計算機輔助經髖臼長螺釘固定進釘安全區的解剖研究

蔡春元,李永獎,吳浩波,楊國敬,張力成

(1.溫州醫學院附屬第三醫院骨科 ,浙江 瑞安 325200;2.浙江大學醫學院附屬第二醫院骨科,浙江 杭州 310009)

經髖臼螺釘固定是全髖翻修術中經常采用的技術,傳統的經髖臼螺釘技術在鉆釘孔時往往需要鉆通髖臼結構區的內側皮質骨,螺釘尾部容易損傷盆腔重要的血管及神經,如髂內外血管,閉孔血管和神經[1,2]。且傳統技術對植入的螺釘長度有限,往往不超過 40 mm,在遇到嚴重骨缺損的翻修或者一些腫瘤切除后的髖臼重建中,髖臼杯的初始穩定性用常規長度的螺釘不能獲得滿意的力學穩定性。本文嘗試采用三維建模及計算機 C語言輔助程序,通過探討經髖臼長螺釘固定骨性釘道的安全進釘區,以期為今后相關的研究提供多方位的思路,從而進一步為全髖翻修術的長螺釘固定以及假體改良設計提供有益的指導。

1 資料與方法

1.1 尸體標本的分區和三維重建 使用 10具防腐中國成年男性完整半骨盆標本,去除其軟組織,僅保存骨性結構(半骨盆標本由浙江大學醫學院解剖教研室提供)。將骨盆進行分區,根據髂骨結構特點,將髂翼從中間最薄弱的區域進行分區,分成髂前區和髂后區;以恥骨和坐骨為中心結構再分區成恥骨區和坐骨區,這樣每半骨盆分成四個區。采用 52 mm直徑髖臼銼磨銼髖臼形成 52 mm直徑的髖臼窩,其髖臼窩的外形為半球形結構。

每個骨性分區作為一個獨立的研究對象,取其最長軸為縱軸,垂直于長軸進行層厚為 1.0cm的平行截骨,第一層截骨為髖臼的切線面,髂前區共截成 7層 6個截面 ,髂后區為11層 10個截面,恥骨區分為 6層 5個截面,坐骨區為 5層 4個截面(見圖 1～ 4)。保留髖臼的完整性,并不截開。基于空間位點的三維建模技術,以 52 mm直徑髖臼窩的球心作為原點建立空間三維坐標系,坐標軸的方向以研究區的最長軸作為 Z軸。測算髖臼半球的頂點坐標,測算各截骨面的輪廓點空間坐標,建立三維點陣模型(見圖 5)。將髖臼區分成四個象限,首先從髂前上棘和髖臼球中心點連線,這一連線 A將髖臼等分成兩個部分[3]。然后通過髖臼的球心垂直于第一條線 A做一條垂線 B,兩條線共同將髖臼分成四個象限(見圖 6)。每個象限內每間隔 15°建立一經線,將髖臼區域進行分區表示。

圖1 髂前區以及截骨線

圖2 髂后區及其截骨線

圖3 恥骨區及其截骨線

圖4 坐骨區及其截骨線

圖5 髂后區各截面輪廓控制點的三維點陣示意圖

圖6 髖臼的四象限分區示意圖

1.2 建立基于計算機程序的釘道測算系統 考慮到測算的釘道方向不垂直于髖臼壁,因此理論上螺釘的方向非常多變,實驗中建立計算機程序對各方向的釘道進行全方位的測算,并對實驗進行設定。a)螺釘簡化表示為帶有一定直徑的直線;b)根據本研究的設定,安全區內進釘的經髖臼螺釘必須通過設定長度的截面而不會超出其輪廓區域;c)釘道線在髖臼側的延長線必須通過髖臼半球面,而且便于進釘,且從近截面側半球面單次穿出。

1.2.1 操作步驟 a)測算每層截骨面輪廓線內允許某直徑釘道通過的所有區域;b)在上述區域內,以 2 mm為間隔隨機建立點陣,這些點陣中每個點將視為一個擬通過的釘道與截面的交叉點;c)取第一層點陣的任意點 A向第二層點陣的所有點(B,B1,B2…… )進行映射獲得連線視為釘道,反復本步驟,直到所有第一層點陣內的點都得到一對多的映射(見圖 7);d)自動去除滿足不了條件 2和條件 3的釘道。計算所有任意方向上滿足通過指定截面的所有釘道及其半球面和釘道交叉點的空間坐標。將上述計算獲得的經過半球面的釘道交叉點于分區內進行顯示。

圖7 根據計算機程序的釘道測算系統與各層面上進行一對多映射計算后形成的映射集表示釘道的位置

將 10例標本的各區數據進行分區統計,將其同區內的髖臼半球上釘道點的全部坐標輸入數據庫。每個標本上各取空間位置上最接近的一點,10個標本共 10點計算其均數和標準差,最后獲得該點的空間坐標作為最后結果,于髖臼本球上顯示,最后將其所有外緣點進行連接獲得拓撲區域圖顯示。

2 結 果

以右側標本為最終圖示結果,以球心為原點建立三維坐標系,以分區線 A作為縱軸線顯示各分區的情況。將髖臼通過 A、B線分割成的四個區根據位置的分布分別稱為前、后、上、下四個 90°的 1/4半球。為便于分區顯示,將半球根據經緯線進行分區顯示,每經過 15°做經線和緯線。

髂前區點陣分布結果見圖 8,點陣分布區位于上象限和前象限,上象限內分布范圍要大于前象限,具體位于經線方向 60°到 150°,緯線方向位于 0°到 30°區域。 該區域植入的長螺釘長度可達 60mm。

圖8 髂前區進釘計算的點陣分布結果

髂后區點陣分布結果見圖 9,點陣分布區位于上象限和前象限,上象限內分布范圍要略大于前象限,具體位于經線方向 60°到 150°,緯線方向位于 0°到 75°區域。 該區域植入的長螺釘長度可達 100 mm。

圖9 髂后區進釘計算的點陣分布結果

恥骨區點陣分布結果見圖 10,點陣分布區位于前象限和下象限,前象限內分布范圍要大于下象限,具體位于經線方向 -15°到 45°,緯線方向位于 0°到 45°區域。該區域植入的長螺釘長度可達 50mm。

圖10 恥骨區進釘計算的點陣分布結果

坐骨區點陣分布結果見圖 11,點陣分布區位于后象限和下象限,后象限內分布范圍要大于下象限,具體位于經線方向 -75°到 -150°,緯線方向位于 0°到 30°區域。該區域植入的長螺釘長度可達 40mm。

3 討 論

圖11 坐骨區進釘計算的點陣分布結果

3.1 本研究模型的特點 本研究通過髖臼四個分區的截骨,并將各截面的輪廓控制點通過計算機輔助程序構建三維點陣,避免了數據收集過程中關鍵信息的丟失。更重要的是,實現了整個建模過程的全數字化,最大程度上保證了建模的準確性和精確性。為了使計算模型反應實際情況,建模時以髖臼的實際形狀為對象,建立髖臼的三維點陣模型,真實、準確地反應了髖臼的解剖形態。采用基于 C語言的計算機輔助測算程序對釘道的位置和方向進行研究。一方面由于本研究沒有限制釘道的角度,進釘的方向在一定范圍內能自由選擇,比起傳統方法對釘道的測算,計算機輔助測算方法可以最大限度地降低釘道測算人為的誤差,使得本研究結果更準確,也更具實用性。

3.2 在髖關節翻修及髖周腫瘤切除重建中的臨床意義 經髖臼螺釘固定是全髖翻修術中經常采用的技術,被認為可以關閉髖臼植入時不對稱所產生的縫隙,補償骨量不足對髖臼穩定性的影響,特別是保持假體抗旋轉的穩定性。

經髖臼螺釘固定在非骨水泥重建中主要作為壓配固定髖臼的補充,骨水泥型重建主要用于一些復雜病例的翻修或重建。無論對于骨水泥臼杯或者非骨水泥臼杯,充分的初始穩定性對于骨的整合和臼杯的穩定性都非常重要。機械固定不充分和負荷傳導的不平衡是導致機械性松動的原因之一。對于髖臼杯的翻修,臼杯的初始穩定性顯然不及初次全髖置換,即使使用了加強杯并且做了植骨,無論是骨水泥杯還是非骨水泥杯,都存在一個較高的移位率。在回收樣本的研究上,在螺釘周圍的區域可以發現有骨形成的增加,這表明在特定的時間內螺釘承擔了負荷的傳導[4]。因此,經髖臼輔助螺釘固定,當骨量不足或者壓配固定的穩定性值得懷疑的時候是有效的補助方法。傳統的經髖臼螺釘技術是通過一個導向器垂直于臼杯壁鉆孔并植入螺釘,一般植入的數量在 2～ 3枚,置入的區域多位于髖臼的內上方。但在某些骨缺損嚴重病例中,當髖臼內上方無法獲得滿意初始穩定性時,髂恥區和髂坐區的固定就顯得非常重要。本研究提供的骨性釘道進釘區為長髖臼螺釘的植入提供了可行性和安全區指導。本研究顯示恥骨區置釘安全范圍位于經線方向-15°到 45°,緯線方向 0°到 45°區域,植入的螺釘長度可達 50mm。坐骨區置釘安全 范圍位于經 線方向 -75°到 -150°,緯線方 向 0°到 30°區域。植入的螺釘長度可達 40 mm,能夠滿足臨床的需要。

對于髖臼周圍腫瘤切除的重建,切除區大部分是利用新鮮冷凍的結構性異體骨重建髖臼區,這種情況下,不僅需要獲得髖臼假體滿意的初始穩定性,還必須給異體骨提供充分的固定為異體骨和宿主骨間的愈合創造條件。傳統的固定方法在髖臼的前后柱或者前柱進行鋼板固定。由于缺乏對經髖臼螺釘固定系統的研究,從現有病例看,固定的方式多樣,有些經臼杯固定,有些在臼杯外固定。固定深度淺,方向有限,有些區域并未使用到骨質最豐富的區域。因此,在這些病例上,結合長螺釘固定的髖臼杯進行髖關節重建是一種很好的選擇。本研究提供的骨性釘道進釘區為長的經髖臼螺釘的植入提供了可行性和安全區指導。經髖臼長螺釘可以同時固定其臼杯周圍的髂骨、恥骨和坐骨區,做到全周固定。

3.3 對髖臼假體設計的指導意義 臨床上,大多數翻修用加強杯的移位都是向內上方,移位尺度不斷增加,最終可導致臼杯的失穩并造成髂坐區固定的失敗。臼杯和髖臼骨間的主要負荷傳導是上部區域,由髂骨來支撐(55%),次要的區域是后下髂骨區域(25%),再次是前部區域,主要是恥骨區域(20%)。因此,髖臼杯的穩定獲得主要依靠髂骨、坐骨和恥骨的三點骨支撐[5]。髂骨與坐骨區的輔助穩定固定是許多重建加強杯的重要設計原則之一,這樣可以獲得髖臼杯全周穩定。例如,Burch環就是其中非常有代表性的設計之一,因其上方和下方均有翼的設計便于螺釘的固定,而被推薦用于一些多節段缺損的翻修,當臼杯上方和宿主骨得以接觸時,可以采用經髖臼的螺釘固定。盡管如此,臨床上仍然很難獲得并維持 Burch杯術中的穩定性,有研究表明,幾乎所有使用Burch杯翻修的患者均存在顯著的移位[6]。初始穩定性對于減少臼杯的移位和松動非常重要,因此在翻修病例中仍然需要不斷通過臼杯設計和固定方式的改進來獲得充分的臼杯初始穩定性。本研究提供的骨性釘道進釘區為經髖臼長螺釘的植入提供了可行性和安全區指導。經髖臼長螺釘可以同時固定其臼杯周圍的髂骨、恥骨和坐骨區,做到全周固定 ,其中髂前區安全范圍位于經線方向 60°到 150°,緯線方向 0°到 30°的區域 ,可選擇 60mm長的螺釘;而髂后區安全范圍位于經線方向 60°到 150°,緯線方向 0°到 75°的區域 ,并可以植入 100 mm長的螺釘。螺釘可以同時穿過嵌壓的松質骨區并到達宿主骨區,為髖臼提供良好的穩定同時也保護了螺釘本身不至于因為臼杯不穩移位造成的螺釘斷裂。如果是大塊異體骨植骨,那么長螺釘將植骨塊固定到宿主骨上 ,并提供加壓 ,有利于異體骨和宿主骨的整合。

本文嘗試通過對髖臼三維點陣模型的構建及對經髖臼長螺釘固定安全區域的探討 ,明確了經髖臼長螺釘固定的骨性釘道,尤其是恥骨支和坐骨支的進釘范圍,理想的模型將為進一步的研究提供可靠的手段和方法,以提高我們對關節置換術生物力學行為的認識,并指導著長螺釘固定理念和髖臼杯改良設計的研究,也為臨床研究提示了一條新的思路。

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