計算機輔助經(jīng)髖臼長螺釘固定進釘安全區(qū)的解剖研究

蔡春元,李永獎,吳浩波,楊國敬,張力成

(1.溫州醫(yī)學(xué)院附屬第三醫(yī)院骨科 ,浙江 瑞安 325200;2.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院骨科,浙江 杭州 310009)

經(jīng)髖臼螺釘固定是全髖翻修術(shù)中經(jīng)常采用的技術(shù),傳統(tǒng)的經(jīng)髖臼螺釘技術(shù)在鉆釘孔時往往需要鉆通髖臼結(jié)構(gòu)區(qū)的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨,螺釘尾部容易損傷盆腔重要的血管及神經(jīng),如髂內(nèi)外血管,閉孔血管和神經(jīng)[1,2]。且傳統(tǒng)技術(shù)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(wěn)定性用常規(guī)長度的螺釘不能獲得滿意的力學(xué)穩(wěn)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(jīng)髖臼長螺釘固定骨性釘?shù)赖陌踩M釘區(qū),以期為今后相關(guān)的研究提供多方位的思路,從而進一步為全髖翻修術(shù)的長螺釘固定以及假體改良設(shè)計提供有益的指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 尸體標本的分區(qū)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(jié)構(gòu)(半骨盆標本由浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供)。將骨盆進行分區(qū),根據(jù)髂骨結(jié)構(gòu)特點,將髂翼從中間最薄弱的區(qū)域進行分區(qū),分成髂前區(qū)和髂后區(qū);以恥骨和坐骨為中心結(jié)構(gòu)再分區(qū)成恥骨區(qū)和坐骨區(qū),這樣每半骨盆分成四個區(qū)。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(jié)構(gòu)。

每個骨性分區(qū)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(qū)共截成 7層 6個截面 ,髂后區(qū)為11層 10個截面,恥骨區(qū)分為 6層 5個截面,坐骨區(qū)為 5層 4個截面(見圖 1～ 4)。保留髖臼的完整性,并不截開?；诳臻g位點的三維建模技術(shù),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(qū)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(qū)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(nèi)每間隔 15°建立一經(jīng)線,將髖臼區(qū)域進行分區(qū)表示。

圖1 髂前區(qū)以及截骨線

圖2 髂后區(qū)及其截骨線

圖3 恥骨區(qū)及其截骨線

圖4 坐骨區(qū)及其截骨線

圖5 髂后區(qū)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(qū)示意圖

1.2 建立基于計算機程序的釘?shù)罍y算系統(tǒng) 考慮到測算的釘?shù)婪较虿淮怪庇隗y臼壁,因此理論上螺釘?shù)姆较蚍浅６嘧?實驗中建立計算機程序?qū)Ω鞣较虻尼數(shù)肋M行全方位的測算,并對實驗進行設(shè)定。a)螺釘簡化表示為帶有一定直徑的直線;b)根據(jù)本研究的設(shè)定,安全區(qū)內(nèi)進釘?shù)慕?jīng)髖臼螺釘必須通過設(shè)定長度的截面而不會超出其輪廓區(qū)域;c)釘?shù)谰€在髖臼側(cè)的延長線必須通過髖臼半球面,而且便于進釘,且從近截面?zhèn)劝肭蛎鎲未未┏觥?/p>

1.2.1 操作步驟 a)測算每層截骨面輪廓線內(nèi)允許某直徑釘?shù)劳ㄟ^的所有區(qū)域;b)在上述區(qū)域內(nèi),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?shù)琅c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?shù)?反復(fù)本步驟,直到所有第一層點陣內(nèi)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?shù)?。計算所有任意方向上滿足通過指定截面的所有釘?shù)兰捌浒肭蛎婧歪數(shù)澜徊纥c的空間坐標。將上述計算獲得的經(jīng)過半球面的釘?shù)澜徊纥c于分區(qū)內(nèi)進行顯示。

圖7 根據(jù)計算機程序的釘?shù)罍y算系統(tǒng)與各層面上進行一對多映射計算后形成的映射集表示釘?shù)赖奈恢?/p>

將 10例標本的各區(qū)數(shù)據(jù)進行分區(qū)統(tǒng)計,將其同區(qū)內(nèi)的髖臼半球上釘?shù)傈c的全部坐標輸入數(shù)據(jù)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(shù)和標準差,最后獲得該點的空間坐標作為最后結(jié)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(qū)域圖顯示。

2 結(jié) 果

以右側(cè)標本為最終圖示結(jié)果,以球心為原點建立三維坐標系,以分區(qū)線 A作為縱軸線顯示各分區(qū)的情況。將髖臼通過 A、B線分割成的四個區(qū)根據(jù)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(qū)顯示,將半球根據(jù)經(jīng)緯線進行分區(qū)顯示,每經(jīng)過 15°做經(jīng)線和緯線。

髂前區(qū)點陣分布結(jié)果見圖 8,點陣分布區(qū)位于上象限和前象限,上象限內(nèi)分布范圍要大于前象限,具體位于經(jīng)線方向 60°到 150°,緯線方向位于 0°到 30°區(qū)域。 該區(qū)域植入的長螺釘長度可達 60mm。

圖8 髂前區(qū)進釘計算的點陣分布結(jié)果

髂后區(qū)點陣分布結(jié)果見圖 9,點陣分布區(qū)位于上象限和前象限,上象限內(nèi)分布范圍要略大于前象限,具體位于經(jīng)線方向 60°到 150°,緯線方向位于 0°到 75°區(qū)域。 該區(qū)域植入的長螺釘長度可達 100 mm。

圖9 髂后區(qū)進釘計算的點陣分布結(jié)果

恥骨區(qū)點陣分布結(jié)果見圖 10,點陣分布區(qū)位于前象限和下象限,前象限內(nèi)分布范圍要大于下象限,具體位于經(jīng)線方向 -15°到 45°,緯線方向位于 0°到 45°區(qū)域。該區(qū)域植入的長螺釘長度可達 50mm。

圖10 恥骨區(qū)進釘計算的點陣分布結(jié)果

坐骨區(qū)點陣分布結(jié)果見圖 11,點陣分布區(qū)位于后象限和下象限,后象限內(nèi)分布范圍要大于下象限,具體位于經(jīng)線方向 -75°到 -150°,緯線方向位于 0°到 30°區(qū)域。該區(qū)域植入的長螺釘長度可達 40mm。

3 討 論

圖11 坐骨區(qū)進釘計算的點陣分布結(jié)果

3.1 本研究模型的特點 本研究通過髖臼四個分區(qū)的截骨,并將各截面的輪廓控制點通過計算機輔助程序構(gòu)建三維點陣,避免了數(shù)據(jù)收集過程中關(guān)鍵信息的丟失。更重要的是,實現(xiàn)了整個建模過程的全數(shù)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(yīng)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(yīng)了髖臼的解剖形態(tài)。采用基于 C語言的計算機輔助測算程序?qū)︶數(shù)赖奈恢煤头较蜻M行研究。一方面由于本研究沒有限制釘?shù)赖慕嵌?進釘?shù)姆较蛟谝欢ǚ秶鷥?nèi)能自由選擇,比起傳統(tǒng)方法對釘?shù)赖臏y算,計算機輔助測算方法可以最大限度地降低釘?shù)罍y算人為的誤差,使得本研究結(jié)果更準確,也更具實用性。

3.2 在髖關(guān)節(jié)翻修及髖周腫瘤切除重建中的臨床意義 經(jīng)髖臼螺釘固定是全髖翻修術(shù)中經(jīng)常采用的技術(shù),被認為可以關(guān)閉髖臼植入時不對稱所產(chǎn)生的縫隙,補償骨量不足對髖臼穩(wěn)定性的影響,特別是保持假體抗旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

經(jīng)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(fù)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(wěn)定性對于骨的整合和臼杯的穩(wěn)定性都非常重要。機械固定不充分和負荷傳導(dǎo)的不平衡是導(dǎo)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(wěn)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(qū)域可以發(fā)現(xiàn)有骨形成的增加,這表明在特定的時間內(nèi)螺釘承擔了負荷的傳導(dǎo)[4]。因此,經(jīng)髖臼輔助螺釘固定,當骨量不足或者壓配固定的穩(wěn)定性值得懷疑的時候是有效的補助方法。傳統(tǒng)的經(jīng)髖臼螺釘技術(shù)是通過一個導(dǎo)向器垂直于臼杯壁鉆孔并植入螺釘,一般植入的數(shù)量在 2～ 3枚,置入的區(qū)域多位于髖臼的內(nèi)上方。但在某些骨缺損嚴重病例中,當髖臼內(nèi)上方無法獲得滿意初始穩(wěn)定性時,髂恥區(qū)和髂坐區(qū)的固定就顯得非常重要。本研究提供的骨性釘?shù)肋M釘區(qū)為長髖臼螺釘?shù)闹踩胩峁┝丝尚行院桶踩珔^(qū)指導(dǎo)。本研究顯示恥骨區(qū)置釘安全范圍位于經(jīng)線方向-15°到 45°,緯線方向 0°到 45°區(qū)域,植入的螺釘長度可達 50mm。坐骨區(qū)置釘安全 范圍位于經(jīng) 線方向 -75°到 -150°,緯線方 向 0°到 30°區(qū)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(qū)大部分是利用新鮮冷凍的結(jié)構(gòu)性異體骨重建髖臼區(qū),這種情況下,不僅需要獲得髖臼假體滿意的初始穩(wěn)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(chuàng)造條件。傳統(tǒng)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(jīng)髖臼螺釘固定系統(tǒng)的研究,從現(xiàn)有病例看,固定的方式多樣,有些經(jīng)臼杯固定,有些在臼杯外固定。固定深度淺,方向有限,有些區(qū)域并未使用到骨質(zhì)最豐富的區(qū)域。因此,在這些病例上,結(jié)合長螺釘固定的髖臼杯進行髖關(guān)節(jié)重建是一種很好的選擇。本研究提供的骨性釘?shù)肋M釘區(qū)為長的經(jīng)髖臼螺釘?shù)闹踩胩峁┝丝尚行院桶踩珔^(qū)指導(dǎo)。經(jīng)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(qū),做到全周固定。

3.3 對髖臼假體設(shè)計的指導(dǎo)意義 臨床上,大多數(shù)翻修用加強杯的移位都是向內(nèi)上方,移位尺度不斷增加,最終可導(dǎo)致臼杯的失穩(wěn)并造成髂坐區(qū)固定的失敗。臼杯和髖臼骨間的主要負荷傳導(dǎo)是上部區(qū)域,由髂骨來支撐(55%),次要的區(qū)域是后下髂骨區(qū)域(25%),再次是前部區(qū)域,主要是恥骨區(qū)域(20%)。因此,髖臼杯的穩(wěn)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(qū)的輔助穩(wěn)定固定是許多重建加強杯的重要設(shè)計原則之一,這樣可以獲得髖臼杯全周穩(wěn)定。例如,Burch環(huán)就是其中非常有代表性的設(shè)計之一,因其上方和下方均有翼的設(shè)計便于螺釘?shù)墓潭?而被推薦用于一些多節(jié)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(jīng)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(shù)中的穩(wěn)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(wěn)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(shè)計和固定方式的改進來獲得充分的臼杯初始穩(wěn)定性。本研究提供的骨性釘?shù)肋M釘區(qū)為經(jīng)髖臼長螺釘?shù)闹踩胩峁┝丝尚行院桶踩珔^(qū)指導(dǎo)。經(jīng)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(qū),做到全周固定 ,其中髂前區(qū)安全范圍位于經(jīng)線方向 60°到 150°,緯線方向 0°到 30°的區(qū)域 ,可選擇 60mm長的螺釘;而髂后區(qū)安全范圍位于經(jīng)線方向 60°到 150°,緯線方向 0°到 75°的區(qū)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(zhì)骨區(qū)并到達宿主骨區(qū),為髖臼提供良好的穩(wěn)定同時也保護了螺釘本身不至于因為臼杯不穩(wěn)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(gòu)建及對經(jīng)髖臼長螺釘固定安全區(qū)域的探討 ,明確了經(jīng)髖臼長螺釘固定的骨性釘?shù)?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(guān)節(jié)置換術(shù)生物力學(xué)行為的認識,并指導(dǎo)著長螺釘固定理念和髖臼杯改良設(shè)計的研究,也為臨床研究提示了一條新的思路。

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