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《南方医科大学》 2012年
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髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉导航系统的研制与应用

陈鸿奋  
【摘要】:研究背景 髋臼骨折是近年来创伤骨科领域研究的热点之一,主要发生在青壮年,多由高能量暴力所致。目前我国正处于经济飞速发展期,工业建筑和交通事故以及各种自然灾害呈逐渐增多的趋势,导致髋臼骨折的患者大量涌现。髋臼骨折由于位置较深,解剖复杂,复位固定困难,并发症多等原因,一直是创伤骨科领域的难题之一。 Letournel-Judet。将髋臼骨折分为简单骨折和复杂骨折。临床上,复杂型髋臼骨折往往更为常见,Giannoudis等[3]报道其中横形骨折、双柱骨折、T型骨折、前柱伴后半横形占总髋臼骨折44%。 累及到髋臼后柱的骨折手术方式有:①后路切开复位钢板内固定;②经前路复位,前柱钢板+后柱拉力螺钉固定;③闭合复位经皮拉力螺钉固定。在横断骨折、T型骨折和双柱骨折经常被迫采用前后联合入路,开放手术内固定的优点是解剖复位,但手术创伤大,常伴有出血量大、易损伤神经血管、术后感染以及异位骨化等问题。而在实际手术中,这些类型骨折采用前方入路复位后柱,此时,首先考虑固定方式是用钢板固定前柱的同时采用顺行拉力螺钉固定后柱,从而避免后方入路,因采用钢板结合螺钉固定,减少了一个后路手术切口暴露及肌肉剥离,术中失血、损伤坐骨神经、臀上血管神经、术后感染和异位骨化的发生。但顺行拉力螺钉固定仍存在以下问题:①螺钉易进入髋关节;②螺钉穿出骨皮质,不在髓腔内,损伤重要神经、血管;③术中体位的变化、术野暴露不充分以及周围软组织的遮拦,术者难以确定进针方向;④难以打进足够长的螺钉,导致固定不够坚强;⑤术中仍需反复投照X线。因此,手术的关键与难点是:如何顺利的置入髋臼后柱拉力螺钉! 数字化骨科的出现为骨科的应用基础研究提供了一种新的研究方法,它与传统的尸体解剖研究相比,具有准确度高、一致性好、可重复性强和节约医学资源等优点。本研究利用Mimics软件对顺行髋臼后柱拉力螺钉固定的钉道参数进行解剖学测量,在UG软件上利用测量出的解剖学参数结合四方区骨面解剖学特点,设计出髋臼后柱置钉导航模板,用快速成形技术生成实体模型,并用此模板在尸体标本上进行实验,不断改进,成功后进行铸型,应用于临床。以期解决髋臼后柱螺钉置钉困难、手术风险大等难题,为髋臼骨折的治疗提供新的手术方法。 研究目的 1、运用数字化模型,对髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉解剖学参数进行测量,为临床上前经路复位、打后柱螺钉提供理论依据,并为髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉导航模板的设计提供应用解剖学基础; 2、设计并生成髋臼后柱螺钉置钉导航模板,并在尸体标本上试验,以验证利用该导航模板辅助后柱螺钉置入的准确性及可行性; 3、试图解决髋臼后柱螺钉置钉困难、手术风险大等难题,为髋臼骨折的治疗提供新的手术方法。 材料与方法 一、数据获取及三维重建模型的构建 随机选取2009年4月至2011年4月因多发伤收入我院,怀疑有骨盆骨折并行完整骨盆螺旋CT(GE MediCal systems/lightsDeed16型)扫描的40例患者。男20例,女20例;年龄20-77岁,平均(46.5±20.7)岁,排除骨质病变和解剖异常患者。扫描条件:电压为120kV,层厚为1.25mm,512×512矩阵。将CT图像以.DICOM格式储存并导入医学影像互交控制系统(Mimics10.01),界定阈值(Thresholding)选用"bone CT",然后采用区域增长(Region growing)进行三维重建,并以.stl格式存储,以备后用。 二、模拟置入髋臼后柱拉力螺钉 本研究采取张大保等[4]髋臼后柱拉力螺钉置入的方法,即经过髂前上棘(A)和髂后上棘(B)的骨性最突出点的连线中点M做一平面(γ)垂直于AB,将重建的骨盆三维模型向同侧旋转45°(相当于髂骨斜位X线片),予半透明化处理,于髋臼后柱模拟置入三维圆柱体,圆柱体经过中点M且它的中轴线在平面Y上,以确定圆柱体在AB的中垂线上,通过调整使其在最佳的位置上。逐步增大圆柱体的直径至6.5mm,间断与在不同的平面上观察虚拟圆柱体是否穿出皮质或进入髋臼,或通过三维模型上各个方向观察圆柱体,以确保圆柱体未进入关节或穿出骨皮质(图1)。 三、拉力螺钉髂窝入针点的确定及参数的测量 该圆柱体从髂窝内穿出点(0)即为顺行拉力螺钉的入针点。在弓状缘上取点D,使OD成为入针点与弓状缘之间的最短距离,连结OD,G为骶髂关节最前缘,连结DG(图2)。在Mimics10.01软件上直接测量OD、DG的距离、置入圆柱体的长度。圆柱体与冠状面夹角α及矢状面夹角β(图3)则直接读取相关数据,并通过以下公式计算: 四、数据统计与分析 分别记录进针点(0)到弓状缘最近的距离(D)和D到骶髂关节最前缘(G)的距离、置入圆柱体的长度、圆柱体与冠状面夹角α及矢状面夹角β。采用SPSS13.0软件包进行数据处理,各组数据用x±s表示,两独立计量资料进行两独立样本t检验,多样本等级资料采用Kuskal-Wallis H检验方法。检验标准P0.05为差异有显著性。 结果 顺行拉力螺钉在髂翼内的入针点(0)至弓状缘的最短距离(OD)平均为13.62±2.19mm;骶髂关节最前缘(G)至D点的距离(DG)平均为15.27±4.0lmm;圆柱体与冠状面夹角α平均为15.47°±4.01°;与矢状面夹角β平均为6.65。±2.93°;能置入拉力螺钉的长度平均为116.65±7.19。其中男、女性在DG的距离、圆柱体与矢状面夹角β、置入圆柱体的长度方面差异均有统计学意义(t值分别为3.272、2.953、2.288,P值分别为0.003、0.005、0.029)。OD的距离、圆柱体与冠状面夹角α在性别间差异无统计学意义(t值分别1.254、1.660,P值为0.218、0.106)。 结论 1、根据髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉的解剖学参数,术中置入合适长度的拉力螺钉是可行的。 2、髋臼后柱螺钉固定钉道解剖参数的测量为髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉导航模板的设计提供了路径导航。 3、骨盆的数字模型不仅为髋臼骨折后柱拉力螺钉固定的应用解剖学研究提供了一种全新的研究方法,而且能为该技术的使用提供简便、直观的个性化术前准备。 材料与方法 一、髋臼后柱顺行拉力螺钉置钉导航模板三维模型的设计与成型 运用UG6.0(Unigraphics SolutionS公司,美国)软件,根据第一部分研究中测量出的部分解剖学参数,将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一个整体。模板的内侧面(即与骨面接触的面)则根据UG软件提取出来的四方区与髂窝的骨面解剖学特点设计而成,所以具有良好的贴合度。根据第一部分研究结果,OD距离在性别间的差异并不大,后柱存在着一定的置钉安全区,故导航模板设计的参数仍采用其平均数。为增加置钉成功率及方便同时置入多枚螺钉,在距离最佳进钉孔上、下两侧约8.0mm处各增加一个进钉螺孔,形成带有3个定位定向孔的数字化导航模板三维立体图形。将骨盆三维模型以.st1格式导入UG软件,在三维重建骨盆模型上将导航模板贴合于四方区并在各个方向上转动模型,观察髋臼后柱与钉道对应的准确性。利用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法(stereolithography apparatus, SLA)将模型制作出来。 二、导航模板在尸体标本上的实验 将导航模板上的三个螺孔分别对应为第1、2、3进钉孔。取16具成人左侧骨盆标本,将导航模板贴附于四方区与髂翼,模板纵轴内侧缘与四方区内侧缘平行并使其尽量重叠。术者左手把持模板并维持其在骨盆上的稳定性,右手持电钻(钻头直径2.8mm)通过定向孔准备通道,分别从3个不同螺孔置入导针,测深并拧入相应长度的螺钉。本实验置入的螺钉直径均为6.5mm。对每具标本上3个不同出针点位置、从不同置钉孔置钉成功率及可置入螺钉的长度进行统计。 三、结果的判定方法 实验中导针的出针点位置情况有以下3种:1、位于坐骨结节附近;2、位于坐骨小切际上缘;3、从内侧骨皮质穿出或进入关节。因此,本课题中将出针点位于坐骨结节附近认为导航模板准确定位;位于坐骨小切际上缘为良好定位;进入关节或穿出内外侧骨皮质则为失败。 结果 成功的设计并制作出与四方区解剖结构较一致的导航模板。进钉孔1:18.75%(n=3)准确定位,50%(n=8)良好定位,31.25%(n=5)失败;进钉孔2:62.50%(n=10)准确定位,31.25%(n=5)良好定位,6.25%(n=1);进钉孔3:37.5%(n=6)准确定位,6.25%(n=1)良好定位,56.25%(n=9)失败。出针点位于坐骨结节附近和位于坐骨小切际上缘约11.2±4.1mm处。当出针点位于坐骨结节附近时,平均可置入螺钉长度分别为106.1±3.3mm;当出针点位于经坐骨小切际上缘时,平均可置入螺钉长度为70.4±6.1mm。用该导航模板辅助置入后柱螺钉时,分别从3个不同螺孔进钉,其效果差异有显著意义(χ2=9.006, P=0.011)。其中第2进钉孔置钉效果最佳,第1进钉孔次之,第3进钉孔最差(mean rank:29.127.916.5)。 结论 1、根据测量出的髋臼后柱拉力螺钉置钉解剖学参数结果,并结合四方区与髂窝骨面解剖学特点可以设计出贴合度良好的手术导航模板; 2、利用该导航模板辅助髋臼后柱拉力螺钉的置入,具有较高的成功率; 3、利用逆向工程原理和快速成型技术为髋臼后柱拉力螺钉的置入提供了一种新的方法。
【学位授予单位】:南方医科大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:R687.3

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