姜雨辰 王冬梅* 畢 春 紀(jì)曉希 汪 方 王秋根

1(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)2(上海交通大學(xué)附屬上海市第一人民醫(yī)院骨科, 上海 200080)

髖臼骨折內(nèi)固定的置釘安全研究

姜雨辰1王冬梅1*畢 春2紀(jì)曉希2汪 方2王秋根2

1(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)2(上海交通大學(xué)附屬上海市第一人民醫(yī)院骨科, 上海 200080)

探討髖臼骨折內(nèi)固定危險區(qū)域安全置釘?shù)姆椒?，降低螺釘穿入髖關(guān)節(jié)的風(fēng)險。取得173例正常成人完整骨盆CT斷層掃描數(shù)據(jù), 由此建立清晰完整的三維數(shù)字化骨盆模型，對其進(jìn)行由恥骨聯(lián)合到骶髂關(guān)節(jié)方向的曲線擬合，并在髖臼區(qū)域等分此曲線，獲得垂直曲線的5個截面。以過進(jìn)釘點并垂直于骨表面的截面曲線法向面作為參考平面，測量不同截面的進(jìn)釘角度范圍(α～γ)及對應(yīng)的進(jìn)釘深度d1、d2、d0；比較男性、女性之間存在的差異，綜合手術(shù)入路的可行性，對髖臼區(qū)螺釘植入進(jìn)行安全規(guī)劃。結(jié)果表明，截面2的d0，截面3的β、γ以及截面4的β，在男性和女性之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；安全進(jìn)釘角度范圍與手術(shù)入路可行范圍存在部分交集。臨床髖臼區(qū)域下緣置釘時要考慮到男、女性別不同所產(chǎn)生的差異；截面1和截面5置釘方向比較自由；截面4安全置釘角度接近可操作臨界角度，臨床上置釘應(yīng)避開截面2和截面3。

髖臼骨折；下緣；置釘；數(shù)字化測量

引言

由于髖臼位置的特殊性以及解剖關(guān)系的復(fù)雜性，髖臼骨折的治療一直是醫(yī)學(xué)界的一個難題。用于髖臼骨折內(nèi)固定的髖臼前柱和后柱鋼板存在固定風(fēng)險，即一旦螺釘穿入關(guān)節(jié)將造成盆腔內(nèi)血管或神經(jīng)損傷且引起嚴(yán)重的并發(fā)癥[1]。因此，同時做到既能保證內(nèi)固定穩(wěn)固效果，又能防止螺釘穿入關(guān)節(jié)(亦即保證內(nèi)固定的安全性)顯得尤為重要，而對髖臼區(qū)域獨(dú)特三維結(jié)構(gòu)的深刻理解是合理置釘、預(yù)防嚴(yán)重并發(fā)癥的關(guān)鍵所在[2]。但是，目前臨床上的螺釘鎖定基本采用經(jīng)驗操作及配合克氏鋼針導(dǎo)向輔助，同時此方面的定量研究資料少且仍有缺陷，如已有對標(biāo)本干骨盆的人工測量的精確度可靠性低，測量儀器精度有限從而產(chǎn)生累計誤差，因此筆者利用三維數(shù)字測量技術(shù)對髖臼骨折內(nèi)固定的置釘安全進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

為預(yù)防螺釘穿入關(guān)節(jié)，本研究基于CT數(shù)據(jù)建立骨盆的三維數(shù)字模型，對髖臼區(qū)域各置釘截面的關(guān)鍵幾何特征進(jìn)行了測量分析，結(jié)合手術(shù)入路的可行性，得到弓狀線下緣進(jìn)釘時的安全置釘深度及角度，以據(jù)此設(shè)計出帶有相應(yīng)方向?qū)蚩椎膬?nèi)固定器，提高髖臼骨折內(nèi)固定的下緣置釘安全性。

1 材料和方法

1.1 材料

2009年12月—2010年11月，在上海市第一人民醫(yī)院醫(yī)療影像數(shù)據(jù)庫，取得因下肢靜脈曲張需要進(jìn)行骨盆增強(qiáng)CT檢查的正常成人173例完整骨盆CT斷層掃描數(shù)據(jù)，排除畸形、腫瘤、創(chuàng)傷等病變(均為漢族，無親屬關(guān)系)。其中，男性104例，女性69例；年齡22～91歲，平均61.0歲(年齡分布見表1)。

表1 所取173例樣本的男女性別以及年齡分布Tab.1 Age and sex distribution of all 173 adults

病人進(jìn)行CT掃描，全程保持平臥仰視、下肢伸直的標(biāo)準(zhǔn)解剖體位。掃描后每名志愿者骨盆部分平均約有380幅DICOM 格式的CT影像數(shù)據(jù)。實驗主要設(shè)備、軟件有：GE LightSpeed VCT XTe (GE Healthcare; Milwaukee, WI, USA) 64排螺旋CT掃描儀，醫(yī)學(xué)交互式成像系統(tǒng)MIMICS 13.0，逆向工程軟件 Geomagics 10，工程設(shè)計軟件Imageware 12.0，機(jī)械設(shè)計軟件Unigraphics NX 7.5。本研究通過了上海市第一人民醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)。

1.2 方法

將CT影像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 13.0，用閾值分割和區(qū)域增長算法去除軟組織，建立清晰完整的三維數(shù)字化骨盆模型。通過Geomagics軟件對模型進(jìn)行平滑與降噪后，導(dǎo)入Imageware軟件，通過點云擬合最佳球體填充于髖臼窩中，以近似模擬髖臼區(qū)域。

Unigraphics NX 7.5環(huán)境下，在弓狀線下緣區(qū)域于骨盆緣向內(nèi)側(cè)5 mm皮質(zhì)處，沿恥骨結(jié)節(jié)、恥骨梳、髂恥隆起、弓狀線至骶髂關(guān)節(jié)交界處依次取點，繪制骨表面的空間曲線。如圖1所示，過髖臼窩擬合球的球心作與該曲線垂直的切面，將切面沿曲線切線方向向前、向后各平移球體半徑距離，與曲線交于兩點。將以前述兩點為端點的空間曲線段分為4等分，過兩端點及3個等分點分別作空間曲線的法向面，與骨盆相交得5個髖臼區(qū)域截面。從恥骨聯(lián)合至骶髂關(guān)節(jié)方向，所得截面依次記述為截面1～5。各截面與空間曲線相交，其交點即為該截面的螺釘進(jìn)釘點。經(jīng)擬合及分割處理后，骨盆的三維模型如圖2所示。

圖1 平移切面劃分髖臼區(qū)域Fig.1 Acetabular area deciding by plane-offseting

圖2 經(jīng)擬合和分割處理后的骨盆三維模型。(a)視圖1；(b)視圖2Fig.2 3D digital pelvic model with lineated curve and cross-sections. (a)View 1; (b)View 2

對所有截面，過各自進(jìn)釘點作截面輪廓曲線，在該點的法向面與截面輪廓線相交得交點。對于截面1及截面5(見圖3、4)，測量進(jìn)釘點與該交點之間的距離為進(jìn)釘深度d。由于截面2～4上的進(jìn)釘點與髖臼窩區(qū)域的截面輪廓相對位置、截面輪廓線在髖臼窩及四方區(qū)兩部分的總體走勢均非常相似，呈近似的截面形態(tài)，在研究中采取類似的測量方法(見圖5～7)：取點描繪截面中髖臼形態(tài)，擬合為一段小圓弧；考慮螺釘半徑的影響，將其半徑擴(kuò)大1.75 mm后獲得大圓弧。過進(jìn)釘點作與大圓弧的切線，進(jìn)釘點與切點間距即進(jìn)釘深度d1、d2，切線與法向面的夾角為α、β；過進(jìn)釘點作與擴(kuò)大后圓弧的相切圓，圓半徑為最短安全進(jìn)釘深度d0，進(jìn)釘點、切點連線與法向面的夾角為γ。

測量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行男女性別的t檢驗，P<0.05就認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 截面1Fig.3 Section 1

圖4 截面5Fig.4 Section 5

圖5 截面2Fig.5 Section 2

圖6 截面3Fig.6 Section 3

圖7 截面4Fig.7 Section 4

2 結(jié)果

測量結(jié)果如下：髖臼區(qū)域所做各個截面的進(jìn)釘角度α、β、γ，進(jìn)釘深度d1、d2、d0，見表2。

表2 測量結(jié)果的男女性別比較Tab.2 Results comparison between male and female

截面2中男性和女性的進(jìn)釘深度d0分別為(14.25±3.27)mm和(12.60±3.53)mm，對應(yīng)角度γ分別為26.45°±1.36°和22.65°±11.98°。截面3中男性和女性的進(jìn)釘深度d0分別為(10.89±3.43)mm和(10.97±4.23)mm，對應(yīng)的角度γ分別為29.07°±10.54°和23.84°±11.80°，角度β分別為-19.66°±12.71°和-28.59°±14.14°。截面4中d0深度是(16.89±4.25)mm,男性和女性的進(jìn)釘角度γ分別為19.80°±7.73°和19.11°±8.07°，角度β分別為-14.11°±10.79°和-17.80°±7.99°。截面1中的進(jìn)釘深度d，截面2中的進(jìn)釘深度d0,截面3中的β、γ，以及截面4中的β和進(jìn)釘深度d0，在男性和女性之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

通過測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，男性和女性在截面2中的進(jìn)釘深度d0(P=0.002)、截面3中的γ(P=0.003)和β(P=0.000)以及截面4中的β(P=0.017)存在統(tǒng)計學(xué)差異，而其他測量數(shù)據(jù)在統(tǒng)計上沒有表現(xiàn)出差異。對于截面1和5，由于髖臼窩基本不受影響，置釘方向比較自由。既往研究表明，在髖臼區(qū)域，長度為14 mm螺釘對骨質(zhì)已有足夠的把持力[3]。觀察表中數(shù)據(jù)，截面1和5的垂直進(jìn)釘深度均遠(yuǎn)大于14 mm,臨床上對于骨質(zhì)有足夠的把持力，可以提供固定的強(qiáng)度。對于截面2～4，男性的最短進(jìn)釘所在角度γ均大于女性(見圖8)。再觀察截面3和4的β，可以發(fā)現(xiàn)男性偏右方進(jìn)釘角度的絕對值均大于女性(見圖9)，但截面2的d0(即最短進(jìn)釘深度)男性較女性深?？梢哉J(rèn)為，這些與男女性在骨盆髖臼區(qū)域外形上的差異有關(guān)。參照截面的形狀來看，隨著進(jìn)釘角度的不斷減小，螺釘走向偏向于外上方，其走形在髖臼骨質(zhì)中的深度不斷增加，所以角度越小、越偏向外上方越安全，且當(dāng)角度超過右切線邊界時螺釘可完全避開髖臼區(qū)域?？紤]到髖臼的絕對危險區(qū)和相對危險區(qū)，臨床上安全進(jìn)釘角度盡量選取靠近外上方或四方區(qū)側(cè)的角度，因為靠近垂直骨表面的方向時螺釘較易進(jìn)入髖臼，即盡量偏向兩邊，而不可偏向中央髖關(guān)節(jié)處。此外，對于截面4，在進(jìn)釘點做了14 mm圓弧以驗證，發(fā)現(xiàn)大部分樣本中14 mm圓弧與擴(kuò)大后的髖臼區(qū)域無交點或相交很小。由此可認(rèn)為，對截面4而言，14 mm的螺釘不但能夠提供足夠的把持力，且小角度的進(jìn)釘方向已可提供較好的安全性。本研究的測量是以垂直于骨表面的基準(zhǔn)面作為參考平面來確定螺釘?shù)倪M(jìn)釘角度，得出的數(shù)據(jù)相比之前的研究更加實用，在具體手術(shù)操作中有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 截面2～4的進(jìn)釘角度γFig.8 Screw angles γ on Section 2～4

圖9 截面2、3的進(jìn)釘角度|β|Fig.9 Screw angles |β| on Section 2 and Section 3

通過對測量數(shù)據(jù)的整理，統(tǒng)計出最為安全的進(jìn)釘角度與深度。表3顯示了截面2～4中各安全角度與深度，以及在173例骨盆總體中抽樣驗證的結(jié)果。為設(shè)計出相應(yīng)的內(nèi)固定器，先依據(jù)產(chǎn)科醫(yī)學(xué)對骨盆的分類，將數(shù)據(jù)按照骨盆分型分為男性型、女性型、扁平型、類人猿型。在此基礎(chǔ)上，由于測量結(jié)果顯示出男女性別的差異，每個骨盆分型再依次按性別分出男性、女性兩種。由此，所有數(shù)據(jù)被分為8類：男性型男性、女性型男性、扁平型男性、類人猿型男性、男性型女性、女性型女性、扁平型女性、類人猿型女性。之后對每一類依照SQL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽樣驗證，可看出每種類型中有個別樣本超出安全角度或深度的范圍。為得到更加普遍適用的安全值，又將每項安全值擴(kuò)大5°～12°不等，重新得到的新安全值及其驗證情況如表4所示，可認(rèn)為已經(jīng)滿足了絕大部分患者的安全要求。

表4 截面2～4中各新安全角度以及在173例骨盆總體中抽樣驗證的不合格數(shù)nTab.4 New safe screw insertion angles and number of exceptions in 173 models (n)

3 討論

髖臼骨折所受暴力大、受傷機(jī)制復(fù)雜，髖臼位置的特殊性以及解剖關(guān)系的復(fù)雜性大大增加了髖臼骨折治療的難度。用于髖臼骨折內(nèi)固定的髖臼前柱和后柱鋼板有固定風(fēng)險，一旦螺釘穿入關(guān)節(jié)，將造成盆腔內(nèi)血管或神經(jīng)損傷，且會引起嚴(yán)重的并發(fā)癥。臨床上在采用髂腹股溝入路、Stoppa入路等前方入路固定髖臼骨折時，由于無法看到對側(cè)的關(guān)節(jié)面，一旦螺釘發(fā)生方向偏離或位置錯誤，將會導(dǎo)致螺釘誤入髖關(guān)節(jié)，造成軟骨溶解或骨關(guān)節(jié)炎等嚴(yán)重的并發(fā)癥[4-5]。如術(shù)中未被發(fā)現(xiàn)，術(shù)后可影響髖關(guān)節(jié)的活動而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。曾有學(xué)者嘗試擴(kuò)大顯露范圍，切開關(guān)節(jié)囊，在直視下觀察關(guān)節(jié)面，活動髖關(guān)節(jié)時，用聽診器貼近髂骨內(nèi)板進(jìn)行聽診，以便早期發(fā)現(xiàn)螺釘是否誤入髖關(guān)節(jié)。Guy等[6]采用CT平掃和三維重建的方法，對髖臼的解剖進(jìn)行影像學(xué)研究，通過測量坐骨棘、坐骨大切跡及閉膜管頂部至髖臼緣的距離來確定置釘安全區(qū)，從而避開危險區(qū)域置釘。不同研究對髖臼骨折內(nèi)固定提出了不同的參考固定方案，但不足之處是這些方法均不同程度地增加了手術(shù)創(chuàng)傷或手術(shù)時間。

Benedetti等在研究前柱時使用橫切法，即垂直于前柱長軸，起始于髖臼下緣，向上以1 cm為間距將髖臼橫行切斷[4]。發(fā)現(xiàn)前柱厚度自髖臼下緣以上1、2、3 cm處的平均厚度為(31.0±4.7)、(34.2±5.1)、(39.4±6.2)mm，在髖臼下緣上1 cm、距離骨盆側(cè)緣0.5 cm處以與前柱垂直且與髖臼弧度相切進(jìn)針，角度為29.4°±4.4°，可以避免螺紋釘穿入關(guān)節(jié)腔。同樣，在髖臼下緣上2 cm、距離骨盆側(cè)緣0.5cm處的進(jìn)針角度為29.2°±5.5°；在髖臼下緣上3 cm、距離骨盆緣0.5 cm進(jìn)針，角度為20.7°±4.3°，同樣安全。同時強(qiáng)調(diào)，在前柱放置螺釘固定時，應(yīng)以手指能觸摸到前柱的各種標(biāo)志點為好。

宋朝暉等通過試驗，分析了在距髖臼上緣不同距離上的相對危險區(qū)占整個后柱的比例[7]。得出結(jié)論：在危險區(qū)內(nèi)不能垂直置釘，如果垂直于后柱表面置釘則螺釘必入髖關(guān)節(jié)；在相對危險區(qū)內(nèi)，可以適當(dāng)角度放置螺釘。

Ebraheim等在研究后柱時使用橫切法，即垂直于后柱長軸方向，起始于髖臼下緣，以1 cm為間距向上橫斷髖臼[8]。其危險區(qū)在骨盆側(cè)緣的半圓形，在距髖臼后柱骨盆緣2 cm處的垂直后柱，與髖臼弧形處切的安全角度為45°，而在距骨盆緣3 cm處的安全角度為15°。研究證實，在同一點不按測量角度進(jìn)釘，螺釘易誤入髖關(guān)節(jié)內(nèi)，后柱存在半圓形的髖臼投影，即臨床手術(shù)固定危險區(qū)。

鋼板技術(shù)對于髖臼區(qū)域骨折固定已普遍應(yīng)用，如何能保證既獲得堅強(qiáng)內(nèi)固定又防止螺釘穿入關(guān)節(jié)內(nèi)等嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生，這些方面的定量研究資料較少，且已有的研究往往存在某些缺陷。既往的髖臼區(qū)域置釘研究往往都是單一集中于髖臼的前柱或后柱[9-10]，因此在本研究中，測量了沿弓狀線走行的髖臼區(qū)域置釘情況，包括整個髖臼區(qū)域。在測量置釘角度與深度時，對髖臼邊緣線進(jìn)行了1.75 mm的近似偏置，用于排除釘子截面半徑對測量結(jié)果的影響。

如圖10所示，截面1～5對應(yīng)的手術(shù)入路可操作角度范圍依次為：-10°～60°，0°～75°，0°～60°，10°～80°，10°～60°。將此范圍與上述截面2～4置釘角度的新安全值加以對照，并聯(lián)系截面1、5的置釘角度測量數(shù)據(jù)，可為實際骨盆手術(shù)置釘方向提供下述參考指導(dǎo)：

圖10 截面1～5對應(yīng)的手術(shù)入路可操作角度范圍。(a)截面1；(b)截面2；(c)截面3；(d)截面4；(e)截面5Fig.10 Operative screw insertion angle ranges on Section 1～5. (a)Section 1; (b)Section 2; (c)Section 3; (d)Section 4; (e)Section 5

1)對于截面1、5，由于髖臼窩基本不受影響，置釘方向比較自由，觀察表2中數(shù)據(jù)，截面1、5的垂直進(jìn)釘深度均遠(yuǎn)大于14 mm,臨床上對于骨質(zhì)有足夠的把持力，可以提供固定的強(qiáng)度，故可直接取入路范圍中間值為實際置釘方向，截面1、5的理想臨床置釘角度依次為25°、35°。

2)對于截面2、3，可見截面輪廓將內(nèi)側(cè)下方(即左側(cè)的可置釘區(qū)域)限制為狹窄的細(xì)長區(qū)域，實際手術(shù)難以操作，而外側(cè)上方(即右側(cè))置釘?shù)呐R床可行性又差，故綜合考慮，臨床上置釘應(yīng)避開這兩個截面。由于截面2輪廓的特殊性，如必須置釘可在0°(即垂直骨表面)方向?qū)崿F(xiàn)安全置釘。

3)對于截面4，觀察表4中數(shù)據(jù)，男性、女性的安全左側(cè)角度依次為75°、79°，安全右側(cè)角度依次為-33°、-34°，再將手術(shù)入路可操作角度作為參考綜合考慮，可認(rèn)為臨床安全置釘方向在內(nèi)側(cè)下方(即左側(cè))，男性、女性角度依次為75°、79°，且此角度在實際操作中非常接近于臨界角度，在一些手術(shù)中不排除難以操作的可能性。

4 結(jié)論

利用CT數(shù)據(jù)建立骨盆的三維模型，并對髖臼區(qū)域各置釘截面的關(guān)鍵幾何特征進(jìn)行三維數(shù)字測量，這種研究方法比傳統(tǒng)的標(biāo)本測量研究更精確可靠，同時數(shù)字化測量的可重復(fù)性強(qiáng)，方便進(jìn)行大樣本量的測量及統(tǒng)計。通過數(shù)字化研究，結(jié)合手術(shù)入路的可行性，得到安全可靠的置釘角度與深度并加以驗證，為實際骨盆手術(shù)置釘方向提供如下參考指導(dǎo)：截面1、5的理想臨床置釘角度依次為25°、35°，可置釘深度遠(yuǎn)大于14 mm；臨床上置釘應(yīng)避開截面2、3，如必須置釘，可在截面2的0°(即垂直骨表面)方向?qū)崿F(xiàn)安全置釘；截面4上男性、女性的安全置釘角度依次為75°、79°，但這兩個角度在一些手術(shù)中不排除難以操作的可能性。

本研究采用以垂直于骨表面的基準(zhǔn)面作為參考平面的方法，得到的測量及統(tǒng)計結(jié)果與臨床操作的角度相似，在可以更好地指導(dǎo)臨床進(jìn)釘?shù)耐瑫r，可望據(jù)此設(shè)計出帶有相應(yīng)方向?qū)蚩椎膬?nèi)固定器，以提高髖臼骨折內(nèi)固定的下緣置釘安全性，使臨床操作更簡單、快捷、有效。

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Investigation of Proper Screw Placement for Internal Fixation for Acetabular Fractures

Jiang Yuchen1Wang Dongmei1*Bi Chun2Ji Xiaoxi2Wang Fang2Wang Qiugen2

1(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)2(DepartmentofOrthopedicSurgery,FirstPeople’sHospitalAffiliatedtoShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200080,China)

This study is aimed to investigate proper screw insertion angles and lengths of internal fixation for acetabular fractures, reducing the danger of screw penetration into the hip joint. Complete pelvic CT scan data from 173 normal adults were collected. Each adult’s CT scan data were reconstructed into a 3D digital pelvic model. A curve was delineated from the pubic tubercle to the sacroiliac joint to simulate the fixation rout, according to which five perpendicular cross-sections were constructed equally across the acetabular region. The normal plane, going through the screw-entry point and perpendicularly to the bone surface, was selected as the reference plane for each cross-section. Hence the safe screw angles (α～γ) and lengthes (d1,d2,d0) were measured. Proper screw placements were obtained within sex differences and operation feasibilities. Safe lengthd0from section 2, safe anglesβandγfrom section 3 and safe angleβfrom section 4 showed significant sex differences (P<0.05). There are proper ranges of safe screw insertion angles for operation. Sex differences should be considered during internal fixation operations on the inferior border for acetabular fractures.Screw placements could be much more flexible on section 1 and section 5. The safe screw insertion angles on section 4 was close to the critical angles for operation. Screws are not recommended to be placed on section 2 or section 3.

acetabular fracture; inferior border; screw placement; digital measurement

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 01.009

2014-10-21， 錄用日期:2015-09-30

國家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃重大項目(973計劃)(2011CB711000)；國家自然科學(xué)基金(81272002);上海交通大學(xué)醫(yī)工交叉基金重點項目(ZHYXXM20110001)

R318

A

0258-8021(2016) 01-0071-08

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:dmw_mail@163.net