不同重建方式對骨盆 Ⅰ～Ⅳ 區(qū)腫瘤切除后 ⅠB 型骨缺損穩(wěn)定性影響的有限元分析

吳京洪 徐明 鄭凱 于秀淳

骨盆腫瘤位置根據(jù) Enneking 分區(qū)法可分為 4 區(qū)，Ⅰ 區(qū)為髂骨、Ⅱ 區(qū)為髖臼、Ⅲ 區(qū)為坐骨及恥骨、Ⅳ 區(qū)為骶骨。臨床中骨盆惡性腫瘤具有較強的侵襲性，其侵犯最常見的關節(jié)是骶髂關節(jié)[1]，且骨盆應力分布集中區(qū)域之一即為骶髂關節(jié)區(qū)域[2]。在丁磊等[3]的一項研究中顯示臨近骶髂關節(jié)的骨盆腫瘤，28% 的患者出現(xiàn)骶髂關節(jié)的侵犯。而對于累及骶髂關節(jié) (Ⅰ+Ⅳ 區(qū)) 的腫瘤，根據(jù) Enneking 等[4]及 Court 等[5]的文獻，髖骨切除分為：Ⅰ 型：通過骶髂關節(jié)外側(cè)緣和髖臼頂之間的髂骨翼、Ⅰ～Ⅱp型，通過髖臼、Ⅰ～Ⅱ 型：全髖臼切除術、Ⅰ～Ⅱ～Ⅲ 型，從髖臼下方至恥骨支中線。骶骨切除也分為：A 型：同側(cè)骶骨翼、B 型：同側(cè)骶孔、C 型：骶骨中線、D 型：對側(cè)骶孔。為保持結(jié)果的一致性，僅討論 ⅠB 型方案 (圖 1)。筆者在骶髂關節(jié)腫瘤切除中須要考慮：如何選擇手術入路；如何暴露腫瘤；如何保護周圍臨近的髂血管、骶神經(jīng)、直腸和膀胱等重要結(jié)構(gòu)及臟器；如何減少術中失血等諸多問題[6]。關于切除后的重建方式，Jin 等[7]提出手術后不進行重建是一種可選擇的方案，他們認為髖關節(jié)更靠近重心，這意味著重量產(chǎn)生的力矩更小，可以作用在更短的力臂上，從而改善患者的單腿姿勢。然而更多學者認為，不進行重建會導致術后髖臼逐漸內(nèi)傾、上移，導致骨盆傾斜，脊柱側(cè)彎及假關節(jié)的形成[8]。因此，大多數(shù)學者仍認為切除后重建是必要的。最早的關于骶髂關節(jié)腫瘤的重建術是Burri 等[9]進行的半骨盆切除后定制樹脂假體重建。而后，學者們發(fā)現(xiàn)半骨盆切除術切除的范圍太大，對患者造成了極大的創(chuàng)傷，開始追求范圍更小，更精細化的切除[10]，如今最常用的骶髂關節(jié)切除入路[11]是：單側(cè)搖擺位，后正中+髂腹股溝聯(lián)合入路，該入路能更好地顯露和切除腫瘤。通過后正中入路，顯露骶骨后板和骶孔，切斷骶骨周圍韌帶，顯露椎管硬脊膜，必要時切斷患側(cè)骶神經(jīng)。通過髂腹股溝入路，可保護盆腔血管和神經(jīng)，顯露坐骨孔，上方及前方的關節(jié)結(jié)構(gòu)，此種術式有利于腫瘤的切除。在此種切除術式下，誕生了許多種重建方式，其中內(nèi)固定物的選用上有同種異體骨移植[12]，非血管化自體腓骨移植[13]，血管化自體腓骨移植[14]，鋼板螺釘系統(tǒng)[13]，椎弓根釘棒系統(tǒng)[12]，組配式假體[15]及 3D打印假體[16]。筆者自 2009 年開始選用椎弓根釘棒系統(tǒng)進行重建，盡管體會到椎弓根釘棒系統(tǒng)有手術時間短、操作相對簡單、術中便于依據(jù)缺損不同進行調(diào)節(jié)的優(yōu)點，但也發(fā)現(xiàn) 2 例在植骨融合失敗后出現(xiàn)鈦棒的松動及移位[12]。對 1 例在實施腫瘤切除釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)重建骨盆環(huán)時，健側(cè)骶髂關節(jié)同時實施融合手術，2 年隨訪期內(nèi)骨盆環(huán)依然穩(wěn)定，因此健側(cè)骶髂關節(jié)的融合是否可以在一定程度上增加骨盆環(huán)的穩(wěn)定性值得商榷。鑒于上述問題，筆者擬采用構(gòu)建有限元分析模型的方法來探索更為穩(wěn)定的螺釘置入方式以及骶髂關節(jié)融合對術后骨盆環(huán)穩(wěn)定性的影響，以期獲得更加理想的骨盆腫瘤切除后 ⅠB 型骨缺損的修復重建方案。

資料與方法

一、研究對象

選取 1 名健康成年男性志愿者，在獲得中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九六〇醫(yī)院倫理委員會及志愿者本人同意后，CT 檢查志愿者骨盆無發(fā)育異常、腫瘤、外傷、感染等情況。利用西門子公司生產(chǎn)的 320 螺旋 CT 對該志愿者骨盆、L5椎體、兩側(cè)股骨近端等所需區(qū)域進行掃描，掃描層厚 1.0 mm，層距 1.250 mm，掃描層數(shù) 292 層，將掃描獲得的 CT數(shù)據(jù)以 DICOM 格式存儲，以待后續(xù)建立有限元模型使用。

圖1 a：腫瘤切除方案 (Ⅰ+B，Ⅰ：通過骶髂關節(jié)外側(cè)緣和髖臼頂之間的髂骨翼，B：同側(cè)骶孔)；b：腫瘤切除后模型Fig.1 a: Tumor resection protocol (Ⅰ+B,Ⅰ: iliac wing between the lateral margin of the sacroiliac joint and the acetabular apex,B: ipsilateral sacral foramen);b: Model after tumor resection

二、建立所需區(qū)域有限元模型

通過醫(yī)學影像處理軟件 MIMICS 21.0 對獲取的DICOM 格式骨盆 CT 數(shù)據(jù)進行處理，獲得所需區(qū)域的粗糙三維模型；利用逆向工程軟件 Geomagic Wrap 2017 對骨盆模型進行光滑、網(wǎng)格劃分處理，獲得光滑的 NUBRS 曲面模型；此后通過查找文獻，利用有限元前處理軟件 Solidworks 2017 設置好皮質(zhì)骨的厚度。建立出正常所需區(qū)域的有限元模型 (圖 2)。

三、建立不同固定方式重建所需區(qū)域的有限元模型

圖2 正常所需區(qū)域有限元模型Fig.2 Finite element model of the normal required area

參考 Enneking 等[4-5]及 Court 等[6]的文獻及實際測量的釘棒系統(tǒng)，通過有限元前處理軟件 Solid Works 2017 制作出腫瘤切除后模型及椎弓根釘棒系統(tǒng)，并通過軟件的旋轉(zhuǎn)、平移功能與內(nèi)部坐標系完成椎弓根釘棒系統(tǒng)與腫瘤切除后模型的組裝。根據(jù)椎弓根釘棒系統(tǒng)中螺釘釘入的位置。將 Solid Works內(nèi)的骨盆模型分為 2 種 (圖 3)：(1) 將 2 枚螺釘平行沿切除平面向骶骨對側(cè)打入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨打入，鈦棒連接螺釘；(2)將 1 枚螺釘沿 L5椎體人字嵴向椎體內(nèi)置入，釘子遠端不超過椎體中線，另 1 枚螺釘沿切除平面向骶骨對側(cè)置入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨打入，鈦棒連接螺釘。其中同一位置的螺釘長度及粗細是一致的。

將兩組模型導入 ANSYS 18.0 并進行有限元網(wǎng)格劃分及接觸的調(diào)整，模擬融合不同的關節(jié)。最終得到 4 種不同固定的有限元模型方案 (圖 4)。A 組：骨盆環(huán)融合組 (將 2 枚螺釘平行沿切除平面向骶骨對側(cè)置入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨置入，鈦棒連接螺釘)；B 組：骨盆環(huán)+對側(cè)骶髂關節(jié)融合組 (將 2 枚螺釘平行沿切除平面向骶骨對側(cè)置入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨置入，鈦棒連接螺釘，融合對側(cè)骶髂關節(jié))；C 組：骨盆環(huán)+L5～S1融合組 (將 1 枚螺釘沿 L5椎體人字嵴向椎體內(nèi)置入，釘子遠端不超過椎體中線，另 1 枚螺釘沿切除平面向骶骨對側(cè)置入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨置入，鈦棒連接螺釘，融合 L5、S1關節(jié))；D 組：骨盆環(huán) +L5～S1+對側(cè)骶髂關節(jié)融合組 (將 1 枚螺釘沿 L5椎體人字嵴向椎體內(nèi)置入，釘子遠端不超過椎體中線，另 1 枚螺釘沿切除平面向骶骨對側(cè)置入，并將另外 2 枚螺釘沿切除平面向恥骨及坐骨置入，鈦棒連接螺釘，融合 L5、S1關節(jié)，融合對側(cè)骶髂關節(jié))。

圖3 兩種不同的釘棒置入方式 a：骨盆環(huán)融合；b：骨盆環(huán)+L5～S1 融合圖4 不同有限元模型方案 a：骨盆環(huán)融合；b：骨盆環(huán)+對側(cè)骶髂關節(jié)融合；c：骨盆環(huán)+L5 融合；d：骨盆環(huán)+L5+對側(cè)骶髂關節(jié)融合Fig.3 Two different rod placement methods a: Pelvic ring fusion;b: Pelvic ring+L5-sacral 1 fusionFig.4 Different finite element model schemes a: pelvic ring fusion;b: Pelvic ring+contralateral sacroiliac joint fusion;c: Pelvic ring +L5 fusion;d: Pelvic ring+L5+contralateral sacroiliac joint fusion

四、有限元模型的約束條件及載荷

將上述 4 種固定的模型進行材料賦值，各種材料的參數(shù)參考既往文獻 (表 1)[17-19]、網(wǎng)格劃分 (表 2)，螺釘與連接棒、螺釘與骨骼、植骨融合關節(jié)的接觸關系均設置為綁定，骨與軟骨間設置為不分離。雙側(cè)股骨遠端下表面約束固定，于 L5椎體上表面施加 600 N 垂直向下載荷。最后將上述固定模型導入ANSYS 18.0 軟件中進行有限元分析。分析其不同固定方式下模型的最大形變、最大位移情況。

表1 三維有限元模型各材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of 3D finite element model

表2 骨盆三維有限元模型節(jié)點及單元 (個)Tab.2 Pelvic 3D finite element model node and element

結(jié)果

一、假體骨盆的三維有限元模型的建立

使用 Mimcs 21.0 讀取骨盆的 CT 掃描文件共292 張 (掃描層厚 1.00 mm，層距 1.25 mm，包括 L5到雙側(cè)股骨中上部分)，應用降噪、調(diào)整閾值、空腔填充、平滑、劃分網(wǎng)格等技術優(yōu)化圖像，然后進行三維重構(gòu)。使用 Solid Works 2017 制作內(nèi)固定系統(tǒng)及切除后骨盆，并將其按照上文中的裝配方式裝配在一起。

二、邊界條件、載荷設置

模擬正常人雙腳站立位，對 L5椎體施加 600 N垂直向下的力并劃分網(wǎng)格，將模型中不同材質(zhì)的物質(zhì)分成 7 組并分別賦值。得到觀察骨盆各部位位移及 Mises 應力情況。根據(jù)前人的研究，正常骨盆的應力集中出現(xiàn)在髖臼上緣、弓狀線、坐骨大切跡上緣、骶髂關節(jié)、骶骨正中面上部，尤其在坐骨大切跡上緣應力值達到最大。而位移則以冠狀位骨盆中線對稱分布，且越靠近載荷施加位置，即身體近端時，模型發(fā)生的位移越大。

三、應力

重建后骨盆及內(nèi)固定系統(tǒng)的應力最大值出現(xiàn)在鈦棒的下端彎折處，其余部位應力較鈦棒彎折處明顯降低，其中較大值出現(xiàn)在脊柱螺釘處、螺釘與鈦棒固定處。應力沿著髖臼內(nèi)上緣和骨盆內(nèi)側(cè)壁傳導，這一計算結(jié)果與現(xiàn)實世界相似。A 組：最大Mises 應力：633.12 MPa；B 組：最大 Mises 應力：603.69 MPa；C 組：最大 Mises 應力：556.28 MPa；D 組：最大 Mises 應力：610.14 MPa (圖 5)。

四、位移

4 種狀態(tài)下 600 N 載荷下的位移云圖如圖所示(圖 6)。根據(jù)位移分布云圖所示：位移自 L5椎體后緣最大位移處于 L5椎體后方附近，A、B 兩組位移自椎體至髂骨翼向下兩側(cè)近似對稱。C、D 兩組健側(cè)位移較重建側(cè)明顯，這一計算結(jié)果與現(xiàn)實世界的結(jié)果相似。A 組：最大位移 19.962 mm；B 組：最大位移 18.835 mm；C 組：最大位移 78.610 mm；D 組：最大位移 79.401 mm。

在 4 組中，最大 Mises 應力大小排序為：A >D >B >C，最大位移大小排序為：D >C >A >B。

圖5 右側(cè)骶髂關節(jié)切除后不同重建方式的 Mises 應力分布云圖 a：最大 Mises 應力：633.12 Mpa；b：最大 Mises 應力：603.69 Mpa；c：最大 Mises 應力：556.28 Mpa；d：最大 Mises 應力：610.14 MpaFig.5 Mises stress distribution map of different reconstruction methods after right sacroiliac joint resection a: Maximum Mises stress: 633.12 Mpa;b: Maximum Mises stress: 603.69 Mpa;c: Maximum Mises stress 556.28 Mpa;d: Maximum Mises stress: 610.14 Mpa

圖6 右側(cè)骶髂關節(jié)切除不同重建方式的位移云圖 a：最大位移：19.962 mm；b：最大位移：18.835 mm；c：最大位移：78.610 mm；d：最大位移：79.401 mmFig.6 Displacement cloud image of right sacroiliac joint resection with different reconstruction methods a: Maximum displacement: 19.962 mm;b: Maximum displacement: 18.835 mm;c: Maximum displacement: 78.610 mm;d: Maximum displacement: 79.401 mm

討論

臨床中惡性骨腫瘤的發(fā)病率較低，根據(jù)陳志峰等[20]報道原發(fā)惡性骨腫瘤的發(fā)病率不足全部惡性腫瘤 0.67%。徐海榮等[21]報道的 9200 例中，骨盆惡性腫瘤的發(fā)生率位居第三，僅次于股骨和脛骨惡性腫瘤，占 11.1%，且骶髂關節(jié)區(qū)域是骨盆腫瘤最易受累的部位。

骶髂關節(jié)能夠承擔步態(tài)周期所造成的壓力負荷，以及骨盆旋轉(zhuǎn)造成的張力負荷，對于骶髂關節(jié)腫瘤切除來說，骨盆環(huán)完整性的破壞通常會導致骨盆的力學結(jié)構(gòu)破壞。

骶髂關節(jié)切除后可以造成多種骨缺損，為了保證研究結(jié)果的一致性，筆者僅研究 ⅠB 型切除后的骨缺損，這種分型也是骶髂關節(jié)腫瘤切除的常見分型[6]。

關于腫瘤切除后的骨缺損，重建與否現(xiàn)如今尚未達成共識。有學者認為髖關節(jié)距離人體自身重心更近，重量產(chǎn)生的力矩更小，重量產(chǎn)生的力臂也更短，患者的單腿姿勢狀態(tài)也更好[7,22]。還有學者認為不重建缺損會導致髖臼上移，脊柱側(cè)彎等一系列并發(fā)癥。因而對于 Ⅰ+Ⅳ 區(qū)缺損，術后重建可以提供更早期的活動、更好的術后功能。目前主要的重建方式有：同種異體骨移植，非血管化自體腓骨移植，血管化自體腓骨移植，鋼板螺釘系統(tǒng)、組配式假體、3D 打印假體及椎弓根釘棒系統(tǒng)等。同種異體骨移植，非血管化自體腓骨移植及血管化自體腓骨移植，這 3 種骨性重建能更好地同切除界面融合，同種異體骨移植和非血管化自體腓骨移植有著簡單，經(jīng)濟，手術時間快的優(yōu)點，也有著容易出現(xiàn)骨吸收及骨不愈合的缺點，血管化自體腓骨移植雖然較少出現(xiàn)骨吸收及骨不愈合，但其手術時間長，術中失血多，技術要求高。鋼板螺釘系統(tǒng)雖有著操作簡便，手術時間短等優(yōu)勢，但其生物力學性能較差，易發(fā)生鋼板的斷裂[13]。組配式假體改善了骨界面的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，然而連接部機械功能易失效，難以準確匹配缺損部位是其不足之處[15]。隨著計算機硬件，三維建模軟件，工業(yè)機械科學及材料科學的發(fā)展和醫(yī)工領域合作的日益密切，設計和制作更為精細的 3D 打印假體成為可能。3D 打印技術可以制造出特定形狀和結(jié)構(gòu)的金屬假體，這種假體有著適形匹配，骨盆環(huán)穩(wěn)定，生物學固定，假體骨界面骨整合良好，手術時間縮短及術后功能佳的優(yōu)勢[16]，但其發(fā)展仍在起步階段，應用上還未進行普及，且假體價格較為高昂，患者可能無力承擔治療的費用[15]。椎弓根釘棒系統(tǒng)因為經(jīng)濟，手術時間較短，生物力學特性較好，術中可操作空間大而成為筆者的選擇，但其操作難度較高，在植骨不愈合時會出現(xiàn)鈦棒的松動和移位[12]。而改善鈦棒的松動和移位，維持骨盆環(huán)的穩(wěn)定是筆者的目的。本研究從兩個方面來探討此問題，一是選擇螺釘?shù)闹萌胛恢?，因為骨盆及其周圍結(jié)構(gòu)的復雜性和不規(guī)則性致使螺釘置入位置尚存有爭議。二是對側(cè)骶髂關節(jié)融合是否會影響整個骨盆環(huán)的穩(wěn)定性。2018 年，筆者進行了 1 例骨盆 Ⅰ～Ⅳ 區(qū)腫瘤切除后 ⅠB 型骨缺損重建+對側(cè)骶髂關節(jié)融合的手術，2021 年 9 月，對患者最后一次復查時，發(fā)現(xiàn)骨盆環(huán)仍然保持在較為穩(wěn)定的狀態(tài) (圖 7)。筆者認為可能與對側(cè)骶髂關節(jié)融合有關。因此筆者希望通過重現(xiàn)該患者的手術方式：即融合對側(cè)骶髂關節(jié) (在有限元分析中為將關節(jié)軟骨設定為松質(zhì)骨的方式) 來恢復骨盆環(huán)的穩(wěn)定。

圖7 術后骨盆平片 (男，31 歲，2018 年于我院行 ⅠB 型骨缺損后骨盆環(huán)重建+對側(cè)骶髂關節(jié)融合，本次平片為 2021 年 9 月最后一次復查所拍攝)Fig.7 Postoperative plain radiographs of pelvis (male 31-year-old underwent pelvic ring reconstruction and contralateral sacroiliac joint fusion after type ⅠB bone defect in our hospital in 2018,and this plain radiography was taken at the last review in September 2021)

參考以往的文獻[12,23-24]本研究設計了 4 種不同固定及關節(jié)融合的手術方案。對比兩種螺釘置入方式，C、D 兩組的位移相對于 A、B 組更大，一方面由于更大的高度差，導致其鋼度較 A、B 組更差，從而導致更大的位移，另一方面因為 2 枚螺釘高度差更高，其間所包含的關節(jié)，肌肉和韌帶等結(jié)構(gòu)更多，因此在未行肌肉及韌帶的重建時，也可導致位移偏大。對比是否融合對側(cè)骶髂關節(jié)，在比較 C 組和 D 組時可以發(fā)現(xiàn)，2 枚螺釘高度差較大，對側(cè)關節(jié)不融合可以獲得更好地生物力學結(jié)果。而比較 A組和 B 組時可見，在 2 枚螺釘高度差較小時，對側(cè)骶髂關節(jié)融合可以獲得更好的生物力學結(jié)果。且在本研究中，位移的考量較應力的考量更為重要，因為筆者未考慮肌肉及韌帶帶來的影響，真實情況下腰椎及骨盆的最大位移應小于本模型的計算值，而鈦合金 (Ti-6Al-4V) 的屈服強度在 850 Mpa 左右，模型的最大 Mises 應力則遠小于這個值。因此，筆者得出的結(jié)論是，應用最大 Mises 應力較小，最大位移最小的 B 組 (骨盆環(huán)+對側(cè)骶髂關節(jié)融合組) 可以獲得更為優(yōu)異的骨盆環(huán)穩(wěn)定性。

本研究存在的不足：(1) 并未探討同種異體骨移植、自體腓骨移植等骨性重建方式，對患者的遠期預后估計不足；(2) 限于技術條件，本次模型未能模擬肌肉及韌帶對所屬區(qū)域生物力學的影響，導致模型數(shù)據(jù)與實際情況有所差異，這也是未來進一步研究的重點；(3) 由于軟件模擬的局限性，無法使內(nèi)固定完全貼服，在一定程度上造成了結(jié)果偏移；(4) 未能進行人體標本的生物力學分析，骨骼材料的賦值一直是醫(yī)學有限元分析中的難點問題，因為骨骼是非均質(zhì)、各向異性的，而在有限元軟件中賦值時多設置為各向同性線性連續(xù)材料，這使得有限元結(jié)果不能完全代表真實的力學情況，今后將通過生物力學分析的方法進一步驗證上述結(jié)論；(5)本研究只進行了涉及骶髂關節(jié)的骨盆 Ⅰ+Ⅳ 區(qū)腫瘤切除后重建的分析，骨盆上其它區(qū)域的腫瘤及其它的固定方式有待進一步的研究與對比分析。