骶骨次全切除术后骶髂关节重建的有限元分析

张东华，李诚，王志伟，王翠珠，李全

(第二军医大学长海医院骨科，上海 200433)

骶骨次全切除术后骶髂关节重建的有限元分析

张东华，李诚，王志伟，王翠珠，李全*

(第二军医大学长海医院骨科，上海 200433)

目的 评价改良Galveston技术固定骶髂关节时，不同螺钉数量对腰骶部生物力学的影响。方法 建立骶骨次全切除术后的骨盆有限元模型，在此模型基础上行改良Galveston技术双侧固定腰骶部，分别建立4 枚螺钉和6 枚螺钉两种内固定方式。施加相同的压力载荷，经计算后对模型的有效性进行验证，进而比较不同螺钉内固定的模型位移以及内固定器械上的应力分布差异。结果 模型经验证与文献中尸体模型实验结果近似，可以认为有效。尽管腰椎固定节段的数目对于腰骶部的刚度和器械整体应力的影响较小，但比较两种重建方式下L5椎弓根螺钉上的应力发现，螺钉数目越少，螺钉上的应力越大，从而也增加了断钉或松动的风险。结论 改良Galveston技术腰椎螺钉的数目与螺钉本身的应力有关，减少螺钉会增加断钉及松动的风险，但对棒以及钉尾的应力没有影响。

骶骨次全切除；改良Galveston技术；骶髂关节；重建；生物力学

高位骶骨肿瘤行骶骨次全切除术后造成骶髂关节破坏，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。目前临床上骶髂关节的重建所使用的最多的方法为改良Galveston技术。但即使都是使用改良Galveston技术进行骶髂关节的重建，不同的文献所采用的具体固定方式还有所差别，其中重要的区别之一便是腰椎固定的节段不同，即腰椎椎弓根螺钉的数目不同，从2 根椎弓根螺钉(仅固定L5椎体)到6 根椎弓根螺钉(固定L3～5椎体)均可在临床中见到。迄今为止，并未发现文献明确指出选择腰椎固定节段数目的原则，这对临床上的实际操作造成了一定的混乱。本研究拟利用三维有限元分析的方法研究腰椎固定节段多少对骶髂关节重建的影响，为临床应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 有限元模型的建立 采用正常成年男性CT图像，扫描对象体重为72 kg，既往无腰椎和骨盆病史，扫描范围从下腰椎至坐骨结节，扫描仪器为SIEMENS CT扫描机，层厚为2 mm，最终得到132 幅DICOM格式的CT图像。在我们已经建立并进行过有效性验证的高位骶骨切除术后的骨盆有限元模型上，增加L4椎体和L4～5椎间盘，设置椎体与椎间盘、耻骨联合以及小关节之间为紧密连接(不考虑这些关节的微动)，利用弹簧单元连接双侧骶髂关节，以保留关节的活动。划分网格得到重建后的高位骶骨切除术后的骨盆有限元模型(模型1，见图1a)，节点数为242 958，单元数为206 205，共建立12个弹簧单元，弹性系数设为300 N/mm。

然后在ABAQUS中模拟手术操作，按照实际尺寸构建椎弓根螺钉和髂骨钉(椎弓根的直径为6.5 mm，长度45 mm；髂骨钉的直径为7 mm，长度45 mm)，分别插入L4、L5椎弓根及髂后上棘处，再根据钉尾的位置添加直径7 mm的圆滑弯棒，融合后得到经L4、L5固定的内固定器械(见图1b)。由于在内固定早期，螺钉与骨盆之间以及钉棒之间的连接较为相对牢固，松动的程度不大，并且本研究的前提之一便是内固定器械内部以及器械与骨盆之间的固定牢靠无松动，因此可以将这些连接部分简化，假设为紧密连接，所以在重建器械的模型中忽略了螺钉上的螺纹以及钉棒连接器的细节部分，将内固定与骨盆之间的连接设为紧密连接(不考虑界面之间的滑动)。再与骨盆之间进行模型的切割操作，划分网格后得到经L4、L5固定的骶髂关节重建有限元模型(模型2)，节点数为260 677，单元数为216 403，弹簧单元数目及设置同模型1。

再对经L4、L5固定的内固定器械进行布尔操作，去除L4双侧的椎弓根螺钉及相应节段的钛棒，得到经L5固定的内固定器械(见图1c)。重新对器械划分网格后得到经L5固定的骶髂关节重建有限元模型(模型3)，节点数为254 370，单元数为212 685，弹簧单元数目及设置同模型1。

图1 建立的有限元模型图

由于实验条件所限，本研究将骨骼近似看作各向同性材料[1]。材料属性的设置见表1。

表1 骨盆模型中材料属性的设定

1.2 边界条件及载荷 根据Sato等[2]的研究，在直立时腰椎所承受的压力大约为1 100 kPa左右。因此模拟双足站立的情况，对双侧髋臼顶部进行约束，限制X、Y、Z三个方向的位移及旋转，分别对模型1～3的L4椎体的顶面施加1 100 kPa的均匀面压力进行计算。测量模型中L4椎体上表面的面积大约为18 cm2，当压力为1 100 kPa时，向下的作用力大约为1 980 N。

1.3 评价指标 对于骶髂关节重建的评价需从三个方面进行：a)骶髂关节受重建的影响：骶髂关节稳定性的变化是关键，因此选择L4椎体上表面的最大下沉位移(U3)以及由此计算得到的刚度作为评价指标。位移越小、刚度越大则说明骶髂关节的稳定性越好。b)内固定器械本身的受力情况：器械上应力相对集中的部位提示该处可能较易发生损坏，因此选择器械整体的应力云图以及最大应力的位置作为评价指标。c)螺钉与骨骼的连接情况：将双侧L5椎弓根螺钉和髂骨钉的外表面按长度分为5段，每段均匀选取30个节点，提取各节点应力，取其平均值作为该段螺钉的应力，再利用t检验对两种固定方式下这4枚螺钉各段的表面应力进行比较。如果螺钉表面的应力过大，则提示发生断钉以及螺钉松动的可能性较高。

2 结 果

2.1 骶髂关节稳定性 从图2可见骶骨次全切除后未重建模型的L4上表面的最大下沉位移为(21.84 mm)，而L4、L5同时固定模型和仅固定L5的模型的最大下沉位移相同(10.72 mm)，与未重建模型相比显著减小。而刚度则呈现相反的趋势(见图3)，未重建模型的刚度(90.7 N/mm)远远小于重建后模型(184.7 N/mm)。由此可见骶髂关节的稳定性在重建后得到了显著的增强，并且固定L4、L5二个节段与只固定L5节段相比无明显差异。

图2 模型1～3的最大下沉位移(U3)

图3 模型1～3的刚度

2.2 内固定器械应力分布 从图4～5可见两种重建方式的应力分布情况类似，主要应力集中的部位都在弯棒的下段和髂骨钉的尾部。

图4 模型2的内固定器械的应力云图

2.3 螺钉与骨骼连接情况 从表2数据可以看出模型2和模型3中L5椎弓根螺钉表面的应力有显著差异，模型3的应力要显著高于模型2。而二个模型中的髂骨钉表面的应力没有显著差异。这说明与同时固定L4、L5相比，仅固定L5会令椎弓根螺钉表面应力显著增大，增加了螺钉松动和断钉的风险。

3 讨 论

自从1997年Gokaslan等[3]提出利用Galveston技术对骶骨切除术后的骶髂关节进行重建以来，该方法逐渐成为临床上该部位最常用的重建方法之一。最初的Galveston技术需要对棒的远端进行三维塑型后插入髂骨中，导致手术操作繁琐，并且光滑的棒的抗拔出力也较小，因此后来人们便将其改良，采用髂骨钉替代的插入髂骨的金属棒，简化了手术操作并增强了抗拔出力。在Gokaslan等的报道的重建方式中利用椎弓根螺钉固定了L3～53个腰椎节段，后继的相关报道中也普遍采用固定3个腰椎节段的固定方式。但在实际临床应用中，发现固定2个或1个腰椎节段也可以起到固定的作用，并且可以节省治疗费用、简化手术操作步骤并减少患者的创伤。目前的文献中尚未发现关于这一重建方式中腰椎固定节段数目多少的报道，减少腰椎固定节段的数目在生物力学上是否可行也未见研究。本研究拟利用三维有限元分析的方法研究减少腰椎固定节段的数目对骶髂关节重建的影响，为临床操作提供理论依据。

图5 模型3的内固定器械的应力云图

三维有限元分析经过数十年的发展在工程计算等领域的使用已经相当成熟，近年来也越来越多地被应用于医学领域，其中最多的便是矫形外科以及口腔内植物的生物力学研究与开发。它与传统的生物力学实验方法的区别在于其通过建模、网格划分等手段将实际问题转化为数学计算的问题，然后经过运算得到所期望的结果。这一方法无需庞大的实验仪器，也不需要准备一定数量的尸体标本，因此能够节省实验费用、缩短实验周期。但其结果的正确与否还需要与传统的生物力学实验结果比较对照才能得出结论。Hugate等[4]利用尸体标本的生物力学研究发现，完整骨盆腰骶部的刚度约为(353±231) N/mm；经S1神经孔下缘切除骶骨时，即在未破坏S1椎体的情况下，腰骶部的刚度约为(255±95) N/mm；经S1神经孔上缘切除骶骨时，即在破坏S1椎体的情况下，腰骶部的刚度约为(101±49) N/mm。本实验的模型进行了验证，结果可信。

临床上骶骨次全切除的患者如不进行重建，术后腰骶部稳定性差，需卧床较长时间，大大增加了出现卧床并发症的可能性，不利于早期康复。腰骶部不稳还会导致术后遗留长期疼痛，并且残留的骶骨也可能会发生骨折[5]。腰骶部重建可以降低骶髂关节周围的应力，减少残留骶骨骨折的风险，增加腰骶部的刚度。因此腰骶部稳定性是研究该部位生物力学行为以及考查重建器械性能的重要指标之一。从计算结果中可以看出，腰椎固定数目的多少对于腰骶部整体刚度的影响并不大。考虑其原因可能是骶骨次全切除术后腰骶部活动的增加主要发生在骶髂关节处，而腰椎固定节段的多少对该部位的活动影响不大。

三维有限元分析可以得到传统生物力学实验难以提供的一些信息，重建器械整体的应力云图便是其中之一。von Mise应力是根据第四强度理论计算得到的等效应力，在工程中已经获得了广泛的应用，局部的von Mise应力如果超过该部位的许用应力，便可能发生破坏。对比几种重建方式，可以看出器械上应力最大的部位均位于L5椎弓根螺钉至髂骨钉之间的棒以及髂骨钉尾部。这表明这两处是器械上相对容易发生损坏的部位，而腰椎固定节段的多少对这两处应力大小的影响也不大。

尽管腰椎固定节段的数目对于腰骶部的刚度和器械整体应力的影响较小，但比较三种重建方式下L5椎弓根螺钉上的应力发现，螺钉数目越少，螺钉上的应力越大，从而也增加了断钉和松动的风险。

本研究主要利用了三维有限元分析的方法研究了不同螺钉数目对腰骶部稳定性的影响。应用三维有限元分析可以对复杂模型在应力作用下位移和应力分布进行计算和分析，有助于对骶骨切除后的重建方式进行力学评估。相对于传统的实验研究，三维有限元实验可不受样本数量的限制，结果的实验误差较小，且重复性好。但由于有限元模型往往不能完全模拟出复杂的关节和韧带等结构，而且实际的组织材料具有一定的各向异性、不均匀性、非线性，使其自身的本构关系难以确定，而有限元方法只能对人体组织的各种材料属性进行粗略的描述，单元划分、节点的选择、荷载和边界条件的规定在一定程度上是人为的且不能和实验条件完全一致。由于以上种种因素造成计算机模拟的结果与实验会有一些偏差，但如果在总体的变化趋势上与实验乃至临床应用能取得一致，那说明有限元模型在对各种手术方案的分析中是有一定作用的。此外三维有限元模型无法进行破坏试验，所以只能通过观察器械上的应力分布来预测器械失败的风险。这与实际情况可能也存在着一定的差异，因此为进一步评估器械失败风险的大小，还应当利用实体标本进行破坏试验才能得出更加准确的结论。

改良Galveston技术是临床上最常见的腰骶部重建方式。但在具体实施时，腰椎螺钉的数目常根据医师的经验以及患者的经济能力而有所不同。本研究从生物力学的角度阐明了腰椎螺钉数目多少的影响，即减少腰椎螺钉的数目会使腰椎螺钉上的应力增加，加大了断钉以及螺钉松动的风险，但螺钉应力的增加并未超过下段棒以及髂骨钉尾部的应力，并且其对腰骶部刚度几乎没有影响。这提示临床应用中如患者无明显的骨质疏松，可以适当减少腰椎的螺钉数目。

[1]Kawahara N，Murakami H，Yoshida A，etal.Reconstruction after total sacrectomy using a new instrumentation technique：a biomechanical comparison[J].Spine，2003，28(14)：1567-1572.

[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.

[3]Gokaslan ZL，Romsdahl MM，Kroll SS，etal.Total sacrectomy and galveston L-rod reconstruction for malignant neoplasms.technical note[J].J Neurosurg，1997，87(5)：781-787.

[4]Hugate RR Jr，Dickey ID，Phimolsarnti R，etal.Mechanical effects of partial sacrectomy：when is reconstruction necessary?[J].Clin Orthop Relat Res，2006(450)：82-88.

[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

国家自然科学基金(81000799)；*本文通讯作者：李全

R681.5+7

B

2015-06-12

张东华(1984- )，女，护师，第二军医大学长海医院骨科，200433。