髋臼前柱拉力螺钉内固定理想位置的数字化研究
白雅致1, 2，刘强2
1. 山西医科大学（太原 030032）
2. 山西白求恩医院骨科（太原 030032）
通信作者：刘强
关键词：髋臼前柱；拉力螺钉；骨性通道；理想位置；数字化
引用本文：白雅致，刘强. 髋臼前柱拉力螺钉内固定理想位置的数字化研究. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(6). doi: 10.7507/1002-1892.202102002
摘 要
目的 应用数字化技术寻找髋臼前柱拉力螺钉内固定的理想位置，并测量其相关参数，提高拉力螺钉植入的准确度。
方法 收集 2019 年 1 月—2020 年 1 月 CT 扫描的 133 例 266 个半骨盆原始数据（男 78 例，女55 例；年龄 18～65 岁，平均 42 岁），生成三维模型。根据骨性通道外周骨皮质与拉力螺钉的关系提出髋臼前柱拉力螺钉内固定理想位置的新标准，按照该标准进行模拟植钉。螺钉位于理想位置后测量以下指标：虚拟螺钉最大允许直径（达上述新标准的圆柱体直径，R）、长度（两侧入钉点中心的距离，L），逆行入钉点位置（入钉点与耻骨联合中点、耻骨结节的距离，分别为 D1、D2）和顺行入钉点位置（入钉点与髂前上棘、坐骨大切迹的距离及与髋臼后上缘顶点的垂直距离，分别为 D3、D4、D5）；计算虚拟螺钉在理想位置的方向（螺钉与水平面、矢状面、冠状面的夹角，分别为 ∠β、∠γ、∠δ）。
结果 虚拟螺钉最大允许直径范围男性为 5.70～14.10 mm，平均 9.25 mm；女性为 4.40～10.40 mm，平均 7.29 mm。髋臼前柱拉力螺钉顺行植钉入钉点位于髋臼顶点外上方 2.0～2.5 cm，与髂前上棘和坐骨大切迹距离几乎相等，约为 5 cm；逆行植钉入钉点位于耻骨结节外下方 2.5～3.0 cm。髋臼前柱螺钉位于理想位置时，男女性间除 ∠β、∠γ 比较差异无统计学意义（P>0.05）外，其余各指标比较差异均有统计学意义（P<0.05）；左右侧间除 D4、∠β 比较差异无统计学意义（P>0.05）外，其余各指标比较差异均有统计学意义（P<0.05）。
结论 髋臼前柱骨性通道中，全部男性可容纳直径<5.70 mm 的螺钉、女性可容纳直径<4.40 mm 的螺钉，男、女性的顺行或逆行植钉入钉点位置不同。使用数字化技术个性化测量适宜的螺钉参数，可提高髋臼前柱骨折拉力螺钉内固定的准确度和稳定性。
正 文
近年来，由于高能量创伤患者增多且死亡率降低，以及骨质疏松性低能量创伤患者增多，髋臼前柱骨折发生率越来越高[1]，占所有髋臼骨折的12.39%[2]。髋臼前柱骨折治疗方式包括非手术治疗、切开复位内固定和关节成形术，非手术治疗的卧床相关并发症和开放手术创伤较大等缺陷对治疗效果有明显影响。随着透视和导航技术的发展，有研究者提出经皮拉力螺钉内固定技术，其具有失血少、感染和并发症发生率低、能早期下地康复锻炼等优势[3-5]。但是髋臼前柱复杂的几何形状使拉力螺钉有突破骨皮质、损伤周围血管神经、侵犯关节的风险[6]。既往相关研究中，拉力螺钉内固定位置标准比较模糊，不同研究的结果有较大区别[7-15]。本研究在二维解剖截面和三维立体植钉基础上，提出一种髋臼前柱拉力螺钉内固定理想位置新标准，并使用数字化技术确定一适合大多数人且相对安全、统一的拉力螺钉位置，为髋臼前柱骨折的精准微创治疗提供依据。报告如下。
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材料与方法
1.1 骨盆 CT 原始数据来源
收集 2019 年 1 月—2020 年 1 月于山西白求恩医院采用 64 排螺旋 CT（Siemens 公司，德国）扫描的 133 例 266 个半骨盆原始数据，其中男 78 例，女55 例；年龄 18～65 岁，平均 42 岁。排除骨盆骨折、解剖结构异常、严重骨质疏松等病变。
1.2 研究方法
1.2.1 建立三维模型 将骨盆 CT 数据导入Mimics17.0 软件（Materialise 公司，比利时）。使用MPR 多层面重建功能将骨盆 CT 图像在立体坐标系中摆正，保留两侧髋骨重建半骨盆模型。
1.2.2 提出髋臼前柱拉力螺钉内固定理想位置的新标准 在预实验中尝试使用两种方法植钉，一种是依据骨性通道几个狭窄处的二维解剖截面，所得拉力螺钉位置的逆行入钉点在闭孔沟处，周围毗邻众多重要血管神经，手术风险大；另一种是在三维模型上直接植入拉力螺钉，从外侧观察突破骨皮质状况，所得拉力螺钉位置的偏差较大。因此，我们总结出髋臼前柱骨性通道中拉力螺钉内固定理想位置应满足以下条件：① 螺钉与骨性通道 3 个面（耻骨上支内侧面、耻骨上支前外侧面和髋臼上方关节面）的骨皮质相切（图 1）；② 适应顺行和逆行两种植钉方式；③ 逆行植钉的入钉点不超过闭孔前缘；④ 螺钉不破出骨皮质或进入关节腔。
图 1 螺钉与 3 处骨皮质关系的轴位视图 双向箭头示局部放大部位（从上至下依次为耻骨上支内侧面、耻骨上支前外侧面、髋臼上方关节面），白箭头示圆柱体与骨皮质相切部位；红点示沿髂耻线重新切割髋臼前柱时绘制的线条与轴位视图垂直的点，黄圈示圆柱体横截面
1.2.3 确定拉力螺钉内固定的理想位置 在重建后的半骨盆模型中，沿髂耻线将髋臼前柱间隔 1 mm重新切割成数百段，获得近似轴位视图。按照上述新标准放置圆柱体作为虚拟螺钉，在三维模型和重新切割后的近似轴位二维截骨面上调整圆柱体位置和直径，获得拉力螺钉内固定理想位置。以圆柱体长轴的轴心线为基础，建立变换矩阵（图 2），获得垂直于圆柱体的若干截骨面（图 3）。对髋骨和圆柱体取交集，获得虚拟螺钉的顺行和逆行植钉入钉点位置（图 4）。
图 2 螺钉理想位置为轴心的变换矩阵 a. 以圆柱体轴心线为基础建立的变换矩阵整体图；b. 正面图显示可获得标准的圆柱体轴状位截面
图 3 圆柱体在理想位置时的各个截面图 a. 骨盆入口位；b. 闭孔斜位 1：闭孔前缘 2：闭孔Ⅱ区 3：闭孔Ⅲ区 4：闭孔沟 5：髋臼切迹 6：髋臼前缘 7：髋臼顶 8：髋臼后缘
图 4 虚拟螺钉长度及入钉点位置 a. 虚拟螺钉长度；b. 顺行入钉点位置（箭头）；c. 逆行入钉点位置（箭头）
1.2.4 观测指标 螺钉位于理想位置后测量以下指标：① 测量虚拟螺钉最大允许直径（达到上述新标准的圆柱体直径，设为 R）、长度（两侧入钉点中心的距离，设为 L）。② 测量逆行植钉入钉点位置（植钉入钉点与耻骨联合中点、耻骨结节的距离，分别设为 D1、D2）和顺行植钉入钉点位置（植钉入钉点与髂前上棘、坐骨大切迹的距离及与髋臼后上缘顶点的垂直距离，分别设为 D3、D4、D5）。③ 计算虚拟螺钉在理想位置的方向：选择虚拟螺钉轴心线首尾两端的 2 个点坐标，将 2 个点坐标输入Excel 中，使用勾股定理和反三角函数的方法计算出螺钉与水平面、矢状面、冠状面的夹角（分别设为 ∠β、∠γ、∠δ），公式如下：
以上数据进行男女性别间以及所有患者左右侧间比较。
1.3 统计学方法
采用 SPSS22.0 统计软件进行分析。满足正态分布且方差齐性的计量资料以均数±标准差表示，男女性别间比较采用独立样本 t 检验，左右侧间比较采用配对 t检验；检验水准 α=0.05。
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结 果
虚拟螺钉最大允许直径范围为男性 5.70～14.10 mm，平均 9.25 mm；女性 4.40～10.40 mm，平均 7.29 mm。髋臼前柱拉力螺钉顺行植钉入钉点位于髋臼顶点外上方 2.0～2.5 cm，与髂前上棘和坐骨大切迹距离几乎相等，约为 5 cm；逆行植钉入钉点位于耻骨结节外下方 2.5～3.0 cm。髋臼前柱螺钉位于理想位置时，男女性间除 ∠β、∠γ 比较差异无统计学意义（P>0.05）外，其余各指标比较差异均有统计学意义（P<0.05）；左右侧间除 D4、∠β 比较差异无统计学意义（P>0.05）外，其余各指标比较差异均有统计学意义（P<0.05）。见表 1、2。
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讨 论
髋臼前柱骨折的治疗方式中，拉力螺钉内固定具有软组织损伤小、可早期康复锻炼、并发症少等优点[16]。既往研究中拉力螺钉内固定术前定位缺乏统一精确的标准[7-14]。本研究通过数字化研究提出了一个拉力螺钉内固定理想位置的新标准，兼顾螺钉在二维解剖截面和三维立体植钉的具体情况，包括入钉点位置、螺钉最大允许直径和长度、安全植钉方向。
髋臼前柱骨性通道近似“三棱柱”形，本研究中螺钉的理想位置与“三棱柱”3 个侧面相切，能最大程度避免螺钉穿出骨皮质。螺钉从此处通过，允许顺行和逆行两种手术入路，且入钉点附近无重要的血管、神经，临近体表，手术创伤小。根据 Peng等[17]的研究，髋臼前柱螺钉顺行和逆行入路各有允许的入钉区域，骨性通道中螺钉的最大直径随区域内入钉点位置的变化而变化。我们在预实验中，通过对髋臼前柱若干截骨面的观察发现，受髂耻线内侧曲度的影响，螺钉直径与矢状面夹角成负相关，夹角越小，螺钉越粗。为了尽量提高螺钉直径，避免损伤闭孔附近的重要神经血管，入钉点宜在耻骨结节外下 2.5 cm（男）或 3 cm（女），并且不超过闭孔前缘。
对于入钉点位置，既往有众多不同研究结果。Ebraheim 等[7]研究认为，顺行植钉入钉点应位于坐骨大切迹与髂前上棘连线的中点上方约 1.6 cm 处，距髋臼顶约 4.5 cm。石成弟等[18]认为，顺行拉力螺钉入钉点位于坐骨大切迹顶点与髂前上下棘切迹连线的中垂线上，距该连线的垂直距离为 1.3～1.9 cm，距髋臼上缘为 3～4 cm。对于逆行植钉的入钉点，陈凯宁等[19]认为男性在耻骨结节内下方，与耻骨联合的垂直距离为（14.79±3.42）mm；女性在耻骨结节外下方，与耻骨联合的垂直距离为（21.86±3.13）mm。本研究中，顺行植钉入钉点为髋臼后上缘顶点上方 2.0～2.5 cm，与髂前上棘和坐骨大切迹距离几乎相等，均为 5.0 cm 左右。男性比女性顺行植钉入钉点略偏后外侧 0.5 cm；逆行植钉入钉点在闭孔前缘和耻骨结节之间的区域，耻骨结节外下方约 3.0 cm，与耻骨联合中心线距离 2.5 cm，女性比男性略偏外侧 0.5 cm。在不侵犯闭孔周围重要血管神经的前提下，逆行入钉点越靠外侧，螺钉直径允许越大。
本研究测得的螺钉直径均值比既往研究[7-15]约大 2 mm，长度更短，考虑主要因螺钉位置不同导致螺钉各项参数均不同。螺钉直径与矢状面夹角成负相关，随着螺钉与矢状面夹角的减小，髋臼前柱骨性通道中可容纳更粗的拉力螺钉。本研究中，全部男性可容纳直径<5.70 mm 的螺钉，全部女性可容纳直径<4.40 mm 的螺钉。临床手术中螺钉无法完全精准地放在理想位置上，螺钉周围需留出2 mm 安全距离。所以选择相对更粗的骨性通道，可以明显提高植钉安全性。
本研究中男性可容纳拉力螺钉的最大直径范围为 5.70～14.10 mm、女性为 4.40～10.40 mm。一般认为使用越粗的螺钉固定稳定性越好，但是建议男性不超过 9.25 mm，女性不超过 7.29 mm。人群中骨性通道直径变异程度很大，若使用适宜所有人的最细螺钉，螺钉与周围骨皮质的接触欠佳，固定的稳定性有待检验；另外，螺钉直径与其所能承受压力负荷之间的相关性，即哪种情况下会出现断钉现象尚缺乏相关文献报道。因此使用数字化技术了解每例患者骨性通道的变异程度，选择相对粗的螺钉，在保证安全距离的同时能提供更坚强固定。
既往相关研究中，植钉方向的测量标准多样，多参照周围骨性标志或 3 个基准面，而且骨盆倾斜度对植钉方向也有影响。本研究中，我们以人体站立位状态的 3 个基准面为标准，即两侧髂前上棘和耻骨结节所在平面与冠状面相平行的状态。结果显示，样本中各方向夹角的极值与均值差异均< 12°。术前使用辅助设备调整好方向，再结合术中透视影像[20]，可以提高植钉精准度，减少术中透视次数，降低手术风险。
本研究结果及结论仍有局限性：① 试验数据来源人群范围小，且样本量较少，不能准确代表全部人口的骨形态特征，研究结果可信度有所欠缺；② 所有数字化技术都会对真实信息有不同程度失真，不能完全反映真实的解剖结构；③ 本实验为人为操作，存在系统误差，对测量准确度有影响；④ 本研究中的安全植钉参数未在实体标本和临床手术中进行验证，其临床价值有待进一步研究。
通信作者简介
刘强，主任医师，教授，医学博士，博士生导师。中华医学会骨科学分会常务委员，并担任骨质疏松学组组长。山西省医学学科带头人，山西省医学会骨科专业委员会副主任委员。曾担任山西医学大学副校长，山西医学大学第一医院副院长、骨科主任，山西医科大学脏器移植中心主任，山西白求恩医院（山西医学科学院）首任院长。擅长各种骨科系统疾病的诊断与治疗。主要研究方向为创伤外科和骨质疏松，并在显微外科治疗方面具有较深造诣。被聘为《中华骨科杂志》、《中华显微外科杂志》、《中华创伤杂志》、《中华创伤骨科杂志》等杂志编委。
第一作者简介
白雅致，就读于山西医科大学第三临床医院（山西白求恩医院），研究方向：创伤外科和数字医学。
参考文献：略