聯(lián)合數(shù)字標記示蹤法和質(zhì)心運算法對人體骨盆力學(xué)穩(wěn)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(xué)附屬同濟醫(yī)院脊柱外科，上海 200065

人體骨盆中最重要的力學(xué)結(jié)構(gòu)包括腰骶關(guān)節(jié)骶髂關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)囊及周圍韌帶組織。毫無疑問，腰骶髂復(fù)合體是脊柱和骨盆的重要接合結(jié)構(gòu)，它在機體動態(tài)或靜態(tài)承重、維持骶骨垂直位、旋轉(zhuǎn)軸線的穩(wěn)定性以及保護骨盆內(nèi)容物都具有至關(guān)重要的作用。在過去幾年內(nèi)，有許多骨盆、脊柱的生物力學(xué)實驗和理論研究，其中大多數(shù)著眼于手術(shù)方式的選取以及內(nèi)固定器械的穩(wěn)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(shù)據(jù)作為對照性實驗，卻沒有更直觀地評價人類骨盆的動態(tài)力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)合近年來光學(xué)測量評價穩(wěn)定性的研究，基于Image J軟件的數(shù)字圖像處理技術(shù)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(shù)字標記點質(zhì)心跟蹤法對骨盆標記點位移進行過測算［3］，后期骨盆相關(guān)試驗在原有基礎(chǔ)上對標尺同時進行質(zhì)心跟蹤及面積運算［4］，聯(lián)合數(shù)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(jīng)影像學(xué)檢測沒有結(jié)構(gòu)異常，并將部分軟組織剔除，保留了髖臼以及骨盆環(huán)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)關(guān)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(cè)骶髂關(guān)節(jié)的下、上緣以及腰5椎體前緣中心;在骨盆側(cè)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(cè)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(diào)節(jié)至站立位——保持髂前上棘與恥骨聯(lián)合所在平面與水平面保持垂直，前、側(cè)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(shù)碼圖像的精確度。正式加載錢，根據(jù)生物力學(xué)的實驗標準，從0 N到300 N循環(huán)加載3次，以獲得穩(wěn)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(shù)碼圖像進行后處理和測量

Image J軟件將對數(shù)字圖像進行優(yōu)化:以0 N模式為例，經(jīng)過5分鐘插值處理，768±576像素圖像轉(zhuǎn)化為3 840±2 880像素并獲得數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了4 252個像素?；诿娣e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(zhì)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)兩側(cè)的標記點，可測得骨盆冠狀面外展度?？耸厢樅枉墓且砩蟽蓚€標記點連線之間的夾角就是骨盆矢狀面的旋轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)度 1.051 ±1.728°。表 1 為0～500 N的分級實驗數(shù)據(jù)，其平均數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Data of six pelvic specimens under 0 N to 500 N loading

圖5 骨盆標本平均數(shù)據(jù)載荷曲線Fig.5 Mean data-loading curve of pelvic specimens

3 結(jié)論

3.1 人體骨盆不同載荷時段的力學(xué)特性分析

因腰骶髂復(fù)合體的特殊解剖結(jié)構(gòu)，人體骨盆在不同載荷下呈現(xiàn)出不同的生物力學(xué)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(xiàn)出大致的“S”型，說明腰骶髂復(fù)合體在不同載荷下表現(xiàn)出不同的材料屬性，在200 N到400 N的垂直載荷區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出線彈性，而在加載早期與屈服后期則表現(xiàn)出粘彈性，以此動態(tài)變化骨盆可保持腰骶髂聯(lián)動關(guān)節(jié)的運動穩(wěn)定性。

3.2 骶骨“楔石”結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(guān)節(jié)在冠狀面始終維持著穩(wěn)定的線彈性。這恰恰解釋了骶骨做為腰骶髂復(fù)合體中的“楔石”結(jié)構(gòu)，在垂直載荷下能夠快速地緊致腰骶髂結(jié)構(gòu)，以獲得最大承重效能。同時，骨盆可藉此建立高效的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，將上半身載荷通過雙側(cè)髂骨翼的小幅度外展傳導(dǎo)致雙下肢，最終維持腰骶髂結(jié)構(gòu)的承重穩(wěn)定性。

3.3 人體骨盆軸向運動的杠桿效應(yīng)

L5在垂直加載的過程中相對于髂骨翼逐漸下沉和旋轉(zhuǎn)，證明骶髂關(guān)節(jié)是腰骶髂復(fù)合體軸向旋轉(zhuǎn)的一個運動軸心。同時，結(jié)合骨盆前后弓以髖關(guān)節(jié)為支點的運動特點［9］，導(dǎo)致骨盆整體軸向運動的杠桿效應(yīng)，這與Hugate等［5］在尸體骨盆標本研究中顯示的結(jié)果基本相似。該杠桿效應(yīng)保證了腰骶髂復(fù)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(wěn)定性。

總而言之，數(shù)字標記示蹤法聯(lián)合質(zhì)心運算法可精確測算出骨盆標本運動關(guān)鍵點的實際位移，再通過Image J軟件進行后期數(shù)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(zhuǎn)度可系統(tǒng)全面地評價標本的生物力學(xué)特性。人體骨盆獨特的力學(xué)特性體現(xiàn)在動態(tài)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(zhuǎn)換，從而保證了高效的承重特性與運動穩(wěn)定性。

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