引用本文： 党竞医, 张昭, 宓镇洲, 程德斌, 付军, 刘冬, 范宏斌. 钉棒假体半骨盆Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区重建的生物力学分析及疗效评价. 中国修复重建外科杂志, 2022, 36(4): 431-438. doi: 10.7507/1002-1892.202110018 复制
骨盆因血供充足、存在大量松质骨、附着丰富肌肉、毗邻庞杂脏器，成为肿瘤好发部位[1-2]。骨盆肿瘤位置根据累及的解剖结构可分为4区，Ⅰ区累及髂骨、Ⅱ区累及髋臼、Ⅲ区累及坐骨及耻骨、Ⅳ区累及骶骨，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区解剖结构最易受肿瘤侵袭[3]。对于Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区肿瘤切除后的骨盆缺损，如何在植入半骨盆假体恢复髋关节解剖结构的同时，保持骨盆力学稳定，是骨肿瘤外科面临的巨大挑战。目前，临床对于此类骨盆缺损有多种重建方案，例如同种异体骨移植、鞍形假体、模块化假体、定制假体等，但并发症发生率均较高[4-7]。近年来，半骨盆恶性肿瘤切除、钉棒假体重建技术日趋成熟。与其他类型假体相比，钉棒假体能重建任何类型骨盆缺损，可根据术中肿瘤切除范围来调整椎弓根螺钉和钛棒数量及位置，具有质量轻、构型多等优点。然而，植入后的钉棒假体生物力学性能主要依赖术者经验判断，缺少充分客观证据以及可靠实验验证。而分析钉棒假体植入后的生物力学性能和有效随访是评估重建方式可行性的重要依据。为此，本研究构建了包含肌肉韧带的骨盆有限元模型，采用有限元分析法评价半骨盆恶性肿瘤切除后钉棒假体重建骨盆的生物力学性能，并结合临床应用观察对钉棒假体重建方式进行综合探讨，以期佐证钉棒假体结构设计的有效性及该重建方式的合理性。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
纳入标准：①接受半骨盆恶性肿瘤切除（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区）、钉棒假体重建骨盆者；② CT数据及随访资料完整者。排除标准：① 因各种原因不能配合治疗者；② 合并患侧其他部位（踝、膝关节）功能受损者。
2015年1月—2020年12月，共21例患者符合选择标准纳入研究。其中，男11例，女10例；年龄16～64岁，平均39.2岁。肿瘤类型：软骨肉瘤9例，骨肉瘤7例，尤文肉瘤3例，未分化多形性肉瘤2例；根据国际肌肉骨骼肿瘤学会（MSTS）分期：ⅡB期19例，Ⅲ期2例。术前髋关节Harris评分（HHS）和MSTS评分分别为（54.4±3.1）、（14.1±2.0）分。
1.2 手术方法
全身麻醉下，患者取侧卧位。首先，作髂腹股沟切口游离髂血管神经束，分离臀肌、髂肌并保证肿瘤被正常肌肉袖套包裹。然后，作髂股切口分离阔筋膜张肌和股直肌，切断股直肌反折头，显露并切开髋关节囊；人工脱位股骨头，股骨颈截骨，显露髋臼及坐骨支，切断附丽于坐骨支上的肌肉止点以及骶棘韧带、骶结节韧带。前侧从耻骨联合截骨，后侧经骶髂关节截骨。本组15例病灶行广泛性切除，5例边缘性切除，1例病灶内切除。
近端经骶骨截面处向S1、2椎体植入2枚椎弓根螺钉，远端向对侧耻骨上、下支植入2枚椎弓根螺钉。确定髋臼位置，恢复原股骨头旋转中心，将髋臼杯外展角调整至45°，前倾调整至10°～15°。使用4根连接钛棒分别向上连接骶骨椎弓根螺钉、向内连接耻骨椎弓根螺钉。C臂X线机透视下，与对侧髋臼位置进行对照，调整髋臼位置以及角度，完成髋臼重建。
1.3 围术期处理
本组8例接受化学疗法治疗，其中5例手术前后均行化学疗法治疗，3例仅术后行化学疗法治疗。尤文肉瘤患者采取VAC/IE方案（长春新碱、阿霉素、环磷酰胺/异环磷酰胺、依托泊苷），其他患者采用改良T10方案。2例接受术后放射疗法，剂量60～70 Gy。其余患者不接受放射疗法及化学疗法。
术后2年内患者每3个月随访1次，2年后每半年随访1次。术后1个月内行不负重屈髋训练，1个月后患肢从10 kg开始逐渐增加负重。术后3个月允许患者进行髋关节外展、内收训练，并配合助行器行走。
1.4 疗效评价指标
1.4.1 生物力学性能评价
① 三维有限元模型构建：参照文献 ［8］ 方法构建骨盆三维有限元模型。随机选取1例患者术后骨盆CT扫描图像，层厚0.625 mm。将获得的影像数据以DICOM格式导入医学图像重建软件Mimics23Suite（Materialise公司，比利时），行骨盆三维重建，得到STL格式三角面片模型；将模型数据导入3-matic软件（Materialise公司，比利时），进行必要的光滑处理后，通过CAD逆向功能导出STP格式的三维实体模型（重建骨盆模型）；同时，基于患者模型通过镜像操作获取正常骨盆模型。将正常骨盆以及重建骨盆的STP格式实体模型导入有限元分析软件Workbench2020R1（ANSYS公司，美国），建立三维有限元模型，其中韧带、肌肉建立成线体并赋为弹簧单元。由于骨盆结构及假体形状不规则，网格划分使用四面体网格，采用Solid185单元。于Workbench2020R1软件中对模型进行网格划分，得到有限元网格模型图。本研究骨盆分析为线性有限元分析，各部分有限元模型之间的连接采用不分离接触方式，模型材料及组织均假设为均质、连续、各向同性弹性材料[9]，材料及组织力学参数参考文献 ［10-11］。见图1。
图1
骨盆三维有限元模型构建
a. 术前X线片示左半骨盆溶骨性病变；b. 钉棒假体重建术后X线片；c. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）三维实体模型；d. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）三维有限元模型；e. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）肌肉构建示意图
Figure1. Construction of a three-dimensional finite element model of pelvisa. Preoperative X-ray film showed the osteolytic lesions in the left pelvis; b. X-ray film after rod-screw prosthesis reconstruction; c. The reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis solid models; d. The reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis finite element models; e. Schematic diagram of muscle construction of reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis models
② 骨盆应力及形变分布观测：分别对正常骨盆、重建骨盆模型进行力学分析，主要观察应力位移分布情况和应力位移峰值大小。对建立模型的L5椎体端面进行固定约束，于两侧髋关节施加相同的力，分析静态双脚站立位骨盆模型应力情况，髋关节接触力参考文献 ［12］。
1.4.2 临床疗效评价指标
记录手术时间、术中出血量及手术相关并发症发生情况，包括切口感染、深部感染以及假体松动、脱位、断裂等；采用HHS评分和MSTS评分评定患肢髋关节功能。每次随访均摄X线片，必要时行骨盆增强CT、超声检查和胸部CT扫描，以排查肿瘤局部复发及转移。
1.5 统计学方法
采用SPSS16.0统计软件进行分析。计数资料首先行正态性检验，均符合正态分布，数据以均数±标准差表示，手术前后比较采用配对t检验。采用Kaplan-Meier法计算患者生存率。检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 生物力学性能评价结果
骨盆有限元模型网格划分显示正常骨盆总节点数为1 927 852个、总网格数为1 332 516个；重建骨盆总节点数为1 946 832个、总网格数为1 356 354个，假体节点数为172 119个、网格数为108 315个。
正常骨盆两侧应力位移形变由坐骨结节沿髋臼向上呈递减性传递，肌肉构建前、后峰值均在坐骨结节处，达0.40 mm和0.38 mm（图2a）。静态双脚站立位时，应力由骶髂关节处向骶骨正中面上部及髂翼处扩展，并沿骨盆环向下进行传递，其中骶髂关节、髋臼上缘、弓状线、坐骨大切迹上缘、耻骨联合等处均是应力较为集中区域，肌肉构建前、后峰值均位于骶髂关节处，达22.59 MPa和20.96 MPa（图2b）。
图2
骨盆应力位移形变及应力分布云图
上、下图分别为肌肉构建前、后 a. 正常骨盆形变分布云图；b. 正常骨盆应力分布云图；c. 重建骨盆形变分布云图；d. 重建骨盆应力分布云图 箭头示应力峰值处
Figure2. Pelvic deformation and stress distribution cloud chartsThe upper and lower figures indicated the pelvic models before and after muscle cunstrcucted, respectively a. Normal pelvic deformation distribution; b. Normal pelvic stress distribution; c. Reconstructed pelvic deformation distribution; d. Reconstructed pelvic stress distribution Arrow for the stress peak
重建骨盆两侧应力位移形变分别由坐骨结节和耻骨连接棒远端向髋臼及髋臼杯等处呈递减分布，肌肉构建前、后均在坐骨结节和耻骨连接棒远端处达峰值，达0.35 mm和0.33 mm（图2c）。静态双脚站立位时，重建骨盆健侧应力由S1面边缘经骶髂关节沿骨盆环内侧壁弓状线向髋臼窝进行传递；患侧应力由S1面边缘经骶髂关节处传递至S1、2椎弓根螺钉上，并继续沿假体向下传递，应力集中出现在S1、2钉棒连接处、钛棒、髋臼杯上部，肌肉构建前、后峰值均位于S1、2钉棒连接处，分别达到118.2 MPa和109.7 MPa，低于钛合金屈服强度（789～1 013 MPa）[13]。见图2d。
2.2 临床疗效
本组手术时间250～370 min，平均297 min；术中出血量3 200～5 500 mL，平均4 009 mL。患者均获随访，随访时间8～72个月，平均42个月。术后局部复发3例，均为术中未达到广泛性切除者；7例存在肺部转移，其中2例Ⅲ期患者为术前转移。5例死亡，其余16例存活，其中3例带瘤生存，5年生存率为72.1%。术后患者患肢功能均明显改善，恢复行走功能，其中14例无需任何辅助工具，5例需单拐辅助，2例需双拐辅助。末次随访时HHS、MSTS评分分别为（75.2±3.0）、（20.4±2.0）分，与术前比较差异均有统计学意义（t=22.205，P<0.001；t=11.915，P<0.001）。MSTS评分的各项评分手术前后比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表1。
表1
患者手术前后MSTS评分各项评分比较（n=21，
）
Table1.
Comparison of MSTS score between pre- and post-operation (n=21, 
)
术后6例（28.5%）患者发生并发症，其中脂肪液化及皮肤坏死引起的切口延迟愈合各1例、深部感染2例、螺钉松动1例、假体脱位1例，无假体或螺钉断裂等其他并发症发生。切口延迟愈合者经清创一期缝合后愈合。深部感染者均一期行假体取出旷置术、抗感染，二期行假体重建术，术后患者恢复良好。螺钉松动和假体脱位者行假体翻修术后恢复良好。见图3。
图3
患者，女，35岁，右半骨盆软骨肉瘤X线片
a. 术前 圆圈示肿瘤范围；b. 术后1 d；c. 术后2年
Figure3. X-ray films of a 35-year-old female patient with chondrosarcoma of the right pelvisa. Before operation Circle showed the extent of the tumor; b. At 1 day after operation; c. At 2 years after operation
3 讨论
3.1 三维有限元模型构建的合理性
本研究将1例患者术后CT图像导入重建软件Mimics23Suite中，首先进行去伪影操作，然后根据患者扫描体位以1∶1比例重建假体，进而根据骨骼灰度阈值重建骶骨、右侧髂骨、两侧股骨、椎体、椎间盘等。另外，由于患者就诊时已是带瘤生存状态，无法获取患病前正常骨盆原始数字影像数据。故本研究采用镜像功能将健侧骨盆复制到患侧，获取正常骨盆实体模型。正常人骨盆并非沿中轴完全对称，所以通过镜像操作获得的模型存在误差，但有研究表明正常人双侧骨盆应力分布及大小非常相近[12]，同时本研究所构建的骨盆有限元模型网格划分精度较高，故可以满足计算要求[3，6]。此外，就应力传导方向及大小、分布而言，本研究所构建的骨盆三维有限元模型结果与以往相关研究结果一致[14]，且符合正常人体力学传递规律，提示本研究有限元分析结果具有一定可信度。
3.2 肌肉构建对于有限元分析结果的影响
附于骨皮质层的肌肉对于保持活动中髋关节的平衡具有重要意义[15]，以往骨盆三维有限元模型的构建对边界条件进行了大量简化，忽视了肌肉对骨盆生物力学特征的影响[16-19]。本研究将弹簧单元构建在肌肉实际附着点上，共计模拟21块肌肉，从而提供一个完整骨盆模型。对于重建骨盆，由于患侧手术创伤造成腰大肌、臀中小肌、髂肌完全割裂，其余肌肉受到不同程度破坏，剩余肌肉量无法准确测量，我们基于临床经验确定本次模型患侧剩余肌肉量为60%。
本研究结果显示肌肉的构建使得骨盆模型应力呈降低趋势，表明肌肉活动在减少皮质骨和小梁骨的应力方面起着积极作用，这与Ghosh等[20]的发现一致。至于位移形变，肌肉的构建仅轻微减小了位移形变的峰值及分布，这可能是由于形变的数量级过小。运动状态下肌肉的作用更加突出，肌肉系统会增加负荷以平衡髋关节活动，钉棒假体重建术后患肢恢复程度与肌肉的存留、早期肌肉锻炼密切相关，因此以弹簧单元形式引入肌肉和韧带边界条件，更能反映真实的骨盆环生物力学环境。
3.3 钉棒假体重建骨盆的生物力学分析
重建骨盆健侧应力分布与传递同正常骨盆相似，说明钉棒假体重建方式并未对健侧骨盆产生明显影响；患侧骨盆应力集中出现在S1、2钉棒连接处、钛棒、髋臼杯上部，其中峰值表现在固定骶骨的S1、2钉棒连接处，该位置与正常骨盆骶髂关节处应力发生的部位相同，说明重建骨盆患侧应力分布的规律同正常骨盆基本一致。另外，肌肉构建前后重建骨盆假体应力峰值达118.2 MPa和109.7 MPa，远低于钛合金屈服强度（789~1 013 MPa）[13]，表明所设计的假体强度能够承受载荷要求，恢复了双脚站立时的力学传递功能。因此，从力学角度来看，重建骨盆的假体设计合理，重建后的骨盆具有良好稳定性，且应力传导方式基本符合正常人体生物力学规律。至于位移形变，双脚站立位时，健侧骨盆位移由坐骨结节处向髋臼及髂骨面呈递减分布，最大位移出现在坐骨结节处，位移量为0.35 mm和0.33 mm。与正常骨盆相比，健侧骨盆位移变化方向与数量等级均未明显改变，表明假体并未影响健侧骨盆位移传递。患侧位移由耻骨连接棒向髋臼杯及骶骨连接棒进行传递，于耻骨连接棒远端处达到位移峰值，该位置与正常骨盆左侧坐骨结节处位移发生部位相同。因此，从位移角度来看，上述结论依然成立。
3.4 钉棒假体重建的疗效分析
本组患者5年生存率达72.1%，与以往文献报道结果相似[21-24]。共计13例无瘤生存、3例带瘤生存，5例死亡。肺部转移是最常见和最严重的并发症，本组共7例发生肺部转移，5例死亡患者皆死于肺部转移。缺乏有效的组织屏障和区域血供丰富是骨盆肿瘤转移的高危因素。局部复发是选择保肢手术需重点考虑的方面，本组3例局部复发者均为切缘未达广泛性切除。骶髂关节周围是影响手术切缘的特殊解剖位置，需要分离结扎大量髂内血管。因此，术中我们更多是沿骶髂关节截骨，而不是髂骨，以避免肿瘤复发。
本组21例患者术后患肢功能均有明显改善，末次随访时MSTS、HHS评分与术前比较差异均有统计学意义，但略低于以往其他文献报道结果[25-27]。分析可能有以下四方面原因：① 虽然钉棒假体重建替代了骨性组织，但肌肉动力系统的损伤亦直接影响患者的肢体功能。钉棒假体的软组织覆盖有限，给肌肉组织重建带来了不便，这也是钉棒假体需要改进之处。② 半骨盆切除后骨性标志丧失，增加了髋臼原位重建难度，而重建的精确性对于维持骨盆三维稳定性和正常应力传导至关重要。③ 本组患者均系半骨盆切除重建，骨缺损范围远大于以往其他报道。④ 骶髂关节是应力集中与传递的关键位置，于此处截骨虽然可达到广泛截骨边界，但应力传递过于集中地表现在S1、2钉棒连接处，影响了患肢功能。
本组术后并发症发生率为28.5%，略低于以往报道[28-29]。感染是常见并发症，既往报道的发生率为12%～47%[2-4]，本组4例患者发生感染，包括2例切口延迟愈合和2例深部感染，分别表现为切口脂肪液化、皮肤坏死和瘘管形成、脓液排出。手术时间长、直肠和泌尿生殖器邻近、引流不畅、假体异物都是感染发生的高危因素。本组切口延迟愈合者经清创一期缝合后愈合。但深部感染保守治疗成功率仅有53%[30]，本组2例深部感染患者均一期行假体取出旷置术、抗感染，二期行假体重建术。本组螺钉松动发生在S1椎弓根上，分析可能与骨质疏松和应力集中有关，松动发生后患者无法行走。在该例患者假体翻修手术中，我们将庆大霉素混于高黏度骨水泥，对钉棒和髋臼支架进行涂覆加强。这样不仅可以增加假体强度，防止假体松动，还可作为预防措施，进一步控制感染发生[31]，术后3个月患者可扶拐行走。另外，本组1例患者发生假体脱位，情况优于其他文献报道[25, 27, 32]。早期脱位的重要原因包括髋臼假体位置不当和髋关节假体周围软组织覆盖急剧减少，尤以臀肌及髂腰肌为重。半骨盆恶性肿瘤切除时，遵循无瘤原则，所侵犯的重要肌群需尽可能一并切除，造成肌肉组织破坏与神经损伤较多。另外，髋关节旋转中心位置偏移会导致髋关节不稳定，进而造成假体脱位。本课题组既往研究已证实3D打印导板与计算机导航技术能提高髋臼定位重建精确度[33]。为减少假体脱位的发生，我们采用计算机辅助技术术前对髋臼位置及方向进行精准规划和模拟，术中借助3D打印导板和计算机导航技术增加髋臼假体重建的精确性。另外，保留更多的臀大肌缝合于腹肌，可在一定程度上增加髋关节稳定性。本组尚无螺钉与钛棒断裂发生，与生物力学分析结果一致。
综上述，本研究在构建包含肌肉韧带的骨盆模型基础上，采用有限元分析法对钉棒假体的生物力学性能进行评价，结合患肢功能及术后并发症对其进行综合探讨，得出以下结论：① 钉棒假体重建骨盆能够恢复骨盆力学传递功能，与正常骨盆应力分布相似，假体应力峰值明显低于钛合金屈服强度，表明重建骨盆可有效恢复骨盆环的稳定性；② 假体应力峰值处于骶骨钉棒连接处，因此我们建议进一步优化钉棒连接处；③ 以弹簧单元形式引入肌肉和韧带边界条件，能更真实地反映骨盆环生物力学环境；④ 钉棒假体治疗骨盆恶性肿瘤早中期疗效显著，并发症少，是一种可行、有效的重建方式。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道
伦理声明 研究方案经第四军医大学西京医院医学伦理委员会批准
作者贡献声明 范宏斌：研究设计及文章审阅；党竞医：研究实施及撰写文章；张昭：数据收集整理；宓镇洲、程德斌：统计分析；刘冬、付军：文章审阅
骨盆因血供充足、存在大量松质骨、附着丰富肌肉、毗邻庞杂脏器，成为肿瘤好发部位[1-2]。骨盆肿瘤位置根据累及的解剖结构可分为4区，Ⅰ区累及髂骨、Ⅱ区累及髋臼、Ⅲ区累及坐骨及耻骨、Ⅳ区累及骶骨，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区解剖结构最易受肿瘤侵袭[3]。对于Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区肿瘤切除后的骨盆缺损，如何在植入半骨盆假体恢复髋关节解剖结构的同时，保持骨盆力学稳定，是骨肿瘤外科面临的巨大挑战。目前，临床对于此类骨盆缺损有多种重建方案，例如同种异体骨移植、鞍形假体、模块化假体、定制假体等，但并发症发生率均较高[4-7]。近年来，半骨盆恶性肿瘤切除、钉棒假体重建技术日趋成熟。与其他类型假体相比，钉棒假体能重建任何类型骨盆缺损，可根据术中肿瘤切除范围来调整椎弓根螺钉和钛棒数量及位置，具有质量轻、构型多等优点。然而，植入后的钉棒假体生物力学性能主要依赖术者经验判断，缺少充分客观证据以及可靠实验验证。而分析钉棒假体植入后的生物力学性能和有效随访是评估重建方式可行性的重要依据。为此，本研究构建了包含肌肉韧带的骨盆有限元模型，采用有限元分析法评价半骨盆恶性肿瘤切除后钉棒假体重建骨盆的生物力学性能，并结合临床应用观察对钉棒假体重建方式进行综合探讨，以期佐证钉棒假体结构设计的有效性及该重建方式的合理性。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
纳入标准：①接受半骨盆恶性肿瘤切除（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区）、钉棒假体重建骨盆者；② CT数据及随访资料完整者。排除标准：① 因各种原因不能配合治疗者；② 合并患侧其他部位（踝、膝关节）功能受损者。
2015年1月—2020年12月，共21例患者符合选择标准纳入研究。其中，男11例，女10例；年龄16～64岁，平均39.2岁。肿瘤类型：软骨肉瘤9例，骨肉瘤7例，尤文肉瘤3例，未分化多形性肉瘤2例；根据国际肌肉骨骼肿瘤学会（MSTS）分期：ⅡB期19例，Ⅲ期2例。术前髋关节Harris评分（HHS）和MSTS评分分别为（54.4±3.1）、（14.1±2.0）分。
1.2 手术方法
全身麻醉下，患者取侧卧位。首先，作髂腹股沟切口游离髂血管神经束，分离臀肌、髂肌并保证肿瘤被正常肌肉袖套包裹。然后，作髂股切口分离阔筋膜张肌和股直肌，切断股直肌反折头，显露并切开髋关节囊；人工脱位股骨头，股骨颈截骨，显露髋臼及坐骨支，切断附丽于坐骨支上的肌肉止点以及骶棘韧带、骶结节韧带。前侧从耻骨联合截骨，后侧经骶髂关节截骨。本组15例病灶行广泛性切除，5例边缘性切除，1例病灶内切除。
近端经骶骨截面处向S1、2椎体植入2枚椎弓根螺钉，远端向对侧耻骨上、下支植入2枚椎弓根螺钉。确定髋臼位置，恢复原股骨头旋转中心，将髋臼杯外展角调整至45°，前倾调整至10°～15°。使用4根连接钛棒分别向上连接骶骨椎弓根螺钉、向内连接耻骨椎弓根螺钉。C臂X线机透视下，与对侧髋臼位置进行对照，调整髋臼位置以及角度，完成髋臼重建。
1.3 围术期处理
本组8例接受化学疗法治疗，其中5例手术前后均行化学疗法治疗，3例仅术后行化学疗法治疗。尤文肉瘤患者采取VAC/IE方案（长春新碱、阿霉素、环磷酰胺/异环磷酰胺、依托泊苷），其他患者采用改良T10方案。2例接受术后放射疗法，剂量60～70 Gy。其余患者不接受放射疗法及化学疗法。
术后2年内患者每3个月随访1次，2年后每半年随访1次。术后1个月内行不负重屈髋训练，1个月后患肢从10 kg开始逐渐增加负重。术后3个月允许患者进行髋关节外展、内收训练，并配合助行器行走。
1.4 疗效评价指标
1.4.1 生物力学性能评价
① 三维有限元模型构建：参照文献 ［8］ 方法构建骨盆三维有限元模型。随机选取1例患者术后骨盆CT扫描图像，层厚0.625 mm。将获得的影像数据以DICOM格式导入医学图像重建软件Mimics23Suite（Materialise公司，比利时），行骨盆三维重建，得到STL格式三角面片模型；将模型数据导入3-matic软件（Materialise公司，比利时），进行必要的光滑处理后，通过CAD逆向功能导出STP格式的三维实体模型（重建骨盆模型）；同时，基于患者模型通过镜像操作获取正常骨盆模型。将正常骨盆以及重建骨盆的STP格式实体模型导入有限元分析软件Workbench2020R1（ANSYS公司，美国），建立三维有限元模型，其中韧带、肌肉建立成线体并赋为弹簧单元。由于骨盆结构及假体形状不规则，网格划分使用四面体网格，采用Solid185单元。于Workbench2020R1软件中对模型进行网格划分，得到有限元网格模型图。本研究骨盆分析为线性有限元分析，各部分有限元模型之间的连接采用不分离接触方式，模型材料及组织均假设为均质、连续、各向同性弹性材料[9]，材料及组织力学参数参考文献 ［10-11］。见图1。
图1
骨盆三维有限元模型构建
a. 术前X线片示左半骨盆溶骨性病变；b. 钉棒假体重建术后X线片；c. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）三维实体模型；d. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）三维有限元模型；e. 重建骨盆（上）、正常骨盆（下）肌肉构建示意图
Figure1. Construction of a three-dimensional finite element model of pelvisa. Preoperative X-ray film showed the osteolytic lesions in the left pelvis; b. X-ray film after rod-screw prosthesis reconstruction; c. The reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis solid models; d. The reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis finite element models; e. Schematic diagram of muscle construction of reconstructed (upper) and normal (lower) pelvis models
② 骨盆应力及形变分布观测：分别对正常骨盆、重建骨盆模型进行力学分析，主要观察应力位移分布情况和应力位移峰值大小。对建立模型的L5椎体端面进行固定约束，于两侧髋关节施加相同的力，分析静态双脚站立位骨盆模型应力情况，髋关节接触力参考文献 ［12］。
1.4.2 临床疗效评价指标
记录手术时间、术中出血量及手术相关并发症发生情况，包括切口感染、深部感染以及假体松动、脱位、断裂等；采用HHS评分和MSTS评分评定患肢髋关节功能。每次随访均摄X线片，必要时行骨盆增强CT、超声检查和胸部CT扫描，以排查肿瘤局部复发及转移。
1.5 统计学方法
采用SPSS16.0统计软件进行分析。计数资料首先行正态性检验，均符合正态分布，数据以均数±标准差表示，手术前后比较采用配对t检验。采用Kaplan-Meier法计算患者生存率。检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 生物力学性能评价结果
骨盆有限元模型网格划分显示正常骨盆总节点数为1 927 852个、总网格数为1 332 516个；重建骨盆总节点数为1 946 832个、总网格数为1 356 354个，假体节点数为172 119个、网格数为108 315个。
正常骨盆两侧应力位移形变由坐骨结节沿髋臼向上呈递减性传递，肌肉构建前、后峰值均在坐骨结节处，达0.40 mm和0.38 mm（图2a）。静态双脚站立位时，应力由骶髂关节处向骶骨正中面上部及髂翼处扩展，并沿骨盆环向下进行传递，其中骶髂关节、髋臼上缘、弓状线、坐骨大切迹上缘、耻骨联合等处均是应力较为集中区域，肌肉构建前、后峰值均位于骶髂关节处，达22.59 MPa和20.96 MPa（图2b）。
图2
骨盆应力位移形变及应力分布云图
上、下图分别为肌肉构建前、后 a. 正常骨盆形变分布云图；b. 正常骨盆应力分布云图；c. 重建骨盆形变分布云图；d. 重建骨盆应力分布云图 箭头示应力峰值处
Figure2. Pelvic deformation and stress distribution cloud chartsThe upper and lower figures indicated the pelvic models before and after muscle cunstrcucted, respectively a. Normal pelvic deformation distribution; b. Normal pelvic stress distribution; c. Reconstructed pelvic deformation distribution; d. Reconstructed pelvic stress distribution Arrow for the stress peak
重建骨盆两侧应力位移形变分别由坐骨结节和耻骨连接棒远端向髋臼及髋臼杯等处呈递减分布，肌肉构建前、后均在坐骨结节和耻骨连接棒远端处达峰值，达0.35 mm和0.33 mm（图2c）。静态双脚站立位时，重建骨盆健侧应力由S1面边缘经骶髂关节沿骨盆环内侧壁弓状线向髋臼窝进行传递；患侧应力由S1面边缘经骶髂关节处传递至S1、2椎弓根螺钉上，并继续沿假体向下传递，应力集中出现在S1、2钉棒连接处、钛棒、髋臼杯上部，肌肉构建前、后峰值均位于S1、2钉棒连接处，分别达到118.2 MPa和109.7 MPa，低于钛合金屈服强度（789～1 013 MPa）[13]。见图2d。
2.2 临床疗效
本组手术时间250～370 min，平均297 min；术中出血量3 200～5 500 mL，平均4 009 mL。患者均获随访，随访时间8～72个月，平均42个月。术后局部复发3例，均为术中未达到广泛性切除者；7例存在肺部转移，其中2例Ⅲ期患者为术前转移。5例死亡，其余16例存活，其中3例带瘤生存，5年生存率为72.1%。术后患者患肢功能均明显改善，恢复行走功能，其中14例无需任何辅助工具，5例需单拐辅助，2例需双拐辅助。末次随访时HHS、MSTS评分分别为（75.2±3.0）、（20.4±2.0）分，与术前比较差异均有统计学意义（t=22.205，P<0.001；t=11.915，P<0.001）。MSTS评分的各项评分手术前后比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表1。
表1
患者手术前后MSTS评分各项评分比较（n=21，）
Table1.
Comparison of MSTS score between pre- and post-operation (n=21, )
术后6例（28.5%）患者发生并发症，其中脂肪液化及皮肤坏死引起的切口延迟愈合各1例、深部感染2例、螺钉松动1例、假体脱位1例，无假体或螺钉断裂等其他并发症发生。切口延迟愈合者经清创一期缝合后愈合。深部感染者均一期行假体取出旷置术、抗感染，二期行假体重建术，术后患者恢复良好。螺钉松动和假体脱位者行假体翻修术后恢复良好。见图3。
图3
患者，女，35岁，右半骨盆软骨肉瘤X线片
a. 术前 圆圈示肿瘤范围；b. 术后1 d；c. 术后2年
Figure3. X-ray films of a 35-year-old female patient with chondrosarcoma of the right pelvisa. Before operation Circle showed the extent of the tumor; b. At 1 day after operation; c. At 2 years after operation
3 讨论
3.1 三维有限元模型构建的合理性
本研究将1例患者术后CT图像导入重建软件Mimics23Suite中，首先进行去伪影操作，然后根据患者扫描体位以1∶1比例重建假体，进而根据骨骼灰度阈值重建骶骨、右侧髂骨、两侧股骨、椎体、椎间盘等。另外，由于患者就诊时已是带瘤生存状态，无法获取患病前正常骨盆原始数字影像数据。故本研究采用镜像功能将健侧骨盆复制到患侧，获取正常骨盆实体模型。正常人骨盆并非沿中轴完全对称，所以通过镜像操作获得的模型存在误差，但有研究表明正常人双侧骨盆应力分布及大小非常相近[12]，同时本研究所构建的骨盆有限元模型网格划分精度较高，故可以满足计算要求[3，6]。此外，就应力传导方向及大小、分布而言，本研究所构建的骨盆三维有限元模型结果与以往相关研究结果一致[14]，且符合正常人体力学传递规律，提示本研究有限元分析结果具有一定可信度。
3.2 肌肉构建对于有限元分析结果的影响
附于骨皮质层的肌肉对于保持活动中髋关节的平衡具有重要意义[15]，以往骨盆三维有限元模型的构建对边界条件进行了大量简化，忽视了肌肉对骨盆生物力学特征的影响[16-19]。本研究将弹簧单元构建在肌肉实际附着点上，共计模拟21块肌肉，从而提供一个完整骨盆模型。对于重建骨盆，由于患侧手术创伤造成腰大肌、臀中小肌、髂肌完全割裂，其余肌肉受到不同程度破坏，剩余肌肉量无法准确测量，我们基于临床经验确定本次模型患侧剩余肌肉量为60%。
本研究结果显示肌肉的构建使得骨盆模型应力呈降低趋势，表明肌肉活动在减少皮质骨和小梁骨的应力方面起着积极作用，这与Ghosh等[20]的发现一致。至于位移形变，肌肉的构建仅轻微减小了位移形变的峰值及分布，这可能是由于形变的数量级过小。运动状态下肌肉的作用更加突出，肌肉系统会增加负荷以平衡髋关节活动，钉棒假体重建术后患肢恢复程度与肌肉的存留、早期肌肉锻炼密切相关，因此以弹簧单元形式引入肌肉和韧带边界条件，更能反映真实的骨盆环生物力学环境。
3.3 钉棒假体重建骨盆的生物力学分析
重建骨盆健侧应力分布与传递同正常骨盆相似，说明钉棒假体重建方式并未对健侧骨盆产生明显影响；患侧骨盆应力集中出现在S1、2钉棒连接处、钛棒、髋臼杯上部，其中峰值表现在固定骶骨的S1、2钉棒连接处，该位置与正常骨盆骶髂关节处应力发生的部位相同，说明重建骨盆患侧应力分布的规律同正常骨盆基本一致。另外，肌肉构建前后重建骨盆假体应力峰值达118.2 MPa和109.7 MPa，远低于钛合金屈服强度（789~1 013 MPa）[13]，表明所设计的假体强度能够承受载荷要求，恢复了双脚站立时的力学传递功能。因此，从力学角度来看，重建骨盆的假体设计合理，重建后的骨盆具有良好稳定性，且应力传导方式基本符合正常人体生物力学规律。至于位移形变，双脚站立位时，健侧骨盆位移由坐骨结节处向髋臼及髂骨面呈递减分布，最大位移出现在坐骨结节处，位移量为0.35 mm和0.33 mm。与正常骨盆相比，健侧骨盆位移变化方向与数量等级均未明显改变，表明假体并未影响健侧骨盆位移传递。患侧位移由耻骨连接棒向髋臼杯及骶骨连接棒进行传递，于耻骨连接棒远端处达到位移峰值，该位置与正常骨盆左侧坐骨结节处位移发生部位相同。因此，从位移角度来看，上述结论依然成立。
3.4 钉棒假体重建的疗效分析
本组患者5年生存率达72.1%，与以往文献报道结果相似[21-24]。共计13例无瘤生存、3例带瘤生存，5例死亡。肺部转移是最常见和最严重的并发症，本组共7例发生肺部转移，5例死亡患者皆死于肺部转移。缺乏有效的组织屏障和区域血供丰富是骨盆肿瘤转移的高危因素。局部复发是选择保肢手术需重点考虑的方面，本组3例局部复发者均为切缘未达广泛性切除。骶髂关节周围是影响手术切缘的特殊解剖位置，需要分离结扎大量髂内血管。因此，术中我们更多是沿骶髂关节截骨，而不是髂骨，以避免肿瘤复发。
本组21例患者术后患肢功能均有明显改善，末次随访时MSTS、HHS评分与术前比较差异均有统计学意义，但略低于以往其他文献报道结果[25-27]。分析可能有以下四方面原因：① 虽然钉棒假体重建替代了骨性组织，但肌肉动力系统的损伤亦直接影响患者的肢体功能。钉棒假体的软组织覆盖有限，给肌肉组织重建带来了不便，这也是钉棒假体需要改进之处。② 半骨盆切除后骨性标志丧失，增加了髋臼原位重建难度，而重建的精确性对于维持骨盆三维稳定性和正常应力传导至关重要。③ 本组患者均系半骨盆切除重建，骨缺损范围远大于以往其他报道。④ 骶髂关节是应力集中与传递的关键位置，于此处截骨虽然可达到广泛截骨边界，但应力传递过于集中地表现在S1、2钉棒连接处，影响了患肢功能。
本组术后并发症发生率为28.5%，略低于以往报道[28-29]。感染是常见并发症，既往报道的发生率为12%～47%[2-4]，本组4例患者发生感染，包括2例切口延迟愈合和2例深部感染，分别表现为切口脂肪液化、皮肤坏死和瘘管形成、脓液排出。手术时间长、直肠和泌尿生殖器邻近、引流不畅、假体异物都是感染发生的高危因素。本组切口延迟愈合者经清创一期缝合后愈合。但深部感染保守治疗成功率仅有53%[30]，本组2例深部感染患者均一期行假体取出旷置术、抗感染，二期行假体重建术。本组螺钉松动发生在S1椎弓根上，分析可能与骨质疏松和应力集中有关，松动发生后患者无法行走。在该例患者假体翻修手术中，我们将庆大霉素混于高黏度骨水泥，对钉棒和髋臼支架进行涂覆加强。这样不仅可以增加假体强度，防止假体松动，还可作为预防措施，进一步控制感染发生[31]，术后3个月患者可扶拐行走。另外，本组1例患者发生假体脱位，情况优于其他文献报道[25, 27, 32]。早期脱位的重要原因包括髋臼假体位置不当和髋关节假体周围软组织覆盖急剧减少，尤以臀肌及髂腰肌为重。半骨盆恶性肿瘤切除时，遵循无瘤原则，所侵犯的重要肌群需尽可能一并切除，造成肌肉组织破坏与神经损伤较多。另外，髋关节旋转中心位置偏移会导致髋关节不稳定，进而造成假体脱位。本课题组既往研究已证实3D打印导板与计算机导航技术能提高髋臼定位重建精确度[33]。为减少假体脱位的发生，我们采用计算机辅助技术术前对髋臼位置及方向进行精准规划和模拟，术中借助3D打印导板和计算机导航技术增加髋臼假体重建的精确性。另外，保留更多的臀大肌缝合于腹肌，可在一定程度上增加髋关节稳定性。本组尚无螺钉与钛棒断裂发生，与生物力学分析结果一致。
综上述，本研究在构建包含肌肉韧带的骨盆模型基础上，采用有限元分析法对钉棒假体的生物力学性能进行评价，结合患肢功能及术后并发症对其进行综合探讨，得出以下结论：① 钉棒假体重建骨盆能够恢复骨盆力学传递功能，与正常骨盆应力分布相似，假体应力峰值明显低于钛合金屈服强度，表明重建骨盆可有效恢复骨盆环的稳定性；② 假体应力峰值处于骶骨钉棒连接处，因此我们建议进一步优化钉棒连接处；③ 以弹簧单元形式引入肌肉和韧带边界条件，能更真实地反映骨盆环生物力学环境；④ 钉棒假体治疗骨盆恶性肿瘤早中期疗效显著，并发症少，是一种可行、有效的重建方式。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道
伦理声明 研究方案经第四军医大学西京医院医学伦理委员会批准
作者贡献声明 范宏斌：研究设计及文章审阅；党竞医：研究实施及撰写文章；张昭：数据收集整理；宓镇洲、程德斌：统计分析；刘冬、付军：文章审阅
