骶1骶髂关节螺钉导针指向调整方法的CT研究

蔡鸿敏 | Miles Stone  

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河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院） 髋中心

河南省骨科微创工程技术中心

著作权声明：本文图文内容均100%原创，享有著作权。

骶1骶髂关节螺钉导针指向调整方法的CT研究

蔡鸿敏¹  成传德¹  刘又文¹ 李红军¹  李无阴¹  王  钢²

¹河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）髋中心  471002；

²南方医科大学南方医院创伤骨科  510511 

原文发表在《中华创伤骨科杂志》2019年骶21卷第3期P207-212

DOI:10.3760/cma.j.issn.1671-7600.2019.03.000

请结合文末链接查阅此导针指向调整技术的视频讲解及临床病例演示。

【摘要】  目的  介绍一种骶1骶髂关节螺钉导针指向的调整方法，通过CT研究来验证其高效性和精准性。  方法  从河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）影像中心2017年7月至2018年6月期间的数据库中筛选出180例成年人骨盆CT扫描数据并分别导入MIMICS20.0软件生成骨盆轴向、冠及矢状位断层图像。在骶1最宽骨性通道的轴向CT图像（骨盆横断面）上规划虚拟骶髂关节拉力螺钉及其导针，二者与髂骨外板的交点为进钉点（限定位置），与骨盆冠状面的夹角测量值设为α（限定指向）。应用软件对每例骨盆进行3D重建并透明化处理而得到标准骶骨侧位像及骨盆出、入口位像。在标准骶骨侧位像上，插入虚拟导针，建好其进针点，将其完全调整在骨盆横断面内，进一步调整其与骨盆冠状面的夹角等于α后轻浅置入髂骨。在骨盆出、入口位像上评判导针指向。如指向良好，则使导针就位并沿其置入虚拟骶髂螺钉。应用断层图像来评判每例侧虚拟导针和螺钉的精准及安全性。  结果  应用上述骶髂关节螺钉导针指向调整方法，在标准骶骨侧位像上置入虚拟导针后，180例（360侧）导针指向在骨盆出、入口位像上均良好（良好率为100%）而无需任何其他调整操作，CT断层图像显示虚拟导针及螺钉的骨内部分精准且安全（精准且安全率为100%）。 结论  本文所述骶髂关节螺钉导针指向调整方法，理论上可确保导针在骨盆出、入口位像上的良好指向，免除繁复的调整操作，保证置钉精准性，提高手术效率。

【关键词】 骨盆；    骨折； 骨钉；  骨折固定术，内；  外科手术，微创性

基金项目：河南省科技攻关项目（162102310370）

An efficient manipulation method of S1 iliosacral screwguide-pin orientation verified by CT analysis 

CaiHongmin¹, Cheng Chuande¹, Liu Youwen¹, LiHongjun¹, Li Wuyin¹, Wang Gang²

¹HipCenter, Luoyang Orthopaedic Hospital of Henan Province（Henanprovincial orthopaedic hospital）, Luoyang, 471002,China；

²Department of Orthopaedics and Traumatology,Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China

DOI:10.3760/cma.j.issn.1671-7600.2019.03.000

【Abstract】  Objective  To introduce an efficientmanipulation method of S1 iliosacral screw guide-pin orientation verified by CTanalysis. Methods 180 adults’consecutive pelvic axial CT scan data in DICOM format wereselected from the database of the ImagingCenter in Luoyang Orthopaedic Hospital of Henan Province (Henan Provincial OrthopaedicHospital) between July 2017 and June 2018. Each copy of the data was inputinto the software MIMICS 20.0 whichcould display the axial, coronal and sagittal sectional views of the pelvis. Onthe pelvic axial CT sectional view displaying the largest osseous pathway inthe S1 segment, a virtual iliosacral screw and its guide-pin were accuratelyplaced into the sacral body in an oblique fashion. The virtual screw andguide-pin were truly in the pelvic transverse plane because they locatedexactly in the pelvic axial CT sectional view, they intersected the outer iliactable at the start-point which restricted the guide-pin’s location, and angulated with the pelvic coronal plane (representedby a line connecting the most dorsal points of bilateral ilium) at an angle (α) which limited the guide-pin’s orientation. Three-dimensional pelvic models of the standard lateralsacral view and the pelvic outlet and inlet views of each patient were first calculatedand then displayed in a transparent manner using the software, followed by thevirtual screw and guide-pin insertion operation. On the standard lateral sacralview, the establishment of the start-point was completed first, the manipulationof the guide-pin into the pelvic transverse plane and the implementation of theguide-pin’s α angle relative to the pelvic coronal plane were thenaccomplished, subsequently the guide-pinwas inserted into the ilium shallowly for stabilization. The pelvic outlet andinlet views were taken to judge the guide-pin’s orientation.If a well orientation was verified, the guide-pin was advanced to its finalposition, followed by the insertion of a virtual iliosacral screw over theguide-pin. After the completion of the virtual operation, the pelvic axial, coronaland sagittal CT sectional views were scrutinized to evaluate the insertionaccuracy.  Results  After the insertionsof the guide-pins on the true sacral lateral view following the present orientationmanipulation method, all the guide-pins oriented well consequently on thepelvic outlet and inlet views (100%), leaving further orientation adjustmentunnecessary, and all the insertions of the virtual screws and guide-pins wereintraosseous and safe on the CT sectional images (100%).  Conclusion  The manipulation method introduced here cantheoretically guarantee accurate orienting of the guide-pin on the pelvicoutlet and inlet views, avoid further complex guide-pin adjustment maneuvers, assureinsertion accuracy and enhance surgical efficiency.

【Key words】  Pelvis;  Fractures, bone;  Fracture fixation, internal;  Surgical procedures, minimal invasive

Fund program: Science and Technology Key Project of Henan Province (162102310370)

高能量暴力所致骨盆环解剖关系及稳定性的损害多需手术重建，以利于患者功能康复^[1-2]。对于骨盆后环损伤，传统的切开复位髂髂张力带钢板、骶骨棒及骶髂关节前方“八”字形钢板内固定虽然能够实现稳定骨折和（或）脱位的作用，但随之而产生的创伤较大，且并发症发生率较高。骶髂关节螺钉经皮置入技术^[3]的问世为骨盆后环损伤的治疗带来质的飞跃。随着影像技术和设备的发展以及骨盆后环解剖学研究^[4-5]的进步，骶髂关节螺钉置入技术日益完善，目前已成为治疗骨盆后环损伤的首选方案^[1-6]。

近年来对骶髂关节螺钉骨性通道和进钉点选择区域的研究报道较多^[6-10]。髂骨皮质密度线（iliac cortical density，ICD）^[7]、骶骨翼斜坡^[7]、骶神经根管^[8]及其前缘线^[9]、骶1椎体及其侧块的轴位像^[6,10]等，对于建立安全的进钉点及准确置钉有极大帮助。然而，骶髂关节螺钉导针指向调整方面的研究极少见文献报道，从而造成导针指向调整困难且效率低下，需要反复透视骨盆出、入口位像，从而增加放射线暴露量、手术时间和风险。我们亟需一种高效调整骶髂关节螺钉导针指向的方案。

在患者骨盆轴向CT断层图像上进行术前计划过程中，我们发现规划好的骶髂关节螺钉及其导针完全位于骨盆轴向断层图像也就是骨盆横断面内，进针点限定导针位置，导针与骨盆冠状面的夹角限定其指向。因此我们假设：当进针点确立后，一旦将导针调整在骨盆横断面内且调整其与骨盆冠状面的夹角等于术前计划的测量值，那么理论上，导针的指向必然良好，从而可以免除反复调整指向的繁杂操作，进而提高手术效率。为了印证这种假设，我们进行了本研究。

资料与方法

一、病例纳入标准与排除标准

骨盆连续轴向CT扫描的DICOM数据筛选需符合以下纳入及排除标准：

病例纳入标准：①无病损的正常骨盆，②累及骨盆环的新鲜骨折、无明显移位或轻微移位而不影响骶髂关节螺钉骨性通道，③髋臼骨折未累及骨盆环及骶髂关节螺钉进钉点区域的髂骨，④股骨头、颈骨折而骨盆及髋臼未受累，⑤股骨头坏死早期未出现明显髋关节骨性关节炎及骨盆骨结构改变，⑥骨发育正常且成熟。

病例排除标准：①先天发育或后天病损导致骨盆环骨结构异常，②骨盆、髋臼骨折移位严重而明显损害骶髂关节螺钉骨性通道，③腰椎骶化及骶椎腰化，④年龄＜18岁。

二、一般资料

从河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）医学影像中心2017年7月至2018年6月期间的数据库资料中筛选出180例患者的骨盆连续轴向CT扫描（参数：140.0 kV，300.0mA，0.6 Rot.time，1.0 mm层厚，1.0 mm层间距）数据（DICOM格式）；男102例，女78例；年龄为20～71岁，平均45岁。骨盆正常且无病损者32例，骨盆骨折无移位和轻微移位者58例，髋臼后壁骨折者22例，髋臼低位前柱骨折无明显移位者6例，髋关节后脱位者2例，股骨颈骨折者51例，股骨头坏死者9例。

本研究获本院医院伦理委员会批准（洛正科研伦审字2017年第05号）。

三、研究方法

（一）骶1骶髂关节螺钉及其导针的模拟置入术前规划

将每例骨盆轴向CT扫描数据导入MIMICS 20.0软件，生成骨盆轴向、冠及矢状位断层图像。在经骶1椎体及其侧块骨性通道最宽的轴向CT断层图像上，通过跨越而非贯通骶髂关节的方式，经髂骨于骶1椎体及侧块的松质骨内，斜向置入虚拟骶1骶髂关节螺钉及其导针，螺钉须越过骶椎中线，进入整个椎体相对致密的松质骨内，以获得较好的把持力^[1-3]（图1）。

图1  骶1骶髂关节螺钉及其导针的模拟置入术前规划：在经骶1节段骨性通道最宽的轴向CT断层图像上精确规划虚拟骶1骶髂关节螺钉导针（宽为2.5 mm的蓝色长方形），然后沿导针置入虚拟骶1骶髂关节螺钉（宽为6.5 mm的红色长方形），二者与髂骨外板的交点（绿色）即进钉点，与由双侧髂骨最后点连线所指代的骨盆冠状面夹角测量值为α（此例为23.8°）

（二）观察与假设

因为虚拟骶1骶髂关节螺钉及其导针完全在骨盆轴向CT断层图像内，所以两者也完全位于骨盆横断面内。两者与髂骨外板的交点即进钉点，与双侧髂骨最后点连线间的夹角就是与骨盆冠状面的夹角。应用软件的测量工具测量该夹角数值（设为α）以便在后续模拟置入骶1骶髂关节螺钉及其导针的手术过程中复制出该角度（图1）。

进针点是限定导针位置的参数，而限定导针良好指向的因素有二：一是导针完全位于骨盆横断面内，二是其与骨盆冠状面的α夹角。在骶髂关节螺钉经皮置入手术过程中，经皮插入导针，在标准骶骨侧位像上建好其进针点后，假如术者成功将其调整在骨盆横断面内并进一步地复制出其与骨盆冠状面的α夹角后轻浅置入髂骨，那么其在骨盆出、入口位像上的指向必然良好。我们通过软件进行模拟置钉手术来验证上述假设。

（三）骶1骶髂关节螺钉及导针的模拟置入手术

应用该软件重建出每例骨盆的3D模型并透明化处理而得到标准骶骨侧位像（双侧坐骨大切迹及ICD分别完全重叠）、骨盆出口位像（双侧耻骨结节与骶2椎体重叠）及入口位像（骶1椎体及侧块前缘骨皮质分别完全重叠）后开始模拟置钉手术。

骶髂关节螺钉导针指向的调整方法：在标准骶骨侧位像上，插入虚拟导针（直径为2.5mm的蓝色长圆柱体），建好其进针点^[11]，将其完全调整在骨盆横断面内（图2A），保持上述状态，进一步调整其与骨盆冠状面的夹角等于α后轻浅置入髂骨（图2B，仅应用此骨盆轴位像演示导针与骨盆冠状面之间的夹角，导针进针点确定及指向调整操作完全在标准骶骨侧位像上进行）。

上述操作完成后，显示骨盆出、入口位像以判断虚拟导针的指向是否良好（图2C、D）。如良好则经该指向将导针就位（图2E、F），沿导针置入虚拟骶髂关节螺钉（直径为6.5 mm的红色短圆柱体，图2G、H）。

图2  骶1骶髂关节螺钉及其导针的模拟置入手术：插入虚拟导针（直径为2.5 mm的蓝色长圆柱体），在标准骶骨侧位上建好进针点（绿色圆形），将导针调整在骨盆横断面内（A），并进一步调整其与骨盆冠状面夹角等于模拟术前的测量值（23.8°，B，仅应用此骨盆轴位像演示导针与骨盆冠状面之间的夹角，导针进针点确定及指向调整操作完全在标准骶骨侧位像上进行）；然后转透骨盆出口位（C）及入口位像（D）来评判导针指向，导针指向良好则在骨盆出、入口位像上沿该指向使导针就位（E、F）；最后，沿导针置入虚拟骶髂螺钉（直径为6.5 mm的红色短圆柱体，G、H）

四、模拟手术精准性评价

标准骶骨侧位像上的虚拟导针进针点确定及指向调整操作完毕后，应用骨盆出、入口位像来评判虚拟导针指向。评判标准^[3,12]：①良好：虚拟导针的延长线在骨盆出口位像上位于同侧骶1骶前孔和骶骨翼斜坡之间，同时在骨盆入口位像上位于骶1椎体及同侧侧块前缘与骶管之间，导针若沿此延长线继续行进，则可进入椎体并越过其中线；②不良：虚拟导针若沿其延长线继续行，进入椎体并越过其中线之前已在骨盆出口位像上突破同侧骶前孔或骶骨翼斜坡，或在骨盆入口位像上突破椎体及同侧侧块前缘或突入椎管。记录导针良好指向的比率。

模拟手术结束后，通过软件所生成的骨盆轴向、冠状位及矢状位断层图像所显示的虚拟骶1骶髂关节螺钉及其导针在骨内的位置来评价每例患者每侧的模拟置钉手术的精准性及安全性。评价标准^[13]：①精准且安全：虚拟骶髂关节螺钉经髂骨跨过骶髂关节后完全位于骶骨翼及椎体的松质骨内；②内切骨皮质而安全：虚拟骶髂关节螺钉紧切骶椎体或侧块、椎管、骶神经根管或骶前孔骨皮质的髓内面；③位置错误而危险：虚拟骶髂关节螺钉突破骶椎体或侧块、椎管、骶神经根管或骶前孔骨皮质（而有可能损伤邻近的重要神经、血管）。记录虚拟骶髂关节螺钉置入骨内的精准且安全率。

结果

应用上述骶髂关节螺钉导针指向调整方法，在标准骶骨侧位像上置入虚拟导针后，180例（360侧）的导针指向在骨盆出、入口位像上均良好（良好率为100%）而无需再做任何调整操作（图3）；CT断层图像显示虚拟骶髂关节螺钉及导针的骨内部分置入精准且安全（精准且安全率为100%，图4）。

图3  应用本文所述的骶髂关节螺钉导针指向调整方法，在标准骶骨侧位像上置入虚拟导针（直径为2.5 mm的蓝色长圆柱体）后，转透骨盆出口位像（A）及入口位像（B）显示导针指向良好（蓝色平行线段）而无需进行其他任何调整操作

图4  模拟手术后应用骨盆断层CT图像证实所置入虚拟骶髂关节螺钉（直径为6.5 mm的红色短圆柱体）及导针（直径为2.5 mm的蓝色长圆柱体）在骨内的位置精准且安全，所示导针与骨盆冠状面的夹角复制成功（A-D）

讨论

高能量暴力所导致的不稳定型骨盆环损伤的治疗目的是恢复骨盆后环的解剖并重建其稳定性。骶髂关节螺钉固定除具有生物力学方面的优势外，其经皮置入技术有着显著的微创特性，目前已成为骨盆后环损伤的首选方案^[1-16]。置钉手术通常在C型臂X线机透视监视下完成，标准骶骨侧位像用以建立导针的进针点，骨盆出、入口位像用以调整导针指向并引导其就位而后置入骶髂螺钉^{[1-3, 6, 10, 12]}。

近年来，骶髂螺钉骨性通道和进钉点选择区域的研究成果较丰富。Routt等^[7]通过应用铅线标记骶髂关节外侧的髂骨及真骨盆边缘以及内侧的骶骨翼斜坡后进行标准骶骨侧位像透视，发现ICD往往与骶骨翼斜坡平齐或位于其尾端，将导针进针点建立在ICD尾端的骶椎体投影上即可避免螺钉在骶髂关节头端腹侧出现“in-out-in”，从而显著提高了骶髂关节螺钉置入的准确率和安全性。Farrell等^[8]通过将灌注有造影剂的输液器针头的胶管经骶1骶前孔斜向头端后内侧插入骶管并透视骨盆出、入口位像来研究骶神经根管的走形特征。我们曾通过影像技术和医学软件呈现了骶神经根管的三维形态，揭示了骶神经根管前缘线在标准骶骨侧位像上的走形特征^[9]。上述研究为骶髂关节螺钉如何避开位于骨性通道尾端后侧的椎管及神经根管内容物提供了有力的依据。Hou等^[10]通过研究发现了应用C型臂X线机透视显示位于骶1椎体及其侧块内的骶髂关节螺钉的椭圆形骨性通道的方法。Carlson等^[11]的研究中提到了一种在标准骶骨侧位像上建立安全的进钉点方法：将进钉点确定在经骶1骶前孔上或下缘的骶1椎体上终板的平行线与椎体后缘线的交点处。上述研究结果对掌握骶髂关节螺钉安全骨性通道、建立安全进钉点及精准置钉均有重要意义。然而，目前除了骨盆出、入口位像上调整导针指向的大体原则（即在骨盆出口位像上位于同侧骶1骶前孔和骶骨翼斜坡之间，同时在骨盆入口位像上位于骶1椎体及同侧侧块前缘与骶管之间）^{[1-3, 6-13]}外，关于骶髂关节螺钉导针指向调整方法方面的研究鲜见报道，从而造成导针指向调整较为困难和效率低下的现状。

通常，在经皮插入骶髂关节螺钉导针，使之穿过丰厚的臀部软组织并抵在髂骨外板后，在标准骶骨侧位像上调整并建立进针点过程中，术者们的注意力往往只集中在导针尖本身所在的位置而忽略了导针的整体空间指向。一旦导针尖的位置理想，将导针轻浅打入髂骨后转透骨盆出、入口位像开始调整导针的整体空间指向。然而，导针指向的调整常常遭遇臀部丰厚软组织的阻碍而难以快速且有效地完成，甚至可能导致原已建立起来的进针点出现丢失，从而需要反复透视加以调整，增加了患者及手术组医护人员的放射线暴露量，延长了手术时间，提高了手术风险。即使通过努力，克服了软组织的阻碍，导针指向调整的困难程度并没有明显降低，在骨盆出、入口位像上调整导针指向的过程中仍时常有顾此失彼的情况发生，即二像之一上已然调好的导针指向在调整另一像不良指向的过程中出现丢失^[14-15]。为究其原因，Ricci等^[14]通过研究发现骨盆出、入口位像之间并非如股骨正、侧位等之间的90°正交关系，Graves和Routt^[15]通过研究发现骨盆出、入口位像两者之间的夹角在62°～76°（平均67°）之间。我们通过影像学研究发现骶1及骶2椎体前缘骨皮质之间存在三种关系：①骶1及骶2椎体前缘骨皮质相互共面，②骶1椎体前缘骨皮质位于骶2椎体前缘骨皮质的腹侧，③骶1椎体前缘骨皮质位于骶2椎体前缘骨皮质的背侧，因而引出骶1入口位及骶2入口位像的概念，以期对骶1及骶2骶髂关节螺钉的经皮置入给予精准化指导^[16]，但这种情况使得在骨盆出、入口位像上调整导针指向的操作更加复杂化。显然，目前临床上亟需一种高效调整骶髂螺钉导针指向的解决方案。

我们在骨盆轴向CT断层图像上进行术前计划以规划骶髂关节螺钉及其导针路线及方位的过程中发现了一些却被忽略的重要事实：虚拟的导针及螺钉完全位于骨盆轴向断层图像即骨盆横断面内，限制其位置的参数为进钉点，限制其指向的参数则为其与骨盆冠状面（可由双侧髂骨最后点的连线指代）的夹角（图1）。因此，理论上讲，当进针点建好后，复制出导针在骨盆横断面内且与骨盆冠状面的夹角等于术前计划的测量值这两项属性即可复制出其术前计划的良好指向，其在骨盆出、入口位像上的指向必然良好。本研究应用医学影像处理软件对骨盆轴向CT扫描数据完成3D建模后进行骶1骶髂关节螺钉及其导针的模拟置入手术并从理论上印证了这种导针指向调整方法的可行性、高效性、精准性及安全性：在标准骶骨侧位像上建好进针点，将导针调整在骨盆横断面内并使其与骨盆冠状面的夹角等于术前计划的测量值后轻浅置入髂骨，其指向必然良好，无需在骨盆出入口位像上进行任何指向调整操作仅引导导针就位而后置入螺钉即可，从而赋予标准骶骨侧位像除建立导针进针点外的调整导针指向的功能，避免依赖传统的骨盆出、入口位像调整导针指向过程中指向甚至进针点丢失的可能性，减少放射线暴露量，缩短手术时间，降低手术风险及提高手术效率。这种导针指向调整方法因包含明确的客观指标而具有可重复性，它将简单的骨盆横断面及冠状面作为参照，以病人个体化的角度测量作为基石而发挥个性化精准治疗的优势。为了便于复制导针指向参数的操作，避免臀部丰厚软组织对标准骶骨侧位像上调整导针指向形成明显阻碍，我们应用2枚克氏针呈“十”字形交叉紧贴臀部皮肤放置并在标准骶骨侧位像透视下调整交叉点的位置来确定大致的皮肤穿刺点（图5A），然后预先在体外将导针调整成位于骨盆横断面内并与骨盆冠状面呈α夹角的状态再穿刺进入软组织并贴在髂骨外板，随后在侧位像上调整并建立进针点，从而可以进一步提高手术效率。置钉手术过程中，患者处于严格仰卧位，则手术床或地面因与病人躯体冠状面平行而可为骨盆冠状面的确定提供参照（图5B），也可帮助判断骨盆横断面（图5C，垂直于躯体长轴及手术床或地面）。

图5  两枚克氏针“十”字形交叉贴皮放置并在标准骶骨侧位像上调整交叉点以帮助确定大致的皮肤穿刺点，于体外保持导针位于骨盆横断面内并与冠状面呈α夹角的状态后插入体内再建立进针点（A）。病人仰卧位时，手术床面或地面与骨盆冠状面平行而可作为后者的参考以帮助确定α夹角（B），也可用于帮助判断骨盆横断面以确定导针位于其内（C）

本研究尚存在以下限制：骶髂关节螺钉不完全位于骨盆轴向CT断层图像内并非一定不精准，因为骶髂关节螺钉骨性通道有相当的直径，在进钉点一定的情况下，允许螺钉与骨性通道的长轴有一定范围的角度变化。本文所论述的方法只是提供了一种理论上可行的调整导针指向的捷径，并非代表骶髂关节螺钉置入技术的全部。这种方法只适用于骶髂关节脱位或骨折脱位时需要斜向置入部分螺纹拉力螺钉和上骶段变异的骶骨骨折需要斜向置入全螺纹位置螺钉的情形，不适用于置入平向骶髂关节螺钉及横贯骶髂关节螺钉。这种方法具有理论上的可行性、高效性及安全性，尚需要进一步进行临床实践来检验。

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