基于中國人腰骶區解剖參數不同軌跡螺釘的影像學研究

丁紅濤 劉玉增 海 涌 關 立 潘愛星 張希諾 韓 渤 李 越

(首都醫科大學附屬北京朝陽醫院骨科，北京 100020)

腰骶段具有復雜的解剖學特征。相比于在冠狀位上活動有限，腰骶節段在矢狀位上存在較大的活動度。腰椎的前凸導致腰骶段間隙角度頗為陡峭，形成的載荷矢量在腰骶段產生了較大的平移剪切力，這些解剖學因素與力學特點加上骶骨較差的骨質情況，為腰骶段堅強固定融合帶來了挑戰[1-3]。在進行長節段固定融合至骶骨時，S2AI螺釘因融合率高、內固定相關并發癥發生率低成為目前的主流固定方式[4-5]，但其額外的局部軟組織破壞以及準確置釘所需要的術者較高的操作技術[5-6]，讓短節段腰骶融合仍青睞于終止在S1節段。目前S1內固定技術主要有S1椎弓根螺釘(pedicle screw, PS)、S1皮質骨螺釘(cortical screw, CS)以及骶骨翼螺釘(sacral alar screw, SAS)。本研究旨在通過對骶骨計算機斷層掃描(computed tomography,CT)資料進行三維重建，描述3種內固定方式的影像學參數并進行對比，分析3種內固定方式的可靠程度。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究為回顧性研究，經首都醫科大學附屬北京朝陽醫院倫理委員會批準，收集2019年1月至2019年12月首都醫科大學附屬北京朝陽醫院行腰骶段CT三維掃描的非骨科疾病中國人受試者CT資料，共獲得42例受試者數據，其中男性20例，女性22例，年齡41～67歲，平均年齡(55.14±8.35)歲。所有腰骶段CT掃描患者均無骨性疾病或畸形。

1.2 數據獲取與建模

所獲得CT掃描資料從PACS系統(美國GE公司)導出DICOM格式文件，使用MIMICS軟件(V21.0，比利時Materialise公司)進行處理分析，采用該程序使2D圖像轉換為3D模型，并在3D模型上按照預定設計進行準確釘道選擇、切割與測量。由于本研究主要關注不同S1螺釘的釘道參數與可靠性能上，所以該軟件的精確程度理論上可以保證研究的可行性與準確性。

將所有受試者CT掃描數據按照DICOM格式下載并導入到MIMICS軟件中，以2維圖像為基礎，進行3D模型重建。按照合適的灰度值重建骨骼圖像。本研究選擇226～1 600個Hounsfield單位為骶骨閾值[7]，在MIMICS界面上進行3D計算與重建，適當二次處理以獲得精確的解剖定位。圖像準備完成后，在3D模型上進行釘道標識，并測量相應數據。

1.3 影像數據測量

1.3.1 確定椎弓根螺釘、皮質骨螺釘和骶骨翼螺釘的進釘點與終點

椎弓根螺釘進釘點位于S1關節突外側緣的垂直線與關節突下緣的水平線的交點上，終點位于S1上終板最前側皮質[8-9]。皮質骨螺釘進釘點位于S1上關節突中垂線與L5下關節突下方3 mm處水平線的交點，終點位于S1上終板前1/3最外緣處[8]。骶骨翼螺釘進釘點位于L5/S1關節突下緣水平線向外1 mm處，終點位于骶骨翼的最前方皮質[10-11]。各釘道示意圖見圖1。

圖1 螺釘示意圖Fig.1 Schematic diagram of screw trajectoryA: pedicle screw; B: cortical screw; C: sacral alar screw.

1.3.2 椎弓根螺釘、皮質骨螺釘和骶骨翼螺釘數據測量

最長釘道的長度、外展角(transverse angle, TA)、尾傾角(sagittal angle, SA)(與S1上終板之間的夾角)(圖2)。

圖2 螺釘夾角測量Fig.2 Measurement of screw angleA: screw transverse angle; B: sagittal angle.

1.3.3 CT值數據測量

每個釘道上，分別以3 mm為半徑圓形的CT值測量工具測量入釘點、釘道終點以及其中點區域的CT值，然后獲得每個通道3個區域骨CT值的平均值，分別為CTA、CTB、CTC(圖3)。由于解剖差異的存在，為了較為準確的比較不同個體之間不同通道上平均骨CT值，進行標準化處理，將3組數據取平均，得到平均骨CT值。

圖3 椎弓根螺釘CT值測量位置Fig.3 Measurement position of CT value in pedicle screw A: measurement position of CT value in the area of the screw insertion point； B： measurement position of CT value in the midpoint area of the screw trajectory; C: measurement position of CT value in the end area of the screw; CT: computed tomography.

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 釘道長度與角度

S1骶骨翼螺釘釘道外展約(63.51±8.68)°，尾傾角約(36.62±10.97)°，長約(41.74±3.33)mm，其中女性人群釘道外展角度與長度略大于男性人群(P<0.05)；S1皮質骨螺釘釘道軌跡外展約(5.62±3.69)°，頭傾角約(6.60±4.88)°，長約(31.60±4.23)mm，男性外展角度略大于女性人群(P<0.01)；S1椎弓根螺釘釘道內收約(29.42±3.89)°，尾傾角約(15.60±6.58)°，長度約(48.12±5.44)mm，男性釘道較女性人群略長(P<0.01)。S1各釘道不同性別之間的情況見表1。

表1 各釘道影像參數不同性別間比較

2.2 不同軌跡釘道CT值

S1不同釘道長度與CT值見表2，椎弓根螺釘長度顯著大于骶骨翼螺釘與皮質骨螺釘，而骶骨翼螺釘的平均CT值顯著高于椎弓根螺釘，但骶骨翼螺釘釘道中點的CT值較另兩種釘道顯著更低(P<0.01)。各組間比較見圖4。

表2 各釘道間影像學參數比較

圖4 三組間螺釘釘道長度、釘道CT值比較Fig.4 Comparisons of screw trajectory and CT value of screw trajectory among three groupsA: length of screw trajectory; B： average CT value of screw； *P<0.05， **P<0.01, ***P<0.001; CT: computed tomography; SAS: sacral alar screw; CS: cortical screw; PS: pedicle screw; HU: Hounsfield.

3 討論

腰骶部退行性疾病如L5/S1節段腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥、腰椎滑脫癥等常需要進行腰骶部固定融合[12]。盡管外科技術近些年取得了進步，由于局部解剖困難、骶骨傾斜形成的載荷矢量以及骶骨較疏松的組織特點，實現堅強的腰骶節段固定融合仍然是一個重要的臨床問題，假關節形成、內固定失敗和矢狀面失衡等并發癥仍然是亟待解決的臨床問題[3]。

腰骶部內固定有兩種基本技術：骶骨固定和骶髂固定。自從Galveston髂骨固定器械問世以來，髂骨固定一直被認為是一種更牢固的內固定方法[13]。 雖然髂骨螺釘作為遠端固定點在臨床與生物力學上已被驗證可行，但該技術在軟組織剝離與處理、干擾植骨骨源獲取、骶髂關節破壞等方面還存在問題，所以其多用于長節段腰骶融合，如脊柱畸形等的治療[14]。

目前用于單純骶骨固定的手術方法很多，骶骨椎弓根螺釘固定、皮質骨螺釘固定、骶骨翼螺釘固定等[8-9, 15]。臨床中以椎弓根螺釘與皮質骨螺釘應用較廣，研究通過各種方法比較了兩種內固定方式用于腰骶部固定的穩定性與可靠性。既往研究[16-19]表明，螺釘置入力矩與穩定性之間存在較強的相關性。Matsukawa等[8]發現，采用S1皮質骨螺釘其平均置入力矩約為(2.96±1.33)Nm，顯著高于Luk等[16]報道的椎弓根螺釘置入力矩(1.98±0.76) Nm與Zhu等[17]報道的 (1.93±0.67)Nm。而在腰椎，更多的研究[20-22]均驗證了皮質骨螺釘更加優異的抗拔出力與生物力學強度。但關于S1骶骨翼螺釘的描述并不多見。本研究基于各釘道的影像學參數，對3種不同的置釘類型進行分析比較。

本研究按照以往文獻[23]描述在三維模型中確定釘道位置，分別測量釘道的長度、角度與CT值。既往研究[8]顯示，增加與椎體骨質的把持長度可以有效增加螺釘的力學強度。本研究中S1椎弓根螺釘、骶骨翼螺釘與皮質骨螺釘長度分別為(48.12±5.44)mm、(41.74±3.33)mm與(31.59±4.23)mm，其中S1皮質骨螺釘長度與Cho等[24]描述的(31.5±3.5)mm相似，但同時該研究還發現，雖然皮質骨螺釘釘道長度較短，但其置釘力矩卻比傳統螺釘高出41%。這是因為螺釘的力學強度不僅與釘道長度有關系，還和釘道軌跡所穿越的骨質密度情況有關。

Hounsfield(HU)值又稱CT值，是組織在CT掃描結果中顯示密度大小的計量單位。多個研究[25-28]顯示，HU值與骨密度呈正相關，可以作為在脊柱融合手術前預測骨質情況與釘道可靠程度的有效手段。既往也有研究[29]使用HU值來比較椎弓根螺釘與皮質骨螺釘釘道的骨質強度，該方法已被證實可行且發現皮質骨螺釘軌跡骨密度隨年齡衰減速度與釘道可靠程度顯著優于椎弓根螺釘。本研究中，皮質骨螺釘釘道平均HU值顯著高于椎弓根螺釘，與Zhang等[30]研究結果相似。

骶骨翼螺釘釘道的平均CT值為(483.12±142.74)HU，雖然釘道中部的骨密度顯著低于另外兩種釘道，但起始部和終點卻與皮質骨螺釘的骨密度相似或略高，致使其平均CT值與皮質骨螺釘釘道相似，而顯著高于椎弓根螺釘，所以可以將骶骨翼螺釘視作為一種雙皮質固定，亦可作為骶骨固定的替代方案之一,但這僅是影像學參數的結果，還需要生物力學的研究進一步加以驗證。

既往并無較多骶骨翼螺釘的生物力學強度與使用經驗，因骶骨翼較低的骨密度，使得該固定方式未成為骶骨固定的常用方案，僅在某些特殊情況如S1椎弓根缺損、椎體畸形病變等無法置入椎弓根螺釘時，才考慮使用骶骨翼螺釘作為替代。但本研究發現，其釘道長度與平均CT值均不遜于傳統椎弓根螺釘與皮質骨螺釘，所以臨床中可以嘗試采用骶骨翼螺釘進行腰骶部固定手術。

骶骨翼螺釘進釘點靠近中線，與皮質骨螺釘的進釘點較為接近，使得腰骶部采用皮質骨螺釘聯合骶骨翼螺釘固定融合更為方便。在進行腰骶長節段固定融合時，為避免S2AI螺釘的并發癥，Mayer等[31]建議采用S1椎弓根螺釘聯合骶骨翼螺釘的四錨定點的方式提高內固定強度，研究證實其穩定性可獲得較大的提升，為腰骶固定提供更多的思路與解決方案。

本研究也存在許多不足之處，如納入樣本量小、年齡分布不均、無骨密度值作為參考等，不能提供說服力較強、覆蓋范圍更廣的論據以支持本研究的結論；此外,數據的采集也會存在一定測量誤差。需要大樣本全方位的生物力學研究以驗證本研究的發現。