基于三维重建模拟S1椎弓根螺钉的最佳置钉参数

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0364

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S₁椎体置钉：S₁椎体解剖形态区别于胸腰椎，其置钉所受影响较多：包括髂骨翼的阻挡，椎旁软组织及椎体前方神经血管的走形等，同时因S₁为大多数脊柱疾病置钉的终末椎体，所承受的应力较大；为获得最佳的置钉，需个体化、精准化。

螺钉生物稳定性：骨密度与螺钉拔出力及相对位移成正相关。骨的力学性能决定于骨密度，螺钉试验中拔出力主要来源于骨钉之间的摩擦力，它反映了松质骨单位体积内骨的质量；因骶骨不具备典型的椎弓结构，其生物稳定性的增加主要通过螺钉的长度甚至穿透椎体前皮质来实现；同时向骨质密度强的骶岬部方向置钉。

摘要

背景：S₁椎弓根螺钉的置入广泛应用于脊柱疾病的治疗。因骶骨本身并没有典型的椎弓根和侧块，定义骶骨横突与椎体间的过渡区为椎弓根；骶椎椎弓根内的骨质密度明显低于胸腰椎椎弓根；但S₁椎体通常作为脊柱椎弓螺钉的终末椎体，承受极大的应力，临床随访中出现松动、断裂钉的并发症较多；因此对于S₁椎体的置钉需个体化、精准化，以求获得最佳的生物力学。

目的：通过数字化技术重建骨盆环结构模拟S₁椎弓根置钉，为临床治疗提供解剖学参考。

方法：选取自贡市第四人民医院2017年4至8月行骨盆CT 薄层扫描的患者影像资料，排除骶椎及两侧髂骨存在外伤、骨病、先天性畸形、严重退变等情况，共获得108例成人骨盆薄层CT扫描数据。利用Mimics软件进行三维模型重建，数字化模拟最佳的空间位置置钉；以S₁椎上关节突外侧缘与下缘交接处为进钉点，朝指向骶岬方向置钉。测量螺钉长度、螺钉的空间位置、螺钉钉帽与髂骨翼的相切距离、置钉平面髂骨翼之间的距离。

结果与结论：①S₁椎弓根螺钉的左侧内倾角男性为(20.73±8.04)°，女性为(24.73±8.16)°，男女左侧内倾角相比较差异有显著性意义(P = 0.013)；②右侧内倾角男性为(21.57±9.68)°，女性为(26.75±7.78)°，男女右侧内倾角比较差异有显著性意义(P = 0.003)；③左侧螺帽与髂骨翼的相切距离男性为(2.20±4.33) mm，女性为(8.03±8.81) mm，男女左侧螺帽与髂骨翼相切的距离比较差异有显著性意义(P = 0.000)；④右侧螺帽与髂骨翼的相切距离男性为(2.13±3.93) mm，女性为(7.57±6.70) mm，男女右侧螺帽与髂骨翼的相切距离比较差异有显著性意义(P = 0.000)；⑤男性螺钉置入平面髂骨翼之间的距离为(76.96±9.47) mm，女性为(86.52±12.56) mm，男女置钉平面髂骨翼之间的距离相比较差异有显著性意义(P = 0.000)；⑥男女左右侧螺钉置入的水平夹角及螺钉置入长度相比较无显著性意义(P > 0.05)；⑦3例重建模型因髂骨翼阻挡不能垂直及前内侧置钉；⑧结果详细描述了川南地区人群骶椎及骨盆环的解剖特点，其S₁椎弓根螺钉的置入参数可作为临床应用的参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-5373-1104(万盛钰)

关键词: 骶椎, 骨盆, 椎弓根螺钉, 数字化

Abstract:

BACKGROUND: Placement of S₁ pedicle screw is widely used in the treatment of spinal diseases. Because the sacrum itself does not have typical pedicle and lateral block, the transitional area between sacral transverse process and vertebra is defined as pedicle. The bone density of S₁ pedicle is significantly lower than that of pedicle of thoracic and lumbar vertebrae. However, the S₁ vertebra is usually the end vertebra of the spine arch screw, which suffers great stress, and there are many complications of loose and broken nail in clinical follow-up. Therefore, the fixation of the S₁ vertebrae needs to be individualized and precise to obtain the best biomechanics.

OBJECTIVE: To reconstruct the pelvic ring structure by digital technology to simulate S₁ pedicle screw placement, so as to provide anatomical reference for clinical practice.

METHODS: Pelvic CT data of 108 patients in Zigong Fourth People’s Hospital between April and August, 2017 obtained by CT thin slice scanning were included after excluding congenital malformation, and severe degeneration of the sacral and bilateral iliac bones. Three-dimensional model was reconstructed using Mimics software and optimal space nail was simulated by digital technology. S₁ screw entry point was set as the intersection of lines where extension of S₁facet joint inferior margin and lateral margin cross over. The length of the screw, screw position, tangent distance screw nail cap and the iliac wing and the distance between plane wing of ilium nail were measured.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The left oblique angle (α) of S₁ pedicle screws was (20.73±8.04)° in males, and (24.73±8.16)° in females (P=0.013). (2) The right α was (21.57±9.68)° in males and (26.75+7.78)° in females (P=0.003). (3) The distance between the left screw nail cap and the iliac wing (a) was (2.20±4.33) mm in males, and (8.03±8.81) mm in females (P=0.000). (4) The right a was (2.13±3.93) mm in males, and (7.57±6.70) mm in females (P=0.000). (5) The distance between planar iliac bone (b) of screw was (76.96±9.47) mm in males, and (86.52±12.56) mm in females (P=0.000). (6) There was no significant difference in the angle (β) of the left and right sides and the length (d) of screw implantation in females and males (P > 0.05). (7) Three patients could not receive vertical and medial anterior internal fixation due to iliac wing obstruction. (8) These results indicate that the anatomy of the sacral and pelvic rings in South Sichuan is described in detail. The parameters of the S₁ pedicle screw implantation can be used as a reference for clinical application.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

中图分类号:

R445

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图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 测量学对比试验。

1.2 时间及地点 于2017年4至8月在自贡市第四人民医院骨科数字中心完成。

1.3 对象 随机选取自贡市第四人民医院2017年4月至8月拍摄的薄层骨盆螺旋CT(Force双源西门子公司)图像资料，排除骶骨病变或解剖异常者，共获得108例解剖结构正常骨盆CT扫描数据。其中男56例，女52例；年龄18- 77岁，平均49.7岁。扫描条件：电压120 kV，管电流250 mA，层厚0.625 mill。CT图像以DICOM格式储存并导入医学影像交互控制系统(Mimics 19.0)(比利时MaTerialise公司)，利用软件的功能进行骨盆三维重建及测量。

1.4 方法

模拟最佳S₁椎弓根置钉及相关解剖参数测量：通过Mimics重建骨盆环以S₁关节突的外侧缘与下缘交点为置入点，方向朝向骶岬(S₁椎上终板与椎体前壁的夹角)(螺钉直径7 mm，钉帽直径10 mm)，见图1-3；螺钉置入的内侧界为骶椎管的外侧壁，置入点与骶椎管外侧壁连线的延长线若经过髂骨翼，则减少螺钉的内倾角直到螺帽的外侧缘与髂骨相切；采用空间点对点的计算方式：计算椎弓根螺钉的内倾角，水平夹角，螺钉的置入长度。标记置入点及穿出点的坐标，X1，Y1，Z1代表进针点的三维坐标值，x2，y2，z2代表出针点的三维坐标值，代入公式分别计椎弓根螺钉与矢状面夹角：内倾角α和水平面的夹角β ，见图2，3；测量螺帽与髂骨之间的相切距离(a)；测量置钉平面髂骨翼之间的距离(b)，见图4。

1.5 主要观察指标 测量S₁椎螺钉长度，螺钉的内倾角及水平面的夹角，螺钉钉帽与髂骨翼的相切距离，置钉平面髂骨翼之间的距离。

1.6 统计学分析 采用SPSS 19.0统计软件对数据进行处理，测量结果用x(_)±s表示，对不同性别的计量资料进行正态性检验，若符合正态分布采用两独立样本t 检验，若不符合正态分布则采用两独立样本Mann-Whitney U 检验， P 为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程< 0.05

基于三维重建模拟S₁椎弓根螺钉的最佳置钉参数

Best screw placement parameters in S₁ pedicle based on three-dimensional reconstruction

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