聯合數字標記示蹤法和質心運算法對人體骨盆力學穩定性的分析

于 研，賈永偉，曾至立，王建杰，吳周睿，吳洋春，徐 委，胡 笑，程黎明

同濟大學附屬同濟醫院脊柱外科，上海 200065

人體骨盆中最重要的力學結構包括腰骶關節骶髂關節，關節囊及周圍韌帶組織。毫無疑問，腰骶髂復合體是脊柱和骨盆的重要接合結構，它在機體動態或靜態承重、維持骶骨垂直位、旋轉軸線的穩定性以及保護骨盆內容物都具有至關重要的作用。在過去幾年內，有許多骨盆、脊柱的生物力學實驗和理論研究，其中大多數著眼于手術方式的選取以及內固定器械的穩定性［1］。在這些研究中，人們往往選擇一些完整骨盆的測試數據作為對照性實驗，卻沒有更直觀地評價人類骨盆的動態力學穩定性。結合近年來光學測量評價穩定性的研究，基于Image J軟件的數字圖像處理技術得以廣泛運用，但均停留在對標記點的粗略示蹤及位移測量上［2］。本課題組曾基于Image J軟件利用數字標記點質心跟蹤法對骨盆標記點位移進行過測算［3］，后期骨盆相關試驗在原有基礎上對標尺同時進行質心跟蹤及面積運算［4］，聯合數字標記示蹤法獲得標尺像素的平均實際尺寸，從而大大提升標記點實際位移的確算精度。

1 資料和方法

1.1 標本備置

6具成年尸體標本從第三腰椎至股骨中上1/3段，標本經影像學檢測沒有結構異常，并將部分軟組織剔除，保留了髖臼以及骨盆環周圍韌帶(圖1)。

圖1 本次試驗中六具骨盆標本Fig.1 Six cadaveric specimens in present study

1.2 實驗臺制備和標本固定

我們對Hugate［5］的實驗操作臺進行了改進:用2個金屬套管替換了原有的2個金屬球狀部件，金屬套管能通過8個鎖釘固定股骨。套管下方是標準化直線導軌，能模擬人體站立位下承受垂直載荷時的運動特點。直線導軌下方布置2個刻度尺，以便重置標本位置(圖2)。

圖2 骨盆標本試驗臺Fig.2 Specimen fixed on the bench

1.3 標記物的準備和定位

標記物通過白底黑點的方法來標記骨盆各個運動學關鍵點，人造標記物用激光打印機打印成2.37 mm±2.43 mm大小，標尺由兩個4 mm±4 mm黑色方塊組成。在骨盆正前方，標記點黏貼在雙側骶髂關節的下、上緣以及腰5椎體前緣中心;在骨盆側方，克氏針從L5椎體后方沿平行L5終板方向打入，在克氏針兩端都貼上標記點，同時在髂骨翼外側黏貼2個標記點。所有的標記物和標尺都在同一焦距下拍攝(圖3)。

1.4 實驗步驟

標本調節至站立位——保持髂前上棘與恥骨聯合所在平面與水平面保持垂直，前、側視角的圖像由2部CCD圖像傳感器分別采集。同時用人造光源來保持散射光的一致性，以提高計算數碼圖像的精確度。正式加載錢，根據生物力學的實驗標準，從0 N到300 N循環加載3次，以獲得穩定的位移載荷曲線。然后再從0 N加載到500 N。每加載100 N，有10秒時間采集圖像信息(加載速率是2 mm/min，每個圖像保存為768±576像素的BMP格式)。

1.5 Image J軟件對數碼圖像進行后處理和測量

Image J軟件將對數字圖像進行優化:以0 N模式為例，經過5分鐘插值處理，768±576像素圖像轉化為3 840±2 880像素并獲得數據，這些數據包含了4 252個像素。基于面積法公式，標尺像素的尺寸為=0.086 752 mm/pix。再基于運動物體的質心運算法，則可計算出每個標記點的實際位移。

圖3 標記物黏貼和測算示意圖Fig.3 Diagram of marker’s pasting and calculation

1.6 測量方法和對象

L5相對下沉位移取決于骶髂關節上緣標記點和L5椎體前緣標記物的垂直位移差值。通過測量骶髂關節兩側的標記點，可測得骨盆冠狀面外展度。克氏針和髂骨翼上兩個標記點連線之間的夾角就是骨盆矢狀面的旋轉度。如圖4，標記點為A和B，加載載荷后分別移動到A’和B’。通過勾股定理即獲得∠α、∠β角度的變化量為∠β-∠α。

圖4 角度測量方法Fig.4 Method of angle calculation

2 結果

在垂直加載500 N的情況下，L5相對下沉位移為(1.157±794)mm，骨盆冠狀面外展度為 0.370±0.260°和矢狀面旋轉度 1.051 ±1.728°。表 1 為0～500 N的分級實驗數據，其平均數據載荷曲線如圖5所示。

表1 6具骨盆標本在0 N～500 N載荷下的數據結果Tab.1 Data of six pelvic specimens under 0 N to 500 N loading

圖5 骨盆標本平均數據載荷曲線Fig.5 Mean data-loading curve of pelvic specimens

3 結論

3.1 人體骨盆不同載荷時段的力學特性分析

因腰骶髂復合體的特殊解剖結構，人體骨盆在不同載荷下呈現出不同的生物力學特性［6-8］。在0 N到500 N的加載過程中，L5平均相對下沉位移的位移載荷曲線和矢狀面的角度載荷曲線均呈現出大致的“S”型，說明腰骶髂復合體在不同載荷下表現出不同的材料屬性，在200 N到400 N的垂直載荷區間內表現出線彈性，而在加載早期與屈服后期則表現出粘彈性，以此動態變化骨盆可保持腰骶髂聯動關節的運動穩定性。

3.2 骶骨“楔石”結構的力學承重特性

骨盆冠狀面外展度的變化值很小，且在角度加載曲線中呈直線趨勢，表明骨盆骶髂關節在冠狀面始終維持著穩定的線彈性。這恰恰解釋了骶骨做為腰骶髂復合體中的“楔石”結構，在垂直載荷下能夠快速地緊致腰骶髂結構，以獲得最大承重效能。同時，骨盆可藉此建立高效的應力傳導路徑，將上半身載荷通過雙側髂骨翼的小幅度外展傳導致雙下肢，最終維持腰骶髂結構的承重穩定性。

3.3 人體骨盆軸向運動的杠桿效應

L5在垂直加載的過程中相對于髂骨翼逐漸下沉和旋轉，證明骶髂關節是腰骶髂復合體軸向旋轉的一個運動軸心。同時，結合骨盆前后弓以髖關節為支點的運動特點［9］，導致骨盆整體軸向運動的杠桿效應，這與Hugate等［5］在尸體骨盆標本研究中顯示的結果基本相似。該杠桿效應保證了腰骶髂復合體在周圍肌肉韌帶的輔助下，維持著骨盆承重及屈伸運動的整體穩定性。

總而言之，數字標記示蹤法聯合質心運算法可精確測算出骨盆標本運動關鍵點的實際位移，再通過Image J軟件進行后期數字化圖像處理及位移角度測算，所得的L5相對下沉位移、骨盆冠狀位外展度和矢狀位旋轉度可系統全面地評價標本的生物力學特性。人體骨盆獨特的力學特性體現在動態平衡的維持，即在不同載荷下具備不同的材料屬性，在線彈性與粘彈性之間轉換，從而保證了高效的承重特性與運動穩定性。

［1］ Gunterberg B，Romanus B，Stener B.Pelvic strength after major amputation of the sacrum experimental study［J］.Acta Orthop Scand，1976，47(6):635-642.

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［3］ 賈永偉，程黎明，俞光榮，于研。數字標記點質心跟蹤法在骨盆位移測量中的應用［J］.第二軍醫大學學報，2007，12(10):1086-1090.

［4］ Liming Cheng，Yan Yu，Rui Zhu，et al.Structural stability of different reconstruction techniques following total sacrectomy:a biomechanical study［J］.Clinical Biomechanics，2011，26(10):977-981.

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［7］ Mark Vrahas.Classification and biomechanics of pelvic ring injuries［J］.Operative Techniques in Orthopaedics，1997，7(3):162-166.

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