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简化异常骶骨中 S1 骨盆骶髂螺钉方向的规划与置入方法

期刊:The Journal of Bone and Joint Surgery, American VolumeDOI:10.2106/jbjs.23.01416

作者与研究机构及发表期刊信息

本文研究由 Hongmin Cai, Yingchao Yin, Ruipeng Zhang, Lin Liu, Tao Wang, Zhiyong Hou 主导完成,研究工作在The Third Hospital of Hebei Medical University (河北医科大学第三医院,石家庄市,河北省,中国)展开,该成果发表于The Journal of Bone and Joint Surgery期刊,具体发布时间为2024年。


研究背景

研究主要聚焦于骨科领域,特别是骶髂螺钉(Sacroiliac Screw)变形骶骨(dysmorphic sacrum) 中的定位与植入问题。在临床中,骶髂螺钉被广泛用于治疗后骨盆环不稳定性损伤,因其微创性特性和生物力学优越性,这种技术相较于开放手术优势明显。然而,当骶骨存在形态异常时,尤其是 S1 段缺乏传统横向骨质通道的情况下,螺钉置入过程变得异常复杂且高风险。本研究的背景知识与这些困难密切相关,包括以下几点: 1. 解剖学难点:在30%-40%的成年人中,存在骶骨变形的情况,其形态会使 S1 中经典横向螺钉通道变得不可用,需要采用更复杂的斜向螺钉通道。 2. 影像引导限制:常规 C 臂扫描虽被广泛应用,但在指导变形骶骨 S1 螺钉植入时表现力不足,易引发医生操作误差。 3. 术前规划需求:在手术前通过 CT 影像描绘螺钉轨迹是必要的,但如何在术中精准重现术前设计的螺钉轨迹成为实施难题。

研究旨在提出一种简化 S1 骶髂螺钉定位的方法,基于术前 CT 测量的患者特异性角度,确保手术中能够重复得到准确结果。这一研究既在理论层面上探索如何优化术前规划到术中实施的连接步骤,也在临床实际中验证了其可行性和安全性。


研究方法与流程

本研究分为两部分:计算机模拟虚拟手术和临床手术验证,每个部分包括详细的操作步骤和数据分析。以下为研究的详细设计与工作流程:

1. 虚拟手术

研究对象及选取
研究纳入了 95 名患者,这些患者在此前相关研究中已通过骨盆 CT 影像确诊具备特定条件: - 年龄≥18岁; - 骨盆环完整,或存在非移位、微移位性骨折; - 骨盆整体对称,无先天性或慢性疾病导致的畸形; - 骶骨无过渡性椎体,但 S1 存在一个直径≥10mm 的倾斜骨质通道; - 所用 CT 影像分辨率切片厚度≤1mm。

操作步骤与实验方法
1. CT 影像的预处理与轨迹划分
将每位患者骨盆 CT 的 DICOM 数据输入 Materialise Mimics 软件,生成骶骨的轴位、冠状位、矢状位图像。在 S1 倾斜骨质通道上,划分出理想骨螺钉轨迹,并测量此轨迹与冠状面之间的参考角度(Reference Placement Angle, RPA)。

  1. 定位与引导线模拟
    借助 3D 重建图像,模拟术中影像引导:包括骶骨侧位视图(SLV),骨盆出口视图和入口视图(POIVs)。虚拟置入使用以下流程:

    • 在 SLV 上选取起始点,即 S1-S2 椎间盘骨化点与后椎体皮质线交点;
    • 将虚拟引导针调整至骨盆横断面内;
    • 将引导针与冠状面形成的角度设置为事先测量的 RPA;
    • 验证引导针的角度在出口视图与入口视图上的准确性;
    • 最后通过引导针在虚拟模型中置入螺钉,确保其完全在骨质内部。
  2. 评价标准与数据分析

    • 通过 POIV 验证引导丝角度准确性;
    • 验证螺钉在横断面中的定位是否完全于骨内,并测量其最终植入角度(Virtual Placement Angle, VPA),与 RPA 作统计比对。

2. 临床验证手术

研究对象与选取
研究纳入了 12 名患者(6 男 6 女,平均年龄 45.1±13.9 岁),其骨盆损伤通过 OTA/AO 分类为不同等级。手术均由高级骨科医生在患者仰卧位下完成。

实际操作步骤
- 骶骨侧位视图中确定引导针起始点,手术中通过C臂透视调整至横断面内; - 构造“锐角定位仪”:用克氏针根据事先测得的患者特异性角度折叠成一个锐角直角三角形,辅助医生定位引导针的倾斜角度; - 在 POIV 下确认引导针方向后置入 S1 骶髂螺钉,并完成术后影像学验证。


主要研究结果

1. 虚拟手术结果

  • 95 根虚拟螺钉均成功植入横断面内,具备完全骨内定位(均为 Grade 1)。
  • 引导针方向验证准确,植入角度 VPA 与参考角度 RPA 无显著性差异(P = 0.65)。

2. 临床手术结果

  • 12 名患者中共植入 14 枚骶髂螺钉(2 名患者接受双螺钉植入)。
  • CT 显示,13 个螺钉完全位于骨内(Grade 1),1 个位置虽轻微接触皮质(Grade 2),但未引发风险。
  • 实际植入角度 CPA 与参考角度 RPA 比对无显著性差异(P = 0.73)。
  • 未观察到医源性损伤案例。

研究意义与创新性

研究通过一项低成本、高效率且精准可重复的方法,解决了变形骶骨内 S1 骶髂螺钉植入的技术难题。本方法的重要科学和临床价值包括: - 简化术中操作:基于骨盆横断面和术前患者特异性角度的数据处理,使繁琐操作流程简化为两个维度的精准定位。 - 个性化医疗:算法支持多样化骶骨变形模型,为不同形态患者提供个性化手术方案。 - 学术贡献:显示术前CT在术中高效实施中的可能性,为术前规划扩展至术中提供了桥梁。


研究亮点

  • 创新定位工具:基于克氏针的三角形锐角定位仪,为低资源环境中的骨科医生提供精确操作补充方案。
  • 高安全性:研究中未发生任何术后神经损伤等并发症,且 Grade 3 和 Grade 4 错误植入风险被完全避免。
  • 模型普适性:通过轴向CT扫描优化适用范围,降低了复杂三维重建的需求。

这项研究在临床实践拓展和未来设备创新中具有重要意义,同时也为复杂解剖结构下骨科手术提供了改进基础。

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