基于CT圖像研究骨盆及韌帶的損傷*

復旦大學附屬中山醫(yī)院放射科/上海市影像醫(yī)學研究所(上海 200000)

周琳夕 嚴 誠*

骨盆是一個由前環(huán)和后環(huán)組成的環(huán)狀結構，其中前環(huán)和后環(huán)分別提供了30%和70%的穩(wěn)定性[1]。順產對女性造成的傷害非常大，損傷常見部位是骨盆后環(huán)。骨盆后環(huán)包括左右髂骨翼、骶骨、骶髂關節(jié)和周圍的韌帶和肌肉，統(tǒng)稱為“骶髂關節(jié)復合體”[2]，是骨盆環(huán)的后部張力帶，占骨盆穩(wěn)定作用的60%。骶髂關節(jié)是骨盆后環(huán)重要的組成部分，骶髂關節(jié)錯位是指因外力造成骶骨和髂骨移動[3]。由于順產，女性患病率要遠高于男性。大于15mm的骶髂關節(jié)移位會造成骨盆疼痛，臨床上常見并發(fā)癥有下腰痛、臀后痛、遲發(fā)性腰骶神經損傷、骨盆關節(jié)痛和骶髂關節(jié)炎等[4]。順產是多因素損傷，所以在臨床上極難實現分析。近年來多名學者開展了盆底的生物力學研究，陳倩倩[5]提出了利用CT數據對骨盆骨進行自動分割的研究；李寧等[6]利用非線性材料的特性生成了人體骨盆、骶髂關節(jié)和骶髂韌帶的有限元模型，研究腰背痛的原因；劉慧等[2]由肌肉韌帶邊界條件支撐骨盆，發(fā)現含肌肉韌帶的邊界條件能降低皮質內應力集中的發(fā)生。

本研究根據我院提供的CT圖像建立了一個女性骨盆模型，通過模擬不同腹壓施加不同的載荷，模擬外部受力對人體骨盆及韌帶的影響，分析骨盆及韌帶的受損情況。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取1名健康女性志愿者(年齡26歲、身高160cm、體重60kg)的腰骶關節(jié)-恥骨下緣部位為研究對象。受試者既往無懷孕、盆底疾病及手術史，X線檢查該志愿者骨盆無損傷狀況。使用Philips 64排螺旋CT對志愿者自腰骶關節(jié)至恥骨下緣進行掃描，層厚為1mm。利用Mimics 19.0軟件對掃描的DICOM圖像數據進行處理，建立三維數字化女性骨盆模型，見圖1。

再通過Geomagic 14.0對骨盆進行三角面片細分、模型降噪、光順化處理，并通過精確曲面等過程對其進行曲面化，最終形成三維實體模型。用Abaqus 17.0軟件建立正常骨盆和韌帶模型(圖2A)及模擬產婦生產時不同腹壓狀況對骨盆各部位影響的圖 (圖2B-2D)。

圖1 建立的骨盆模型

圖2 女性實驗者骨盆韌帶模型。A：骶髂關節(jié)髂骨測平S1椎體水平；B：髂窩；C：弓狀線起點；D：髖臼內板中央；E：坐骨恥骨支；F：恥骨上支；G：坐骨下肢近坐骨結節(jié)；H：髖臼前上方；I：髖臼正上方；J：髖臼后上方；K：坐骨大切跡最高點；L：S1椎體上緣。2A：正常骨盆模型；2B：模擬正常胎頭下降模型；2C：添加載荷及受力模型(前)；2D：添加載荷及受力模型(后)。

通過Hypermesh17.0采用四面體實心單元C3D4劃分，骨盆模型共有220934個單元、115323個節(jié)點，把模型導入Abaqus 17.0，用彈簧單元模擬韌帶，施加對骨盆的約束，建立骨盆及韌帶的有限元網格模型，各部分材料屬性見表1[7-9]。

表1 骨盆模型及骨盆相關韌帶的材料屬性

1.2 模型的驗證模擬雙腳站立位骨盆受力，于S1椎體上終板設置剛性面，在幾何中心給予載荷，模擬站立位時重力的方向，大小為600N[10]。測量點如下(綜合相關文獻對骨盆應力分布研究方法)[11-13]：1：S1椎體上緣；2：骶髂關節(jié)髂骨側平S1椎體水平；3:弓狀線起點；4：坐骨大切跡最高點；5：髂窩；6：髖臼內板中央；7：恥骨上支；8：坐骨恥骨支；9：坐骨下支近坐骨結節(jié)；10：髖臼前上方；11：髖臼正上方；12：髖臼后上方。

邊界條件：為了與正常生理狀態(tài)接近，不對骨盆進行約束，對股骨近端截面進行約束，限制6個方向的自由度，計算模型在各個節(jié)段的活動度，并與姬濤等[9]測得的數據進行對比(圖3)。

圖3 單純力矩下本研究模型與文獻實驗模型應力和位移的比較。3A：本FEA與Reference的應力比較；3B：本FEA與Reference的位移比較。

骨盆入口前后徑為(1 0 8.9 9±1 4.2 1)m m，橫徑為(114.95±8.64)mm[14]，本研究所建模型在Abaqus 17.0軟件中測得骨盆入口前后徑為106.56mm，橫徑為118.57mm，證明模型符合人體特征。

綜上表明，本研究設計的有限元模型基本達到了設計要求，可以應用于實驗研究。

1.3 載荷及邊界條件在Abaqus 17.0中進行模擬加載和應力分析。產婦順產時仰臥位：約束骶骨和髖臼內表面6個自由度，在髂后上棘處施加100N由后向前的力[15]，用來模擬床面對骨盆的反作用力，分析骨盆應力及相對位移，即骶骨耳狀面與髂骨耳狀面之間的應變。

根據醫(yī)院提供的生產腹壓圖，在骨盆的坐骨大切跡及骨盆后環(huán)處施加0.5、1、1.5、3、5、8KPa[16]的壓力來模擬順產和靜息狀態(tài)下的腹壓，然后以等值線圖的方式生成應力和位移分布云圖。

2 結 果

2.1 位移分析在產婦仰臥位下，正常骨盆的位移分布左右對稱，其中在靜息狀態(tài)下，骶中正嵴的位移最大，為13.30mm。骨盆以骶中正嵴為中心，以逐漸減弱的波浪形向外傳導。在靜息狀態(tài)下骨盆位移較大部位是S1椎體上緣，隨著腹壓的增加，位移明顯增大。當腹壓為3KPa時，S1椎體上緣、骶髂關節(jié)、上關節(jié)突、尾骨、尾骨尖、髂后上棘相對于1.5KPa腹壓的增長率分別為59.3%、13.7%、81.1%、1149.5%、1400.2%、87.6%。其中尾骨和尾骨尖較之靜息狀態(tài)有顯著上升，位移較大的部位是尾骨和髂后上棘。當腹壓為3KPa和5KPa時，尾骨尖的位移最大，腹壓為8KPa時，上關節(jié)突和尾骨尖的位移最大，這與文獻實驗結果相符[17-18]。

靜息狀態(tài)下，S1椎體上緣、骶翼、上關節(jié)突、尾骨、尾骨尖和骶后上棘的位移呈緩慢增長趨勢。順產狀態(tài)下，這6個部位中增長較為明顯的是尾骨和尾骨尖，分別從27.73mm增長到39.35mm以及49.93mm增長到66.16mm(圖4)。

圖4 S1椎體上緣，骶翼，上關節(jié)突，尾骨，尾骨尖和骶后上棘在不同腹壓下的位移。

2.2 應力分析在腹壓為0.5、1、1.5KPa狀態(tài)下，骨盆的應力主要從骶骨上表面沿骶骨翼傳遞，經骶髂關節(jié)傳至髂骨，然后由坐骨大切跡和弓狀線傳至左右髖臼。骨盆兩側的應力分布基本對稱，應力主要集中在骶翼，坐骨大切跡，弓狀線，髖臼，尾骨處。整個骨盆最大應力約為12.10MPa，集中在坐骨大切跡附近。在靜息狀態(tài)下集中在骶翼和弓狀線和髖臼上方。在0.5KPa腹壓下應力最大的位置是在髖臼和坐骨大切跡交界處，約為0.58MPa；在1KPa的腹壓下應力最大的位置是在髖臼左上方，約為1.07MPa；在1.5KPa的腹壓下應力最大的位置是在弓狀線上方，約為1.56MPa；在3KPa的腹壓(模擬順產)下，應力最大的位置是在尾骨與骶骨交界處，約為3.64MPa，其次為弓狀線位置，約為2.6MPa；在5KPa的腹壓(模擬順產)下，應力最大的位置是在左側坐骨大切跡處，約為6.31MPa；在8KPa的腹壓(模擬順產)下，應力最大的位置也是在左側坐骨大切跡處，約為9.08MPa(圖5)。由此可知，骶骨、尾骨和坐骨大切跡部位損傷較大，這與文獻中的研究結果一致[19]。

圖5 靜息狀態(tài)與順產狀態(tài)下骨盆有限元模型應力分布圖。5A：骨盆部位在腹壓下的應力趨勢圖。5B：韌帶部位在腹壓下的應力趨勢圖。

選取骨盆模型應力變化較明顯的部位：骶骨、坐骨大切跡、髖臼、尾骨、作出腹壓與應力曲線圖。在模擬靜息狀態(tài)下，以上部位的應力緩慢增長(圖5A)。在模擬腹壓狀態(tài)下，坐骨大切跡、骶翼以及尾骨處有較大的應力集中現象(圖5D-5F)。在3、5、8KPa的腹壓下，骶翼和尾骨的應力急劇增長，坐骨大切跡在0.5、1、1.5、3KPa腹壓下應力值最高。在5KPa腹壓下，骶翼所受應力值較坐骨大切跡高0.63MPa。在8KPa腹壓下，所受應力最大的部位是坐骨大切跡和髖臼。

骨盆受力對韌帶會造成很大的影響，通過Abaqus 17.0模擬骨盆受力的同時也得到了韌帶的應力變化。選取應力變化較大的部位：左側骶髂后韌帶、骨間韌帶、骶結節(jié)韌帶和骶棘韌帶。不同韌帶的所受應力與腹壓成正比，所受應力值最高的是骨間韌帶，即骶髂關節(jié)韌帶前部，其次為左側骶髂后韌帶，骶結節(jié)韌帶、骶棘韌帶，應力峰值分別為70.72、113.10、27.92、17.27MPa，這與臨床記載的順產造成的韌帶損傷部位一致[20-22]。

3 討 論

本研究主要討論順產狀態(tài)下，骨盆及韌帶的受力及損傷情況，通過與靜息狀態(tài)下的骨盆及韌帶的所受應力及位移進行對比，從生物力學的角度找出順產時骨盆及韌帶損傷較大的區(qū)域。順產造成的損傷機制一直未見報道，產婦骨盆的差異及胎兒大小都使產后損傷復雜化[23]。其中最常見的損傷部位為骨盆后環(huán)損傷，通常產后恢復不當會造成一系列的并發(fā)癥，需對順產造成的損傷進行分析[24]。對于骨盆韌帶的生物力學研究模型主要有物理模型、尸體模型和基于計算機技術的三維有限元模型[25]。三維有限元模型可以根據材料力學性能模擬軟組織，取材相對尸體簡單，實驗可重復性高。順產對女性盆底是一次較大的損傷，對其進行研究找出損傷高發(fā)區(qū)域是有必要的，但國內外對其的報道和研究都比較少，故本研究結果能夠為臨床醫(yī)生根據產婦實際情況、胎兒大小、胎兒娩出的位置快速判斷是否進行順產以及確定順產的姿勢，減小順產對產婦骨盆及韌帶高發(fā)區(qū)域的損傷。

從位移和應力分析可以看出，順產狀態(tài)下位移較大的是尾骨尖、上關節(jié)突和S1椎體上緣，即尾骨和骶骨部位，由此推斷順產時易受損部位為尾骨和骶骨。由于骶尾椎之間連接薄弱，順產時常因胎兒過大或骨盆狹窄向后擠壓骶尾椎，骶尾椎在順產時極易受傷，出現骶尾部關節(jié)錯位和尾骨脫位。髂后上棘與骶骨通過骨間韌帶相連，是維持骨盆穩(wěn)定性的重要部位，常見的損傷有骶髂關節(jié)脫位，通過外科重建骨盆環(huán)的穩(wěn)定性，能明顯提高治療效果。從應力水平來看，順產狀態(tài)下骶翼的應力增長較快，增長率為112.5%。在5KPa腹壓下所受應力最大為骶翼，其次為坐骨大切跡、髖臼、尾骨。在8KPa腹壓下，所受應力最大為坐骨大切跡，其次為髖臼、骶翼和尾骨。由此可以得出結論坐骨大切跡和髖臼損傷最大。臨床證明，順產對骨盆環(huán)的影響主要是因骶髂關節(jié)和周圍組織非正常狀態(tài)引起骨盆持續(xù)性疼痛，嚴重影響孕婦產后恢復和生活質量。本研究模擬的順產情況，損傷較明顯部位是骶髂關節(jié)，人類直立行走的應力分布變化為髖臼頂部坐骨大切跡至髂前下棘水平交匯從而產生致密的骨小梁交叉。主負荷的傾斜傳遞會在坐骨大切跡處產生集中，所以在順產后如不能及時發(fā)現坐骨大切跡存在受傷隱患，在產婦下床活動的一段時間里極有可能出現坐骨疼痛，嚴重影響日常生活。髖臼的損傷會引發(fā)髖關節(jié)退行性變，嚴重的情況還會影響脊椎。

在靜息狀態(tài)和順產狀態(tài)下，左側骶髂后韌帶和骨間韌帶的應力遠大于骶結節(jié)韌帶和骶棘韌帶，且所受應力隨著腹壓的增加而增加。由此得出結論左側骶髂后韌帶和骨間韌帶對骨盆移位起到重要作用。李勇等[21]選取21例高能量損傷骨盆環(huán)不穩(wěn)定骨折，收集患者影像數據，統(tǒng)計產后1天至4周的情況，得出結論骶髂關節(jié)韌帶損傷會嚴重影響骨盆環(huán)的穩(wěn)定性，由此證明實驗數據與臨床相符。

本研究的局限性如下：(1)對盆底模型進行一定程度的簡化，沒有考慮子宮、直腸等在順產時對骨盆的影響。施加給骨盆的是瞬時的力，沒有嚴格模擬順產的連續(xù)過程。(2)對骨盆周圍的韌帶進行了一定程度的簡化，選取較為重要的多條韌帶，與真實臨床數據相比會有一些差異。(3)本研究建立的是基于健康的女性患者CT的骨盆韌帶模型，對產婦孕期分泌松弛素導致骨盆韌帶有一定松弛現象沒有考慮在內。

綜上所述，本研究能給出科學的方法論證順產時尾骨尖和上關節(jié)突、骶翼和坐骨大切跡以及左側骶髂后韌帶和骨間韌帶所受損傷較之其他部位更大，這些部位主要集中在骨盆后環(huán)位置。利用有限元的方法能夠模擬順產時骨盆及其韌帶的生物力學特性，為臨床手術和產后恢復提供理論依據。