髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板研发的解剖学研究

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.11.013

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (11): 1712-1717.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.11.013

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髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板研发的解剖学研究

陈辉文¹，周正震¹，王朝军¹，左睿¹，郭春云¹，黄丰¹，冯映栋¹，魏波²，孔圳³，常思灵³，孙永建³

¹广东医科大学，广东省湛江市 524023；²广东医科大学附属医院骨科中心，广东省湛江市 524001；³南方医科大学第五附属医院创伤骨科，广东省广州市 510900

修回日期:2016-12-22 出版日期:2017-04-18 发布日期:2017-05-06
通讯作者: 孙永建，博士，主任医师，硕士生导师，南方医科大学第五附属医院创伤骨科，广东省广州市 510900 魏波，博士，主任医师，硕士生导师，广东医科大学附属医院骨科中心，广东省湛江市 524001
作者简介:陈辉文，男，1990年生，广东省佛山市人，广东医科大学在读硕士，主要从事创伤骨科的研究。
基金资助:
2016年度广东大学生科技创新培育专项资金(“攀登计划”专项资金)(pdjh2016b0215)；南方医科大学科研启动计划(CX2015N010)

Anatomical study of plate invention for acetabular anterior column and baffle plate for acetabular quadrilateral body

Chen Hui-wen¹, Zhou Zheng-zhen¹, Wang Chao-jun¹, Zuo Rui¹, Guo Chun-yun¹, Huang Feng¹, Feng Ying-dong¹, Wei Bo², Kong Zhen³, Chang Si-ling³, Sun Yong-jian³

¹Guangdong Medical University, Zhanjiang 524023, Guangdong Province, China; ²Orthopedics Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Zhanjiang 524001, Guangdong Province, China; ³Department of Orthopedics, Fifth Affiliated Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510900, Guangdong Province, China

Revised:2016-12-22 Online:2017-04-18 Published:2017-05-06
Contact: Sun Yong-jian, M.D., Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Fifth Affiliated Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510900, Guangdong Province, China Wei Bo, M.D., Chief physician, Master’s supervisor, Orthopedics Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Zhanjiang 524001, Guangdong Province, China
About author:Chen Hui-wen, Studying for master’s degree, Guangdong Medical University, Zhanjiang 524023, Guangdong Province, China
Supported by:
the Special Funds for the Cultivation of Guangdong College Students’ Scientific and Technological Innovation (“Climbing Program” Special Funds, No. pdjh2016b0215; the Scientific Research Project of Southern Medical University, No. CX2015N010

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

髋臼前柱及四边体：1964年，Judet和Letournel提出髋臼双柱概念，髋臼由2个骨性支柱呈拱形组成。前柱由髂棘、髂嵴、髋臼前半部分和耻骨组成，后柱由坐骨、坐骨棘、髋臼后半部分组成。四边体骨面构成真骨盆外侧缘的骨面，其上界是弓状线，下界为坐骨垂直体底部坐骨结节上缘，前界为闭孔后缘，后界为坐骨大切迹。

摘要

背景：针对髋臼前柱合并四边体骨折，是否存在一种前柱四边体翼型钢板同时解决钢板术中多次塑性和四边体内移等问题呢？

目的：探讨Mimics软件在髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板的设计和解剖学参数测量中的作用。

方法：采用Mimics软件对共60例正常骨盆CT数据进行三维重建，测量钢板四边体挡板设计所需要的各解剖参数，包括弓状缘平面-四边体平面夹角、四边体各边界、髋臼四边体骨质厚度等。绘制髋臼在四方区骨面投影线和四边体置钉危险区，在四边体危险区以外区域寻找并设置进钉点，测量挡板螺钉的安全进钉角度。

结果与结论：①弓状缘平面-四边体平面夹角男女之间比较差异无显著性意义；②男性骨质最薄厚度值显著大于女性；③男性四方区挡板螺钉P1螺钉最大内倾角和P2螺钉最大内倾角显著小于女性；P3螺钉最大内倾角男女差异无显著性意义。④结果说明，设计研发髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板可利用Mimics软件测量骨盆髋臼解剖学数据，方法简便、易行、直观；根据髋臼前柱和四边体骨面特征新定义的解剖学参数可恰当描述髋臼四边体的解剖学共同特征和差异。

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: 0000-0001-6544-2692(陈辉文)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 髋臼前柱, 四边体, 解剖钢板研发, 三维重建, 挡板

Abstract:

BACKGROUND: It remains poorly understood whether anterior column quadrilateral wing plate exists to solve intraoperative multiple plastic and quadrilateral in vivo shift for treating acetabular anterior column and acetabular quadrilateral body fractures.

OBJECTIVE: To figure out the promising application on measurement of anatomical character parameters when designing acetabular anterior column and acetabular quadrilateral body using Mimics software.

METHODS: 60 pelvic CT scan data were collected and three-dimensionally reconstructed by Mimics software. The following anatomical character parameters were measured, including the angle between plane of arcuate line of true pelvis and plane of quadrilateral surface, the four boundary lines of quadrilateral body, and the thickness of substance of bone in quadrilateral region. The projection curve on quadrilateral surface of acetabular margin and dangerous zone for screw placement were both drew. Above all, the study attempted to find out the proper safe entry point of quadrilateral screw and to measure their leaning inside angles.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The angle between plane of arcuate line of true pelvis and plane of quadrilateral surface was not significantly different between males and females. (2) The minimum thickness of quadrilateral body in males was larger than that in females. (3) The maximum leaning angle flapper plate screw P1 and P2 for quadrilateral body was significantly smaller in males than in females, but that of screw P3 was not significantly different between males and females. (4) The application of Mimics software made it easier, more intuitive and more practical for the design or development of new plate for acetabular anterior column and acetabular quadrilateral body. The common points and difference between acetabular anterior column and acetabular quadrilateral body could be specifically described by the new anatomical character parameters, which are defined by bone surface features of pelvis.

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

Key words: Acetabulum, Dissection, Three-Dimensional Reconstruction, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈辉文，周正震，王朝军，左睿，郭春云，黄丰，冯映栋，魏波，孔圳，常思灵，孙永建. 髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板研发的解剖学研究[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(11): 1712-1717.

Chen Hui-wen, Zhou Zheng-zhen, Wang Chao-jun, Zuo Rui, Guo Chun-yun, Huang Feng, Feng Ying-dong, Wei Bo, Kong Zhen, Chang Si-ling, Sun Yong-jian. Anatomical study of plate invention for acetabular anterior column and baffle plate for acetabular quadrilateral body [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(11): 1712-1717.

图/表（结果） 2

2.1 弓状缘平面-四边体平面夹角的测量 见表1。结果表示，弓状缘平面-四边体平面夹角男女之间对比显示，尚不能认为差异有显著性意义。

2.2 四边体各边界长度的测量 XY、ZW边长男女之间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。YZ、WX边长男女之间比较尚不能认为差异有显著性意义(P > 0.05)，无论是男性或女性，XY边不等于ZW边，结合数据测量结果可知XY>ZW边。见表2。

2.3 髋臼四边体骨质厚度的测量和髋臼危险区的界定 测量60例骨盆标本后数据统计后发现，男女骨质厚度最薄处基本位于第1-12层矢状面和水平面截骨处骨质厚度最薄。30例男性骨质最薄厚度范围为2.87-8.18 mm之间，平均为(5.27±1.29) mm，30例女性骨质最薄厚度范围为2.44-8.10 mm之间，平均为(4.20±1.22) mm。男女间相比较差异有显著性意义(P=0.002，P < 0.05)。因此，考虑到适当扩大髋臼危险区范围，以避免手术风险为原则，定义四边体骨质厚度小于9.0 mm的区域为置钉危险区域，并在骨盆四边体标本处绘制出此区域。图7所见，所绘制区域为近似矩形的区域，边界不规则，位于弓状缘下界、靠近闭孔顶点、坐骨大切迹处，髋臼危险区域全部落在髋臼在四边体投影边界以内。男性危险区域最大横径为 38.47 mm，最大纵径为 16.57 mm；女性最大横径为 35.25 mm，最大纵径为 13.68 mm。通过四边体中心划分为4个象限，危险区域大多位于四边体右上象限近弓状缘及坐骨大切迹闭孔顶部处。

2.4 髋臼四边体螺钉安全角度的测量 见表3。螺钉P1、P2男女之间差异有显著性意义(P < 005)，P3差异无显著性意义。

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引言

髋臼骨折累及四边体，四边体骨折往往连同前柱近端部分骨折一同向盆腔内移位^[1]，若仅用螺钉固定，出现螺钉进入髋臼和损伤血管神经等并发症的风险高。临床发现，此类骨折患者术后偶见有内固定不牢靠，出现骨折的向盆腔内侧相对移位。所以，马海涛等^[2]在四边体内侧加弹性垫片同时利用带锁定的重建钢板，用锁定螺钉经锁定孔加压固定，来治疗四边体内移骨折。蔡贤华等^[3]利用前路钛板结合方形区螺钉内固定治疗涉及方形区的髋臼骨折，通过内固定阻挡骨块向内移位的。另外，真骨盆周围骨面并不平整光滑，钢板不服帖，手术均需反复塑性钢板、调整放置位置，造成手术时间延长、术中透视次数多。针对髋臼前柱合并四边体骨折是否存在一种前柱四边体翼型钢板同时解决钢板术中多次塑性和四边体内移等问题呢？然而，目前国内外尚未见带有安全角度的解剖锁定钢板用于固定髋臼前柱及四边体，而且未见有带有四边体挡板钢板设计应用于髋臼四边体骨折的治疗。因此，本试验欲利用Mimics软件测量髋臼针对性测量四边体解剖学参数，描述骨面特征，进而为设计带有安全角度的髋臼前柱异型解剖钢板及四边体翼型钢板做铺垫，使得形成的钢板能贴服骨面，从而省去术中钢板塑型的麻烦。钢板上锁定螺孔带有安全角度，从而避免螺钉进入关节事故的发生，避免术后出现四边体内移等并发症。方法上，试验利用Mimics17.0(Materialise’s interactive medical image control system，Mimics)软件对正常骨盆CT数据进行三维重建，切割出髋臼前柱四边区三维模型，测量预制钢板所涉及的解剖参数，确定置钉的安全区域和危险区域。进而在四边区安全区域内模拟螺钉置入，探索新型解剖钢板的四边体挡板上螺钉置钉的安全内倾角度范围，探索四边区置钉的可行性和安全性，为进一步完善髋臼四边体钢板的设计提供解剖学依据。

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材料方法

1.1 设计 解剖学参数测量。

1.2 时间及地点 实验于2016年3至8月在广东医科大学和南方医科大学第五附属医院完成。

1.3 材料 从南方医科大学第五附属医院影像科获取60 例64排螺旋CT(SIMENS公司)扫描的成人完整骨盆CT数据，男女各30例，年龄为18-75岁，排除骨盆髋臼骨折、肿瘤等病变。

1.4 方法

1.4.1 骨盆三维模型重建将收集的60例骨盆CT数据导入到Mimics 17.0软件进行三维重建。

1.4.2 弓状缘平面-四边体平面夹角的测量定位绘出弓状缘平面，定位四边体所在平面，找出四边体上缘近弓状缘处，连接四边体的顶边和侧边，透明化处理骨质，绘出四边体平面(图1，2)。找出两目标平面后，隐藏骨盆，绘出两平面相交线，分别在两平面作平面相交线的垂直线，最后使用“Measure Angle”进行两垂直线夹角或两平面间的角度测量。

1.4.3 四边体各边界的测量目前国内外尚未见对四边体界限的明确定义，根据严广斌^[1]、杨宁浙^[4]、史黎晗等^[5]提出的四边体定义，参考《坎贝尔骨科手术学》第12版第6卷创伤骨科对四边体描述的图例，进一步定义本试验的四边体边界。冠状面闭孔最高点与真骨盆下缘的交点定义为X点，坐骨大切迹转折处顶点定义为Y点，坐骨棘上缘起点定义为Z点，过坐骨棘Z点作XY的平行线相交于闭孔内侧缘，定义为W点，则XY直线为四边体的上界，ZW为四边体的下界，AW为四边体的前界，YZ为四边体的后界。虽然前界的曲度不能忽略，但是可发现四边体近似上宽下窄的梯形。分段测量四边体的各边界，每次测量重复3次，取平均值。

1.4.4 髋臼四边体骨质厚度的测量以四边体边界的X、Y、Z点作一平面，使得平面平行于四边体骨面。利用Reslice Project功能重定义平面，规定四边体平面(XYZ平面)为冠状面，垂直于四边体骨面且垂直于XY边、WZ边为矢状面，垂直于四边体骨面且平行于XY边、WZ边为水平面，重新切割子集另存为一个新的Mimics项目。层厚设置为3 mm。测量四边体内矢状面和水平面在四边体骨面交点的骨质厚度(图3)。

1.4.5 四边体置钉危险区的界定、髋臼边缘在四边体骨面的投影

四边体置钉危险区的界定：统计60例骨盆四边体骨质厚度后，记录其骨质厚度最小值，进行数据统计。根据骨质厚度最小值的统计数值结果分析，定义四边体骨质厚度≤ 9.0 mm为四边体危险区域，并在四边体找出所有厚度≤ 9.0 mm的点，将点连成光滑曲线，定义闭合曲线内区域为四边体置钉危险区，并在四边体表面绘制置钉危险区形状，测量置钉危险区最大横径和最大纵径(图4)。

髋臼边缘在四边体骨面的投影：重新切割子集操作后，在切割子集内允许寻找髋臼边缘与髋臼四边体投影垂直投影的一一对应关系，即髋臼边缘在髋臼骨面的投影点，进而可以将投影点连成光滑的投影线。观察髋臼边缘在四边体骨面的投影与四边体置钉危险区的位置关系(图5)。

1.4.6 四边体置钉安全角度的界定对于四边体骨质厚度及髋臼边缘在四边体投影后，发现四边体并非绝对的手术禁区，四边体也有可以用于置钉的区域。作者基于以上解剖参数的测量，设计了一种新型的四边体翼型钢板，螺钉半径设置为2.0 mm，P1、P2螺钉分别位于四边体下边(WZ边)的两个四分点上，P3螺钉位于经W点作XY为底边的高的五分点上，可发现P1、P2、P3均位于髋臼投影曲线之外，更未触及髋臼危险区。P4、P5为四边体以外两个备用螺钉孔，Mimics软件下透明化处理及切割后可发现此两螺钉孔道安全置钉角度朝向四边体以外(外倾角度)区域置钉，将不会触及髋臼危险区及髋臼缘。因此，设定四边体螺钉置钉点朝向髋臼危险区为内倾角度(正角)，进钉点背向髋臼危险区为外倾角(负角)，本试验仅针对P1、P2、P3内倾的安全置钉角度进行测量和讨论。

髋臼在四边体骨面投影边缘设置置钉点，分割出髋臼模型及钢板模型，分别测量P1、P2、P3最大内倾角，作为最大安全置钉角度(图6)。

1.5 统计学分析 所得数值采用SPSS 19.0软件进行数据分析，结果数据采用x(_)±s表示，对男女间数据是否存在差异采用独立样本t 检验，计算P 值，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

3.1 髋臼前柱及四边体的定义 1964年，Judet和Letournel^[6]提出髋臼双柱概念，髋臼由两个骨性支柱呈拱形组成。前柱由髂棘、髂嵴、髋臼前半部分和耻骨组成，后柱由坐骨、坐骨棘、髋臼后半部分组成。四边体(Quadrilateral plate)骨面构成真骨盆外侧缘的骨面，其上界是弓状线，下界为坐骨垂直体底部坐骨结节上缘，前界为闭孔后缘，后界为坐骨大切迹^[4]。史黎晗等^[5]通过利用闭孔沟顶点、坐骨大切迹顶点以及坐骨棘等解剖标志定义四边体的边界。此定义四边体边界更广泛，涉及到弓状缘上缘及真骨盆区域，包含了前柱的部分区域，值得商榷。高波华等^[7]通过观察和目测真骨盆 “四边形”的方法来定义髋臼的方形区，即分别标记前后柱交点、坐骨棘、闭孔环后缘、闭孔沟4点，根据四点形成四边组成四边体。然而，其定义基于观察目测的方法来定义四边体，边界并不明确，所绘制的四边体形态不一，测量统计上难免会产生误差。

综合上述定义，结合临床医师对四边体的理解和定义，参考坎贝尔骨科学对四边体骨面的图述，作者将弓状缘上缘和弓状缘下缘之间的区域划为前柱的区域，本试验以弓状线下缘、闭孔沟顶点，坐骨大切迹，坐骨棘等骨性标志对四边区进行明确划分。所构成四边体区域完全在后柱范围内，因此仅包含了髋臼的下半部分。

3.2 髋臼前柱及四边体翼型钢板的设计思路 髋臼骨折是创伤骨科中难度最高的手术之一。临床上，髋臼前柱合并四边体骨折患者，四边体骨折往往连同前柱近端部分骨折一同向盆腔内移位。虽然经手术普通钢板螺钉内固定，但仍会出现内固定不服帖、固定不牢，术后常出现四边体内移、骨折端再发移位等并发症。因此，数字骨科学是否可以应用在髋臼骨折患者，为髋臼骨折患者“量身定做”一块服帖、安全、有效、个性化的钢板呢？查阅相关文献，临床工作研究者已经尝试通过数字化骨科学的方法来设计钢板并取得成功。如黄若昆等^[8]利用CT数据三维重建结合逆向工程软件设计胫骨后端后侧解剖钢板，陈宣煌等^[9]利用Mimics和Solidworks软件对胫骨近端骨折进行三维重建复位及数字钢板设计，使得术前手术方案细致化，钢板安置的位置、螺钉的进钉角度等都在术前得到预期评估，术中明显简化了手术过程。

3.3 弓状缘平面-四边体平面夹角 弓状缘平面-四边体夹角实质上为前后柱汇合形成髋臼时所形成的夹角。测量此角度可帮助设计钢板在弓状缘与四边体转折处所需弯曲的弧度。对比两角差异，发现此角度在男女之间并无显著的差异，并且此角度数值上比较恒定，在(107±4)°，可能与髋臼前后柱以固定角度包容股骨头而形成固定角度，与人体质量力向下传递相关，因此，钢板在此角度可考虑统一处理。

3.4 四边体各边界长度 四边体边界的定义均有不同说法，本课题中对四边体的定义合乎普遍临床医师的习惯，遵循坎贝尔骨科学的图例所示，定义四边体边界。重新定义的四边体边界通过Mimics透明化处理可发现包含了髋臼在后柱的部分。作者预想所设计的解剖锁定钢板一大特点是设计四边体挡板。因此，通过测量四边体各边界的长度，用于作为四边体挡板大小的参考。同时，为了探索四边体可允许的潜在安全置钉点，测量了四边体骨质厚度，重新定义了四边体绝对危险区。另外通过重切割的方式，寻找了髋臼边缘在四边体的投影，并定义非四边体绝对危险区及非髋臼边缘投影为四边体置钉相对危险区，以寻找具有安全角度的置钉区域，并尝试在P1、P2、P3处设置进钉点，并测量了其安全置钉角度。

统计四边体各边界测量的数值，发现男性四边体的边界比女性普遍要大，其中四边体上下两边男女比较存在统计学意义，可能因为男性体格较强壮相关。另外，无论男女性别，四边体的上边均较下边长度大，使得四边体在真骨盆内形如倒置的梯形的形状。在设计四边体挡板时，需要考虑到四边体各边的大小及四边体倒置梯形的形状。四边体各边界测量数值与史黎晗的测量相距不大，可信度高。

3.5 髋臼在四边体骨面的投影和四边体置钉危险区 重新切割子集操作后，在切割子集内允许寻找髋臼边缘与髋臼四边体投影垂直投影连成髋臼四边体投影线后，可以发现髋臼四边体投影线紧密包绕四边体置钉危险区，两者之间存在一定间隙，侧面说明髋臼边缘投影区范围大于四边体置钉危险区，即是四边体髋臼投影区内仍有允许置钉之处。

四边体置钉危险区边缘是通过定义四边体骨质厚度薄点来绘制的。本试验测得30例男性骨质最薄厚度范围为2.87-8.18 mm之间，平均为(5.27±1.29)mm，30例女性骨质最薄厚度范围为2.44-8.10 mm之间，平均为(4.20±1.22)mm。男女间相比较存在统计学差异(P=0.002，P < 0.05)。因此，考虑到适当扩大髋臼危险区范围，以避免手术风险为原则，定义四边体骨质厚度小于9.0 mm的区域为置钉危险区域，并在四边体骨盆标本处绘制出此区域。绘制四边体置钉危险区的结果发现，弓状线下四边体置钉危险区域成进行矩形区域存在，危险区域的投影与髋臼边缘基本吻合，从侧面印证了骨质厚度测量的准确性。本试验绘制四边体置钉危险区如王正坤^[10]、史黎晗^[5]、Guy^[11]、Zhang^[12]对四方区置钉研究的描述，四方区不可置钉点均位于四边体前内侧近闭孔缘及髂耻隆起处。另外，按照王正坤的观点，髋臼边缘在四边体表面投影界限至四边体危险区之间的区域也是潜在的置钉点，但是可能对螺钉的半径和置钉方向要求更高了。

3.6 四边体区置钉的安全角度 根据四边体绝对危险区和髋臼在四边体投影的边界，实验寻找并确定了5个潜在置钉点，P4、P5为备用孔。测量内倾角度与Xian-quan等^[13]有共同之处，均有寻找螺钉倾角断面来测量，然而使用数字化软件测量更为简便易行。其中P1螺钉最大内倾角男性(5.91±10.86)°、女性(11.02±6.35)°，P2螺钉最大内倾角男性(12.36±5.77)°、女性(16.33±5.57)°，P3螺钉最大内倾角男性(28.95±14.20)°、女性(25.92±12.42)°。螺钉P1、P2男女之间差异有统计学意义，P3无统计学差异。试验中，

发现P1、P2螺钉置钉安全角度范围较大且稳定，P3个体差异性大，常会出现骨质附着较少而无法置钉情况。但P1、P2置钉在60例中仍出现5例置钉需要外倾的情况，所以术前应将钢板和患者骨盆CT资料进行拟合，以排除P1、P2置钉的风险。而P4、P5置钉角度仅需要背离四边体进钉，以坐骨支为附着，均可避开髋臼区。P4、P5可以作为备用孔，但同时四边体挡板的覆盖范围需要相应增加至坐骨支部分。

本试验为钢板的设计和预制测量解剖学依据，下一步将针对钢板进行塑性调整、生物力学分析等试验。另外，本试验也有不足之处，比如病例数相对较少，课题中并未对骨盆大小、体质量、年龄等重要因素进行分层分析等等。然而，本研究对四边体周围骨性表面特征进行详细的比较测量，并得出了实用性结果，为前柱四边体钢板的设计作出了重要的铺垫。

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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髋臼前柱四边体翼型钢板-四边体挡板研发的解剖学研究

Anatomical study of plate invention for acetabular anterior column and baffle plate for acetabular quadrilateral body

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