3枚空心加压螺钉在股骨颈截面的位置分布

孙亚超，白文哲，孙小辉，刘传强，孙 鲁

股骨头坏死是股骨颈骨折的常见并发症[1]，怎样减少股骨颈骨折术后股骨头坏死的发生一直是骨科研究领域的热点。3枚空心加压螺钉固定法是临床上治疗股骨颈骨折的常见方法，它具有手术操作简单、局部组织分离少、手术时间较短的优点[2]。有研究[3-4]认为，3枚螺钉呈“倒三角形”固定股骨颈骨折相较于其他类型固定方式的失败率更低。 我们收集在山东省中医院行髋关节CT扫描的40例样本数据，采用Mimics 20.0软件、3-matic 12.0软件重建股骨近端三维模型，研究3枚空心加压螺钉在股骨颈截面的位置分布。

1 材料与方法

1.1 样本资料纳入标准：① 成年人(骺线闭合)且年龄≤70周岁；② 髋部无骨伤、骨病等。本研究纳入40例，男20例，女20例，年龄55～70岁。

1.2 硬件设备东芝公司生产320层螺旋CT及2.0 T可移动硬盘，于计算机(TOSHBA C805)上应用Materislise公司生产的Mimics 20.0软件、3-matic 12.0软件进行研究。

1.3 研究方法

1.3.1重建股骨近端三维模型 采用Mimics 20.0软件，打开菜单栏File中的New Project Wizard选项，选择CT样本数据所在的文件夹，根据提示进行数据转化，转化完毕后选择菜单中的Segment中的CT bone功能，调整Thresholding等参数，迅速建立右股骨近端蒙板，修整蒙板，建立股骨近端三维模型，并采用Smoothing功能修饰三维模型。见图1。

图1 股骨近端三维模型

1.3.2Murphy法确定股骨颈的轴线 选取两层CT横断面数据，分别为股骨头最大横截面和股骨颈基底部的横截面，选中并标记股骨头最大横截面的圆心以及股骨颈基底部横截面图形的中心。连接两点即是Murphy法所确定的股骨颈轴线。应用到Mimics 20.0软件中的具体操作：选取髋关节横截面中股骨头的最大横截面(应用Measure的功能测量所得)，应用菜单栏中Analyze目录下的Sphere功能，选定球心定义为点1。选中股骨颈基底部的横截面(小转子上缘，大致呈三角形)，选定该图形的中心，并在CT横断面中标记，定义为点2。点1和点2的连线就是Murphy法所确定的股骨颈轴线。见图2、3。

1.3.3获取股骨颈的截面 在重建的股骨近端三维模型上进行切割操作，首先选择菜单栏中Analyze中绘制功能，绘制圆柱体，即Cylinder输入点1和点2的点坐标，建立一个可以调整参数的圆柱体模型，该圆柱体的中线轴线就是股骨颈的轴线，见图4。调整圆柱体的长度，远端刚好位于股骨头和股骨颈结合部，然后调整模型的视角，使圆柱体的2个底面与屏幕垂直，见图5。应用Simulate中的Cut Orthogonal to Screen，在股骨头颈轴线进行切割来获取股骨颈截面(最近端的一个截面),见图6。

1.3.4逐层分割模型 将三维模型中带股骨颈的部分通过FEA/CFD中的Remesh功能引入到3-matic 12.0中进行逐层切割，具体操作：在Design中选择Create Point，于股骨颈截面上用蹭边法选择3个不同的点，在Sketch中新建截面，输入以上3个点坐标生成1个截面。然后于股骨颈截面上用同样的方法选取1个不同于以上3个点的点，建立1个通过该点且与截面平行的面，称为移动面。使用移动平面功能，将移动面沿股骨颈轴线进行平移，每平移1 mm，应用Cut功能切割，逐层切割至移动面与大转子相切为止，见图7。记录每个样本最小的股骨颈截面的面积，得到每个样本的最小面积及其所在区间的百分比(即从股骨头颈结合部开始至大转子的这段股骨颈的最小面积，规定头颈结合部为0，大转子处为100%)。

2 结果

2.1 最小的股骨颈截面的面积与位置40例样本中，最小的股骨颈截面面积的均值：男性为894.50 mm2，女性为693.05 mm2；最小的股骨颈截面出现的位置：男性位于股骨颈轴线的平均区间百分比为43%，女性为45%。

2.2 最小的股骨颈截面形状见图8。最小的股骨颈截面形状大致分为三角形和椭圆形，根据股骨颈后上方图形的变化趋势，变锐归为三角形，变钝归为椭圆形。40例样本中，最小的股骨颈截面形状显示，男性样本70%为近似斜三角形(图8中1～14号)，30%为近似椭圆形(图8中15～20号);女性样本75%为近似斜三角形(图8中21～35号)，25%为近似椭圆形(图8中36～40号)。

图2 股骨头最大横截面 A.选定的股骨头最大横截面近似圆形，引入模拟圆，最大横截面定义出圆心的位置(箭头所示)；B～D.冠状面、横截面、矢状面可同时观察到的圆心位置；E.重建出的股骨近端三维模型 图3 股骨颈基底部横截面 A.股骨颈基底部中心点的选定，以股骨颈逐渐消失开始到小转子刚出现时的平面近似三角形，定义为三角形的中心(箭头所示)；B～D.冠状面、横截面、矢状面观察到的股骨颈基底部所在的平面；E.股骨近端三维模型可见股骨头圆心及股骨颈基底部的中心点 图4 圆柱体模型的引入 图5 两个底面与屏幕垂直后的截面图 图6 股骨颈截面的获取 图7 股骨颈截面及“移动面”

图8 40例样本最小的股骨颈截面的形状，其中1～20为男性，21～40为女性

3 讨论

目前测量股骨颈前倾角度，所采用的主要方法是Weiner法、Hernandez法和Murphy法。有研究[5-7]认为Weiner法及Hernandez法的股骨颈长轴的选择较真实值小，而Weiner法符合解剖学定义，具有重复性和操作性，与真实值相差在1°内。Murphy法是选择股骨头中心点与股骨颈基底部中心点的连线作为股骨颈的轴线，然后将该轴线与股骨远端的内外侧髁后缘连线进行重合，所得夹角就是股骨颈前倾角。在Mimics软件中实现Murphy法需要注意：① 选择横断面上股骨头最大横截面积的图形时可采用软件中的测量功能，把股骨头看似球形，最大横截面定义为球心;② 选择股骨颈基底部的中心点时移动横截面图像，可发现横断面上从股骨颈逐渐消失开始到小转子刚出现时，图像大致呈三角形，选取小转子刚要出现时的近似三角形的图像，设定为三角形的中心区域。

3枚空心加压螺钉是目前治疗股骨颈骨折的常用方法[8]。空心加压螺钉操作中需要注意：① 螺钉的螺纹要超过骨折线；② 螺钉要与股骨颈长轴平行且螺钉之间也要相互平行；③ 螺钉在股骨颈内呈倒三角形，螺钉的位置尽量靠近股骨颈的边缘，一方面可以获得骨皮质的支撑，提供坚强的固定，另一方面通过最大的占位效应获得良好的抗旋转能力[9]。术中C臂机透视时由于存在股骨头和股骨转子的遮挡，往往看不见股骨颈后缘的边界，故螺钉从股骨颈后缘穿出的可能性较大[10]。且本研究发现，大部分人股骨颈的最小截面朝向股骨颈后缘方向有变锐的趋势，而此处又恰好是旋股内侧动脉走行之处的附近，这提示我们，此类患者置入螺钉时螺钉穿出皮质损伤动脉的风险会增大，置钉时应尽量避免从股骨颈的后缘穿出，进而能有效保护股骨头残存的血运，最大程度地降低股骨头坏死的可能性。术前预知股骨颈最小截面的形状及位置，可降低损伤股骨颈后上方旋股内侧动脉的风险，术中透视时股骨颈后上方(角A位置)的螺钉不建议高于股骨颈前上方(角B位置)的螺钉，因为大部分股骨颈最小截面的形状近似斜三角形，角B位置多高于角A位置，这样有助于对股骨颈后上方旋股内侧动脉的保护，见图9。

综上所述，本研究通过Mimics 20.0软件、3-matic 12.0软件重建股骨近端三维模型，并沿股骨颈轴线进行切割，得到股骨颈截面，利用最小的股骨颈截面的形状来指导3枚空心加压螺钉固定治疗股骨颈骨折。我们认为，股骨颈截面对内固定物的空间分布有重要影响，术前预知最小的股骨颈截面的位置，可以降低股骨颈后上方旋股内侧动脉的损伤风险；术中股骨颈后上方的螺钉不建议高于前上方，因为大多数股骨颈的最小截面近似斜三角形，前方高于后方有助于保护股骨颈后上方旋股内侧动脉。

图9 螺钉于股骨颈中的位置