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。     

屈髋屈膝按压法作用于骨盆的三维有限元分析

目的 应用有限元法研究仰卧位屈膝屈髋按压法对骨盆应力及骶髂关节应变分布特点的影响,讨论该手法扳动整个骶髂关节的可能性。方法 利用CT图像建立正常骨盆三维有限元模型。根据手法原理,将屈膝屈髋按压法分解为两个方向的力,将这两个力加载于三维有限元模型并进行计算分析,得到该加载下骨盆应力和骶髂关节应变的分布情况。结果 加载模拟手法后,骨盆的主要应力位于骶髂关节前下1/3处、坐骨大切迹及臀下线和臀前线的中1/3;骶髂关节的最大应变主要位于骶髂关节的后上缘、后下缘及上缘中部1/2。结论 屈膝屈髋按压法只能扳动骶髂关节的下1/3处,而不能扳动整个骶髂关节。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

逆行经皮髋臼后柱螺钉的影像解剖学

目的 探讨逆行髋臼后柱螺钉的进钉位置、方向及固定范围。方法 收集100例正常成人骨盆CT数据（男、女各50例）,利用交互式医学图像控制系统（Mimics）17.0软件三维重建骨盆并导入Geomagic Studio 2015软件。从坐骨结节至髂窝方向进行透视,垂直后柱“三棱柱”通道横断面放置虚拟螺钉,测量螺钉的最大直径、进钉点、方向、出钉点及螺钉安全倾角。确定螺钉固定的范围,螺钉在后柱通道易穿出部位及术中判断螺钉是否穿出的透视体位。结果 髋臼后柱安全通道近似“三棱柱”形,进钉点位于坐骨结节内外侧缘中线上,距离坐骨结节最远端男性为(12.99±1.99) mm,女性为 (13.26±2.58) mm,男女差异无显著性 (P＞0.05);髂窝出钉点距离同侧前方骶髂关节线男性为(23.65±2.42)mm,女性为(24.94±2.39) mm;距离真骨盆缘男性为(19.33±2.60)mm,女性为(17.63±2.00) mm;最大螺钉直径男性为(17.21±1.41) mm,女性为(15.54±1.51) mm;髋臼后柱逆行置钉方向与矢状面夹角男性为(10.52±3.04)°,女性为(7.72±2.99)°;与冠状面夹角男性为(15.00±4.92) °,女性为 (12.94±4.72)°,以上数据男女间差异均有显著性（P＜0.05）。逆行经坐骨结节置钉可固定股骨头中心所在水平面近端 4 cm 以下所有的髋臼后柱骨折,易穿出部位分别为髋臼后壁与坐骨支移行处、髋臼中部、坐骨大切迹水平下1 cm。“三棱柱”的3个侧面的切线位分别是髂骨斜位10°,闭孔斜位60°,髂骨斜位60°。结论 逆行髋臼后柱螺钉进钉点位于坐骨结节内外侧缘中线,距离坐骨结节最远端1.3 cm,方向约外倾10°,前倾15°,可固定股骨头中心所在水平面近端4 cm以下的髋臼后柱骨折。     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对Enneking Ⅱ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。 目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。 方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics 8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus 6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。 结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。     

坐姿下不同组织压力性损伤生物力学研究

目的 探讨坐姿下臀部压力性损伤易发部位以及不同软组织的生物力学响应,为有效预防深层组织压力性损伤提供参考。 方法 基于臀部 CT 扫描数据,建立坐位臀部有限元模型,包括骨骼、肌肉、脂肪和皮肤组织及坐垫模型,利用生死单元模拟组织损伤。 对比实验坐垫界面压力测量数据与有限元模拟结果,验证模型有效性。 模拟坐位力学状态,研究软组织的应力、应变情况,分析不同软组织中的压应力及超出极限值后可能造成的损伤情况。结果 通过对比坐垫模型仿真结果与实验界面压力测量结果,证明模型有效。 坐位时坐骨结节下方软组织区域出现应力集中现象。 其中,臀大肌组织中的横向压应力峰值约为 38 kPa,剪切应力峰值约为 3. 4 MPa;而脂肪组织中的最大压应力与剪切应力峰值分别为 22 kPa 与 4. 5 MPa,均未出现在坐骨结节正下方。 结论 软组织受到一定时间和大小的压力载荷作用,可能出现深层组织损伤。 当保持坐姿一定时间后,应及时变换体位,以降低压力性损伤出现的概率。 研究结果为预防压力性损伤提供生物力学依据,具有重要的临床研究价值。     

不同部位骨盆骨静态弹性模量及其相关生物力学性质的测定

采用生物力学实验的方法研究骨盆骨的轴向刚度、不同部位骨盆骨的压缩及拉伸弹性模量以及强度,从而为骨盆的临床及实验研究提供理论依据.试验采用12具防腐骨盆骨,利用万能材料试验机测量不同载荷下骨盆骨的位移,计算其轴向刚度;之后截取耻骨、坐骨、髋臼骨前柱及后柱、以及骶髂关节两侧骨,制成10 mm×5mm×10mm大小试件,分成12组,利用杠杆引伸仪、万能材料试验机、电阻应变仪上分别进行压缩及拉伸弹性模量以及强度的测定.在静态载荷状态下,500 N的生理载荷时,骨盆刚度值为181.28±21.4 N.mm-1,1500N时,刚度值增加到352.32 N.mm-1;耻骨、坐骨、髂骨、髋臼前、后柱以及骶髂关节两侧骨质的压缩弹性模量依次为26.7、18.4、31.7、21.3、23.1、31.7、29.6 GPa;压缩强度均值依次为64.27、124.26、91.73、94.22、50.39、107.37、84.23 GPa;拉伸弹性模量依次为29.3、20.4、25.4、23.3、21.2、19.3、17.6 GPa;拉伸强度均值依次为132.53、93.26、95.72、74.22、40.39、84.23、64.27 GPa.静态载荷状态下,刚度值随着载荷的增加逐渐加大;坐骨的抗压缩强度最大,而耻骨的抗拉伸强度最大,髋臼前柱抗压缩及拉伸的强度(94.22、74.22)均明显高于髋臼后柱.     

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。     

Where and what arteries are most likely injured with pelvic fractures?

Blood vessels passing through pelvic region come into intimate contact with pelvic bone and can be injured by the sharp edges of the dislocated fracture fragments. The aim of the study was to evaluate the influence of localization, shape, and dislocation of individual pelvic ring bones' fractures on arterial injuries. The study group consisted of 474 patients enrolled in a 1‐year prospective multicenter study. The pattern of pelvic fracture lines was characterized and recorded on a planar diagram of the subjected side of the pelvis. The diagram was subdivided into 11 designated areas. Frequency of injury at each 11 areas was recorded. The course of individual arteries in the 11 areas was also recorded in relation to each type of pelvic fractures. Out of the 474 investigated patients, the highest proportion of fractures occurred in the areas of the superior (62%) and inferior (59%) ramus of the pubis as well as in the lateral part of the sacrum (19%). These locations can be associated with injuries of the external iliac, obturator, internal iliac, and aberrant obturator arteries. The highest risk of arterial injuries was associated with vertically displaced fractures in the middle part of the superior and inferior pubic rami, along the ischial ramus, in the apex of the greater sciatic notch and in the vicinity of the ventral part of the sacroiliac joint, where the artery runs at a distance of less than 1 cm from the bone. Clin. Anat. 32:682–688, 2019. © 2019 Wiley Periodicals, Inc.