骶髂螺钉钉道参数的CT测量与力学性能的三维有限元分析

骶髂关节骨折脱位时,骨盆在旋转与垂直方向均不稳定。生物力学证实应用骶髂螺钉内固定,能够提供骨盆足够的稳定性,其生物力学效应等于或优于其他内固定。同时临床实践证明骶髂螺钉是治疗骶髂复合结构损伤最有效方法之一。骶骨侧块个体差异性较大,解剖位置较深,且骶髂关节周围解剖结构复杂,现有文献对确切的进针部位及最佳进针方向没有统一规范,手术相关的应用解剖学资料尚少。这限制了骶髂螺钉技术的推广普及。近年来,在透视与导航技术基础上开展的经皮骶髂螺钉内固定术因创伤更小,固定可靠,广受青睐。但经皮骶髂螺钉内固定术是以闭合复位、术前患侧钉道参数测量与术中影像学监测为应用基础。然而临床上部分骶髂螺钉技术适应症患者经牵引术后,患侧骶髂关节仍难以复位或复位不良。患侧未复位,术前无法直接测得相应的螺钉钉道参数。这严重影响术中进针点、进针方向、螺钉大小及长度的选择。术中切开复位后再试图测量,不仅耽误手术时间,增加手术风险,同时也可能因搬运患者引起复位关节再脱位。为了寻找一种更为简便、精确的理想骶髂螺钉钉道参数的CT测量方法来指导术中置钉,本研究通过应用CT三维重建技术对11例冰冻正常成人骨盆标本左、右侧骶髂关节进行模拟骶髂螺钉内固定术,并对理想骶髂螺钉钉道参数进行测量与置钉验证其准确性。为了探讨部分经牵引术后仍未复位的骶髂螺钉技术适应症患者,切开复位骶髂螺钉内固定术前应用螺旋CT个体化测量健侧螺钉钉道参数,指导术中置钉的可行性,本研究根据对侧的CT测量结果,在11例冰冻正常成人骨盆标本左、右骶髂关节进行个体化置钉研究。另外,目前国内外关于骶髂螺钉力学性能的三维有限元分析的文献报道鲜有。本研究通过建立骨盆垂直不稳定三维有限元模型,评价骨盆前环稳定与不稳定2种情况下,单S,螺钉固定与S,、S2双螺钉固定的生物力学性能,为骶髂关节骨折脱位内固定方式的选择提供理论依据。 实验一理想骶髂螺钉钉道参数的CT测量方法的研究 目的寻找一种更为简便、精确的理想骶髂螺钉钉道参数的CT测量方法来指导置钉,并验证其准确性与探讨临床意义。 方法1.应用CT三维重建技术对11例冰冻正常中国成人骨盆标本进行螺旋CT扫描与多平面重组,左、右侧骶髂关节模拟骶髂螺钉内固定术,并应用数字刻度尺(精确度为0.1mm)与度量器(精确度为0.1。)测量理想骶髂螺钉的钉道参数(包括理想螺钉的直径、长度、进针方向、安全角度及进针点与髂后上、下棘的距离等)。2.根据CT测量结果,在11例骨盆标本(22个骶髂关节)上进行个体化置钉验证。3.采用SPSS13.0软件对测量数据进行处理,求各个参数的均值和标准差(x±s),并对骨盆标本左右侧进行配对t检验,检验水准设为α=0.05。’ 结果 1.理想骶髂螺钉的长度与最大直径分别为：(87.62±1.68)mm与(20.26±1.20)mm；理想骶髂螺钉与冠状面、水平面的夹角分别是(25.85±1.06)。与(19.79±1.60)。；理想骶髂螺钉在冠、轴状面上的安全角度分别为(19.84±1.15)。与(23.64±1.35)。；理想骶髂螺钉进针点与髂后上、下棘的距离分别为(37.02±1.67)mm与(38.30±1.14)mm。 2.11例骨盆标本左、右侧骶髂关节所置螺钉均安全、准确地到达预定位置。3.同一个体左、右侧理想骶髂螺钉钉道参数无统计学差别。 结论1.应用CT三维重建技术模拟骶髂螺钉内固定术,可简便、准确地测量理想骶螺钉的钉道参数并进行术前评估,这对术中置入螺钉的进针点、角度和形态的选择具有重要的指导意义。2.临床上部分骶髂螺钉技术适应症患者经牵引术后,患侧骶髂关节仍难以复位或复位不良,或许能根据健侧理想螺钉的钉道参数指导术中置钉。 实验二术前CT测量健侧理想骶髂螺钉钉道参数指导置钉的可行性研究 目的探讨切开复位骶髂螺钉内固定术前应用螺旋CT个体化测量健侧螺钉钉道参数,指导术中置钉的可行性。 方法1.实验一结束后,应用MTS MiniBionix -858型生物力学试验机(MTS公司,USA,南方医科大学生物力学实验室)将11例骨盆标本左、右侧骶髂关节均制成垂直不稳定模型。2.复位骶髂关节后,根据对侧的CT测量结果,在11例骨盆标本(22个骶髂关节)左、右侧骶髂关节上进行个体化置钉。 结果左侧骶髂关节所置11枚螺钉均安全、准确地到达S,椎体预定位置；右侧骶髂关节所置螺钉除1枚偏离突出骨质外,其余10枚均安全到达S1椎体预定位置。 结论切开复位骶髂螺钉内固定术前应用螺旋CT个体化测量健侧螺钉钉道参数,指导患侧术中置钉的方法是可靠的。 实验三建立正常的骨盆三维有限元模型的研究 目的建立可靠的骨盆三维有限元模型,为进一步研究骨盆骨折损伤机制及评价内固定物的生物力学性能提供可靠的数字仿真模型。 方法选择1例有代表性的健康成人男性志愿者,经影像学检查排除骨盆损伤、肿瘤、畸形等病变后,采用螺旋CT (Toshiba Aguilion 16,东芝公司,日本)横断扫描第4腰椎下缘至股骨大转子下5cm处,层厚为0.5cm。扫描数据以Dicom格式存入计算机,借助MINICS 10.0软件(Materialise公司,比利时)重建骨盆骨性结构,几何模型导入FREEFORM PLUS软件(SensAbole公司,美国)进行打磨、填孔及去噪处理,形成接近正常的几何实体模型。几何实体模型导入ANSYS 10.0软件(Ansys公司,美国)进行网格划分,根据韧带的起止点及横截面积加载韧带,录入各结构的材料力学属性,建立骨盆的三维有限元模型。设立上部躯体重力负荷为500N,垂直加压于骶骨椎体上表面,模拟双足站立,评价骨盆环的应力传导规律与骶髂关节应力分布；计算出骶骨25个关键节点垂直位移与角位移的均值和标准差(x±s),并采用SPSS13.0软件与人体实验结果进行单样本t检验,检验水准设为α=0.05。 结果1.所构建的骨盆三维有限元模型共划分为221139节点,143115个四面体单元,其中皮质骨、松质骨、耻骨联合以及关节软骨均为solid32单元,全部韧带均为link单元。2.骨盆加载后,应力分布均匀,两侧半骨盆受力呈对称性分布,最大应力分布于坐骨大切迹附近。3.模拟双足站立位时,骶骨在矢状面的垂直位移平均值为0.698mm,角位移平均值为1.69。,与有关文献报道的尸体生物力学实验结果基本一致。 结论本研究所构建的三维有限元模型客观地反映了骨盆真实的解剖形态与生物力学行为,是有效、可靠的。 实验四骶髂关节脱位螺钉内固定模型的建立与螺钉力学性能的三维有限元分析 目的通过建立骨盆垂直不稳定三维有限元模型,评价骨盆前环稳定与不稳定2种情况下,单S1螺钉固定与S1、S2双螺钉固定的生物力学性能,为骶髂关节骨折脱位内固定方式的选择提供理论依据。 方法在实验三的基础上,建立单纯骶髂关节脱位(A模型)与骶髂关节脱位+耻骨联合分离(B模型)三维有限元模型。2模型分别应用单S1螺钉(Ⅰ类固定)与S1、S2双螺钉固定(Ⅱ类固定),即可获得4种(AⅠ、AⅡ、BⅠ与BⅡ)骶髂关节脱位螺钉内固定模型。对4种骶髂关节脱位螺钉内固定模型进行加载与非线性有限元分析,计算出S1螺钉的位移与应力分布,并与正常骨盆进行比较。 结果1.4种骶髂关节脱位螺钉内固定模型的S1螺钉表面取点路径上各点的位移曲线结果显示：S1螺钉的位移自钉帽至钉尾逐渐增大。最大位移值的比较结果为：AⅡ模型AⅠ模型>BⅡ模型>AⅡ模型>正常骨盆,其中BⅠ、AⅠ、BⅡ、AⅡ模型分别是正常骨盆的736倍、348倍、162倍、75倍(AⅠ模型：3.285×108N；AⅡ模型：7.093×107N；BⅠ模型：6.941×108N；BⅡ模型：1.532×108N；正常骨盆：9.433×105N)。 结论1.单纯骶髂关节骨折脱位解剖复位后,予以单纯S1螺钉内固定,骨盆环即可获得可靠的稳定,临床上再冒险置入S2螺钉意义不大。2.骶髂关节骨折脱位+耻骨联合分离时,单纯S,螺钉内固定难以恢复骨盆后环的稳定性。3.S1、S2双螺钉固定较单枚S,螺钉固定,骨盆稳定性更强。4.稳定的前环的力学性能与S2螺钉的力学性能相当,但S2椎弓根较小,S2螺钉技术极易损伤周围的神经或误入骶管,风险大,操作困难,而前环钢板固定可在直视下操作,风险小,固定可靠,因此骶髂关节骨折脱位+耻骨联合分离时,最佳的内固定方式为前环钢板固定+后环S1螺钉内固定。5.S,螺钉在通过骶髂关节处容易产生固定疲劳与断钉。