不同重建方式对骨盆Ⅰ～Ⅳ区肿瘤切除后ⅠB型骨缺损稳定性影响的有限元分析

【摘要】　目的　通过有限元分析比较 4 种重建方式对累及骶髂关节骨盆肿瘤稳定性的影响，以选择最佳的重建方式。方法　获取 1 名成年男性所需区域 CT 数据，通过提取三维模型、光滑、重建三维模型、网格划分等一系列操作获得正常的有限元模型。在此模型的基础上使用 Solidworks 中的切割功能，获得切除术后的模型，将其与在此软件中建立的钉棒系统装配到一起，通过不同设定模拟出不同的重建方式，建立 4 种不同重建方式的有限元模型，A 组：骨盆环融合组；B 组：骨盆环 + 对侧骶髂关节融合组；C 组：骨盆环 + L5～S1融合组；D 组：骨盆环 + L5～S1 + 对侧骶髂关节融合组。于 4 组重建模型的 L5 椎体上表面施加向下的 600 N垂直向椎体载荷，比较不同固定方式下骨盆和内固定的应力、位移情况。结果　施加应力后，A 组：最大冯 -米斯 ( von-Mises，Mises ) 应力：633.12 MPa、最大位移：19.962 mm；B 组：最大 Mises 应力：603.69 MPa、最大位移：18.835 mm；C 组：最大 Mises 应力：556.28 MPa、最大位移：78.610 mm；D 组：最大 Mises 应力：610.14 MPa、最大位移：79.041 mm。结果显示，B 组的最大位移在 4 组中最小。C 组最大 Mises 应力最小，但其最大位移远超 B 组。结论　综合 Mises 应力及位移大小，B 组更具有力学优势，即骨盆环 + 对侧骶髂关节融合组的重建方案更为优秀。

【关键词】　骨肿瘤；骶髂关节；骨盆；有限元分析

骨盆肿瘤位置根据 Enneking 分区法可分为 4 区，Ⅰ 区为髂骨、Ⅱ 区为髋臼、Ⅲ 区为坐骨及耻骨、Ⅳ 区为骶骨。临床中骨盆恶性肿瘤具有较强的侵袭性，其侵犯最常见的关节是骶髂关节 [1]，且骨盆应力分布集中区域之一即为骶髂关节区域 [2]。在丁磊等 [3] 的一项研究中显示临近骶髂关节的骨盆肿瘤，28% 的患者出现骶髂关节的侵犯。而对于累及骶髂关节 ( Ⅰ + Ⅳ 区 ) 的肿瘤，根据 Enneking 等 [4]及 Court 等 [5] 的文献，髋骨切除分为：Ⅰ 型：通过骶髂关节外侧缘和髋臼顶之间的髂骨翼、Ⅰ～Ⅱp型，通过髋臼、Ⅰ～Ⅱ 型：全髋臼切除术、Ⅰ～Ⅱ～Ⅲ 型，从髋臼下方至耻骨支中线。骶骨切除也分为：A 型：同侧骶骨翼、B 型：同侧骶孔、C 型：骶骨中线、D 型：对侧骶孔。为保持结果的一致性，仅讨论 ⅠB 型方案 ( 图 1 )。笔者在骶髂关节肿瘤切除中须要考虑：如何选择手术入路；如何暴露肿瘤；如何保护周围临近的髂血管、骶神经、直肠和膀胱等重要结构及脏器；如何减少术中失血等诸多问题 [6]。关于切除后的重建方式，Jin 等 [7] 提出手术后不进行重建是一种可选择的方案，他们认为髋关节更靠近重心，这意味着重量产生的力矩更小，可以作用在更短的力臂上，从而改善患者的单腿姿势。然而更多学者认为，不进行重建会导致术后髋臼逐渐内倾、上移，导致骨盆倾斜，脊柱侧弯及假关节的形成 [8]。因此，大多数学者仍认为切除后重建是必要的。最早的关于骶髂关节肿瘤的重建术是Burri 等 [9] 进行的半骨盆切除后定制树脂假体重建。而后，学者们发现半骨盆切除术切除的范围太大，对患者造成了极大的创伤，开始追求范围更小，更精细化的切除 [10]，如今最常用的骶髂关节切除入路 [11]是：单侧摇摆位，后正中+髂腹股沟联合入路，该入路能更好地显露和切除肿瘤。通过后正中入路，显露骶骨后板和骶孔，切断骶骨周围韧带，显露椎管硬脊膜，必要时切断患侧骶神经。通过髂腹股沟入路，可保护盆腔血管和神经，显露坐骨孔，上方及前方的关节结构，此种术式有利于肿瘤的切除。在此种切除术式下，诞生了许多种重建方式，其中内固定物的选用上有同种异体骨移植 [12]，非血管化自体腓骨移植 [13]，血管化自体腓骨移植 [14]，钢板螺钉系统 [13]，椎弓根钉棒系统 [12]，组配式假体 [15] 及 3D打印假体 [16]。笔者自 2009 年开始选用椎弓根钉棒系统进行重建，尽管体会到椎弓根钉棒系统有手术时间短、操作相对简单、术中便于依据缺损不同进行调节的优点，但也发现 2 例在植骨融合失败后出现钛棒的松动及移位 [12]。对 1 例在实施肿瘤切除钉棒内固定系统重建骨盆环时，健侧骶髂关节同时实施融合手术，2 年随访期内骨盆环依然稳定，因此健侧骶髂关节的融合是否可以在一定程度上增加骨盆环的稳定性值得商榷。鉴于上述问题，笔者拟采用构建有限元分析模型的方法来探索更为稳定的螺钉置入方式以及骶髂关节融合对术后骨盆环稳定性的影响，以期获得更加理想的骨盆肿瘤切除后 ⅠB 型骨缺损的修复重建方案。

资料与方法

一、研究对象

选取 1 名健康成年男性志愿者，在获得中国人民解 放军联勤保障部队第九六〇医院伦理委员会及志愿者本人同意后，CT 检查志愿者骨盆无发育异常、肿瘤、外伤、感染等情况。利用西门子公司生产的 320 螺旋 CT 对该志愿者骨盆、L5 椎体、两侧股骨近端等所需区域进行扫描，扫描层厚 1.0 mm，层距 1.250 mm，扫描层数 292 层，将扫描获得的 CT数据以 DICOM 格式存储，以待后续建立有限元模型使用。

二、建立所需区域有限元模型

通过医学影像处理软件 MIMICS 21.0 对获取的DICOM 格式骨盆 CT 数据进行处理，获得所需区域的粗糙三维模型；利用逆向工程软件 Geomagic Wrap2017 对骨盆模型进行光滑、网格划分处理，获得光滑的 NUBRS 曲面模型；此后通过查找文献，利用有限元前处理软件 Solidworks 2017 设置好皮质骨的厚度。建立出正常所需区域的有限元模型 ( 图 2 )。

三、建立不同固定方式重建所需区域的有限元模型

参考 Enneking 等 [4-5] 及 Court 等 [6] 的文献及实际测量的钉棒系统，通过有限元前处理软件 SolidWorks 2017 制作出肿瘤切除后模型及椎弓根钉棒系统，并通过软件的旋转、平移功能与内部坐标系完成椎弓根钉棒系统与肿瘤切除后模型的组装。根据椎弓根钉棒系统中螺钉钉入的位置。将 Solid Works内的骨盆模型分为 2 种 ( 图 3 )：( 1 ) 将 2 枚螺钉平行沿切除平面向骶骨对侧打入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨打入，钛棒连接螺钉；( 2 )将 1 枚螺钉沿 L5 椎体人字嵴向椎体内置入，钉子远端不超过椎体中线，另 1 枚螺钉沿切除平面向骶骨对侧置入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨打入，钛棒连接螺钉。其中同一位置的螺钉长度及粗细是一致的。将两组模型导入 ANSYS 18.0 并进行有限元网格划分及接触的调整，模拟融合不同的关节。最终得到 4 种不同固定的有限元模型方案 ( 图 4 )。A 组：骨盆环融合组 ( 将 2 枚螺钉平行沿切除平面向骶骨对侧置入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨置入，钛棒连接螺钉 )；B 组：骨盆环 + 对侧骶髂关节融合组 ( 将 2 枚螺钉平行沿切除平面向骶骨对侧置入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨置入，钛棒连接螺钉，融合对侧骶髂关节 )；C 组：骨盆环 + L5～S1 融合组 ( 将 1 枚螺钉沿 L5 椎体人字嵴向椎体内置入，钉子远端不超过椎体中线，另 1 枚螺钉沿切除平面向骶骨对侧置入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨置入，钛棒连接螺钉，融合 L5、S1 关节 )；D 组：骨盆环 +L5～S1 + 对侧骶髂关节融合组 ( 将 1 枚螺钉沿 L5 椎体人字嵴向椎体内置入，钉子远端不超过椎体中线，另 1 枚螺钉沿切除平面向骶骨对侧置入，并将另外 2 枚螺钉沿切除平面向耻骨及坐骨置入，钛棒连接螺钉，融合 L5、S1 关节，融合对侧骶髂关节 )。

四、有限元模型的约束条件及载荷

将上述 4 种固定的模型进行材料赋值，各种材料的参数参考既往文献 ( 表 1 ) [17-19]、网格划分 ( 表 2 )，螺钉与连接棒、螺钉与骨骼、植骨融合关节的接触关系均设置为绑定，骨与软骨间设置为不分离。双侧股骨远端下表面约束固定，于 L5 椎体上表面施加 600 N 垂直向下载荷。最后将上述固定模型导入ANSYS 18.0 软件中进行有限元分析。分析其不同固定方式下模型的最大形变、最大位移情况。

结　　果

一、假体骨盆的三维有限元模型的建立

使用 Mimcs 21.0 读取骨盆的 CT 扫描文件共292 张 ( 扫描层厚 1.00 mm，层距 1.25 mm，包括 L5到双侧股骨中上部分 )，应用降噪、调整阈值、空腔填充、平滑、划分网格等技术优化图像，然后进行三维重构。使用 Solid Works 2017 制作内固定系统及切除后骨盆，并将其按照上文中的装配方式装配在一起。

二、边界条件、载荷设置

模拟正常人双脚站立位，对 L5 椎体施加 600 N垂直向下的力并划分网格，将模型中不同材质的物质分成 7 组并分别赋值。得到观察骨盆各部位位移及 Mises 应力情况。根据前人的研究，正常骨盆的应力集中出现在髋臼上缘、弓状线、坐骨大切迹上缘、骶髂关节、骶骨正中面上部，尤其在坐骨大切迹上缘应力值达到最大。而位移则以冠状位骨盆中线对称分布，且越靠近载荷施加位置，即身体近端时，模型发生的位移越大。

三、应力

重建后骨盆及内固定系统的应力最大值出现在钛棒的下端弯折处，其余部位应力较钛棒弯折处明显降低，其中较大值出现在脊柱螺钉处、螺钉与钛棒固定处。应力沿着髋臼内上缘和骨盆内侧壁传导，这一计算结果与现实世界相似。A 组：最大Mises 应力： 633.12 MPa；B 组：最大 Mises 应力：603.69 MPa；C 组：最大 Mises 应力：556.28 MPa；D 组：最大 Mises 应力：610.14 MPa ( 图 5 )。

四、位移

4 种状态下 600 N 载荷下的位移云图如图所示( 图 6 )。根据位移分布云图所示：位移自 L5 椎体后缘最大位移处于 L5 椎体后方附近，A、B 两组位移自椎体至髂骨翼向下两侧近似对称。C、D 两组健侧位移较重建侧明显，这一计算结果与现实世界的结果相似。A 组：最大位移 19.962 mm；B 组：最大位移 18.835 mm；C 组：最大位移 78.610 mm；D 组：最大位移 79.401 mm。在 4 组中，最大 Mises 应力大小排序为：A >D > B > C，最大位移大小排序为：D > C > A > B。

讨　　论

临床中恶性骨肿瘤的发病率较低，根据陈志峰等 [20] 报道原发恶性骨肿瘤的发病率不足全部恶性肿瘤 0.67%。徐海荣等 [21] 报道的 9200 例中，骨盆恶性肿瘤的发生率位居第三，仅次于股骨和胫骨恶性肿瘤，占 11.1%，且骶髂关节区域是骨盆肿瘤最易受累的部位。

骶髂关节能够承担步态周期所造成的压力负荷，以及骨盆旋转造成的张力负荷，对于骶髂关节肿瘤切除来说，骨盆环完整性的破坏通常会导致骨盆的力学结构破坏。

骶髂关节切除后可以造成多种骨缺损，为了保证研究结果的一致性，笔者仅研究 ⅠB 型切除后的骨缺损，这种分型也是骶髂关节肿瘤切除的常见分型 [6]。

关于肿瘤切除后的骨缺损，重建与否现如今尚未达成共识。有学者认为髋关节距离人体自身重心更近，重量产生的力矩更小，重量产生的力臂也更短，患者的单腿姿势状态也更好 [7,22]。还有学者认为不重建缺损会导致髋臼上移，脊柱侧弯等一系列并发症。因而对于 Ⅰ + Ⅳ 区缺损，术后重建可以提供更早期的活动、更好的术后功能。目前主要的重建方式有：同种异体骨移植，非血管化自体腓骨移植，血管化自体腓骨移植，钢板螺钉系统、组配式假体、3D 打印假体及椎弓根钉棒系统等。同种异体骨移植，非血管化自体腓骨移植及血管化自体腓骨移植，这 3 种骨性重建能更好地同切除界面融合，同种异体骨移植和非血管化自体腓骨移植有着简单，经济，手术时间快的优点，也有着容易出现骨吸收及骨不愈合的缺点，血管化自体腓骨移植虽然较少出现骨吸收及骨不愈合，但其手术时间长，术中失血多，技术要求高。钢板螺钉系统虽有着操作简便，手术时间短等优势，但其生物力学性能较差，易发生钢板的断裂 [13]。组配式假体改善了骨界面的网孔结构，然而连接部机械功能易失效，难以准确匹配缺损部位是其不足之处 [15]。随着计算机硬件，三维建模软件，工业机械科学及材料科学的发展和医工领域合作的日益密切，设计和制作更为精细的 3D 打印假体成为可能。3D 打印技术可以制造出特定形状和结构的金属假体，这种假体有着适形匹配，骨盆环稳定，生物学固定，假体骨界面骨整合良好，手术时间缩短及术后功能佳的优势 [16]，但其发展仍在起步阶段，应用上还未进行普及，且假体价格较为高昂，患者可能无力承担治疗的费用 [15]。椎弓根钉棒系统因为经济，手术时间较短，生物力学特性较好，术中可操作空间大而成为笔者的选择，但其操作难度较高，在植骨不愈合时会出现钛棒的松动和移位 [12]。而改善钛棒的松动和移位，维持骨盆环的稳定是笔者的目的。本研究从两个方面来探讨此问题，一是选择螺钉的置入位置，因为骨盆及其周围结构的复杂性和不规则性致使螺钉置入位置尚存有争议。二是对侧骶髂关节融合是否会影响整个骨盆环的稳定性。2018 年，笔者进行了 1 例骨盆 Ⅰ～Ⅳ 区肿瘤切除后 ⅠB 型骨缺损重建 + 对侧骶髂关节融合的手术，2021 年 9 月，对患者最后一次复查时，发现骨盆环仍然保持在较为稳定的状态 ( 图 7 )。笔者认为可能与对侧骶髂关节融合有关。因此笔者希望通过重现该患者的手术方式：即融合对侧骶髂关节 ( 在有限元分析中为将关节软骨设定为松质骨的方式 ) 来恢复骨盆环的稳定。

参考以往的文献 [12,23-24] 本研究设计了 4 种不同固定及关节融合的手术方案。对比两种螺钉置入方式，C、D 两组的位移相对于 A、B 组更大，一方面由于更大的高度差，导致其钢度较 A、B 组更差，从而导致更大的位移，另一方面因为 2 枚螺钉高度差更高，其间所包含的关节，肌肉和韧带等结构更多，因此在未行肌肉及韧带的重建时，也可导致位移偏大。对比是否融合对侧骶髂关节，在比较 C 组和 D 组时可以发现，2 枚螺钉高度差较大，对侧关节不融合可以获得更好地生物力学结果。而比较 A组和 B 组时可见，在 2 枚螺钉高度差较小时，对侧骶髂关节融合可以获得更好的生物力学结果。且在本研究中，位移的考量较应力的考量更为重要，因为笔者未考虑肌肉及韧带带来的影响，真实情况下腰椎及骨盆的最大位移应小于本模型的计算值，而钛合金 ( Ti-6Al-4V ) 的屈服强度在 850 Mpa 左右，模型的最大 Mises 应力则远小于这个值。因此，笔者得出的结论是，应用最大 Mises 应力较小，最大位移最小的 B 组 ( 骨盆环 + 对侧骶髂关节融合组 ) 可以获得更为优异的骨盆环稳定性。

本研究存在的不足：( 1 ) 并未探讨同种异体骨移植、自体腓骨移植等骨性重建方式，对患者的远期预后估计不足；( 2 ) 限于技术条件，本次模型未能模拟肌肉及韧带对所属区域生物力学的影响，导致模型数据与实际情况有所差异，这也是未来进一步研究的重点；( 3 ) 由于软件模拟的局限性，无法使内固定完全贴服，在一定程度上造成了结果偏移；( 4 ) 未能进行人体标本的生物力学分析，骨骼材料的赋值一直是医学有限元分析中的难点问题，因为骨骼是非均质、各向异性的，而在有限元软件中赋值时多设置为各向同性线性连续材料，这使得有限元结果不能完全代表真实的力学情况，今后将通过生物力学分析的方法进一步验证上述结论；( 5 )本研究只进行了涉及骶髂关节的骨盆 Ⅰ + Ⅳ 区肿瘤切除后重建的分析，骨盆上其它区域的肿瘤及其它的固定方式有待进一步的研究与对比分析。

参考文献：[1]吴京洪,徐明,郑凯等.不同重建方式对骨盆Ⅰ～Ⅳ区肿瘤切除后ⅠB型骨缺损稳定性影响的有限元分析[J].中国骨与关节杂志,2023,12(12):922-928.

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