基于中國人腰骶區(qū)解剖參數(shù)不同軌跡螺釘?shù)挠跋駥W(xué)研究

丁紅濤 劉玉增 海 涌 關(guān) 立 潘愛星 張希諾 韓 渤 李 越

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院骨科，北京 100020)

腰骶段具有復(fù)雜的解剖學(xué)特征。相比于在冠狀位上活動有限，腰骶節(jié)段在矢狀位上存在較大的活動度。腰椎的前凸導(dǎo)致腰骶段間隙角度頗為陡峭，形成的載荷矢量在腰骶段產(chǎn)生了較大的平移剪切力，這些解剖學(xué)因素與力學(xué)特點加上骶骨較差的骨質(zhì)情況，為腰骶段堅強(qiáng)固定融合帶來了挑戰(zhàn)[1-3]。在進(jìn)行長節(jié)段固定融合至骶骨時，S2AI螺釘因融合率高、內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率低成為目前的主流固定方式[4-5]，但其額外的局部軟組織破壞以及準(zhǔn)確置釘所需要的術(shù)者較高的操作技術(shù)[5-6]，讓短節(jié)段腰骶融合仍青睞于終止在S1節(jié)段。目前S1內(nèi)固定技術(shù)主要有S1椎弓根螺釘(pedicle screw, PS)、S1皮質(zhì)骨螺釘(cortical screw, CS)以及骶骨翼螺釘(sacral alar screw, SAS)。本研究旨在通過對骶骨計算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)資料進(jìn)行三維重建，描述3種內(nèi)固定方式的影像學(xué)參數(shù)并進(jìn)行對比，分析3種內(nèi)固定方式的可靠程度。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究為回顧性研究，經(jīng)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，收集2019年1月至2019年12月首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院行腰骶段CT三維掃描的非骨科疾病中國人受試者CT資料，共獲得42例受試者數(shù)據(jù)，其中男性20例，女性22例，年齡41～67歲，平均年齡(55.14±8.35)歲。所有腰骶段CT掃描患者均無骨性疾病或畸形。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與建模

所獲得CT掃描資料從PACS系統(tǒng)(美國GE公司)導(dǎo)出DICOM格式文件，使用MIMICS軟件(V21.0，比利時Materialise公司)進(jìn)行處理分析，采用該程序使2D圖像轉(zhuǎn)換為3D模型，并在3D模型上按照預(yù)定設(shè)計進(jìn)行準(zhǔn)確釘?shù)肋x擇、切割與測量。由于本研究主要關(guān)注不同S1螺釘?shù)尼數(shù)绤?shù)與可靠性能上，所以該軟件的精確程度理論上可以保證研究的可行性與準(zhǔn)確性。

將所有受試者CT掃描數(shù)據(jù)按照DICOM格式下載并導(dǎo)入到MIMICS軟件中，以2維圖像為基礎(chǔ)，進(jìn)行3D模型重建。按照合適的灰度值重建骨骼圖像。本研究選擇226～1 600個Hounsfield單位為骶骨閾值[7]，在MIMICS界面上進(jìn)行3D計算與重建，適當(dāng)二次處理以獲得精確的解剖定位。圖像準(zhǔn)備完成后，在3D模型上進(jìn)行釘?shù)罉?biāo)識，并測量相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.3 影像數(shù)據(jù)測量

1.3.1 確定椎弓根螺釘、皮質(zhì)骨螺釘和骶骨翼螺釘?shù)倪M(jìn)釘點與終點

椎弓根螺釘進(jìn)釘點位于S1關(guān)節(jié)突外側(cè)緣的垂直線與關(guān)節(jié)突下緣的水平線的交點上，終點位于S1上終板最前側(cè)皮質(zhì)[8-9]。皮質(zhì)骨螺釘進(jìn)釘點位于S1上關(guān)節(jié)突中垂線與L5下關(guān)節(jié)突下方3 mm處水平線的交點，終點位于S1上終板前1/3最外緣處[8]。骶骨翼螺釘進(jìn)釘點位于L5/S1關(guān)節(jié)突下緣水平線向外1 mm處，終點位于骶骨翼的最前方皮質(zhì)[10-11]。各釘?shù)朗疽鈭D見圖1。

圖1 螺釘示意圖Fig.1 Schematic diagram of screw trajectoryA: pedicle screw; B: cortical screw; C: sacral alar screw.

1.3.2 椎弓根螺釘、皮質(zhì)骨螺釘和骶骨翼螺釘數(shù)據(jù)測量

最長釘?shù)赖拈L度、外展角(transverse angle, TA)、尾傾角(sagittal angle, SA)(與S1上終板之間的夾角)(圖2)。

圖2 螺釘夾角測量Fig.2 Measurement of screw angleA: screw transverse angle; B: sagittal angle.

1.3.3 CT值數(shù)據(jù)測量

每個釘?shù)郎?，分別以3 mm為半徑圓形的CT值測量工具測量入釘點、釘?shù)澜K點以及其中點區(qū)域的CT值，然后獲得每個通道3個區(qū)域骨CT值的平均值，分別為CTA、CTB、CTC(圖3)。由于解剖差異的存在，為了較為準(zhǔn)確的比較不同個體之間不同通道上平均骨CT值，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將3組數(shù)據(jù)取平均，得到平均骨CT值。

圖3 椎弓根螺釘CT值測量位置Fig.3 Measurement position of CT value in pedicle screw A: measurement position of CT value in the area of the screw insertion point； B： measurement position of CT value in the midpoint area of the screw trajectory; C: measurement position of CT value in the end area of the screw; CT: computed tomography.

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 釘?shù)篱L度與角度

S1骶骨翼螺釘釘?shù)劳庹辜s(63.51±8.68)°，尾傾角約(36.62±10.97)°，長約(41.74±3.33)mm，其中女性人群釘?shù)劳庹菇嵌扰c長度略大于男性人群(P<0.05)；S1皮質(zhì)骨螺釘釘?shù)儡壽E外展約(5.62±3.69)°，頭傾角約(6.60±4.88)°，長約(31.60±4.23)mm，男性外展角度略大于女性人群(P<0.01)；S1椎弓根螺釘釘?shù)纼?nèi)收約(29.42±3.89)°，尾傾角約(15.60±6.58)°，長度約(48.12±5.44)mm，男性釘?shù)垒^女性人群略長(P<0.01)。S1各釘?shù)啦煌詣e之間的情況見表1。

表1 各釘?shù)烙跋駞?shù)不同性別間比較

2.2 不同軌跡釘?shù)繡T值

S1不同釘?shù)篱L度與CT值見表2，椎弓根螺釘長度顯著大于骶骨翼螺釘與皮質(zhì)骨螺釘，而骶骨翼螺釘?shù)钠骄鵆T值顯著高于椎弓根螺釘，但骶骨翼螺釘釘?shù)乐悬c的CT值較另兩種釘?shù)里@著更低(P<0.01)。各組間比較見圖4。

表2 各釘?shù)篱g影像學(xué)參數(shù)比較

圖4 三組間螺釘釘?shù)篱L度、釘?shù)繡T值比較Fig.4 Comparisons of screw trajectory and CT value of screw trajectory among three groupsA: length of screw trajectory; B： average CT value of screw； *P<0.05， **P<0.01, ***P<0.001; CT: computed tomography; SAS: sacral alar screw; CS: cortical screw; PS: pedicle screw; HU: Hounsfield.

3 討論

腰骶部退行性疾病如L5/S1節(jié)段腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥、腰椎滑脫癥等常需要進(jìn)行腰骶部固定融合[12]。盡管外科技術(shù)近些年取得了進(jìn)步，由于局部解剖困難、骶骨傾斜形成的載荷矢量以及骶骨較疏松的組織特點，實現(xiàn)堅強(qiáng)的腰骶節(jié)段固定融合仍然是一個重要的臨床問題，假關(guān)節(jié)形成、內(nèi)固定失敗和矢狀面失衡等并發(fā)癥仍然是亟待解決的臨床問題[3]。

腰骶部內(nèi)固定有兩種基本技術(shù)：骶骨固定和骶髂固定。自從Galveston髂骨固定器械問世以來，髂骨固定一直被認(rèn)為是一種更牢固的內(nèi)固定方法[13]。 雖然髂骨螺釘作為遠(yuǎn)端固定點在臨床與生物力學(xué)上已被驗證可行，但該技術(shù)在軟組織剝離與處理、干擾植骨骨源獲取、骶髂關(guān)節(jié)破壞等方面還存在問題，所以其多用于長節(jié)段腰骶融合，如脊柱畸形等的治療[14]。

目前用于單純骶骨固定的手術(shù)方法很多，骶骨椎弓根螺釘固定、皮質(zhì)骨螺釘固定、骶骨翼螺釘固定等[8-9, 15]。臨床中以椎弓根螺釘與皮質(zhì)骨螺釘應(yīng)用較廣，研究通過各種方法比較了兩種內(nèi)固定方式用于腰骶部固定的穩(wěn)定性與可靠性。既往研究[16-19]表明，螺釘置入力矩與穩(wěn)定性之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。Matsukawa等[8]發(fā)現(xiàn)，采用S1皮質(zhì)骨螺釘其平均置入力矩約為(2.96±1.33)Nm，顯著高于Luk等[16]報道的椎弓根螺釘置入力矩(1.98±0.76) Nm與Zhu等[17]報道的 (1.93±0.67)Nm。而在腰椎，更多的研究[20-22]均驗證了皮質(zhì)骨螺釘更加優(yōu)異的抗拔出力與生物力學(xué)強(qiáng)度。但關(guān)于S1骶骨翼螺釘?shù)拿枋霾⒉欢嘁姟１狙芯炕诟麽數(shù)赖挠跋駥W(xué)參數(shù)，對3種不同的置釘類型進(jìn)行分析比較。

本研究按照以往文獻(xiàn)[23]描述在三維模型中確定釘?shù)牢恢?，分別測量釘?shù)赖拈L度、角度與CT值。既往研究[8]顯示，增加與椎體骨質(zhì)的把持長度可以有效增加螺釘?shù)牧W(xué)強(qiáng)度。本研究中S1椎弓根螺釘、骶骨翼螺釘與皮質(zhì)骨螺釘長度分別為(48.12±5.44)mm、(41.74±3.33)mm與(31.59±4.23)mm，其中S1皮質(zhì)骨螺釘長度與Cho等[24]描述的(31.5±3.5)mm相似，但同時該研究還發(fā)現(xiàn)，雖然皮質(zhì)骨螺釘釘?shù)篱L度較短，但其置釘力矩卻比傳統(tǒng)螺釘高出41%。這是因為螺釘?shù)牧W(xué)強(qiáng)度不僅與釘?shù)篱L度有關(guān)系，還和釘?shù)儡壽E所穿越的骨質(zhì)密度情況有關(guān)。

Hounsfield(HU)值又稱CT值，是組織在CT掃描結(jié)果中顯示密度大小的計量單位。多個研究[25-28]顯示，HU值與骨密度呈正相關(guān)，可以作為在脊柱融合手術(shù)前預(yù)測骨質(zhì)情況與釘?shù)揽煽砍潭鹊挠行侄?。既往也有研究[29]使用HU值來比較椎弓根螺釘與皮質(zhì)骨螺釘釘?shù)赖墓琴|(zhì)強(qiáng)度，該方法已被證實可行且發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨螺釘軌跡骨密度隨年齡衰減速度與釘?shù)揽煽砍潭蕊@著優(yōu)于椎弓根螺釘。本研究中，皮質(zhì)骨螺釘釘?shù)榔骄鵋U值顯著高于椎弓根螺釘，與Zhang等[30]研究結(jié)果相似。

骶骨翼螺釘釘?shù)赖钠骄鵆T值為(483.12±142.74)HU，雖然釘?shù)乐胁康墓敲芏蕊@著低于另外兩種釘?shù)溃鹗疾亢徒K點卻與皮質(zhì)骨螺釘?shù)墓敲芏认嗨苹蚵愿?，致使其平均CT值與皮質(zhì)骨螺釘釘?shù)老嗨?，而顯著高于椎弓根螺釘，所以可以將骶骨翼螺釘視作為一種雙皮質(zhì)固定，亦可作為骶骨固定的替代方案之一,但這僅是影像學(xué)參數(shù)的結(jié)果，還需要生物力學(xué)的研究進(jìn)一步加以驗證。

既往并無較多骶骨翼螺釘?shù)纳锪W(xué)強(qiáng)度與使用經(jīng)驗，因骶骨翼較低的骨密度，使得該固定方式未成為骶骨固定的常用方案，僅在某些特殊情況如S1椎弓根缺損、椎體畸形病變等無法置入椎弓根螺釘時，才考慮使用骶骨翼螺釘作為替代。但本研究發(fā)現(xiàn)，其釘?shù)篱L度與平均CT值均不遜于傳統(tǒng)椎弓根螺釘與皮質(zhì)骨螺釘，所以臨床中可以嘗試采用骶骨翼螺釘進(jìn)行腰骶部固定手術(shù)。

骶骨翼螺釘進(jìn)釘點靠近中線，與皮質(zhì)骨螺釘?shù)倪M(jìn)釘點較為接近，使得腰骶部采用皮質(zhì)骨螺釘聯(lián)合骶骨翼螺釘固定融合更為方便。在進(jìn)行腰骶長節(jié)段固定融合時，為避免S2AI螺釘?shù)牟l(fā)癥，Mayer等[31]建議采用S1椎弓根螺釘聯(lián)合骶骨翼螺釘?shù)乃腻^定點的方式提高內(nèi)固定強(qiáng)度，研究證實其穩(wěn)定性可獲得較大的提升，為腰骶固定提供更多的思路與解決方案。

本研究也存在許多不足之處，如納入樣本量小、年齡分布不均、無骨密度值作為參考等，不能提供說服力較強(qiáng)、覆蓋范圍更廣的論據(jù)以支持本研究的結(jié)論；此外,數(shù)據(jù)的采集也會存在一定測量誤差。需要大樣本全方位的生物力學(xué)研究以驗證本研究的發(fā)現(xiàn)。