背景:骨盆肿瘤切除后重建是临床上骨科医生面临的难题,原因在于切除重建后骨盆环的生物力学机制仍不清楚;髂骨是骨盆肿瘤的好发部位,依照Ennecking骨盆肿瘤切除分型,髂骨肿瘤Ⅰ型切除后缺损骨盆的应力分布和稳定性如何,重建后骨盆环的应力分布和稳定性如何,不同方法重建后骨盆环早期稳定性如何,能否满足患者早期的功能锻炼和早期负重,这些都是临床上亟待解决的问题。目的:分析髂骨肿瘤Ⅰ型切除重建后骨盆的生物力学变化规律,并通过与正常骨盆作对比,对临床上可用的手术方式做一个初步的评价,为临床上骨盆肿瘤切除后进行外科手术重建提供理论支持和参考意见。方法:通过生物力学实验和有限元模型分析髂骨Ⅰ型切除切除及重建后骨盆的位移和应力。1)生物力学实验,选择6例尸体标本,依照Ennecking骨盆肿瘤Ⅰ型切除的模式建立髂骨Ⅰ型缺损的骨盆模型,而后选择骨水泥、双腓骨移植结合钉棒/钉板内固定对骨盆进行重建。在骨盆的关键部位粘贴标记点。采取骨盆双足站立位,通过电子万能试验机逐级加载至500N。应用CCD采集数字化的图像,基于Imagej软件,应用数字散斑图像处理技术(数字标记点质心跟踪法、数字图像边缘提取法)多方位、多点、多角度计算骨盆的位移,比较正常骨盆、缺损骨盆及各种方法重建后骨盆的稳定性;同时应用电阻应变片检测骨盆关键部位(骶骨侧块、髂骨弓状线、耻骨联合)的应变值,比较不同工况下骨盆的应变改变,应用spss10.0统计软件对测试结果进行统计分析。2)有限元分析:选取一名正常42岁男性从第三腰椎至股骨上端的CT扫描图片一套,通过直接从原始图片像素生成单元和节点的方法快速构建正常骨盆和髂骨Ⅰ型切除后缺损骨盆的三维有限元模型。同时用实体建模的方法构建出各种内植物的三维有限元模型,并添加到缺损骨盆上后形成各种手术重建后的三维有限元模型。按照双足站立位的情况对骨盆模型施加相同载荷,计算出正常骨盆模型和重建后骨盆模型各节点和单元的应力和位移值,比较正常骨盆及各种方法重建后骨盆的应力分布和位移。3)对生物力学实验测试的位移和应变结果与有限元方法测试的结果进行比较和验证。4)对本研究实验所应用的光测新方法的原理、方法进行阐述。此方法基于Imagej软件的数字散斑图像处理技术,包括数字标记点质心跟踪法和数字图像边缘提取法。其中数字标记点质心跟踪法运用Imagej软件对CCD拍摄的散斑图进行图像处理:包括对标记点特征斑识别、反相、亚像素重建、散斑图像分割,采用灰度加权平均法计算标记点的质心;并验证数字图像的相关性,分析数字标记点质心跟踪法测量精度和误差。对散斑图像边缘提取法应用于测量物体角位移进行初步的探索研究。结果:1)生物力学实验:①位移测试结果显示:正常骨盆双足站立位稳定性很好,抗压缩功能及侧位抗旋转功能上都优于任何修复重建方式。髂骨切除,骨盆存在严重不稳。髂骨缺损腓骨移植后应用钉棒/钉板内固定后,其稳定性有不同程度的改善,双棒固定优于单棒或钢板固定(p＜0.05);钢板固定和S1棒固定优于竖棒及L5棒固定方式(p＜0.05);单棒固定骨盆稳定性的差异与压杆稳定结构中压杆(钛棒)的长度、初弯度有关,钛棒越长、初弯度越大,其结构越不稳定。骨水泥固定抗旋转稳定性在各种重建方式中最优,在轴向稳定性上仅次于腓骨移植结合双棒固定方式。②应变片检测结果如下:正常骨盆双足站立位骨盆各部分应变值较小、应力分布均匀;行髂骨大部分切除后,骨盆最大的应力改变在于耻骨联合部位,由压应变变为拉应变,且健侧髂骨弓状线及骶骨侧块的应变值增大,成为应力集中部位。髂骨缺损应用腓骨移植后,骨盆环得以闭合,恢复了骨盆正常的应力传导方式,但健侧髂骨弓状线和耻骨联合的应力集中没有得以改善。腓骨移植结合钉棒/钉板系统内固定后,健侧弓状线和耻骨联合部位的应力集中有所改善,但不能恢复到正常骨盆的应变值。从骨盆健侧弓状线和骶骨侧块的应变值比较来看,双棒和钢板固定优于其他单棒固定系统(p＜0.05)。髂骨缺损应用骨水泥重建,骨盆各测点的应力值和正常骨盆没有明显差别(p＞0.05)。2)有限元分析结果建立了正常人体全骨盆并包含从第三腰椎到股骨上1/3的三维有限元模型,模型由721820单元,207248节点构成,远远超过了以前所建立的模型的单元和节点数。通过分析人体全骨盆正常和重建后的有限元模型,结果显示:从重建后骨盆的应力分布、植入物应力改变、骨盆的抗轴向压缩性能等诸多因素来看,骨水泥重建及腓骨移植结合双棒固定重建与骨盆正常状态的生物力学特性较为接近;腓骨移植后,双棒固定优于单棒/钢板固定方式,仅仅只用腓骨移植方式重建缺损骨盆,则与骨盆正常状态下生物力学特性相差较大。3)从骨盆的稳定性和骨盆的应力分析来看,生物力学测试的结果与有限元模型分析的结果基本相符。4)数字散斑图像处理技术的结果显示:数字标记点质心跟踪法测试骨盆位移,标记点样本散斑图像和目标散斑图像具有良好的相关性,相关系数达到0.983左右,其位移测试精度达到0.018个像素。采用数字标记点质心跟踪法及数字图像的边缘检测法测量骨盆内部结构位移,两种图像处理技术所得出的位移曲线与临床上的实际情况非常吻合。结论:1)本文的研究工作初步探讨了髂骨肿瘤Ⅰ型切除后骨盆环重建的生物力学机制问题,采用生物力学实验和骨盆的三维有限元模型分析,评价不同重建方式骨盆的稳定性和应变(应力)变化,阐明了骨盆髂骨肿瘤Ⅰ型切除后为何要进行重建、如何选择合适的方法重建以及手术重建中注意的问题,为临床上骨盆肿瘤的手术治疗提供了生物力学的指导意见。2)髂骨肿瘤Ⅰ型切除后,骨盆的稳定性和应力分布发生改变,必须进行手术重建以恢复骨盆应力传导功能。从骨盒的稳定性和应力(应变)的比较来看,腓骨移植结合双棒固定的方式及骨水泥重建方式都体现出了较大的优势,能够满足患者早期的功能锻炼和部分下地负重的需要。3)所构建的正常和各种重建后的骨盆有限元模型具有较好的合理性和有效性。本课题采用生物力学实验和有限元分析相结合的方法来评价髂骨肿瘤Ⅰ型切除后各种重建方式的优劣,其结果基本相符,两种方法既能相互验证,又能互相弥补各自的不足。4)散斑图像的数字标记点质心跟踪法及边缘提取法是很实用的光测位移的方法,该方法和数字散斑相关法最大区别在于,此方法舍弃了计算相关系数的繁复过程,因为它的测试方法简单、测试精度高、对测试环境要求低,以及配合不同检测要求可以对物体内部的力学参数进行测量的特性,在生物力学上可以得到很广泛的应用。