骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义 骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及 其临床意义 110 中国临床康复第『o卷第29期2006-08—10出版 ChineseJournalorClinicalRehabilitation,August102006Vo1.10No.29 骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义术? 许硕贵',佟大可',苏佳灿',张春才',蔡郑东',吴建国 ? 基础研究? '解放军第二军医大学长海医院骨科,上海市200433;同济大学生物 力学研究中心.上海市2o0l433 许硕贵?,男,1969年生,山东省蓬莱市人,汉族.2oo1年解放军第二军 医大学毕业,博士,主治医师,讲师,主要从事骨盆与髋部外科,生物力 学,生物方面的研究. 上海市基础重点基金资助(03JCI4oo8) 中图分类号:R496文献标识码:A文章编号:1671—5926(2006)29-0110-02 收稿日期:2005-01—1l修回日期:2006—02—o8(O5—5O一12—9822/S?S) Mechanicalchangeandclinicalsignificanceofmodelofpelvis andacetabulumloadedwithdif】Ferentways Xushuo?guiTongDo?.suJia—CaZhangChun-caiColZheng? dong0WuJion.guo2 DepartmentofOrthopaedics,ChanghaiHospital,SecondMilitaryMedical UniversityofChinesePLA,Shanghai200433,China;~ResearchCenterof Biomechanics,TongjiUniversity,Shanghai200433,China XUShuo?gui?,Doctor,Attendingphysician,Lecturer,DepartmentofOr- thopaedics,ChanghaiHospital,SecondMilitaryMedicalUniversityofChi. nesePLA.Shanghai2oo433.China' Supportedby:theBasicKeyFoundationofShanghaiCity,No. 03JCI4o08 Received:2005-0l—llAccepted:2006—)2—)8 Abstract AIM:Toanalyzethethree—dimensionalfiniteelementmodelbyloading themodelofpelvisandacetabulumwithstandingandsittingpostures,then toob~rvethechangeofrelevantmechanicalparameters. M【ETH0DS:?MoistacetabulummodelswerefromthesRoomof Anatomy.SecondMilitaryMedicalUniversityofChinesePLA.Acetabu. 1am:anadultmoistcadaverpelviswasobtainedandperformedCTscan- ning,thenwegot'theimagesofeveryslice.WiththesoftwareANSYS5.6, weconstructthethree.dimensionalmodelofacetabulum.whichwasdivid edintol2l239nodesandll249lunits.Atthesametime.theunited partofcacroiliaciointandpubiswaslocked.Acetabulumwasloadedby simulatingstanding.andthedirectionwasalongtheneckfoicelineoffe. mar.Theforcewssabout4O0Nfhalfabout80kgbodyma~s).TheThree. dimensionalforcedistributionofacetabulumwasanalyzedafterbeing loaded.?Pelvicmodel:InAugust2oo4,anormalmaleadultwasrandom. 1yselectedandperformedCTscanningfromthethirdvertebratothesciat. ictuberedties.theimagesobtainedfromCTscanningwereconstructedto three-dimensionalmodelofpelviswiththesoftwareANSYS5.6.Themodel wasdividedinto356710units.Bilateralsciatictuberedtiesofnormal pelviswerefixed.Thepelviswasloadedbysimulatingsitting.tIla500 NforceoppositetoZ—axispressuringonlumbarvertebraeerectly.Stress distributionimagewascalculatedthroughfiniteelementanalysis. RESI】l,TS:?BigvalHestressesweredistributedinramiossispubis,ra- miossisischii.squarearea.articulationessacroiliaca.posteriorwallofae- etabulumoftheacetabularmodelafterthethree.dimensionalfinitemodels wereloadedbysimulatingstanding.andthemeanequivalentstressofeach unitwas(11.578—23.437)Mpa.?Highvaluestressappearedincacroili? aciointandsciatictuberodtiesafterthethree-dimensionalfiniteelement modelofpelviswssloadedbysimulatingsitting,andthemeanequivalent stressofeachunitwas(15.734-20.286)Mpa. C0NCLUSIoN:Experimentalresultssuggestthattheinternalfixationof pelvicandacetabularfracturesshouldbeemphasizedineffectiveinternal fixation.aimingtosatisfyearlyfunctionalexercisesinbedandavoiding earlyloading. Xu50,TongDK,5uJC,ZhangCC,CaiZD,WuJO.Mechanicalchangeandclinical significanceofmodelofsandac~abulumloadedwilhdi~erenlways.Zhong- guoLinchuangKano~2006;10{291:110-I,117(Chinal 许硕贵,佟大可,苏佳灿,张春才,蔡郑东,吴建国骨盆髋臼模型不同加载方式的力 学变化及其临床意义ul中国临床康复,2006,10{291:I10-I,117,^,.zglcld.coral 摘要 目的:对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元 模型力学,观察相关力学参数变化. 方法:?湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室.髋 臼:对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像. 提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维模型,并 划分为121239个结点,112491个单元.同时将骶髂关节和耻骨联合 部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的方向按股骨颈力线方向.大小 为400N(约8Okg体质量一半).分析加载后髋臼的三维力场分布.( 骨盆模型:2004—08从自愿者中随机选取正常成年男性,然后行CT扫 描.CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节,将扫描后图像用ANSYS5.6 软件构建正常骨盆模型,并划分为356710个单元格.固定好正常骨盆 模型的两侧坐骨结节,模仿坐位对骨盆加载,于腰椎上施加一竖直向下 的力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析计算获取应力分 布图像. 结果:?髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支,坐骨支,方 区部,骶髂关节部,髋臼后壁部有较高应力出现,单元结构所受到的平 均等效应力为(11.578~23.437)MPa.?骨盆三维有限元模型模仿坐位 加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的 平均等效应力为(15.734,20.286)MPa. 结论:实验结论提示,骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧 床功能训练为目的的有效内固定,避免早期负重. 主题词:骨盆;髋臼;骨折;成像,三维 0引言 髋臼骨折是一种高能量损伤,因为关节内骨折,常 常需要切开复位内固定术.髋臼解剖位置深,形状较不 规则,目前所用塑性钢板,髋臼三维记忆内固定系统均 无法做到如同固定管状骨般坚强【】1,这种固定方式是否 可行?在术后进行功能锻炼时需注意什么?作者利用计 算仿真生物力学的方法[21,建立髋臼及骨盆三维有限元 模型,并模仿站立及坐位两种状态对模型进行加载. 1对象和方法 设计:自身对照实验. 单位:解放军第二军医大学长海医院骨科,同济大 学生物力学研究中心. 对象:湿髋臼标本取自解放军第二军医大学解剖 学教研室尸体,生前体检结论身体健康,然后行CT扫 描;骨盆标本2004-08从自愿者中随机选取正常成年 男性,然后行CT扫描.所用CT机器为飞利浦公司64 排螺旋CT. 设计,实施,评估者:设计,干预评估为第一作者, 资料收集及结果评估者为全部作者. 方法: 髋臼模型:对典型的成年男性湿髋臼标本进行CT 断层扫描成像,在CT扫描成像过程中,要求髋臼标本 在纵轴方向保持不动,.每隔lmm扫描1次,直接将所 扫描的髋臼断层图像存成DICOM格式,刻录存盘. ISSN1671-5926CN21一l470/R w:om,2jj删唾com许硕贵,等.骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意 义 选取二维图片标尺上下两点为基准点,使每一层 的两基准点严格保持一致,通过图像叠加得到三维图 像,同时,提取髋臼中间断面上距离最大两个像素点 中点为三维坐标系原点,髋臼的近端为Z轴正方向,远 端为负方向.提取髋臼外面和内表面的一系列关键 点,连接轮廓点得到表示髋臼形状的内,外轮廓线. 三维建模及有限元分析均采用有限元分析软件 ANSYS5.6(获IS09001认证)进行.网格划分采用三 维十结点四面体实体单元,共划分为121239个结点, l12491个单元.在髋臼三维模型上,同时将骶髂关节 和耻骨联合部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的 方向按股骨颈力线方向,大小为400N(约80kg体质 量一半).分析加载后髋臼的三维力场分布. 骨盆模型:选取正常成年男性,行CT扫描,范围 从第3腰椎至坐骨结节,将扫描所得图像,应用三维 有限元分析软件ANSYS5.6建成正常骨盆三维模型, 根据CT灰度值结合松质骨密度予以赋值,并划分为 356710个单元. 在ANSYS5.6操作平台下,首先固定好正常骨盆 模型的两侧坐骨结节,于腰椎上施加一竖直向下的 力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析 计算获取应力分布图像. 主要观察指标:骨盆,髋臼模型加载后应力集中 的部位. 2结果 ' 2.1髋臼三维有限元模型见图la,加载计算结果 见图lb,从结果图中可以看出,模仿站立位在耻骨 支,坐骨支,方区部,骶髂关节部,髋臼后壁部有较高 应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为 (11.578~23.437)MPa. 2.2骨盆模型见图2a,模仿坐位加载所得结果见图 2b.从结果图中可以看出,模仿坐位在骶髂关节及坐 骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等 效应力为(15.734~20.286)MPa. 3讨论 从人体的生物力学角度来讲,躯体重量通过两个 弓向下传导,一个是骶坐弓,这是人体在坐位时的力学 传导状态,一个是骶股弓,通过股骨颈向下传导,这是 人体在站立时的力学传导状态.本实验通过对髋臼与 骨盆模型进行不同方式的加载,模拟了人体在站立和 坐位时的力学状态,同以往本组进行的开拓性研究相 比41,虽然仅为前者的延伸,但较为贴近实际,因此得 到的结论用于临床分析与康复训练较为可信. 髋臼骨盆骨折的发生率因交通道路与车辆发展 的不平衡呈逐年升高趋势,对于有移位的骨盆髋臼骨 折,多采用手术治疗,手术治疗的方法包括钢板,外固 定支架,克氏针,骶骨棒,记忆合金三维记忆内固定系 统等【】5-71.由于骨盆髋臼特殊的生物力学特点,即其所 受的应力均在站立情况下发生,如行走,站立,跑跳等, 而卧床时所受应力很小,因此,骨盆髋臼骨折后,内固 定的选择与方式,术后的制动与功能锻炼,都有其特殊 要求. 有关内固定:由于髋臼的解剖学特点:深在,形状 极不规则,因此内固定很难做到如同固定管状骨般坚 强,而且,由于髋臼的存在,为了避免内固定入关节腔, 有时需依靠股骨头与钢板的挤压作用稳定骨折块181, 因此,对于髋臼骨盆骨折,作者认为,有效固定(相对坚 强固定而言,坚强固定往往可以达到术后早期恢复肢 体负重等功能,而有效固定只要求术后无需外固定,早 期循序渐进主动活动肢体关节)是应采取的策略.之所 以提出这个观点,除了上述原因之外,另外一个因素是 髋臼骨盆多为松质骨,血运丰富,即使固定不坚强,在 很短的时间内,骨折的愈合将弥补内固定的不足,而使 断端达到稳定.通过本实验所得结果来看(图2),即使 在坐位时,较高应力出现区域仅局限于骶髂关节与坐 骨结节,因此,对于不涉及骶髂关节与坐骨结节部位 的骨折,患者术后只要不早期负重,有效内固定是完 全能够满足临床要求的.但是,如果骨折涉及骶髂关 节及坐骨结节,应用的又是有效固定方式,因坐位时 骶髂关节及坐骨结节所受的较高应力(图2b),可达 (15.734,20.286)MPa,为避免骨折及复位的关节移位, 根据临床经验,还是应以卧床及小于45.半卧为好,待 韧带愈合,纤维骨痂出现(6周左右)后,才能坐起,但 尚需结合不同的内固定方式及骨折情况进一步探讨. 有关功能锻炼:通过本实验所得结果来看(图1), 在站立位时,来自股骨头方向的力,使耻骨支,坐骨支, 方区部,骶髂关节部,髋臼后壁部有较高应力出现,这 个结果提示作者,上述区域的骨折复位固定后,在站立 位时由于所受力的缘故,有较高的移位倾向,再加上前 述的骨盆髋臼骨折的内固定特点一非坚强内固定,因 此,应避免负重.但如果术中内固定能满足被动屈髋屈 膝的要求,只要软组织条件允许,即可做到术后早期关 节功能训练,功能锻炼时需循序渐进主动进行,关节伸 曲训练与股四头肌训练均要兼顾. 通过本实验,可得出以下结论:骨盆髋臼骨折后在 避免早期负重的条件下,有效内固定可满足临床及早 期功能锻炼的要求.本组曾于1997-08/2003-02,应用 髋臼三维记忆内固定系统治疗复杂性髋臼骨折28例, 术后7d,主动收缩腹,臀,股部肌肉;2周始,渐进性伸 屈髋关节;2个月时,渐进负重191,全部病例无骨折再移 位,因髋臼三维记忆内固定系统为小巧的记忆合金组 合件,因此内固定应为有效固定方式,(下转第117页) ISSN1671-5926CN21—1470/R~Mckf.com中国临床康复2006年8月10日第lO 卷第29期 后而组成应用装置.设计框图如图5. 图5直流电源系统框图 这个实验开展时间较短,只做了8只动物,且每 只动物采用了不同给电时间,不同电流强度.尽管如 此,也可观察到电流对骨重建有着明显影响.但由于 数量还少,观察指标较多,尚难作统计学处理,仅举例 少量数据,见表1.实验对象为当年雄鸡小腿骨,体质 量:0.85kg,电流强度为18A,实验时间为9d,共给 电67h,日均7.5h,电极距为1.2cm. 表1电效应对骨重建影响的实验观察 3分析 临床观察和动物实验研究说明,电效应确能影 响骨的重建,并对骨的修复有促进作用.由此推论, 骨对力环境的反馈和骨的修复机理与骨的电性质有 关.. 从黄氏治疗股骨头坏死系统疗法角度,实验支持 在治疗过程中,进行有选择的,有节制的髋关节功能 锻炼观点.从骨力电性质观点看:功能活动可使髋关 节获得间断性再造应力,由于骨的力电效应,髋关节 将产生电位;同时,功能活动可提高局部体温,由骨的 117 热电效应,出现极化电荷,它是压电效应的次极效应. 所以,采用黄氏髋关节模造八法适时,适度的功能锻 炼,有助于恢复和改善髋关节功能,修复坏死股骨头. 当然,功能锻炼对促进血循环,防止肌肉萎缩,软组织 粘连等也有明显作用. 股骨头坏死的治疗阶段主要是控制坏死股骨头发 展,除朽骨长新骨的修复阶段,它是在一个开放的反馈 系统中按着功能需要进行的所谓"继发性长周期功能 适应"修复唧.环境的特征将作为一种信息输入反馈系 统,从而调整骨的修复.因此,髋关节功能锻炼应服从 修复的需要. 由上述观察和实验看到,改变作用在人体骨上 的"力环境"或"电效应",均能改变其骨电性质,使骨 发生重建.在非手术股骨头坏死系统疗法中已逐步 形成"髋关节修复准则"三条,即?治疗中髋关节受 力状态要相对稳定.?要给予适时,适度的力环境. ?要使之获得再造应力.髋关节修复准则既是判定 股骨头坏死疗法是否符合骨修复规律的客观标准, 也为股骨头坏死治疗提供了理论依据,对临床具有 明确指导意义.. (图1见插图29-4页) 4参考文献 1Ba~euCAL,BeckerRO.Generation0fElectricPotentialsbyBoneinResponse toMechanicalStress.Sc/ence1962:137 2AndersonJ.ErikssonC.ElectricalPropertiesofWetCollagen.No~ure1968:218 3FukadaE.MechanicalDeformationandElectricalPolarizationonBiological Substanees.B/orheo/oKr1968:5 4MahmudF. A.ModeltoCharacterize.StrainGeneratedPotentialsinBone_J BiomedEng1988:10 5SalzsteinRA.ElectromechanicalPotentialsinCorticalBoneII.Experimental Analysis.JBioraechanies1987:20 6FukadaE.YasudaI.OntlIePiezoelectricEffect0fBone../PhysSocJan1957:12 7深荣m--.骨的压电性和压电膜对骨生长的影响【M】.钱全民译.北京:生物医 学工程.1983:55-60 8盂和.顾志华.骨伤科生物力学【M】.北京:人民卫生出版社.2000:101-3 9MarvinE.FemoralHeadOsteonecrosis.Clin0nhop1989;249:199--208 (上接第111页)从临床实践方面证实了本实验所得结 论. 本实验是在假定骨盆髋臼为各项同性材料的基 础上进行分析的,因为构成骨盆髋臼的骨质的力学特 性为各向异性,因此,存在着一定的误差,相信随着计 算力学的不断发展,更为准确的模型构建和计算方法 会给临床工作者提供更好的帮助. (图1.2见插图29—4页) 4参考文献 1张春才,许硕贵,王家林,等.髋臼骨折记忆合金三维内固定系统的设计与 l临床应用『J1.中华骨科杂志,2002,22(12):709-13 许硕贵.张春才.骨科生物力学测试技术及其意义叨.生物医学工程与临床. 2002.6(4):232-5 徐峰.苏佳灿.吴建国,等.髋臼三维记忆内固定系统全真三维有限元模型快 速建立及其对力学仿真的意义田.中国临床康复,2005.9(2):68-70 苏佳灿.张春才.陈学强.等.静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力 学意义田.中国临床康复.2005.9(6):66-7 SenM.HarveyF_J,SteirIitzDaf.Anatomicalrisksofusingsupra-acetabular seI~WSinpercutan~ousinternalfixationoftheaeetabulumandpelvis.AmJ Orthop2oo5;34(2):94._6 Ka/lmakarMA.GeuhtJA.Mue~erKl,etaf.OperativetreatmentofunstablePO? dia~'icDeIvi8andacetabularfractures.PedicerOr~op2005:25(1):34-8 MohanwK,TahaW.PowellJN.Non-unionofacetabularfractures.Injury2004; 9O 35(8):787— 许硕贵.张春才.王家林.等.髋臼后壁骨折的内固定治疗田.中华创伤杂志, 2004.20(2):1l6—8' 张春才,许硕贵.禹宝庆.等.应用髋臼三维记忆内固定系统(ATMFS)治疗复 杂性髋臼骨折及其l临床意义田.中华创伤骨科杂志.2004.6(4):364-8 髓内8旨肪细胞对骨髓基质细胞成骨能力及凋亡的影响 Efl~l}?lllr…?vh,qHi{…trli_,?|_I1"I??lns1sI…w……tk 1?. 101 m 1 ? 目l*4I?nIN^?表(s^眦.x啪) 目2*8lII?nJmRNAt4cSABf:女.2o.) 目3乖Id10l#n』mRN^点(SABC自.×200) 目44d自组TL女&}mcx2?) 围58tj"IL…?~JNEI&E}r}(m) 睡^齐12jIU?,n/'hEL自Ee自目自{×叫) 瑚7年4I自n^散^目T十nI包 睡8dII.'#n^目t十n 豳qdI1n自忙?散^目.T十},l柙n 自…^?l?VPIu#,i.r胞E自 骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义槲 ?nj?…tlIl?r】{??{II|1signilieall,!el?l?ilI"l,…J 目I?m'&口.I?:l" 目!'.h*? 力电效应对骨重建和修复的影响 lI1n1】t'|1rI1sandJ1~icibmlllnlMm…midehng"nIl】…Tr,alr o, { %