骶骨次全切除術(shù)后骶髂關(guān)節(jié)重建的有限元分析

張東華，李誠，王志偉，王翠珠，李全

(第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，上海 200433)

骶骨次全切除術(shù)后骶髂關(guān)節(jié)重建的有限元分析

張東華，李誠，王志偉，王翠珠，李全*

(第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，上海 200433)

目的 評價改良Galveston技術(shù)固定骶髂關(guān)節(jié)時，不同螺釘數(shù)量對腰骶部生物力學(xué)的影響。方法 建立骶骨次全切除術(shù)后的骨盆有限元模型，在此模型基礎(chǔ)上行改良Galveston技術(shù)雙側(cè)固定腰骶部，分別建立4 枚螺釘和6 枚螺釘兩種內(nèi)固定方式。施加相同的壓力載荷，經(jīng)計算后對模型的有效性進行驗證，進而比較不同螺釘內(nèi)固定的模型位移以及內(nèi)固定器械上的應(yīng)力分布差異。結(jié)果 模型經(jīng)驗證與文獻中尸體模型實驗結(jié)果近似，可以認為有效。盡管腰椎固定節(jié)段的數(shù)目對于腰骶部的剛度和器械整體應(yīng)力的影響較小，但比較兩種重建方式下L5椎弓根螺釘上的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，螺釘數(shù)目越少，螺釘上的應(yīng)力越大，從而也增加了斷釘或松動的風(fēng)險。結(jié)論 改良Galveston技術(shù)腰椎螺釘?shù)臄?shù)目與螺釘本身的應(yīng)力有關(guān)，減少螺釘會增加斷釘及松動的風(fēng)險，但對棒以及釘尾的應(yīng)力沒有影響。

骶骨次全切除；改良Galveston技術(shù)；骶髂關(guān)節(jié)；重建；生物力學(xué)

高位骶骨腫瘤行骶骨次全切除術(shù)后造成骶髂關(guān)節(jié)破壞，導(dǎo)致腰骶部不穩(wěn)，患者無法早期活動，因此常常需要對骶髂關(guān)節(jié)進行重建。目前臨床上骶髂關(guān)節(jié)的重建所使用的最多的方法為改良Galveston技術(shù)。但即使都是使用改良Galveston技術(shù)進行骶髂關(guān)節(jié)的重建，不同的文獻所采用的具體固定方式還有所差別，其中重要的區(qū)別之一便是腰椎固定的節(jié)段不同，即腰椎椎弓根螺釘?shù)臄?shù)目不同，從2 根椎弓根螺釘(僅固定L5椎體)到6 根椎弓根螺釘(固定L3～5椎體)均可在臨床中見到。迄今為止，并未發(fā)現(xiàn)文獻明確指出選擇腰椎固定節(jié)段數(shù)目的原則，這對臨床上的實際操作造成了一定的混亂。本研究擬利用三維有限元分析的方法研究腰椎固定節(jié)段多少對骶髂關(guān)節(jié)重建的影響，為臨床應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 有限元模型的建立 采用正常成年男性CT圖像，掃描對象體重為72 kg，既往無腰椎和骨盆病史，掃描范圍從下腰椎至坐骨結(jié)節(jié)，掃描儀器為SIEMENS CT掃描機，層厚為2 mm，最終得到132 幅DICOM格式的CT圖像。在我們已經(jīng)建立并進行過有效性驗證的高位骶骨切除術(shù)后的骨盆有限元模型上，增加L4椎體和L4～5椎間盤，設(shè)置椎體與椎間盤、恥骨聯(lián)合以及小關(guān)節(jié)之間為緊密連接(不考慮這些關(guān)節(jié)的微動)，利用彈簧單元連接雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)，以保留關(guān)節(jié)的活動。劃分網(wǎng)格得到重建后的高位骶骨切除術(shù)后的骨盆有限元模型(模型1，見圖1a)，節(jié)點數(shù)為242 958，單元數(shù)為206 205，共建立12個彈簧單元，彈性系數(shù)設(shè)為300 N/mm。

然后在ABAQUS中模擬手術(shù)操作，按照實際尺寸構(gòu)建椎弓根螺釘和髂骨釘(椎弓根的直徑為6.5 mm，長度45 mm；髂骨釘?shù)闹睆綖? mm，長度45 mm)，分別插入L4、L5椎弓根及髂后上棘處，再根據(jù)釘尾的位置添加直徑7 mm的圓滑彎棒，融合后得到經(jīng)L4、L5固定的內(nèi)固定器械(見圖1b)。由于在內(nèi)固定早期，螺釘與骨盆之間以及釘棒之間的連接較為相對牢固，松動的程度不大，并且本研究的前提之一便是內(nèi)固定器械內(nèi)部以及器械與骨盆之間的固定牢靠無松動，因此可以將這些連接部分簡化，假設(shè)為緊密連接，所以在重建器械的模型中忽略了螺釘上的螺紋以及釘棒連接器的細節(jié)部分，將內(nèi)固定與骨盆之間的連接設(shè)為緊密連接(不考慮界面之間的滑動)。再與骨盆之間進行模型的切割操作，劃分網(wǎng)格后得到經(jīng)L4、L5固定的骶髂關(guān)節(jié)重建有限元模型(模型2)，節(jié)點數(shù)為260 677，單元數(shù)為216 403，彈簧單元數(shù)目及設(shè)置同模型1。

再對經(jīng)L4、L5固定的內(nèi)固定器械進行布爾操作，去除L4雙側(cè)的椎弓根螺釘及相應(yīng)節(jié)段的鈦棒，得到經(jīng)L5固定的內(nèi)固定器械(見圖1c)。重新對器械劃分網(wǎng)格后得到經(jīng)L5固定的骶髂關(guān)節(jié)重建有限元模型(模型3)，節(jié)點數(shù)為254 370，單元數(shù)為212 685，彈簧單元數(shù)目及設(shè)置同模型1。

圖1 建立的有限元模型圖

由于實驗條件所限，本研究將骨骼近似看作各向同性材料[1]。材料屬性的設(shè)置見表1。

表1 骨盆模型中材料屬性的設(shè)定

1.2 邊界條件及載荷 根據(jù)Sato等[2]的研究，在直立時腰椎所承受的壓力大約為1 100 kPa左右。因此模擬雙足站立的情況，對雙側(cè)髖臼頂部進行約束，限制X、Y、Z三個方向的位移及旋轉(zhuǎn)，分別對模型1～3的L4椎體的頂面施加1 100 kPa的均勻面壓力進行計算。測量模型中L4椎體上表面的面積大約為18 cm2，當(dāng)壓力為1 100 kPa時，向下的作用力大約為1 980 N。

1.3 評價指標 對于骶髂關(guān)節(jié)重建的評價需從三個方面進行：a)骶髂關(guān)節(jié)受重建的影響：骶髂關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的變化是關(guān)鍵，因此選擇L4椎體上表面的最大下沉位移(U3)以及由此計算得到的剛度作為評價指標。位移越小、剛度越大則說明骶髂關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性越好。b)內(nèi)固定器械本身的受力情況：器械上應(yīng)力相對集中的部位提示該處可能較易發(fā)生損壞，因此選擇器械整體的應(yīng)力云圖以及最大應(yīng)力的位置作為評價指標。c)螺釘與骨骼的連接情況：將雙側(cè)L5椎弓根螺釘和髂骨釘?shù)耐獗砻姘撮L度分為5段，每段均勻選取30個節(jié)點，提取各節(jié)點應(yīng)力，取其平均值作為該段螺釘?shù)膽?yīng)力，再利用t檢驗對兩種固定方式下這4枚螺釘各段的表面應(yīng)力進行比較。如果螺釘表面的應(yīng)力過大，則提示發(fā)生斷釘以及螺釘松動的可能性較高。

2 結(jié) 果

2.1 骶髂關(guān)節(jié)穩(wěn)定性 從圖2可見骶骨次全切除后未重建模型的L4上表面的最大下沉位移為(21.84 mm)，而L4、L5同時固定模型和僅固定L5的模型的最大下沉位移相同(10.72 mm)，與未重建模型相比顯著減小。而剛度則呈現(xiàn)相反的趨勢(見圖3)，未重建模型的剛度(90.7 N/mm)遠遠小于重建后模型(184.7 N/mm)。由此可見骶髂關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性在重建后得到了顯著的增強，并且固定L4、L5二個節(jié)段與只固定L5節(jié)段相比無明顯差異。

圖2 模型1～3的最大下沉位移(U3)

圖3 模型1～3的剛度

2.2 內(nèi)固定器械應(yīng)力分布 從圖4～5可見兩種重建方式的應(yīng)力分布情況類似，主要應(yīng)力集中的部位都在彎棒的下段和髂骨釘?shù)奈膊俊?/p>

圖4 模型2的內(nèi)固定器械的應(yīng)力云圖

2.3 螺釘與骨骼連接情況 從表2數(shù)據(jù)可以看出模型2和模型3中L5椎弓根螺釘表面的應(yīng)力有顯著差異，模型3的應(yīng)力要顯著高于模型2。而二個模型中的髂骨釘表面的應(yīng)力沒有顯著差異。這說明與同時固定L4、L5相比，僅固定L5會令椎弓根螺釘表面應(yīng)力顯著增大，增加了螺釘松動和斷釘?shù)娘L(fēng)險。

3 討 論

自從1997年Gokaslan等[3]提出利用Galveston技術(shù)對骶骨切除術(shù)后的骶髂關(guān)節(jié)進行重建以來，該方法逐漸成為臨床上該部位最常用的重建方法之一。最初的Galveston技術(shù)需要對棒的遠端進行三維塑型后插入髂骨中，導(dǎo)致手術(shù)操作繁瑣，并且光滑的棒的抗拔出力也較小，因此后來人們便將其改良，采用髂骨釘替代的插入髂骨的金屬棒，簡化了手術(shù)操作并增強了抗拔出力。在Gokaslan等的報道的重建方式中利用椎弓根螺釘固定了L3～53個腰椎節(jié)段，后繼的相關(guān)報道中也普遍采用固定3個腰椎節(jié)段的固定方式。但在實際臨床應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)固定2個或1個腰椎節(jié)段也可以起到固定的作用，并且可以節(jié)省治療費用、簡化手術(shù)操作步驟并減少患者的創(chuàng)傷。目前的文獻中尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于這一重建方式中腰椎固定節(jié)段數(shù)目多少的報道，減少腰椎固定節(jié)段的數(shù)目在生物力學(xué)上是否可行也未見研究。本研究擬利用三維有限元分析的方法研究減少腰椎固定節(jié)段的數(shù)目對骶髂關(guān)節(jié)重建的影響，為臨床操作提供理論依據(jù)。

圖5 模型3的內(nèi)固定器械的應(yīng)力云圖

三維有限元分析經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展在工程計算等領(lǐng)域的使用已經(jīng)相當(dāng)成熟，近年來也越來越多地被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中最多的便是矯形外科以及口腔內(nèi)植物的生物力學(xué)研究與開發(fā)。它與傳統(tǒng)的生物力學(xué)實驗方法的區(qū)別在于其通過建模、網(wǎng)格劃分等手段將實際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計算的問題，然后經(jīng)過運算得到所期望的結(jié)果。這一方法無需龐大的實驗儀器，也不需要準備一定數(shù)量的尸體標本，因此能夠節(jié)省實驗費用、縮短實驗周期。但其結(jié)果的正確與否還需要與傳統(tǒng)的生物力學(xué)實驗結(jié)果比較對照才能得出結(jié)論。Hugate等[4]利用尸體標本的生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，完整骨盆腰骶部的剛度約為(353±231) N/mm；經(jīng)S1神經(jīng)孔下緣切除骶骨時，即在未破壞S1椎體的情況下，腰骶部的剛度約為(255±95) N/mm；經(jīng)S1神經(jīng)孔上緣切除骶骨時，即在破壞S1椎體的情況下，腰骶部的剛度約為(101±49) N/mm。本實驗的模型進行了驗證，結(jié)果可信。

臨床上骶骨次全切除的患者如不進行重建，術(shù)后腰骶部穩(wěn)定性差，需臥床較長時間，大大增加了出現(xiàn)臥床并發(fā)癥的可能性，不利于早期康復(fù)。腰骶部不穩(wěn)還會導(dǎo)致術(shù)后遺留長期疼痛，并且殘留的骶骨也可能會發(fā)生骨折[5]。腰骶部重建可以降低骶髂關(guān)節(jié)周圍的應(yīng)力，減少殘留骶骨骨折的風(fēng)險，增加腰骶部的剛度。因此腰骶部穩(wěn)定性是研究該部位生物力學(xué)行為以及考查重建器械性能的重要指標之一。從計算結(jié)果中可以看出，腰椎固定數(shù)目的多少對于腰骶部整體剛度的影響并不大?？紤]其原因可能是骶骨次全切除術(shù)后腰骶部活動的增加主要發(fā)生在骶髂關(guān)節(jié)處，而腰椎固定節(jié)段的多少對該部位的活動影響不大。

三維有限元分析可以得到傳統(tǒng)生物力學(xué)實驗難以提供的一些信息，重建器械整體的應(yīng)力云圖便是其中之一。von Mise應(yīng)力是根據(jù)第四強度理論計算得到的等效應(yīng)力，在工程中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，局部的von Mise應(yīng)力如果超過該部位的許用應(yīng)力，便可能發(fā)生破壞。對比幾種重建方式，可以看出器械上應(yīng)力最大的部位均位于L5椎弓根螺釘至髂骨釘之間的棒以及髂骨釘尾部。這表明這兩處是器械上相對容易發(fā)生損壞的部位，而腰椎固定節(jié)段的多少對這兩處應(yīng)力大小的影響也不大。

盡管腰椎固定節(jié)段的數(shù)目對于腰骶部的剛度和器械整體應(yīng)力的影響較小，但比較三種重建方式下L5椎弓根螺釘上的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，螺釘數(shù)目越少，螺釘上的應(yīng)力越大，從而也增加了斷釘和松動的風(fēng)險。

本研究主要利用了三維有限元分析的方法研究了不同螺釘數(shù)目對腰骶部穩(wěn)定性的影響。應(yīng)用三維有限元分析可以對復(fù)雜模型在應(yīng)力作用下位移和應(yīng)力分布進行計算和分析，有助于對骶骨切除后的重建方式進行力學(xué)評估。相對于傳統(tǒng)的實驗研究，三維有限元實驗可不受樣本數(shù)量的限制，結(jié)果的實驗誤差較小，且重復(fù)性好。但由于有限元模型往往不能完全模擬出復(fù)雜的關(guān)節(jié)和韌帶等結(jié)構(gòu)，而且實際的組織材料具有一定的各向異性、不均勻性、非線性，使其自身的本構(gòu)關(guān)系難以確定，而有限元方法只能對人體組織的各種材料屬性進行粗略的描述，單元劃分、節(jié)點的選擇、荷載和邊界條件的規(guī)定在一定程度上是人為的且不能和實驗條件完全一致。由于以上種種因素造成計算機模擬的結(jié)果與實驗會有一些偏差，但如果在總體的變化趨勢上與實驗?zāi)酥僚R床應(yīng)用能取得一致，那說明有限元模型在對各種手術(shù)方案的分析中是有一定作用的。此外三維有限元模型無法進行破壞試驗，所以只能通過觀察器械上的應(yīng)力分布來預(yù)測器械失敗的風(fēng)險。這與實際情況可能也存在著一定的差異，因此為進一步評估器械失敗風(fēng)險的大小，還應(yīng)當(dāng)利用實體標本進行破壞試驗才能得出更加準確的結(jié)論。

改良Galveston技術(shù)是臨床上最常見的腰骶部重建方式。但在具體實施時，腰椎螺釘?shù)臄?shù)目常根據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗以及患者的經(jīng)濟能力而有所不同。本研究從生物力學(xué)的角度闡明了腰椎螺釘數(shù)目多少的影響，即減少腰椎螺釘?shù)臄?shù)目會使腰椎螺釘上的應(yīng)力增加，加大了斷釘以及螺釘松動的風(fēng)險，但螺釘應(yīng)力的增加并未超過下段棒以及髂骨釘尾部的應(yīng)力，并且其對腰骶部剛度幾乎沒有影響。這提示臨床應(yīng)用中如患者無明顯的骨質(zhì)疏松，可以適當(dāng)減少腰椎的螺釘數(shù)目。

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[2]Katsuhiko Sato SK，Takumi Yonezawa.In vivo intradiscal pressure measurement in healthy individuals and in patients with ongoing back problems[J].Spine，1999，24(23)：2468-2474.

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[5]Todd LT Jr，Yaszemski MJ，Currier BL，etal.Bowel and bladder function after major sacral resection[J].Clin Orthop Relat Res，2002(397)：36-39.

Finite Element Analysis of Reconstructed Sacro-iliac Joint with Galveston Technique after Subtotal Sacrum Resection

Zhang Donghua，Li Cheng，Wang Zhiwei，etal

(Orthopedic Department of Changhai Hospital，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

Objective To evaluate the number of screws on the biomechanics of the sacral joint in the modified Galveston technology.Methods Based on the finite element postoperative pelvic model with subtotal sacrectomy previously established，two finite element models of modified Galveston technique were built，with 4 screws and 6 screws respectively.The same pressure load was applied on the two models，and the validity of the model was verified，the displacement of model and the stress distribution on screws and rods were compared.Results The model was validated to be effective according to the result of the experimental results of the cadaver model in the literature.Number of lumbar screws had little impact on the lumbosacral stiffness and equipment total stress.However，L5pedicle screw stress of 4 screws reconstruction methods were higher than that of 6 screws reconstruction methods.Conclusion The less the number of screws，the greater stress on L5pedicle screw.And the risk of screw breaking or loosening also increases with less screws.More pedicle screws should be used on osteoporosis patients.

subtotal sacrum resection；improved Galveston technology；sacro-iliac joint；reconstruction；biomechanical effects

1008-5572(2015)10-0894-04

國家自然科學(xué)基金(81000799)；*本文通訊作者：李全

R681.5+7

B

2015-06-12

張東華(1984- )，女，護師，第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，200433。