论文摘要
研究目的创伤、肿瘤术后等会造成骶髂关节分离或破坏,导致腰骶部不稳,患者无法早期活动,因此常常需要对骶髂关节进行重建。改良Galveston技术（Modified Galveston Technique, MGT）是腰骶部重建方法之一。创伤后的骶髂关节分离为高能量损伤,分离大于0.5cm就影响骨盆环稳定。需复位固定,目前较常用的有骶髂关节拉力螺钉和前路钢板内固定。1997年Gokaslan等提出利用Galveston技术对骶骨次切除术后的骶髂关节进行重建以来,该方法逐渐成为该部位重建方法之一。近些年来,部分作者在此基础上进行了多次的改进,逐渐演变为非标准的改良Galveston技术。同时也将此技术应用于骶髂关节脱位。此技术与现有固定方式是否存在明显差异,目前缺乏足够的生物力学及长期随访,笔者拟对不通内固定进行比较分析,以期为此技术的基础研究和临床应用提供理论依据。同时对于经皮骶髂关节空心螺钉框架式导航（the framework navigation,FN）辅助装置的研制进行了初步研究。目前临床上经皮拉力螺钉固定骶髂关节复合体损伤主要采用两种方法：一是术中经反复X线透视确定螺钉进针方向、角度和深度；二是通过计算机导航定位,包括术前标记和术中定位。二者均具有暴露范围小、出血少、可获得足够的生物力学稳定性、术后并发症少、可早期活动,缩短住院时间等优点。但前者对术者的要求极高,不仅要求术者熟悉骨盆髋臼的解剖,还要求了解各投影标志的X线表达意义,且对术中透视的X线机也要求有足够大的视野和清晰度,稍有不慎就有损伤周围血管、神经的可能。后者虽避免了前者可能发生的风险,但机器设备价格昂贵,目前仅少数较大医院拥有,且术前标记定位复杂限制了其广泛应用。目前该技术的应用主要有以下难题：①如何确定进钉点；②如何测量髓腔大小,即可置入螺钉的直径；③螺钉的进钉方向；④如何避免进钉过程中的方向偏移而引起的并发症。目前计算机导航技术已经广泛应用于外科领域,但仍有操作程序繁琐、设备昂贵等缺点限制了该技术在临床上的广泛应用。目前有关本装置研究的报道尚未见到,同时我院也没有三维导航装置。之前的报道都只是停留在基础测量阶段,很少将测量的数据应用于临床；以往也有报道设计出导航装置的,但都不便于推广。本研究通过设计出框架式导航装置,用于经皮骶髂关节空心螺钉的置入即可解决以上问题,同时可达到多次置入,重复性和标准化的手术操作。关键在于此装置的套筒方向是可以三维的准确变化。1、通过三维有限元法（FEA）对骶髂关节脱位不同内固定方式（改良的Galveston技术、空心螺钉）进行对比评价,比较不同内固定方式生物力学稳定性,为临床应用提供理论依据2、通过MedCAD中设计出三维立体导航装置模型,再和模具公司合作做出一个实体框架导航装置。为经皮空心螺钉的骶髂关节固定术前个性化准备和治疗提供实验方法和依据。材料与方法一、图像资料的采集本研究通过收集正常的骨盆CT扫描数据一例,选取取2010年11月在我院行完整盆部计算机断层扫描（GE Medical systems/lightspeed 64排多层螺旋CT）的成年患者一名,先行X线检查,排除腰椎和骨盆肿瘤、畸形等其他病变,进行骨盆64排螺旋CT平扫,层厚0.45mm,数据以DICOM格式输出保存。以DICOM文件格式保存到个人计算机系统（PC）二、骨盆及内固定三维重建模型的构建在个人计算机系统上,将连续的骨盆断层扫描图像数据以.DICOM格式导入交互式医学图像控制系统（Mimics 10.01）。用采用“界定阈值（Thresholding）”、“蒙罩编辑器（edit mask）”、“区域增长（Region Growing）”重建骨盆三维模型。并以IGES的格式导出到Geomagic10.0对模型进行几何重建。按照临床常用内固定的标准,利用Solidworks2007对所需内固定几何重建。最后均以IGES格式导出。三、Hypermesh10.0中进行网格划分和装配将原有骨盆模型及内固定以IGES格式导入Hypermesh10.0中,进行网格划分和装配,赋予材料属性。根据骶髂关节脱位不同的内固定方式,建立单侧骶髂关节脱位不同内固定三维有限元模型。最后导入Ansysl0.0中,在L4椎体上方模拟应用500N轴向压缩载荷下,研究不同内固定下应变分布和von Mises应力分布,分析脱位固定后生物力学稳定性,为临床应用提供理论依据。四、骶髂关节经皮空心螺钉导航装置模拟置入及研究1.本研究利用正常人体骨盆部CT扫描数据,导入到Mimics软件建立骨盆模型。利用三维模型模拟空心螺钉的置入,设计出框架式导航装置,用于经皮骶髂关节空心螺钉的置入。先设计导航的图纸,之后在CAD中设计出三维立体模型,再和模具公司合作做出一个实体框架导航。2.在手术室对尸体标本进行导航的应用,熟练导航的操作,总结经验,适当改进。争取达到个性化设计。3.待完善所有术前计划,术中安置导航装置在手术床上,将应用于临床手术中。比较应用导航装置与以前徒手手术手术时间、拍照次数、置钉准确率、一次性成功率等指标。并进行下肢功能评价。患者出院后进行长期随访,并评估效果。通过导航的设计与应用,从而解决骶髂关节脱位经皮空心螺钉复位固定的手术难题。结果1.骶髂关节不同内固定模型在L4椎体顶面施加垂直载荷后非线性三维有限元受力分析,后处理模块生成各部分应变及应力分布云图。本实验中所有内固定均未见断裂。五种内固定方式的有限元分析与比较：除了内固定方式不同之外,其他条件完全一致,因此具有良好的可比性。从应力和应变云图可以看出,d L4-I galveston、d L5-I galveston、s L4-I galveston、s L5-I galveston及拉力螺钉（lag screw, LS）固定后骨盆的最大应力值分别为1.690×109 Pa、1.310×109 Pa、0.834×109Pa、0.836×109 Pa、1.584×109 Pa；骶骨相对于髋骨的移位方向为向下、向前和向右,总位移依次为1.589×10-3m、1.871×10-3m、2.404×10-3m、2.468×10-3m、0.3083×10-3m。MGT双侧固定较单侧固定应变较小。无论是双侧还是单侧固定,固定于L4和L5间应变无明显差异,但均明显大于LS固定。LS固定时可将整个后环连为一个整体,在轴向负荷下会一起带对侧骶髂关节发生形变。可能的原因是改良的Galveston技术固定类似于“桥接钢板固定的理念”,所以固定后有一定的弹性活动范围。各种内固定下Von Mises应力集中分布于在腰髂螺钉与骨质的结合部位,这对螺钉的弹性模量和患者骨质密度的要求较高。2.本实验研究的导航装置已经有初步的一期成果,但是过于简单,未行尸体标本的应用。目前和器械有限公司合作,CAD工程图进行了多次改进。待完善后将应用于尸体标本进行实验阶段。本课题组将继续研究此装置后续的工作,并进行改进、完善。导航装置的应用还需在实践中总结、验证。结论1、对于单侧骶髂关节脱位时,MGT双侧固定较单侧固定应变较小。无论是双侧还是单侧固定,固定于L4和L5间应变无明显差异,但均明显大于LS固定。由于此技术较拉力螺钉固定手术创伤大、时间长、费用高,因此对于无明显移位的骶髂关节脱位（或合并骶骨DenisⅠ、Ⅱ型骨折）,笔者建议给予拉力螺钉固定,对于垂直移位明显、闭合复位困难或失败,改良的Galveston技术可作为选择固定方式之一。建模时忽略了皮质骨和松质骨的区别,这些简化对于骶髂关节的活动以及器械上的应力分布影响均较小。本实验比较未进行生物力学测试,且有限元分析（Finite element analysis, FEA）和其他尸体标本生物力学测试各有优缺点。在以后的临床应用中,应相互结合、综合评价,才能得出更为科学、合理的结果。2、逆向工程技术和骨盆三维模型的结合,不仅为骶髂关节脱位经皮空心拉力螺钉固定的应用提供了一种全新的研究方法,而且能为该技术的使用提供简便、直观的术前准备。同时导航装置的初步研究已经取得了一定的进展,本课题组将继续给予研究验证。
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