基于中国人腰骶区解剖参数不同轨迹螺钉的影像学研究

丁红涛 刘玉增 海 涌 关 立 潘爱星 张希诺 韩 渤 李 越

(首都医科大学附属北京朝阳医院骨科，北京 100020)

腰骶段具有复杂的解剖学特征。相比于在冠状位上活动有限，腰骶节段在矢状位上存在较大的活动度。腰椎的前凸导致腰骶段间隙角度颇为陡峭，形成的载荷矢量在腰骶段产生了较大的平移剪切力，这些解剖学因素与力学特点加上骶骨较差的骨质情况，为腰骶段坚强固定融合带来了挑战[1-3]。在进行长节段固定融合至骶骨时，S2AI螺钉因融合率高、内固定相关并发症发生率低成为目前的主流固定方式[4-5]，但其额外的局部软组织破坏以及准确置钉所需要的术者较高的操作技术[5-6]，让短节段腰骶融合仍青睐于终止在S1节段。目前S1内固定技术主要有S1椎弓根螺钉(pedicle screw, PS)、S1皮质骨螺钉(cortical screw, CS)以及骶骨翼螺钉(sacral alar screw, SAS)。本研究旨在通过对骶骨计算机断层扫描(computed tomography,CT)资料进行三维重建，描述3种内固定方式的影像学参数并进行对比，分析3种内固定方式的可靠程度。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究为回顾性研究，经首都医科大学附属北京朝阳医院伦理委员会批准，收集2019年1月至2019年12月首都医科大学附属北京朝阳医院行腰骶段CT三维扫描的非骨科疾病中国人受试者CT资料，共获得42例受试者数据，其中男性20例，女性22例，年龄41～67岁，平均年龄(55.14±8.35)岁。所有腰骶段CT扫描患者均无骨性疾病或畸形。

1.2 数据获取与建模

所获得CT扫描资料从PACS系统(美国GE公司)导出DICOM格式文件，使用MIMICS软件(V21.0，比利时Materialise公司)进行处理分析，采用该程序使2D图像转换为3D模型，并在3D模型上按照预定设计进行准确钉道选择、切割与测量。由于本研究主要关注不同S1螺钉的钉道参数与可靠性能上，所以该软件的精确程度理论上可以保证研究的可行性与准确性。

将所有受试者CT扫描数据按照DICOM格式下载并导入到MIMICS软件中，以2维图像为基础，进行3D模型重建。按照合适的灰度值重建骨骼图像。本研究选择226～1 600个Hounsfield单位为骶骨阈值[7]，在MIMICS界面上进行3D计算与重建，适当二次处理以获得精确的解剖定位。图像准备完成后，在3D模型上进行钉道标识，并测量相应数据。

1.3 影像数据测量

1.3.1 确定椎弓根螺钉、皮质骨螺钉和骶骨翼螺钉的进钉点与终点

椎弓根螺钉进钉点位于S1关节突外侧缘的垂直线与关节突下缘的水平线的交点上，终点位于S1上终板最前侧皮质[8-9]。皮质骨螺钉进钉点位于S1上关节突中垂线与L5下关节突下方3 mm处水平线的交点，终点位于S1上终板前1/3最外缘处[8]。骶骨翼螺钉进钉点位于L5/S1关节突下缘水平线向外1 mm处，终点位于骶骨翼的最前方皮质[10-11]。各钉道示意图见图1。

图1 螺钉示意图Fig.1 Schematic diagram of screw trajectoryA: pedicle screw; B: cortical screw; C: sacral alar screw.

1.3.2 椎弓根螺钉、皮质骨螺钉和骶骨翼螺钉数据测量

最长钉道的长度、外展角(transverse angle, TA)、尾倾角(sagittal angle, SA)(与S1上终板之间的夹角)(图2)。

图2 螺钉夹角测量Fig.2 Measurement of screw angleA: screw transverse angle; B: sagittal angle.

1.3.3 CT值数据测量

每个钉道上，分别以3 mm为半径圆形的CT值测量工具测量入钉点、钉道终点以及其中点区域的CT值，然后获得每个通道3个区域骨CT值的平均值，分别为CTA、CTB、CTC(图3)。由于解剖差异的存在，为了较为准确的比较不同个体之间不同通道上平均骨CT值，进行标准化处理，将3组数据取平均，得到平均骨CT值。

图3 椎弓根螺钉CT值测量位置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 统计学方法

2 结果

2.1 钉道长度与角度

S1骶骨翼螺钉钉道外展约(63.51±8.68)°，尾倾角约(36.62±10.97)°，长约(41.74±3.33)mm，其中女性人群钉道外展角度与长度略大于男性人群(P<0.05)；S1皮质骨螺钉钉道轨迹外展约(5.62±3.69)°，头倾角约(6.60±4.88)°，长约(31.60±4.23)mm，男性外展角度略大于女性人群(P<0.01)；S1椎弓根螺钉钉道内收约(29.42±3.89)°，尾倾角约(15.60±6.58)°，长度约(48.12±5.44)mm，男性钉道较女性人群略长(P<0.01)。S1各钉道不同性别之间的情况见表1。

表1 各钉道影像参数不同性别间比较

2.2 不同轨迹钉道CT值

S1不同钉道长度与CT值见表2，椎弓根螺钉长度显著大于骶骨翼螺钉与皮质骨螺钉，而骶骨翼螺钉的平均CT值显著高于椎弓根螺钉，但骶骨翼螺钉钉道中点的CT值较另两种钉道显著更低(P<0.01)。各组间比较见图4。

表2 各钉道间影像学参数比较

图4 三组间螺钉钉道长度、钉道CT值比较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 讨论

腰骶部退行性疾病如L5/S1节段腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症等常需要进行腰骶部固定融合[12]。尽管外科技术近些年取得了进步，由于局部解剖困难、骶骨倾斜形成的载荷矢量以及骶骨较疏松的组织特点，实现坚强的腰骶节段固定融合仍然是一个重要的临床问题，假关节形成、内固定失败和矢状面失衡等并发症仍然是亟待解决的临床问题[3]。

腰骶部内固定有两种基本技术：骶骨固定和骶髂固定。自从Galveston髂骨固定器械问世以来，髂骨固定一直被认为是一种更牢固的内固定方法[13]。 虽然髂骨螺钉作为远端固定点在临床与生物力学上已被验证可行，但该技术在软组织剥离与处理、干扰植骨骨源获取、骶髂关节破坏等方面还存在问题，所以其多用于长节段腰骶融合，如脊柱畸形等的治疗[14]。

目前用于单纯骶骨固定的手术方法很多，骶骨椎弓根螺钉固定、皮质骨螺钉固定、骶骨翼螺钉固定等[8-9, 15]。临床中以椎弓根螺钉与皮质骨螺钉应用较广，研究通过各种方法比较了两种内固定方式用于腰骶部固定的稳定性与可靠性。既往研究[16-19]表明，螺钉置入力矩与稳定性之间存在较强的相关性。Matsukawa等[8]发现，采用S1皮质骨螺钉其平均置入力矩约为(2.96±1.33)Nm，显著高于Luk等[16]报道的椎弓根螺钉置入力矩(1.98±0.76) Nm与Zhu等[17]报道的 (1.93±0.67)Nm。而在腰椎，更多的研究[20-22]均验证了皮质骨螺钉更加优异的抗拔出力与生物力学强度。但关于S1骶骨翼螺钉的描述并不多见。本研究基于各钉道的影像学参数，对3种不同的置钉类型进行分析比较。

本研究按照以往文献[23]描述在三维模型中确定钉道位置，分别测量钉道的长度、角度与CT值。既往研究[8]显示，增加与椎体骨质的把持长度可以有效增加螺钉的力学强度。本研究中S1椎弓根螺钉、骶骨翼螺钉与皮质骨螺钉长度分别为(48.12±5.44)mm、(41.74±3.33)mm与(31.59±4.23)mm，其中S1皮质骨螺钉长度与Cho等[24]描述的(31.5±3.5)mm相似，但同时该研究还发现，虽然皮质骨螺钉钉道长度较短，但其置钉力矩却比传统螺钉高出41%。这是因为螺钉的力学强度不仅与钉道长度有关系，还和钉道轨迹所穿越的骨质密度情况有关。

Hounsfield(HU)值又称CT值，是组织在CT扫描结果中显示密度大小的计量单位。多个研究[25-28]显示，HU值与骨密度呈正相关，可以作为在脊柱融合手术前预测骨质情况与钉道可靠程度的有效手段。既往也有研究[29]使用HU值来比较椎弓根螺钉与皮质骨螺钉钉道的骨质强度，该方法已被证实可行且发现皮质骨螺钉轨迹骨密度随年龄衰减速度与钉道可靠程度显著优于椎弓根螺钉。本研究中，皮质骨螺钉钉道平均HU值显著高于椎弓根螺钉，与Zhang等[30]研究结果相似。

骶骨翼螺钉钉道的平均CT值为(483.12±142.74)HU，虽然钉道中部的骨密度显著低于另外两种钉道，但起始部和终点却与皮质骨螺钉的骨密度相似或略高，致使其平均CT值与皮质骨螺钉钉道相似，而显著高于椎弓根螺钉，所以可以将骶骨翼螺钉视作为一种双皮质固定，亦可作为骶骨固定的替代方案之一,但这仅是影像学参数的结果，还需要生物力学的研究进一步加以验证。

既往并无较多骶骨翼螺钉的生物力学强度与使用经验，因骶骨翼较低的骨密度，使得该固定方式未成为骶骨固定的常用方案，仅在某些特殊情况如S1椎弓根缺损、椎体畸形病变等无法置入椎弓根螺钉时，才考虑使用骶骨翼螺钉作为替代。但本研究发现，其钉道长度与平均CT值均不逊于传统椎弓根螺钉与皮质骨螺钉，所以临床中可以尝试采用骶骨翼螺钉进行腰骶部固定手术。

骶骨翼螺钉进钉点靠近中线，与皮质骨螺钉的进钉点较为接近，使得腰骶部采用皮质骨螺钉联合骶骨翼螺钉固定融合更为方便。在进行腰骶长节段固定融合时，为避免S2AI螺钉的并发症，Mayer等[31]建议采用S1椎弓根螺钉联合骶骨翼螺钉的四锚定点的方式提高内固定强度，研究证实其稳定性可获得较大的提升，为腰骶固定提供更多的思路与解决方案。

本研究也存在许多不足之处，如纳入样本量小、年龄分布不均、无骨密度值作为参考等，不能提供说服力较强、覆盖范围更广的论据以支持本研究的结论；此外,数据的采集也会存在一定测量误差。需要大样本全方位的生物力学研究以验证本研究的发现。