髋臼骨折内固定的置钉安全研究

姜雨辰 王冬梅* 毕 春 纪晓希 汪 方 王秋根

1(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)2(上海交通大学附属上海市第一人民医院骨科, 上海 200080)

髋臼骨折内固定的置钉安全研究

姜雨辰1王冬梅1*毕 春2纪晓希2汪 方2王秋根2

1(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)2(上海交通大学附属上海市第一人民医院骨科, 上海 200080)

探讨髋臼骨折内固定危险区域安全置钉的方法，降低螺钉穿入髋关节的风险。取得173例正常成人完整骨盆CT断层扫描数据, 由此建立清晰完整的三维数字化骨盆模型，对其进行由耻骨联合到骶髂关节方向的曲线拟合，并在髋臼区域等分此曲线，获得垂直曲线的5个截面。以过进钉点并垂直于骨表面的截面曲线法向面作为参考平面，测量不同截面的进钉角度范围(α～γ)及对应的进钉深度d1、d2、d0；比较男性、女性之间存在的差异，综合手术入路的可行性，对髋臼区螺钉植入进行安全规划。结果表明，截面2的d0，截面3的β、γ以及截面4的β，在男性和女性之间的差异具有统计学意义(P<0.05)；安全进钉角度范围与手术入路可行范围存在部分交集。临床髋臼区域下缘置钉时要考虑到男、女性别不同所产生的差异；截面1和截面5置钉方向比较自由；截面4安全置钉角度接近可操作临界角度，临床上置钉应避开截面2和截面3。

髋臼骨折；下缘；置钉；数字化测量

引言

由于髋臼位置的特殊性以及解剖关系的复杂性，髋臼骨折的治疗一直是医学界的一个难题。用于髋臼骨折内固定的髋臼前柱和后柱钢板存在固定风险，即一旦螺钉穿入关节将造成盆腔内血管或神经损伤且引起严重的并发症[1]。因此，同时做到既能保证内固定稳固效果，又能防止螺钉穿入关节(亦即保证内固定的安全性)显得尤为重要，而对髋臼区域独特三维结构的深刻理解是合理置钉、预防严重并发症的关键所在[2]。但是，目前临床上的螺钉锁定基本采用经验操作及配合克氏钢针导向辅助，同时此方面的定量研究资料少且仍有缺陷，如已有对标本干骨盆的人工测量的精确度可靠性低，测量仪器精度有限从而产生累计误差，因此笔者利用三维数字测量技术对髋臼骨折内固定的置钉安全进行了进一步研究。

为预防螺钉穿入关节，本研究基于CT数据建立骨盆的三维数字模型，对髋臼区域各置钉截面的关键几何特征进行了测量分析，结合手术入路的可行性，得到弓状线下缘进钉时的安全置钉深度及角度，以据此设计出带有相应方向导向孔的内固定器，提高髋臼骨折内固定的下缘置钉安全性。

1 材料和方法

1.1 材料

2009年12月—2010年11月，在上海市第一人民医院医疗影像数据库，取得因下肢静脉曲张需要进行骨盆增强CT检查的正常成人173例完整骨盆CT断层扫描数据，排除畸形、肿瘤、创伤等病变(均为汉族，无亲属关系)。其中，男性104例，女性69例；年龄22～91岁，平均61.0岁(年龄分布见表1)。

表1 所取173例样本的男女性别以及年龄分布Tab.1 Age and sex distribution of all 173 adults

病人进行CT扫描，全程保持平卧仰视、下肢伸直的标准解剖体位。扫描后每名志愿者骨盆部分平均约有380幅DICOM 格式的CT影像数据。实验主要设备、软件有：GE LightSpeed VCT XTe (GE Healthcare; Milwaukee, WI, USA) 64排螺旋CT扫描仪，医学交互式成像系统MIMICS 13.0，逆向工程软件 Geomagics 10，工程设计软件Imageware 12.0，机械设计软件Unigraphics NX 7.5。本研究通过了上海市第一人民医院伦理委员会的批准。

1.2 方法

将CT影像数据以DICOM格式导入Mimics 13.0，用阈值分割和区域增长算法去除软组织，建立清晰完整的三维数字化骨盆模型。通过Geomagics软件对模型进行平滑与降噪后，导入Imageware软件，通过点云拟合最佳球体填充于髋臼窝中，以近似模拟髋臼区域。

Unigraphics NX 7.5环境下，在弓状线下缘区域于骨盆缘向内侧5 mm皮质处，沿耻骨结节、耻骨梳、髂耻隆起、弓状线至骶髂关节交界处依次取点，绘制骨表面的空间曲线。如图1所示，过髋臼窝拟合球的球心作与该曲线垂直的切面，将切面沿曲线切线方向向前、向后各平移球体半径距离，与曲线交于两点。将以前述两点为端点的空间曲线段分为4等分，过两端点及3个等分点分别作空间曲线的法向面，与骨盆相交得5个髋臼区域截面。从耻骨联合至骶髂关节方向，所得截面依次记述为截面1～5。各截面与空间曲线相交，其交点即为该截面的螺钉进钉点。经拟合及分割处理后，骨盆的三维模型如图2所示。

图1 平移切面划分髋臼区域Fig.1 Acetabular area deciding by plane-offseting

图2 经拟合和分割处理后的骨盆三维模型。(a)视图1；(b)视图2Fig.2 3D digital pelvic model with lineated curve and cross-sections. (a)View 1; (b)View 2

对所有截面，过各自进钉点作截面轮廓曲线，在该点的法向面与截面轮廓线相交得交点。对于截面1及截面5(见图3、4)，测量进钉点与该交点之间的距离为进钉深度d。由于截面2～4上的进钉点与髋臼窝区域的截面轮廓相对位置、截面轮廓线在髋臼窝及四方区两部分的总体走势均非常相似，呈近似的截面形态，在研究中采取类似的测量方法(见图5～7)：取点描绘截面中髋臼形态，拟合为一段小圆弧；考虑螺钉半径的影响，将其半径扩大1.75 mm后获得大圆弧。过进钉点作与大圆弧的切线，进钉点与切点间距即进钉深度d1、d2，切线与法向面的夹角为α、β；过进钉点作与扩大后圆弧的相切圆，圆半径为最短安全进钉深度d0，进钉点、切点连线与法向面的夹角为γ。

测量数据以均数±标准差表示，应用SPSS 19.0统计软件进行分析。数据呈现正态分布，对测量数据进行男女性别的t检验，P<0.05就认为差异有统计学意义。

图3 截面1Fig.3 Section 1

图4 截面5Fig.4 Section 5

图5 截面2Fig.5 Section 2

图6 截面3Fig.6 Section 3

图7 截面4Fig.7 Section 4

2 结果

测量结果如下：髋臼区域所做各个截面的进钉角度α、β、γ，进钉深度d1、d2、d0，见表2。

表2 测量结果的男女性别比较Tab.2 Results comparison between male and female

截面2中男性和女性的进钉深度d0分别为(14.25±3.27)mm和(12.60±3.53)mm，对应角度γ分别为26.45°±1.36°和22.65°±11.98°。截面3中男性和女性的进钉深度d0分别为(10.89±3.43)mm和(10.97±4.23)mm，对应的角度γ分别为29.07°±10.54°和23.84°±11.80°，角度β分别为-19.66°±12.71°和-28.59°±14.14°。截面4中d0深度是(16.89±4.25)mm,男性和女性的进钉角度γ分别为19.80°±7.73°和19.11°±8.07°，角度β分别为-14.11°±10.79°和-17.80°±7.99°。截面1中的进钉深度d，截面2中的进钉深度d0,截面3中的β、γ，以及截面4中的β和进钉深度d0，在男性和女性之间的差异具有统计学意义(P<0.05)。

通过测量结果可以发现，男性和女性在截面2中的进钉深度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)存在统计学差异，而其他测量数据在统计上没有表现出差异。对于截面1和5，由于髋臼窝基本不受影响，置钉方向比较自由。既往研究表明，在髋臼区域，长度为14 mm螺钉对骨质已有足够的把持力[3]。观察表中数据，截面1和5的垂直进钉深度均远大于14 mm,临床上对于骨质有足够的把持力，可以提供固定的强度。对于截面2～4，男性的最短进钉所在角度γ均大于女性(见图8)。再观察截面3和4的β，可以发现男性偏右方进钉角度的绝对值均大于女性(见图9)，但截面2的d0(即最短进钉深度)男性较女性深。可以认为，这些与男女性在骨盆髋臼区域外形上的差异有关。参照截面的形状来看，随着进钉角度的不断减小，螺钉走向偏向于外上方，其走形在髋臼骨质中的深度不断增加，所以角度越小、越偏向外上方越安全，且当角度超过右切线边界时螺钉可完全避开髋臼区域。考虑到髋臼的绝对危险区和相对危险区，临床上安全进钉角度尽量选取靠近外上方或四方区侧的角度，因为靠近垂直骨表面的方向时螺钉较易进入髋臼，即尽量偏向两边，而不可偏向中央髋关节处。此外，对于截面4，在进钉点做了14 mm圆弧以验证，发现大部分样本中14 mm圆弧与扩大后的髋臼区域无交点或相交很小。由此可认为，对截面4而言，14 mm的螺钉不但能够提供足够的把持力，且小角度的进钉方向已可提供较好的安全性。本研究的测量是以垂直于骨表面的基准面作为参考平面来确定螺钉的进钉角度，得出的数据相比之前的研究更加实用，在具体手术操作中有一定的指导意义。

图8 截面2～4的进钉角度γFig.8 Screw angles γ on Section 2～4

图9 截面2、3的进钉角度|β|Fig.9 Screw angles |β| on Section 2 and Section 3

通过对测量数据的整理，统计出最为安全的进钉角度与深度。表3显示了截面2～4中各安全角度与深度，以及在173例骨盆总体中抽样验证的结果。为设计出相应的内固定器，先依据产科医学对骨盆的分类，将数据按照骨盆分型分为男性型、女性型、扁平型、类人猿型。在此基础上，由于测量结果显示出男女性别的差异，每个骨盆分型再依次按性别分出男性、女性两种。由此，所有数据被分为8类：男性型男性、女性型男性、扁平型男性、类人猿型男性、男性型女性、女性型女性、扁平型女性、类人猿型女性。之后对每一类依照SQL标准进行抽样验证，可看出每种类型中有个别样本超出安全角度或深度的范围。为得到更加普遍适用的安全值，又将每项安全值扩大5°～12°不等，重新得到的新安全值及其验证情况如表4所示，可认为已经满足了绝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例骨盆总体中抽样验证的不合格数nTab.4 New safe screw insertion angles and number of exceptions in 173 models (n)

3 讨论

髋臼骨折所受暴力大、受伤机制复杂，髋臼位置的特殊性以及解剖关系的复杂性大大增加了髋臼骨折治疗的难度。用于髋臼骨折内固定的髋臼前柱和后柱钢板有固定风险，一旦螺钉穿入关节，将造成盆腔内血管或神经损伤，且会引起严重的并发症。临床上在采用髂腹股沟入路、Stoppa入路等前方入路固定髋臼骨折时，由于无法看到对侧的关节面，一旦螺钉发生方向偏离或位置错误，将会导致螺钉误入髋关节，造成软骨溶解或骨关节炎等严重的并发症[4-5]。如术中未被发现，术后可影响髋关节的活动而导致灾难性后果。曾有学者尝试扩大显露范围，切开关节囊，在直视下观察关节面，活动髋关节时，用听诊器贴近髂骨内板进行听诊，以便早期发现螺钉是否误入髋关节。Guy等[6]采用CT平扫和三维重建的方法，对髋臼的解剖进行影像学研究，通过测量坐骨棘、坐骨大切迹及闭膜管顶部至髋臼缘的距离来确定置钉安全区，从而避开危险区域置钉。不同研究对髋臼骨折内固定提出了不同的参考固定方案，但不足之处是这些方法均不同程度地增加了手术创伤或手术时间。

Benedetti等在研究前柱时使用横切法，即垂直于前柱长轴，起始于髋臼下缘，向上以1 cm为间距将髋臼横行切断[4]。发现前柱厚度自髋臼下缘以上1、2、3 cm处的平均厚度为(31.0±4.7)、(34.2±5.1)、(39.4±6.2)mm，在髋臼下缘上1 cm、距离骨盆侧缘0.5 cm处以与前柱垂直且与髋臼弧度相切进针，角度为29.4°±4.4°，可以避免螺纹钉穿入关节腔。同样，在髋臼下缘上2 cm、距离骨盆侧缘0.5cm处的进针角度为29.2°±5.5°；在髋臼下缘上3 cm、距离骨盆缘0.5 cm进针，角度为20.7°±4.3°，同样安全。同时强调，在前柱放置螺钉固定时，应以手指能触摸到前柱的各种标志点为好。

宋朝晖等通过试验，分析了在距髋臼上缘不同距离上的相对危险区占整个后柱的比例[7]。得出结论：在危险区内不能垂直置钉，如果垂直于后柱表面置钉则螺钉必入髋关节；在相对危险区内，可以适当角度放置螺钉。

Ebraheim等在研究后柱时使用横切法，即垂直于后柱长轴方向，起始于髋臼下缘，以1 cm为间距向上横断髋臼[8]。其危险区在骨盆侧缘的半圆形，在距髋臼后柱骨盆缘2 cm处的垂直后柱，与髋臼弧形处切的安全角度为45°，而在距骨盆缘3 cm处的安全角度为15°。研究证实，在同一点不按测量角度进钉，螺钉易误入髋关节内，后柱存在半圆形的髋臼投影，即临床手术固定危险区。

钢板技术对于髋臼区域骨折固定已普遍应用，如何能保证既获得坚强内固定又防止螺钉穿入关节内等严重并发症的发生，这些方面的定量研究资料较少，且已有的研究往往存在某些缺陷。既往的髋臼区域置钉研究往往都是单一集中于髋臼的前柱或后柱[9-10]，因此在本研究中，测量了沿弓状线走行的髋臼区域置钉情况，包括整个髋臼区域。在测量置钉角度与深度时，对髋臼边缘线进行了1.75 mm的近似偏置，用于排除钉子截面半径对测量结果的影响。

如图10所示，截面1～5对应的手术入路可操作角度范围依次为：-10°～60°，0°～75°，0°～60°，10°～80°，10°～60°。将此范围与上述截面2～4置钉角度的新安全值加以对照，并联系截面1、5的置钉角度测量数据，可为实际骨盆手术置钉方向提供下述参考指导：

图10 截面1～5对应的手术入路可操作角度范围。(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)对于截面1、5，由于髋臼窝基本不受影响，置钉方向比较自由，观察表2中数据，截面1、5的垂直进钉深度均远大于14 mm,临床上对于骨质有足够的把持力，可以提供固定的强度，故可直接取入路范围中间值为实际置钉方向，截面1、5的理想临床置钉角度依次为25°、35°。

2)对于截面2、3，可见截面轮廓将内侧下方(即左侧的可置钉区域)限制为狭窄的细长区域，实际手术难以操作，而外侧上方(即右侧)置钉的临床可行性又差，故综合考虑，临床上置钉应避开这两个截面。由于截面2轮廓的特殊性，如必须置钉可在0°(即垂直骨表面)方向实现安全置钉。

3)对于截面4，观察表4中数据，男性、女性的安全左侧角度依次为75°、79°，安全右侧角度依次为-33°、-34°，再将手术入路可操作角度作为参考综合考虑，可认为临床安全置钉方向在内侧下方(即左侧)，男性、女性角度依次为75°、79°，且此角度在实际操作中非常接近于临界角度，在一些手术中不排除难以操作的可能性。

4 结论

利用CT数据建立骨盆的三维模型，并对髋臼区域各置钉截面的关键几何特征进行三维数字测量，这种研究方法比传统的标本测量研究更精确可靠，同时数字化测量的可重复性强，方便进行大样本量的测量及统计。通过数字化研究，结合手术入路的可行性，得到安全可靠的置钉角度与深度并加以验证，为实际骨盆手术置钉方向提供如下参考指导：截面1、5的理想临床置钉角度依次为25°、35°，可置钉深度远大于14 mm；临床上置钉应避开截面2、3，如必须置钉，可在截面2的0°(即垂直骨表面)方向实现安全置钉；截面4上男性、女性的安全置钉角度依次为75°、79°，但这两个角度在一些手术中不排除难以操作的可能性。

本研究采用以垂直于骨表面的基准面作为参考平面的方法，得到的测量及统计结果与临床操作的角度相似，在可以更好地指导临床进钉的同时，可望据此设计出带有相应方向导向孔的内固定器，以提高髋臼骨折内固定的下缘置钉安全性，使临床操作更简单、快捷、有效。

[1] Kacra BK, Arazi M, Cicekcibasi AE, et al. Modified medial Stoppa approach for acetabular fractures:an antomic study[J]. Trauma, 2011, 71: 1340-1344.

[2] Hirvensalo E, Lindahl J, Kiljunen V. Modified and new approaches for pelvic and acetabular surgery[J]. Injury, 2007, 38(4): 431-441.

[3] Tseng Yuchuan，Hsieh Chihsin，Chen Chungho，et al． The application of mini-implants for orthodontic anchorage[J]．Int J Oral Maxillofae Surg, 2006, 35: 704-707.

[4] Benedetti JA，Ebraheim NA，Xu R，et al．Anatomic considerations of plate-screw fixation of the anterior column of the acetabulum[J]． Orthop Trauma，1996，10：264-272.

[5] Kumar A, Shah NA, Kershaw SA et al. Operative management of acetabular fractures. A review of 73 fractures[J]. Injury, 2005, 36: 605-612.

[6] Guy P, Al-Otaibi M, Harvey EJ, et al. The “safe zone”for extra-articular screw placement during intra-pelvic acetabular surgery[J]. Orthop Trauma, 2010, 24: 279-283.

[7] 宋朝辉，张英泽.髋臼后柱螺钉固定安全性的解剖学研究[J].中国临床解剖学杂志，2004，22：136-138.

[8] Ebraheim N,Waldrop J, Yeasting RA, et al. Danger zone of the acetabulum[J]. Orthop Trauma, 1992, 2: 146-151.

[9] Wang Xianquan，Cai Jinfang，Cao Xuecheng，et al．A quantitative anatomic study of plate-screw fixation of the acetabular anterior column through an anterior approach[J]． Arch Orthop Trauma Surg， 2010, 130: 257-262．

[10] Shiramizu K, Naito M, Yatsunami M. Quantitative anatomic characterisation of the pelvic brim to facilitate internal fixation through an anterior approach[J]． Orthop Surg(Hong Kong)， 2003, 11: 137-140．

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， 录用日期:2015-09-30

国家基础研究发展规划重大项目(973计划)(2011CB711000)；国家自然科学基金(81272002);上海交通大学医工交叉基金重点项目(ZHYXXM20110001)

R318

A

0258-8021(2016) 01-0071-08

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