S1椎体横向骶髂关节螺钉固定钉道的数字化分析与应用

张元智，王军强，赵建民，路全立，李亚光，贾燕飞



S1椎体横向骶髂关节螺钉固定钉道的数字化分析与应用

张元智，王军强，赵建民，路全立，李亚光，贾燕飞

【摘要】目的探讨经骶髂关节横向S1椎体螺钉固定安全钉道的确定及其在骶骨纵形骨折治疗中的应用。方法对50名健康成年志愿者进行腹部连续螺旋CT扫描、三维表面重建、标准骶骨矢状位多层剖分等，以确定最优钉道。将数字化分析结果应用于2012年8月至2013年8月内蒙古医科大学附属医院收治的18例骶骨纵形骨折患者，术中经骶骨矢状位图像投影确定横向置钉钉道后，采取经骶髂关节横向S1椎体螺钉固定治疗。结果矢状位X线片检查显示S1椎体安全区投影呈卵圆形，投影的长短轴连线交点为S1椎体最优横向钉道，钉道平均长度（135±8）mm，虚拟置入直径7.3 mm的拉力螺钉后骶髂关节螺钉位置及长度满意。术后X线片及CT平扫断层图像显示患者骶髂关节螺钉位置及长度均满意，平均长度（115±4）mm，平均手术时间（30±5）m in。术后随访12～24个月，平均随访时间（16±3）个月，未见神经血管损伤、骶髂关节螺钉松动及断裂等并发症。结论通过术中骶骨矢状位图像投影确定横向置钉钉道，可提高经皮横向骶髂关节螺钉固定治疗骶骨纵形骨折的手术安全性，同时简化手术过程。

【关键词】骶骨；骶髂关节；图像处理，计算机辅助；模型，解剖学；成像，三维；骨螺丝；骨折固定术，内；外科手术，计算机辅助

作者单位：010050呼和浩特，内蒙古医科大学附属医院骨科（张元智，赵建民，路全立）；100035北京积水潭医院创伤骨科（王军强）；010030呼和浩特，内蒙古医科大学第二附属医院环骨盆科（李亚光，贾燕飞）

E-mail：dryzzhang@163.com

骶髂关节螺钉内固定是治疗骶骨骨折的优选手术方式，但由于骨盆结构复杂、位置深在，对螺钉置入的位置和精度要求极高［1-3］。骶骨纵形骨折是骶骨骨折中常见的类型，经皮横向骶髂关节螺钉固定S1椎体是临床上常用的治疗手段。但术中常需导航或机械臂辅助完成，透视控制下徒手螺钉定位技术难度较大、可视程度不佳以及触觉控制有限等均对螺钉置入造成一定程度的影响，骶骨形态的变异也易引起图像判读错误［4-6］，导致术中透视次数增多，医患辐射量增加［7-8］。如果能够以特定的透视图像匹配骶髂关节固定的安全钉道，手术操作将会更加简单安全。本研究通过对正常人骶髂关节螺钉固定S1椎体的数字化分析来确定横向最优通道，并将这一结果应用于骶骨纵行骨折患者的螺钉置入操作，效果满意，现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料

选取50名健康成人志愿者，男30名，女20名；年龄18～56岁，平均年龄34.6岁；通过连续螺旋CT扫描对其骶髂关节螺钉固定S1椎体横向钉道进行数字化分析。将2012年8月至2013年8月内蒙古医科大学附属医院收治的18例骶骨纵形骨折患者作为临床应用对象，男13例，女5例；年龄16～56岁，平均年龄39.8岁；骨折Denis分型［9］：Ⅰ型12例、Ⅱ型6例；其中合并耻骨支骨折8例。本研究经过医院伦理委员会批准，所有志愿者签署知情同意书。

1.2骶髂关节螺钉固定S1椎体横向钉道的数字化分析

腹部连续螺旋CT扫描，电压120 kV，层厚0.625 mm，矩阵为512×512。将原始.dicom格式数据导入Materialise M im ics Innovation Suite 15.0软件，三维表面重建骨盆，以.stl文件格式存储，导入Imageware 12.0软件，三维表面重建骨盆，以1.0 mm间距对骶骨进行矢状位多层剖分，在每一层剖分面上确定骶髂关节安全区的几何边界，提取几何边界点的二维图像坐标，并拟合该边界的最大内切圆，得到内切圆圆心坐标；然后再利用最小二乘法拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线，该直线则被视为几何上最优的骶髂关节螺钉通道的中轴线，沿该中轴线生成最优通道，同时确认通道的位置和深度，寻找最优通道的规律。

1.3临床应用

术前对移位明显者行胫骨结节牵引复位，通过CT扫描数据计算骨折解剖复位后最优通道，虚拟显示骶骨矢状位下钉道位置及钉道长度。手术采用标准仰卧位，C型臂X线机证实骨折复位后（未获解剖复位者可在术中牵引复位），获得骶骨矢状位图像，参照术前设计定位的骶髂关节螺钉通道做好皮肤标记，置入2.5 mm克氏针，沿克氏针以直径7.3 mm拉力螺钉固定，合并耻骨支骨折需手术者在骶骨骨折复位固定后行耻骨支切开复位钢板内固定术，术后通过CT平扫及三维重建验证螺钉置入的准确性。

2　结果

2.1数字化重建与测量

矢状位X线片示S1椎体安全区投影呈卵圆形，部分呈水滴形。投影的长短轴连线交点为S1椎体最优横向钉道（基本接近交叉点），平均钉道长度为（135±8）mm。虚拟置入直径7.3 mm的拉力螺钉后，骶髂关节螺钉位置及长度满意（图1）。

2.2临床应用结果

平均手术时间（30±5）m in。术后3 d X线片及CT断层图像显示螺钉位置及长度满意（图2，3），平均长度（115±4）mm；与术前测量相比，术后3 d CT三维重建测量显示螺钉水平位偏移度（5.3±2.2）°、矢状位偏移度（4.1±2.4）°，均在安全区内。术后随访12～24个月，平均随访（16±3）个月，未见神经、血管损伤，骶髂关节螺钉松动及断裂等并发症发生。

图1　S1椎体横向骶髂关节螺钉固定钉道的数字化分析1A骶骨三维重建1B纵向分割骶骨1C S1安全区卵圆形边界投影1D确定S1椎体横向钉道1E连接安全区投影长短轴连线交点1F S1椎体最优横向钉道位于交点处1G虚拟置入直径7.3 mm拉力螺钉1H骨盆前后位显示螺钉位置1I骨盆入口位显示螺钉位置1J骨盆出口位显示螺钉位置

3　讨论

骨盆后环，尤其是骶髂关节处的损伤多由高能量暴力导致，死亡率和致残率较高，需要通过确切的固定以保持骶髂关节的稳定性。透视引导下经皮骶髂螺钉固定不稳定骨盆骨折是目前常用术式，多采用S1螺钉固定。S1螺钉固定主要有2种方式：一是斜形固定，即沿S1椎弓根方向固定；二是严格按照S1入口与出口的横径固定，但技术要求极高，需要凭借丰富的手术经验以及对解剖结构的良好理解才能找到适当的入钉点［10］。有研究结果表明，骶髂关节螺钉置入位置错误的发生率为2.05%～13.0%［11-13］，甚至有报道显示螺钉位置的不可接受率高达25%［14］。而Gardner等［11］指出，骶髂关节螺钉置入方向前后偏差4°就会导致螺钉进入S1椎孔或穿出骶骨前方皮质，进而引起血管和骶神经的损伤［14-15］。

为提高螺钉置入的精确性，众多学者对其安全区的骨性结构及边界进行研究，其中基于投影成像或CT图像进行分析的方法受到广泛关注［6，16-17］。Mendel等［18］对85例成人骨盆CT数据进行三维重建，提取S1侧位骶骨体缘与骶骨岬及骶管前缘的直角三角形投影来映射骶髂关节经骶骨耳状面的最大置钉安全通道，结果显示，术前通过侧视图观察骶骨三角是一个简单、准确的方法；作者随后采集11名成人骨盆CT数据，通过三维重建发现S1骶髂螺钉通道呈双锥状，安全通道的三维形状随骶骨形态的变化而变化，通道平均长度为14.9 cm，最安全的螺钉直径为14.2 mm，但该研究仅仅是形态学观察，并未涉及数字化分析［19］。还有学者根据骶骨翼三维CT重建数据确定骶髂螺钉的最优位置，结果显示，固定位置较低的S1螺钉长度为80 mm［20］。Cruz和Angelis［21］对无畸形及骨病的100例骨盆CT数据进行分析，结果显示男女骶椎宽度差异较大，男性大于女性，但年龄因素并不影响手术安全钉道的宽度，作者认为通过确定骨性边界即可实现骶髂关节螺钉的置入。由此看出，通过CT图像可以确定钉道长度和位置，但这仅仅是基于二维的测量，数字化三维重建技术的

图2经骶髂关节横向S1椎体螺钉固定治疗骶骨纵行骨折术前X线片及术中透视图像（男，45岁，Tile B2型、DenisⅡ型骨折）2A骨盆平片2B前后位螺钉位置2C入口位螺钉位置2D出口位螺钉位置2E矢状位螺钉位置

图3手术前后CT图像（与图2同一患者）3A术前骨盆三维重建3B～3D术后CT显示螺钉位置3E术后骨盆三维重建不断发展为骨科手术提供了新的辅助手段，根据CT数据重建的三维模型，可以直观、深入地观察手术部位的结构特点并进行数字化分析，确定置入物的安全区，提高内固定装置放置的精确度，进而提高手术的安全性。

孙旭等［22］认为，安全区所能容纳螺钉的最大直径对手术操作具有指导意义，通过测量螺钉的最大直径可间接反映手术安全区的大小；谭培勇等［23］、苏以林等［24］建立骶椎阴模数字化仿真模型，应用透视阴模内表面的方法结合空间解析几何计算测量确定了最佳骶髂关节螺钉通道。但上述研究并未将规划结果应用于实际的手术导航，临床指导价值有限。

本研究结果显示，成人平均钉道长度为（135 ±8）mm，与相关报道一致［19，22］。由于采用的是横向置钉，解剖上双侧椎弓根峡部与骶骨斜坡衔接，所以在骨盆侧视图可见骶骨通道呈卵圆形投影（实际上包括了两侧髂骨和S1椎体中空的通道），在二维侧视图像可见清晰低密度区，虚拟和实际螺钉置入结果均证实在骨折或脱位复位满意的情况下，这一区域横向置入直径7.3 mm的拉力螺钉是比较安全的。我们的前期研究是通过骶骨矢状线和水平线交角来确定横向骶髂关节螺钉固定钉道的［25］，但这一方法常受体位限制，因此我们加以改进，只要能够显示骶骨的矢状位图像即可确定螺钉钉道，螺钉置入位置满意，定位时间也可明显缩短。对于骶椎腰化的患者，由于S1腰化，术中可采取同样的方法确定S2的安全钉道，进行S2椎体固定。但需要注意的是，本研究设计的钉道是通过算法得到的几何通道，其是否是生物力学上的最优钉道目前尚不可知；本研究样本量较小，后续研究需加大样本量，并通过有限元分析来验证其生物力学特性。

参考文献

［1］Sathy AK，Starr AJ，Smith WR，et al. The effect of pelvic fracture on mortality after trauma：an analysis of 63 000 trauma patients［J］. J Bone Joint Surg Am，2009，91（12）：2803-2810.

［2］Guthrie HC，Owens RW，Bircher MD. Fractures of the pelvis ［J］. J Bone Joint Surg Br，2010，92（11）：1481-1488.

［3］Papakostidis C，Kanakaris NK，Kontakis G，et al. Pelvic ring disruptions：treatment modalities and analysis of outcomes ［J］. Int Orthop，2009，33（2）：329-338.

［4］Carlson DA，Scheid DK，Maar DC，et al. Safe placement of S1 and S2 iliosacral screws：the ''vestibule'' concept［J］. J Orthop Trauma，2000，14（4）：264-269.

［5］Mendel T，Noser H，Wohlrab D，et al. The lateral sacral triangle：a decision support for secure transverse sacroiliac screw insertion［J］. Injury，2011，42（10）：1164-1170.

［6］Routt ML，Simonian PT，Agnew SG，et al. Radiographic recognition of the sacral alar slope for optimal placement of iliosacral screws：a cadaveric and clinical study［J］. J Orthop Trauma，1996，10（3）：171-177.

［7］Mehlman CT，DiPasquale TG. Radiation exposure to the orthopaedic surgical team during fluoroscopy："how far away is far enough？''［J］. J Orthop Trauma，1997，11（6）：392-398.

［8］Singer G. Occupational radiation exposure to the surgeon［J］. J Am Acad Orthop Surg，2005，13（1）：69-76.

［9］Denis F，Davis S，Com fort T. Sacral fractures：an important problem：retrospective analysis of 236 cases［J］. Clin Orthop Relat Res，1988（227）：67-81.

［10］Takao M，Nishii T，Sakai T，et al. Iliosacral screw insertion using CT-3D-fluoroscopy matching navigation［J］. Injury，2014，45（6）：988-994.

［11］Gardner MJ，Morshed S，Nork SE，et al. Quantification of the upper and second sacral segment safe zones in normal and dysmorphic sacra［J］. J Orthop Trauma，2010，24（10）：622-629.

［12］Gardner M J，Parada S，Chip Routt ML Jr. Internal rotation and taping of the lower extrem ities for closed pelvic reduction［J］. J Orthop Trauma，2009，23（5）：361-364.

［13］Ziran BH，Sm ith WR，Towers J，et al. Iliosacral screw fixation of the posterior pelvic ring using local anaesthesia and computerised tomography［J］. J Bone Joint Surg Br，2003，85（3）：411-418.

［14］Tonetti J，Cazal C，Eid A，et al. Neurological damage in pelvic injuries：a continuous prospective series of 50 pelvic injuries treated w ith an iliosacral lag screw［J］. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot，2004，90（2）：122-131.

［15］Gänsslen A，Hüfner T，Krettek C. Percutaneous iliosacral screw fixation of unstable pelvic injuries by conventional fluoroscopy［J］. Oper Orthop Traumatol，2006，18（3）：225-244.

［16］Ebraheim NA，Xu R，Biyani A，et al. Morphologic considerations of the first sacral pedicle for iliosacral screw placement［J］. Spine，1997，22（8）：841-846.

［17］Noojin FK，Malkani AL，Haikal L，et al. Cross-sectional geometry of the sacral ala for safe insertion of iliosacral lag screws：a computed tomography model［J］. J Orthop Trauma，2000，14（1）：31-35.

［18］Mendel T，Noser H，Wohlrab D，et al. The lateral sacral triangle：a decision support for secure transverse sacroiliac screw insertion［J］. Injury，2011，42（10）：1164-1170.

［19］Mendel T，Radetzki F，Wohlrab D，et al. CT-based 3D visualisation of secure bone corridors and optimal trajectories for sacroiliac screws［J］. Injury，2013，44（7）：957-963.

［20］Tonetti J，Cloppet O，Clerc M，et al. Implantation of iliosacral screws：simulation of optimal placement by 3-dimensional X-ray computed tomography［J］. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot，2000，86（4）：360-369.

［21］Cruz HA，Angelis GPD. Sacroiliac secure corridor：analysis for safe insertion of iliosacral screws［J］. Rev Bras Ortop，2013，48（4）：348-356.

［22］孙旭，李宇能，杨明辉，等.水平方向骶髂关节螺钉固定治疗骶骨纵形骨折的安全性评价［J］.中华创伤骨科杂志，2011，13（9）：845-850.

［23］谭培勇，项舟，宋彬，等.数字化仿真技术确定最佳骶髂螺钉通道的研究［J］.中国脊柱脊髓杂志，2012，22（7）：634-640.

［24］苏以林，闵敏，李志权，等.经骶髂关节置入S1椎弓根螺钉的数字解剖学研究［J］.中华创伤骨科杂志，2012，14（5）：410-414.

［25］张元智，王军强，路全立，等.经皮横向骶髂关节螺钉固定骶骨纵形骨折的数字化分析与临床应用［J］.中华创伤骨科杂志，2014，16（5）：377-380.

临床研究

Digital analysis and app lication of screw insertion pathway for S1 transverse sacroiliac screw fixation

ZHANG Yuanzhi*，WANG Junqiang，ZHAO Jianmin，LU Quanli，LI Yaguang，JIA Yanfei. *Department of Orthopaedics，the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Hohhot，Inner Mongolia 010050，China.

【Abstract】Objective To investigate the determination of safe pathway of screw insertion for S1 transverse sacroiliac screw fixation，and to explore their application values in the treatment of longitudinal fracture of the sacrum. M ethods Fifty healthy adult volunteers received abdom inal continuous spiral CT scanning，3D surface reconstruction，standard sacral sagittal multi-layer triangulation，and then an optimal screw channel wasbook=8,ebook=8generated. The digital analysis results were subsequently applied in 18 patients w ith sacral longitudinal fracture，who were treated by S1 transverse sacroiliac screw fixation from August 2012 to August 2013 in the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，which the screw insertion pathway was determ ined by intraoperative CT sagittal image projection on sacrum. Results Sagittal projection of X-ray on S1 vertebral body displayed the safety area was oval，and the intersection of long and short axial lines of projection for S1 vertebrae was the optimal screw channel. The average length of the channel was（135±8）mm. Lag screw（7.3 mm diameter）insertion was simulated，and the position and length of the sacroiliac screw showed well. Postoperative X-ray and CT scan images also confirmed that the screw insertion position and length were well satisfied，w ith the average length of screw was（115±4）mm，the average operation time was（30±5）m in. All patients were followed up for 12 to 24 months，w ith the average of（16±3）months. No nerve or vascular injury，sacroiliac screw loosening or breakage had occurred. Conclusion For sacral longitudinal fracture，determ ination of safe pathway of screw insertion for S1 percutaneous transverse iliosacral screw fixation by intraoperative CT sagittal image projection on sacrum may provide surgical safety and simplified operation process.

【Key words】Sacrum；Sacroiliac joint；Image processing，computer-assisted；Models，anatom ic；Imaging，three-dimensional；Bone screws；Fracture fixation，internal；Surgery，computer-assisted

中图分类号：R683.6，R687.32，R319.1

文献标识码：A

文章编号：1674-666X（2016）02-069-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-666X.2016.02.001

基金项目：国家自然科学基金（81560370）；内蒙古自治区自然科学基金（2014MS0851）

收稿日期：（2016-01-12；修回日期：2016-02-24）（本文编辑：张辉）