本可重复使用而不被破坏,可以降低实验成本。目的:探索一种利用三维有限元软件快速建立骨盆三维有限元模型的方法,并对发育性髋关节脱位患者假髋臼周围的受力情况进行初步分析。方法:采用发育性髋关节脱位患者的骨盆CT数据,在Mimics10.0软件中进行三维重建面网格划分,在Ansys10.0软件中进行体网格划分后导入Mimics10.0中赋予材料属性,从而建立发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆有限元模型。在Ansys10.0中,模拟患者患侧单下肢站立的情况对假臼关节面施加静力载荷,对该模型进行初步的力学分析及验证。结果与结论:基于DICOM格式CT数据建立了发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆三维有限元模型,模型精确可用,包括147167个节点,113898个单元,假臼位置与骶髂关节的关节面相对。患侧单下肢站立的情况下,骨盆应力主要集中在假髋臼和骶髂关节面之间的骨质。利用Mimics及Ansys软件可简单有效地建立骨盆的有限元模型,此建模过程同样适用于人体其他骨骼有限元模型的建立。利用有限元模型可以方便有效的模拟人体骨骼生理及病理状态下的受力情况,对于临床提供参考和指导。     

Three-Dimensional Finite Element Models of the Human Pubic Symphysis with Viscohyperelastic Soft Tissues

Three-dimensional finite element (FE) models of human pubic symphyses were constructed from computed tomography image data of one male and one female cadaver pelvis. The pubic bones, interpubic fibrocartilaginous disc and four pubic ligaments were segmented semi-automatically and meshed with hexahedral elements using automatic mesh generation schemes. A two-term viscoelastic Prony series, determined by curve fitting results of compressive creep experiments, was used to model the rate-dependent effects of the interpubic disc and the pubic ligaments. Three-parameter Mooney-Rivlin material coefficients were calculated for the discs using a heuristic FE approach based on average experimental joint compression data. Similarly, a transversely isotropic hyperelastic material model was applied to the ligaments to capture average tensile responses. Linear elastic isotropic properties were assigned to bone. The applicability of the resulting models was tested in bending simulations in four directions and in tensile tests of varying load rates. The model-predicted results correlated reasonably with the joint bending stiffnesses and rate-dependent tensile responses measured in experiments, supporting the validity of the estimated material coefficients and overall modeling approach. This study represents an important and necessary step in the eventual development of biofidelic pelvis models to investigate symphysis response under high-energy impact conditions, such as motor vehicle collisions.     

骶髂关节韧带应用解剖学意义

背景：骨盆后部结构中,骶髂后韧带复合体、骶结节韧带和骶棘韧带的完整,对骨盆稳定性有重要作用。 目的：观察骶髂关节周围韧带解剖结构,了解各韧带对关节稳定性的作用。 方法：对20具防腐成年尸体骨盆标本,共40侧依次采用前后方入路,对骶棘韧带,骶结节韧带,耻骨联合及骶髂关节诸韧带结构进行解剖学观察。 结果与结论：骶髂关节周围韧带可分为3组：骶髂前韧带、骶髂骨间韧带和骶髂后韧带。耻骨上下韧带及耻骨前后韧带。骶棘韧带和骶结节韧带。此3组韧带主要有两个功能：连接脊柱和骨盆环;维持骨盆环的稳定。     

Differential distribution of the fibres of the collagenous and elastic systems and of glycosaminoglycans in the rat pubic joint

The pubic joint of male and female rats was studied at the light- and electron microscopical levels using methods that selectively disclose the extracellular matrix fibres and glycosaminoglycans. The interpubic tissue showed no difference between sexes (including pregnant and intrapartum females). The medial ends of the pubic bones were covered by articular caps of hyaline cartilage that blended in the midline. The whole articular cartilage was covered dorsally and ventrally (as well as craneally and caudally) by a typical perichondrium. The differential distribution of the fibres of the collagenous and elastic systems in the pubic joint agreed with the results reported in the literature for other rat cartilages. Collagen fibres, composed mainly of type-I collagen, were localised to the fibrous perichondrium and bone. Type-II collagen was localised to the central nucleus of hyaline cartilage, whereas reticulin fibres (rich in type-III collagen) were found in the adventitial loose connective tissue adherent to the most superficial layer of the perichondrium. The central nucleus of hyaline cartilage possessed the two types of elastic-related fibres: elaunin fibres were localised mainly to the chondrogenic layer of the perichondrium, whereas oxytalan fibres were found in the matrix that surrounded the chondrocytes. The bulk of the glycosaminoglycans present in the pubic joint cartilage corresponded to hyaluronic acid and chondroitin sulphate. The propriety of classification of the rat pubic joint as a true synchondrosis (instead of symphysis), and the fact that the unaltered pelvis of the rat seems to be adequate for normal parturition, are discussed.     

3-D finite element analysis of the influence of synovial condition in sacroiliac joint on the load transmission in human pelvic system

The anterior part of the sacroiliac joint (SIJ) is a synovial joint, with little gliding and rotary movement between the contact surfaces of SIJ during locomotion. Due to its complex structure, especially when considering the surrounding ligaments, it is difficult to construct an accurate three-dimensional (3-D) finite element model for the human pelvis. Most of the pelvic models in the previous studies were simplified with either SIJ fusing together or without the sacral bone. However, the influence of those simplifications on the load transmission in human pelvis has not been studied, so the reliability of those studies remains unclear. In this study, two 3-D pelvic models were constructed: an SIJ fusing model and an SIJ contacting model. In the SIJ fusing model, the SIJ interfaces were fused together. In the SIJ contacting model, the SIJ interfaces were just in contact with each other without fusion. Compared with the SIJ contacting model, the SIJ fusing model have smaller movements in the SIJ. The stress distribution area in the SIJ fusing model on sacroiliac cartilages was also different. Those differences contributed to the decline of tensile force in the SIJ surrounding ligaments and the re-distribution of stress in the pelvic bones. In addition, the SIJ fusing model was far less sensitive to the increase in modulus of the sacroiliac cartilages, and decrease in stiffness of the ligaments surrounding the SIJ. The presence of synovia in the SIJ had greater influence on the load transmission in the human pelvic system. Therefore, the effect of the presence of synovia should not be neglected when the biomechanical behavior of human pelvis is being studied, especially for those studies related to clinical applications.     

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。     

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。     

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。