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计算机辅助三维导航下经皮骶髂螺钉固定骨盆后环损伤

2014-02-13贾帅军吕尚军贺利军

中国骨与关节杂志 2014年7期
关键词:骶髂导针骨盆

贾帅军 曹 峥 吕尚军 贺利军 刘 建

. 论著 Original article .

计算机辅助三维导航下经皮骶髂螺钉固定骨盆后环损伤

贾帅军 曹 峥 吕尚军 贺利军 刘 建

目的探讨计算机辅助三维 ( three dimensional,3D ) 导航引导下经皮骶髂螺钉固定骨盆后环损伤的安全性和治疗效果。方法2009 年3 月至 2012 年12 月,采取 3D 透视导航经皮置入骶髂螺钉治疗骨盆后环损伤患者18 例:其中男13 例,女5 例,年龄23~61 岁 ( 平均 40.2 岁 );交通伤12 例,坠落伤5 例,房屋倒塌砸伤1 例。伤后就诊时间3 h 至5 天 ( 平均25 h )。按照 AO 损伤分型:B1.2 型3 例,B2.2 型2 例,C1.2 型7 例,C1.3 型5 例,C2.3 型1 例。结果术中置入共计 40 枚骶髂螺钉,每枚螺钉置入耗时20~38 (29.12±3.00 ) min,每枚螺钉术中透视时间3.5~5.2 (4.55±0.80 ) min,每枚螺钉出血量约10~20 ml。所有患者螺钉置入位置均较为满意,无穿透骨质进入关节腔及骶管现象出现,无伤口感染发生,术后均未出现明显神经系统并发症。采用 Matta 评分标准评价损伤复位情况:优12 例,良5 例,可1 例,总体优良率 94%。采用 Majeed 骨盆损伤量化评估体系进行功能评价:优11 例,良7 例,总体优良率 100%。结论计算机辅助 3D导航下经皮骶髂螺钉置入提供了一种治疗骨盆后环损伤安全有效的技术选择。

图像解释,计算机辅助;内固定器;骶髂关节;创伤和损伤;骨盆

伴随着社会工业化进程的加速,骨盆损伤日益多见,多数由交通事故、高处坠落及工业意外引发,属于严重的骨科创伤,死亡率可高达5%。AO B 型及 C 型骨盆损伤主要涉及骨盆后环不稳,多数伴有多发伤及血流动力学改变,及时、确切的恢复骨盆稳定性对于患者全身情况进一步处理及改善预后尤为重要[1]。经皮螺钉置入手术中使用传统 X 线透视技术获取可视化图像已经成为国内外多数医院的操作标准,然而其存在着较高的螺钉置入位置不良、重复钻孔置钉、固定不稳固及损伤神经血管等风险。仅依靠单一的可视图像准确确定进针点和正确的置钉通道是非常困难的,目前国内使用二维( two dimensional,2D ) 导航系统经皮置入骶髂螺钉治疗骨盆后环损伤已经开展较多,但基于三维 ( three dimensional,3D ) 图像的导航和重建技术报道仍较少。2009 年3 月至 2012 年12 月,我院创伤骨科采取 3D 导航经皮置入骶骨螺钉治疗 B 型及 C 型骨盆损伤 ( AO ) 患者18 例,旨在进一步探讨 3D 导航微创技术应用于骨盆损伤的适应证和操作规范,并对手术效果进行评价。

资料与方法

一、一般资料

本组18 例中,男13 例,女5 例,年龄23~61 岁 ( 平均 40.2 岁 )。致伤原因中交通伤12 例,坠落伤5 例,房屋倒塌砸伤1 例。受伤后至诊时间3 h至5 天 ( 平均25 h )。按照 AO 损伤分型:B1.2 型3 例,B2.2 型2 例,C1.2 型7 例,C1.3 型5 例,C2.3 型1 例。其中伴有休克2 例,肠道损伤1 例,尿道损伤1 例,胸部损伤3 例,脊柱损伤4 例,骶神经损伤1 例,髋臼损伤2 例,股骨损伤3 例。所有患者骨盆挤压、分离试验均呈阳性。

二、术前处置

术前对患者合并损伤行相应处理,维持生命体征稳定。全部病例均行股骨髁上牵引5~7 天,牵引配重为患者体重的1 /5~1 /7,持续牵引过程中不减轻重量,所有患者经牵引后无明显下肢缩短。手术时机选择在患者生命体征平稳、损伤基本闭合复位后,本组所有患者均在15 天,平均6 天内进行手术。

三、导航手术操作

采用 3D C 型臂 X 线机 ( Arcadis orbic 3D,Siemens,Germany ),可视导航设备 ( Laptop,Stryker,US ),6.5 mm 空心螺钉 ( Stryker,US ),可透 X 线的手术床,所有患者均全麻后取仰卧位,患侧使用牵引床牵引,C 型臂下透视见损伤复位良好。

1. 注册校准:术者立于患者损伤侧,导航设备置于患者头侧,工作站置于术者对面,C 型臂 X 线机置于患者左侧,并确保 C 型臂围绕骨盆旋转扫描时不碰撞任何物体,连接 3D 影像系统与导航系统。在对侧髂前上棘固定示踪器并注册 ( 安置完毕后禁止变动其与骨盆相对位置 ),开启套筒安装工具,通过校准器对套筒进行线校准及点校准,同时在 C 型臂机上安装靶罩及示踪器并开启 ( 图1),确保3 个示踪器均在导航仪探测范围。

2. 图像采集:术前采集患者的 X 线片及 CT 影像资料以详细确定损伤类型 ( 图2),明确骶髂螺钉进针点、进入方向、置入深度及螺钉数量[2]。术中采集骨盆正、侧位图像作为选择扫描中心的依据,将骶髂关节调整为投照中心,随后 C 型臂自动环绕手术中心旋转 190 ℃,获取手术部位12.5 cm3容积的扫描数据并将 100 帧图像传输至影像工作站,在屏幕上同时显示矢状面、横断面、冠状面的图像以指导手术 ( 图3)。

图1 导航设备建立过程 a:套筒校准;b:C 型臂注册Fig.1 The set-up procedure of 3D navigation equipment a: Register the equipment; b: Register the C-arm by3 detectors

3. 螺钉固定:当导航工具靠近骶髂关节外侧面时,显示器上出现虚拟导针,根据骶骨侧位观选择合适的进针点及进针方向,可依据导航虚拟探测( 图3)。根据损伤情况选择置入 S1单螺钉或 S1、S2平行双螺钉固定,于进针点切2 cm 切口,钝性分离皮下组织及肌肉直抵髂骨面。插入套筒再次确定虚拟导针方向,在多个平面上确认其都能穿过损伤线。通过套筒打入直径3 mm 导针,在透视下确认导针轴向、长度、位置及损伤复位情况。依据导针长度拧入所选长度带垫圈的6.5 mm 空心螺钉[3],最后透视确认螺钉位置良好、长度适宜、损伤复位理想( 图4)。

图2 骨盆损伤患者术前影像资料 a:骨盆正位片;b:骨盆入口位片;c:骨盆出口位片;d:骨盆 CT 横断面图片Fig.2 The preoperative image data of the patients with pelvic injuries a: Anteroposterior view; b: Inlet view; c: Outlet view; d: Cross-sectional view of the pelvic CT scan image

四、术后处理

有的施工项目为了赶工期,不组织相关的技术人员进行施工现场质量控制试验,而是盲目赶进度、赶工期,导致混凝土配比不能满足施工要求、灌浆压力不够等问题。不按施工程序施工,往往会造成水利工程的质量安全隐患,甚至严重威胁项目区人民的生命财产安全。

所有患者术后均拍摄骨盆正位、入口位、出口位 X 线片,采用 Matta 等[4]标准评价损伤复位情况,根据损伤最大位移划分为不同等级:优 ( 位移≤4 mm ),良 (4~10 mm ),可 (10~20 mm ),差( ≥20 mm )。术后指导患者在病床上活动,训练腰腹部及腿部肌肉力量。术后第2 天开始患侧下肢不负重功能训练,术后6 周第1 次拍片复查,开始部分负重锻炼,术后12 周第2 次拍片复查,开始完全负重锻炼。采用 Majeed[5]标准对患者术后功能恢复进行评价,包括疼痛 30 分、站立 36 分、坐下10 分、工作能力20 分、性功能4 分等5 个方面,采用 100分制,划分为不同等级:优>85,良 84~70,可69~55,差<55。

图3 3D 影像导航下虚拟导针进入方向Fig.3 The direction of the visual guide pin with the use of 3D fluoroscopic navigation

图4 透视下确认导针和骶髂螺钉置入 a~b:3D 导航下沿虚拟导针方向打入导针;c~d:沿导针拧入空心螺钉Fig.4 The guide pin and iliosacral screw were inserted by use of 3D fluoroscopic navigation a-b: The guide pin was inserted along the visual direction by use of 3D fluoroscopic navigation; c-d: The hollow screw was inserted along the direction of the guide pin

结 果

本组18 例建立导航系统耗时15~35 (20.03±2.10 ) min,每枚螺钉置入耗时20~38 (29.12±3.00 ) min ( 其中包括导航系统建立、导航下经皮螺钉置入总时间 ),每枚螺钉术中透视时间3.5~5.2 (4.55±0.80 ) min,同时行髋臼损伤固定术者术中失血 1000~1600 ml,其余患者每枚螺钉置入出血量约20 ml。

所有患者术后通过 X 线片及 CT 影像资料确定螺钉置入位置均较为满意 ( 图5),未发生二次旋转移位,无穿透骨质进入关节腔及骶管现象出现,无切口感染发生。采用 Matta 评分标准评价损伤复位情况:优12 例,良5 例,可1 例,总体优良率 94%。

本组18 例均获3 个月至2 年的随访,平均13 个月,其中3 例超过1 年。损伤愈合时间 70~93 天,平均 ( 82±10 ) 天,本组患者术后均未出现明显神经系统并发症,采用 Majeed 标准量化评估患者术后功能恢复情况显示:优11 例,良7 例,总体优良率 100%。

图5 骨盆损伤患者术后影像学资料 a:骨盆正位片;b:骨盆入口位片;c:骨盆出口位片Fig.5 The postoperative image data of the patient with pelvic injuries a: Anteroposterior view; b: Inlet view; c: Outlet view

讨 论

经皮骶髂螺钉置入已经成为固定不稳定骨盆环损伤的常规治疗方法,但由于骨盆后环解剖结构复杂、骶骨上段变异等因素,如何安全有效的使用该方法仍然充满挑战[6]。传统 X 线透视下骶髂螺钉置入技术常因为患者肥胖、肠道气体、粪块、骨盆发育不良、X 线图像质量欠佳等原因难以获取满意的术中指导影像,导致螺钉置入位置不佳、置入过程中多次修正钉道、术中血管神经损伤等不良反应,因而多种计算机导航技术被引入到该项手术中,以提高螺钉置入的安全性、减少放射线暴露时间并减少并发症的发生[7]。

一、3D 导航手术主要优势

3D 导航技术是近年来兴起的具有代表性的计算机辅助骨科手术 ( computer-assisted orthopedic surgery,CAOS ) 技术之一[8],相对于传统 X 线透视和 2D 导航技术,3D 导航能够提供更高分辨率的术中图像,其质量已经非常接近 CT 图像,同时其能够显示骨盆轴位图像。Stockle 等[9]认为 3D 导航术中提供的轴位图像对于骨盆手术具有重要的指导意义,能够为术者提供更多的观察角度、帮助设计出更为安全的手术通道。Zwingmann 等[6]通过系统对比 CT、2D、3D 导航辅助骶髂螺钉置入技术,并对相关文献进行 Mate 分析后认为,3D 导航相对于 CT导航的根本优势在于其适用于大多数骨盆损伤伤情并能够适应更加复杂的手术要求,特别是需要进行术中旋转牵引复位或附加使用额外的固定方式时更为有效。CT 导航需要使用 O 型扫描设备,并且注册程序更加复杂,而 3D 导航 C 型臂较 CT 导航具有更好的操作性和移动性,其甚至可以作为骨盆开放手术的一项有益补充工具,因而具有更为广阔的使用领域。

本组病例 3D 导航下经皮骶髂螺钉置入过程中,一次置钉成功率较高、避免了反复修正钉道,所有螺钉置入位置均较为满意。Zwingmann 等[10]通过系统对比多种导航辅助技术与传统透视经皮骶髂螺钉固定技术后发现,传统透视经皮螺钉置入错位率为2.6%,而导航辅助技术错位率在 0.1%~1.3%,差异有统计学意义;传统透视经皮螺钉置入过程中钉道修正率为2.7%,导航辅助技术修正率在0.8%~1.3%,显示导航技术能够有效提高手术操作精确度并降低钉道修正的发生率,减少术后并发症的出现。其他学者的研究也证明了术中导航系统所获得的高质量图片能够有效引导骶髂螺钉置入,并大量减少钉道修正的发生[9]。

本组18 例骨盆损伤复位总体优良率 94%,Zwingmann 等[10]通过 Mate 分析得出传统透视下经皮螺钉置入术后骨盆损伤复位优良率为 92%,与本研究结果类似。Gras 等[11]利用 2D 导航辅助骶髂螺钉置入固定骨盆损伤,损伤复位优良率达到 100% ( 损伤移位<5 mm )。笔者认为由于经皮螺钉置入患者多数在手术前能够通过牵引达到损伤复位,或在手术过程中经皮螺钉置入前已经通过微创或有限切开方法实现了损伤复位,因而传统透视方法与导航辅助方法在损伤复位程度上不会有较大差异,其主要取决于手术者对于损伤复位方法的选择和操作经验。

本组病例中每枚螺钉置入耗时20~38 (29.12±3.00 ) min 统计时间包含了导航系统建立、C 型臂环绕扫描、经皮螺钉置入总时间。Zwingmann 等[7]对比了导航组手术时间 52~106 ( 72±16 ) min,传统组手术时间 30~133 ( 69±38 ) min,发现两组间差异无统计学意义;而在同时使用外固定架情况下导航组手术时间 41~142 ( 87±30 ) min,传统组手术时间 37~114 ( 74±24 ) min,导航组耗时多于传统组。其认为可能是由于导航设备过于复杂,干扰了额外的外固定架安装,并且需要多次重新建立导航耗时较多导致。笔者认为对比不同研究者间导航手术耗时差异可能是非常困难的,因为每位手术者所使用的导航设备以及患者骨盆损伤的具体情况可能都不具有比较性,而且不同手术者对于骨盆损伤的治疗经验以及对于导航设备的熟悉程度也是影响手术时间的重要因素之一,有可能对手术时间产生更多影响。

传统透视下经皮螺钉置入手术过程中,患者、术者及手术室人员经常会暴露在较高的电离辐射中[12]。多项研究显示,传统透视下单枚螺钉平均透视间 126 s[9],甚至有病例报道最长辐射时间18 min[13]。Zwingmann 等[7]对比了单枚螺钉置入所需放射时间和剂量在 3D 导航技术 ( 63±15 s,822±164 cGy / cm2) 和传统经皮技术间的差异 ( 141±69 s,1843± 1052 cGy / cm2),显示两种方法在辐射暴露时间及暴露剂量上均存在差异显著性。本组病例中每枚螺钉术中透视时间3.5~5.2 min,相较于传统透视方法辐射时间并没有显著减少,主要是由于 C 型臂环绕手术中心扫描时所耗费时间较多,但此时手术人员可以暂时撤离照射区域,并且其随后手术过程中无需多次透视,因而其所受放射量相对传统透视手术是减少的而非增加。

本组所有患者术后,均通过影像学评估均未出现损伤的再次移位,固定效果确切。Zwingmann等[10]通过 Mate 分析显示传统透视方法出现损伤再次移位5~10 mm 为 60.6%,10~15 mm 占5.1%;导航方法损伤术后二次移位5~10 mm 为 19.9%,没有出现移位超过10 mm 者。传统透视方法损伤再次移位高于导航方法,可能是由于传统透视下螺钉置入手术中手术者反复利用克氏针钻孔定位造成螺钉周围骨量丢失,导致术后负重活动后螺钉松动引发移位。笔者认为骨盆损伤治疗中并不强求完全的解剖复位,损伤移位或再次移位<5 mm 可能并不具有过多临床意义,只要患者获得坚强内固定并避免过早负重,一定范围内的损伤位移对于损伤愈合和神经功能可能并不具有重大影响,但是这样的影像学评价手段对于衡量手术操作技术优劣还是具有一定意义。

本组患者术后功能恢复总体优良率 100%。Zwingmann 等[10]通过 Mate 分析发现传统方法螺钉置入随访15~33 个月,同样采用 Majeed 标准评价术后功能,结果优良率 90%,可7%,差3%。同时有多位学者报道[9],骨盆损伤患者采用导航方法术后功能恢复优于传统透视方法,可能与导航辅助操作具有更高的螺钉置入准确率和更低的钉道修正率有关。

本组18 例随访结果显示术后均未出现明显神经系统并发症。Zwingmann 等[14]依托全德国范围内创伤登记制度,针对经皮骶髂螺钉固定骨盆后环损伤 ( B 型和 C 型 ) 进行了多中心回顾性调查显示,导航手术与传统手术在术中及术后并发症上并没有显著性差异 ( 并发症包括血栓栓塞、器官衰竭、医源性神经损伤、创伤综合征、内植物并发症、损伤再次移位、泌尿系感染、肺部感染等多种情况 )。术中并发症方面:导航手术8%~10.3%,传统手术3.8%~9.6%,两者差异无显著性。术后并发症方面:导航手术22.7%~33.4%,传统手术26.3~32.5,两者差异无显著性;相对于同期采取保守治疗的骨盆损伤患者其住院期间并发症达 33.5%。统计分析显示导航手术并没有降低术后并发症,可能的原因在于强大暴力导致严重骨盆损伤多伴有神经损伤和血管渗出等软组织损伤。由于笔者收集手术患者样本量较少,同时手术团队人员组成流动性较大,无固定手术者进行大样本量的收集与治疗,因而无法对于术后并发症做出确切结论。笔者认为针对国人骨盆损伤经皮骶髂螺钉置入固定术后并发症发生率的调查,还须依赖于大型医疗机构联合进行多中心随访及进一步完善统计设计方能得出可靠结论。

三、3D 导航技术局限

笔者建议手术者在使用 3D 导航技术时应当明确,导航屏幕上观察到的虚拟导针位置与实际导针位置存在着很大差别。由于臀部肌肉丰富,特别是当导针进入骨内超过7.7 cm 时有可能发生弯曲,导针插入过程中应避免过度用力,防止导针弯曲偏离正确轴向,同时在导针到达神经骶孔前应重新获取图像再次建立新的导航状态,同样在最终置入螺钉前也最好再次确认[11]。Arand 等[15]推荐在使用 3D导航技术时应当牢记:(1) 术前 CT 扫描显示骨盆损伤移位情况与术中实时拍摄图片间的区别;(2) 手术前导航注册扫描会影像术中操作的精确性;(3)导航导针的弯曲会导致螺钉置入方向偏差,最好使用导航套筒。

四、本研究局限

本组研究主要针对 3D 导航手术过程中手术时间、辐照时间、螺钉置入位置、损伤复位等级、术后损伤移位、患者功能恢复及手术并发症等情况作出初步的观察。针对螺钉置入位置,笔者认为理想状态下,骶髂螺钉应完全位于骶骨骨皮质界限内,并且平行于骶骨终板和 S1神经孔。Zwingmann等[7]在导航经皮骶髂螺钉置入固定骨盆后环损伤时,采用椎弓根螺钉置入位置分级评价标准评估骶髂螺钉置入位置,根据螺钉是否穿透骨皮质划分不同等级:0 级未穿透,1 级穿透<2 mm,2 级穿透2~4 mm,3 级穿透>4 mm。但目前国内外多数研究者并未就骶髂螺钉置入位置不良做出明确的定义,也没有适当的评价系统以对不同研究进行比较[11],因而对于置钉错位率的评估仍有待权威可行的标准制定。

综上所述,3D 透视导航下经皮骶髂螺钉置入重建骨盆后环稳定性具有较高安全性,该技术螺钉置入精度高、术后损伤愈合及患者功能恢复较好,而手术者熟悉骨盆解剖、具备丰富手术经历与导航设备使用经验也是保证导航手术顺利开展并避免并发症的关键。

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( 本文编辑:王永刚 )

Application of three-dimensional fuoroscopic navigation in percutaneous iliosacral screw fxation for posterior pelvic ring injuries

JIA Shuai-jun, CAO Zheng, LShang-jun, HE Li-jun, LIU Jian. Department of Orthopedics, Shannxi Provincial Corps Hospital, Chinese People’s Armed Police Forces, Xi’an, Shaanxi, 710054, PRC

ObjectiveTo explore the safety and treatment outcomes of the application of three-dimensional ( 3D ) fuoroscopic navigation in percutaneous iliosacral screw fxation for posterior pelvic ring injuries.MethodsFrom March 2009 to December 2012,18 patients with posterior pelvic ring injuries underwent percutaneous iliosacral screw fxation using an optoelectronic 3D fuoroscopic based navigation system. There were13 males and5 females, whose average age was 40.2 years old ( range:23-61 years ). Fractures were caused by traffc accidents in12 cases, high falling injuries in5 cases and collapsed building in1 case. The interval from injury to hospitalization was25 hours on average ( range:3 hours-5 days ). According to AO classifcation, there were3 cases of type B1.2,2 cases of type B2.2,7 cases of type C1.2,5 cases of type C1.3 and1 case of type C2.3.ResultsA total of 40 iliosacral screws were inserted during the operation, which took a mean period of (29.12±3.00 ) min per screw ( range:20-38 min ). The mean fuoroscopy time was (4.55±0.80 ) min per screw (3.5-5.2 min ), and the blood loss ranged from10 ml to20 ml per screw. The screw position was satisfactory in all the patients, without breaking into the sclerotin or entering the articular cavity or the sacral canal. No wound infections or obvious neurological complications were found. Based on the Matta scoring system, excellent results were seen in12 patients, good results in5 patients and a fair result in1 patient, and the overall excellent and good rate was 94%. According to the Majeed functional scoring, the results were excellent in11 cases and good in7 cases, with the overall excellent and good rate of 100%.ConclusionsThe technique of 3D fuoroscopic navigation is safe and effective in percutaneous iliosacral screw fxation for posterior pelvic ring injuries

Image interpretation, computer-assisted; Internal fixators; Sacroiliac joint; Wounds and injuries; Pelvis

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.07.010

R683.3

陕西省自然科学基金 ( 2013JM4067 )

710054 西安,武警陕西省总队医院骨一科 ( 贾帅军,吕尚军,贺利军 );100048 北京,解放军总医院第一附属医院骨科 ( 曹峥 );710032 西安,第四军医大学西京医院骨科 ( 刘建 )

刘建,Email: shuaijun9500@hotmail.com

2014-04-17 )

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