构建前柱钢板髋臼区安全置钉的三维模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.22.007

摘要/Abstract

摘要：

背景：切开复位钢板置入内固定治疗髋臼前柱骨折时，螺钉穿入关节面的情况时有发生，为预防该并发症，对前柱钢板技术髋臼区安全置钉的定量解剖学测量非常有必要。

目的：为前柱钢板髋臼区安全置钉提供解剖学依据。

方法：利用Mimics软件对40例男性、40例女性骨盆CT进行三维重建，使用软件的切割工具制作前柱髋臼系列断面。使用软件测量工具，对各断面上不同进钉点的安全进钉方向及长度进行测量。将数据输入SPSS 13.0软件进行统计学分析。

结果与结论：髋臼前后缘、前缘到髂耻隆起的距离，分别为男性(56.63±2.05) mm，(12.30±1.51) mm；女性(49.07±5.07) mm，(16.93±1.74) mm；髋臼后缘到髂耻隆起的距离为男性(45.46±3.44) mm，女性(33.72±6.85) mm。螺钉在矢状面与髂骨板的夹角为男性(72.17±0.93)°，女性(81.05±0.92)°。B、C和D各断面，斜冠状面上螺钉与髂骨板的最大夹角分别为男性(53.88±3.01)°，(43.22±1.86)°，(54.60±2.97)°；女性(49.54±1.81)°，(39.10±1.22)°，(47.91±2.23)°。提示利用三维模型测量前柱髋臼区解剖特点，对于前柱骨折钢板置入内固定过程中避免螺钉进入关节有重要的指导意义。

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

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关键词: 植入物, 骨植入物, 数字化骨科, 髋臼骨折, 内固定, 前柱钢板, 解剖

Abstract:

BACKGROUND: During open reduction and plate fixation for acetabular anterior column fracture, screw penetrating the articular surface often occurred. To prevent this complication, quantitative anatomical measurement is very important for safe pedicle screw in acetabular area using anterior column plate technology.

OBJECTIVE: To provide anatomical basis for screwing placement safely in acetabular anterior column plate.

METHODS: Mimics Software was used to perform three-dimensional reconstruction of the 40 cases of male pelvic and 40 cases of female pelvic CT scan data. The cutting tool was used to make serial cross-sections of the acetabular anterior column and the measuring tool was used to determine the safe length and direction of screw entry on all entry points of each cross-section. All data were uploaded into SPSS 13.0 software for statistics process.

RESULTS AND CONCLUSION: The distance from anterior acetabular margin to posterior acetabular margin and iliopubic eminence was as follows: in males: (56.63±2.05) mm, (12.30±1.51) mm, and in females: (49.07±5.07) mm, (16.93±1.74) mm, respectively. The distance from posterior acetabular margin to iliopubic eminence was as follows: in males: (45.46±3.44) mm, and in females: (33.72±6.85) mm. The safe entry angle of screws to iliac plate in the sagittal plane was (72.17±0.93)° in males, and (81.05±0.92)° in females. On each section of B, C and D, the maximum of the safe entry angle of screws to iliac plate in the oblique coronal plane was (53.88±3.01)°, (43.22±1.86)°, (54.60±2.97)° in males; and (49.54±1.81)°, (39.10±1.22)°, (47.91±2.23)° in females, respectively. Results indicated that three-dimensional model can be used to measure anatomic characteristics of acetabular anterior column plate and has important instruction significance for avoiding screwing into joint in acetabular anterior column plate technique.

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Key words: prostheses and implants, acetabulum, fractures, bone, internal fixators

中图分类号:

R318

宋迎春，王钢，卢超，高波华. 构建前柱钢板髋臼区安全置钉的三维模型[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(22): 3481-3486.

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图/表（结果） 3

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引言

伴随着工业化进程，现代化进程的高速发展，尤其建筑业以及交通工具的飞跃，以往较少发生的高能量、严重暴力损伤时至今日已不再少见，俨然成为危及人们身体健康的一大重要因素。中国是交通创伤发生率最高、导致死亡人数最多、受到危害最大的国家之一，并且骨盆髋臼损伤在其中所占比例居高不下，逐渐成为创伤骨科领域研究的热点之一。

由于受到高能量暴力冲击，无论是直接暴力还是间接暴力，不仅会导致髋臼骨折移位，还可能导致髋臼之外部位的合并伤，合并伤的发生可能是由同一暴力直接导致，也可能是暴力作用瞬间，肢体的质量因加速度或惯性一起作用导致。比如高处坠落时四肢同时撞击地面导致脊柱、四肢骨折，撞击头部致颅脑损伤，胸腹、盆腔脏器损伤等，这些合并伤对髋臼骨折的治疗有不同程度的影响。首先，严重创伤时，常常伴有生命体征危象，不适宜手术，此时对危及患者生命的合并伤成为了治疗首要关注的对象；其次，因为照顾到患者的其他合并伤，术前准备以及术中操作会对术者有所限制，或者因为合并伤，髋臼骨折术后的患者无法适时进行功能锻炼，让治疗效果打折扣。

髋臼复杂的解剖结构，以及受伤机制的复杂性使得髋臼骨折方式亦丰富多样，为了对髋臼骨折有更好的认识，帮助临床诊断，辅助手术治疗，自1961年美国马萨诸塞州州立总医院Rowe和Lowell报道了93例髋臼骨折后至今，国际上出现了多种髋臼骨折的分类方法，其中以1964年Judet提出并由Letournel改进的Judet-Letournel分类方法较为流行。其中累计前柱的骨折包括单纯前柱骨折、横行骨折、T形骨折、双柱骨折、前柱伴后半横行骨折。

髋臼骨折多发生于青壮年患者，多由高能损伤所致，随着CT三维重建技术的出现，人们逐渐认识到许多向侧方移位的耻骨上支骨折的远端进入了髋臼内，即形成前柱骨折，累计前柱的骨折包括单纯前柱骨折、横行骨折、T形骨折、双柱骨折、前柱伴后半横行骨折。根据骨折线走向的高低，前柱骨折常可分为高、中、低位前柱骨折。高位前柱骨折累及髂嵴前部或髂前上棘，可导致头臼匹配不良，往往需要手术治疗。

髋臼前柱骨折的常规治疗方法包括切开复位钢板置入内固定等^[1-9]，但在应用髂腹股沟入路等前方入路时，术野限制无法看到关节内情况，螺钉就可能会进入关节内^[10-16](图1)，亦可能发生损伤盆腔内重要血管或神经等严重并发症^[8，16-26]。为预防上述并发症的发生，必须对前柱髋臼区的解剖结构非常熟悉。而目前关于髋臼前柱钢板技术的定量解剖学资料非常少，作者综合考虑前人研究，利用数字化模型设计新的试验，对前柱髋臼区解剖结构精确测量并统计，为减少上述并发症探究更加可靠的理论依据。

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材料方法

设计：数字化骨科学，分组测量对比试验。

时间及地点：于2013年10月至2014年2月在南方医科大学南方医院创伤骨科、放射科及数字骨科实验室完成。

对象：选择2010年7月至2013年8月在南方医科大学南方医院行完整骨盆螺旋CT扫描的成年国人。

纳入标准：①无特殊骨骼肌肉系统疾病者。②无骨折等外伤史者。③年龄在18周岁以上者。④对治疗及试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准者。

排除标准：①有骨质病变者。②解剖结构异常畸形或有陈旧性骨折病史者。

从试验对象中选取80例符合条件的骨盆CT数据，其中男40例，女40例，年龄18-81岁，平均年龄(42.5±13.8)岁。

扫描条件：电压为120 kV，层厚为1.25 mm，512×512矩阵。

材料：

主要设备：德国西门子128排螺旋CT，ASUS个人PC。

主要软件：①128排螺旋CT操作平台：GE AW Basic Display(通用电气公司，美国)。②个人PC操作平台：Windows 7。③三维重建软件：Mimics 10.01(Materialise公司，比利时)。

方法：将搜集的骨盆CT图像以DICOM格式储存并导入医学影像互交控制系统(Mimics 10.01)，界定阈值(Thresholding)选用“bone CT”，然后采用区域增长(Region growing)进行三维重建。

在髋臼内模拟置入球体，使其与髋臼缘相切，旋转骨盆至入口位(图2)，利用画线工具画出球体直径ae，且该直径与对应的骨盆界限平行，于两端点处做该线的垂面，与髋臼前后缘相切，交骨盆界限于A、E两点，读取点a、点e坐标，将线段ae平分为4等份，等分点分别为b、c、d，过此3点分别做球体直径的中垂面，分别交骨盆界限于B、C、D三点，自髂耻隆起中心点i向骨盆界限做垂线交于点I。测量AE、AI、EI的距离，分别代表髋臼直径在骨盆界限投影的距离，髋臼后、前缘在骨盆界限的投影点到髂耻隆起在骨盆界限投影点的距离(图3)。

利用Mimics软件的切割工具，沿上文中设定的髋臼前柱系列断面，对髋臼前柱进行等分切割，选择所要测量截面后，将其他截面暂时隐藏，自各断面在骨盆界限上的投影点向外侧隔0.5 cm取点，定义为入钉点O，自O点向髋臼边缘做垂线d(图4，平行黑线代表钢板内外缘，圆形白色区域代表钢板螺孔)，测量线段d长度，即为进针点到髋臼的最短距离，使用小于该长度的螺钉，无论进针方向如何，都不会进入关节。

沿髋臼内侧缘做小圆C’(图5)，使其与内侧缘相切，然后做较大同心圆C，且其半径较圆C’大2.5 mm，自入钉点做大圆C的切线, 该线即为螺钉的中轴，该线长度即为螺钉长度D。

沿螺钉中轴模拟置入螺钉，并反向延长，旋转骨盆至斜矢状位，连接骨盆界限上投影点定义为直线L2，与螺钉中轴的夹角为∠β，即为螺钉在矢状面上与髂骨内板夹角；旋转骨盆至截面，连接入钉点到骨盆界限投影点，定义为直线L1，与螺钉中轴的夹角为∠α，即为螺钉在斜冠状面与髂骨内板夹角，根据“宁可在内侧四方区穿透，不可在外侧髋关节穿透”的原则，术中只要控制螺钉与钢板夹角小于∠α，螺钉就不会进入关节。

主要观察指标：①髋臼在骨盆界限各投影点到骨盆骨性标志之间的距离。②B、C和D断面各进钉点到髋臼关节面的最短距离d。③B、C和D断面各进钉点在斜冠状面与髂骨内板的最大夹角∠α。④螺钉在矢状面与髂骨内板夹角∠β。⑤B、C和D各断面进钉点螺钉的长度D。

统计学分析：实验数据采用SPSS 13.0软件进行统计分析，对各断面进钉点到髋臼的最短距离，螺钉的安全进钉角度及长度进行统计。

结果数据采用x(_)±s表示，对性别之间和左右两侧之间是否存在差异进行独立样本t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

拉力螺钉固定和切开复位钢板固定是目前治疗髋臼前柱骨折的常规方法，二者各有优缺点，拉力螺钉创伤小，操作简单，较少发生并发症，但其适应证亦相对局限，对于髋臼前柱骨折移位明显的病例，拉力螺钉无法达到复位效果，此时就要首选切开复位钢板固定。前柱骨折常用手术入路为髂腹股沟等前方入路，而无法显露关节面，使钢板螺钉穿透关节面等严重并发症时有发生^[11-16]。为此，一些学者研究并采用各种方法来预防这种并发症，比如扩大显露范围并切开关节囊在直视下观察关节面，或者通过活动髋关节时用听诊器贴近髂骨内板进行听诊^[27]，和增加术中透视频率等方法^[28-29]，但这些方法或者加大了创伤，或者增加了手术时间，还有就是增加了术者及患者遭放射线的次数。

这时靠近髋臼边缘内侧1 cm范围内尽量不打螺钉的概念被部分学者提出^[12]，然而髋臼骨折线经过此区域的病例不在少数，这就意味着靠近骨折线的螺孔内尽量不拧入螺钉，而Shazar等^[30]研究表明，用钢板固定髋臼骨折时，远离骨折端放置螺钉较靠近骨折端放置螺钉，其固定强度要低50%，部分髋臼骨折术后复位丢失的案例与此可能不无关系。

目前关于髋臼前柱钢板技术的定量解剖学资料非常少^[31-32]。Shiramizu等^[31]研究提示沿骨盆界线放置钢板时，只要钻孔深度和螺钉长度控制在12-14 mm，螺钉即很少进入关节，但作者发现在整个前柱均应用短螺钉，内固定的强度略显不足。在Benedetti等^[32]的研究中，以前柱前表面的垂线做为螺钉进钉角度的参考，但前柱前表面并非一个平整的平面，以此作为参照可靠性较差。王先泉等^[33]对骨盆标本行断面切割，虽然没有以前柱前表面作为参照，而是选择相对较平整的四方区，但四方区同样也存在多个弧度，而且四方区平面距进针点仍有一段空间距离，以四方区平面作为参考时，术者对螺钉进钉角度的把握主观性很大，术中仍需丰富的手术经验及多次透视。另外，王先泉等^[33]的试验仅针对男性半骨盆测量，未进行同性别骨盆左右侧的对比，也没有对女性标本进行测量及对比。再者使用尸体标本测量，样本数量有限，可重复性不高，手工切割时误差较大，也会对试验结果造成较大影响。

总之，切开复位钢板固定前柱时，髋臼区置钉是必要且可行的，但进入关节的危险性也很高，前人的研究各有局限性，综合前人经验，对此本课题组试验选取健康成人完整骨盆CT数据，利用Mimics软件进行重建、切割及测量，样本量大，每个数据均2次测量取平均值，统计结果可信度高。对于螺钉安全进钉角度的测量，一方面，虽然前柱前表面整体非平整的平面，但选取截面上短距离观察，仍可以将其视为一个平面，这样所测得安全角度更加可靠；另一方面，所选平面更可以将其视为钢板所在平面，螺钉的安全进钉角度其实就是螺钉与钢板的夹角，术者更容易把握。

结论：作者通过搜集健康成人骨盆三维CT数据，利用Mimics软件重建，得到精细、完整的骨盆模型，对模型进行数字化处理，为深入了解髋臼解剖结构提供一种新方法。髋臼前柱骨折使用切开复位钢板内固定技术时，利用该研究所得测量结果，可以准确界定髋臼前柱钢板放置的危险区，为螺钉安全进钉点的确定，进钉的方向与长度的选择提供解剖学依据。但是由于患者存在个体差异，螺钉的进钉点、方向和长度也会有所差异，因此仍需大样本量的临床验证。

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