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(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)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(jī)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(hù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，卻沒有更直觀地評價(jià)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(jià)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(yùn)用，但均停留在對標(biāo)記點(diǎn)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(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心跟蹤法對骨盆標(biāo)記點(diǎn)位移進(jìn)行過測算［3］，后期骨盆相關(guān)試驗(yàn)在原有基礎(chǔ)上對標(biāo)尺同時(shí)進(jìn)行質(zhì)心跟蹤及面積運(yùn)算［4］，聯(lián)合數(shù)字標(biāo)記示蹤法獲得標(biāo)尺像素的平均實(shí)際尺寸，從而大大提升標(biāo)記點(diǎn)實(shí)際位移的確算精度。

1 資料和方法

1.1 標(biāo)本備置

6具成年尸體標(biāo)本從第三腰椎至股骨中上1/3段，標(biāo)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(yàn)中六具骨盆標(biāo)本Fig.1 Six cadaveric specimens in present study

1.2 實(shí)驗(yàn)臺制備和標(biāo)本固定

我們對Hugate［5］的實(shí)驗(yàn)操作臺進(jìn)行了改進(jìn):用2個(gè)金屬套管替換了原有的2個(gè)金屬球狀部件，金屬套管能通過8個(gè)鎖釘固定股骨。套管下方是標(biāo)準(zhǔn)化直線導(dǎo)軌，能模擬人體站立位下承受垂直載荷時(shí)的運(yùn)動特點(diǎn)。直線導(dǎo)軌下方布置2個(gè)刻度尺，以便重置標(biāo)本位置(圖2)。

圖2 骨盆標(biāo)本試驗(yàn)臺Fig.2 Specimen fixed on the bench

1.3 標(biāo)記物的準(zhǔn)備和定位

標(biāo)記物通過白底黑點(diǎn)的方法來標(biāo)記骨盆各個(gè)運(yùn)動學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)，人造標(biāo)記物用激光打印機(jī)打印成2.37 mm±2.43 mm大小，標(biāo)尺由兩個(gè)4 mm±4 mm黑色方塊組成。在骨盆正前方，標(biāo)記點(diǎn)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(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)在髂骨翼外側(cè)黏貼2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。所有的標(biāo)記物和標(biāo)尺都在同一焦距下拍攝(圖3)。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

標(biāo)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(shí)用人造光源來保持散射光的一致性，以提高計(jì)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)間采集圖像信息(加載速率是2 mm/min，每個(gè)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(jìn)行后處理和測量

Image J軟件將對數(shù)字圖像進(jìn)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(gè)像素?；诿娣e法公式，標(biāo)尺像素的尺寸為=0.086 752 mm/pix。再基于運(yùn)動物體的質(zhì)心運(yùn)算法，則可計(jì)算出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際位移。

圖3 標(biāo)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(biāo)記點(diǎn)和L5椎體前緣標(biāo)記物的垂直位移差值。通過測量骶髂關(guān)節(jié)兩側(cè)的標(biāo)記點(diǎn)，可測得骨盆冠狀面外展度?？耸厢樅枉墓且砩蟽蓚€(gè)標(biāo)記點(diǎn)連線之間的夾角就是骨盆矢狀面的旋轉(zhuǎn)度。如圖4，標(biāo)記點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(yùn)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(shí)，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(yùn)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(gè)運(yùn)動軸心。同時(shí)，結(jié)合骨盆前后弓以髖關(guān)節(jié)為支點(diǎn)的運(yùn)動特點(diǎn)［9］，導(dǎo)致骨盆整體軸向運(yùn)動的杠桿效應(yīng)，這與Hugate等［5］在尸體骨盆標(biāo)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(yùn)動的整體穩(wěn)定性。

總而言之，數(shù)字標(biāo)記示蹤法聯(lián)合質(zhì)心運(yùn)算法可精確測算出骨盆標(biāo)本運(yùn)動關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)際位移，再通過Image J軟件進(jìn)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(jià)標(biāo)本的生物力學(xué)特性。人體骨盆獨(dú)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(yùn)動穩(wěn)定性。

［1］ Gunterberg B，Romanus B，Stener B.Pelvic strength after major amputation of the sacrum experimental study［J］.Acta Orthop Scand，1976，47(6):635-642.

［2］ 高飛，初君，李萌堅(jiān)，等.基于標(biāo)記點(diǎn)圖案的三維腳型建模與測量方法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(10):1412-1419.

［3］ 賈永偉，程黎明，俞光榮，于研。數(shù)字標(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心跟蹤法在骨盆位移測量中的應(yīng)用［J］.第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，12(10):1086-1090.

［4］ Liming Cheng，Yan Yu，Rui Zhu，et al.Structural stability of different reconstruction techniques following total sacrectomy:a biomechanical study［J］.Clinical Biomechanics，2011，26(10):977-981.

［5］ Hugate RR，Dickey ID，Phimolsarnti R，et al.Mechanical effects of partial sacrectomy:when is reconstruction necessary［J］?Clin Orthop Relat Res，2006，450:82-88.

［6］ Annelies Pool-Goudzwaard，GilbertHoek van Dijke，Paul Mulder，et al.The iliolumbar ligament:its influence on stability of the sacroiliac joint［J］.Clinical Biomechanics，200318(2):899-105.

［7］ Mark Vrahas.Classification and biomechanics of pelvic ring injuries［J］.Operative Techniques in Orthopaedics，1997，7(3):162-166.

［8］ Liu J，Ebraheim NA，Haman S P，et al.Effect of the increase in the height of lumbar disc space on facet joint articulation area in sagittal plane［J］.Spine，2006，31(7):198-202.