全骶骨切除术后重建方法的发展及现状

Abstract

目的

回顾全骶骨切除术后重建方法的发展历程，为寻找更好的全骶骨切除重建方法提供参考。

方法

查阅国内外全骶骨切除术后重建的案例报道和生物力学及有限元研究文献，对重建方法的发展过程及现状进行总结。

结果

全骶骨切除术后重建方式经过近 30 年的发展，在重建理念和固定技术上都取得了较大进展。重建方式可概括为 3 种策略：腰髂、后环和前柱。腰髂指腰椎与双侧髂骨之间的连接，后环指双侧髂骨之间的连接，前柱指邻近腰椎椎体和骨盆的连接。腰髂重建经历了从钩棒到椎弓根钉和髂骨钉棒的技术进步；后环和前柱重建可以提高重建系统的稳定性。

结论

为了达到力学稳定，腰髂、后环和前柱的联合重建是全骶骨切除术后重建的发展方向，如何实现生物固定提高重建结构远期稳定性，是亟待解决的问题。

全骶骨切除术是治疗高位骶骨恶性肿瘤的重要方法。骶骨切除后骨盆环的完整性被破坏，腰椎与骨盆完全分离，其重建是骨肿瘤外科领域治疗的难题。全骶骨切除术后重建方式经过了近 30 年的发展，在重建理念和固定技术上都取得了较大进展，但目前对于这一复杂部位的重建，仍存在固定松动和断裂的问题。本文对现有的全骶骨切除术后重建方法进行综述，回顾其发展历程，结合生物力学和有限元研究结果对各种重建方法的力学稳定性进行评价，为寻找更好的全骶骨切除术后重建方法提供参考。

1. 全骶骨切除术后的重建指征

Gunterberg 等^[1]的尸体骨盆生物力学研究发现，在 S_1、2 之间切除骶骨，骨盆稳定性下降 30%；在骶岬下 1 cm 切除骶骨，骨盆稳定性下降 50%。如果切除范围超过 50% 骶髂关节会导致骨盆不稳。Hugate 等^[2]和 Yu 等^[3]的研究则分别认为，在 S₁ 神经孔以上或 S_1、2 椎间盘以上进行骶骨切除时，需要进行重建。全骶骨切除术后骶髂关节完全分离，从生物力学及功能角度考虑应当进行重建。

早期考虑到术后感染和内植物断裂的风险，在全骶骨切除术后不进行重建^[4]。骶骨切除后腰椎下移到髂骨之间，患者术后需要长期卧床，等待骨盆和腰椎间的肌肉及瘢痕组织逐渐形成一个生物悬带并最终固定脊柱。而术后重建可恢复腰椎-骨盆环的结构，使患者早期恢复活动。因此，近年随着重建技术的发展，全骶骨切除术后进行重建逐渐成为了常规方法。

2. 早期重建方法

全骶骨切除术后重建最早由 Shikata 等^[5-6]报道。作者用 2 根横置的骶骨棒穿过两侧髂骨翼，上方的骶骨棒穿过 L₅ 椎体，下方的骶骨棒用 Harrington 钩棒与腰椎连接，并大量植骨实现远期腰椎与骨盆的骨性融合。Tomita 等^[7]报道了全骶骨切除术后采用不同方法重建的 3 例患者，第 1 例用 2 根骶骨棒重建骨盆后环，再用 Harrington 棒连接腰椎和其中 1 根骶骨棒，并将腓骨用螺钉固定于 L₄ 椎体和髂骨翼之间；第 2 例将切除的 S₁ 椎体灭活后，用髂骨棒固定于髂骨翼之间，并用螺钉将骶椎与 L₅ 椎体固定；第 3 例使用 Cottrel-Dubousset 钩棒将 T₁₂～L₃ 椎体与双侧髋臼前柱固定，并用 AO 重建钢板连接两侧髂骨翼。Santi 等^[8]的重建方法与 Shikata 等^[5-6]相似，用斯氏针代替骶骨棒，Cottrel-Dubousset 钩棒代替 Harrington 钩棒，但术后 5 个月发现斯氏针松动。Blatter 等^[9]在两侧髂骨分别打入动力髋螺钉（dynamic hip screw，DHS）螺钉并用横置的 DHS 钢板将 2 根螺钉连接，2 根纵行金属棒与 DHS 钢板相连；在 L₂ 和 L₃ 打入椎弓根螺钉，每侧髂骨打入 2 根 Schanz 螺钉，将上述螺钉与纵棒相连。

早期重建方法缺乏生物力学试验研究。Kawahara 等^[10]对 Shikata 等^[5]的重建方法进行了有限元分析，结果发现固定装置上无应力集中区域，因此内植物断裂的可能性较小。但在上方髂骨棒与骨盆和 L₅ 椎体的接触面上都发现了应力集中区域，并且超过了皮质骨的屈服应力，提示上方髂骨棒存在松动可能。这可能是因为髂骨翼后部不够坚固，无法提供稳定的支持，病例中斯氏针松动证明了有限元计算的结果。Tomita 等^[7]也使用髂骨棒将来自腰椎的力量传递至髂骨，同样存在上述问题。Blatter 等^[9]利用椎弓根螺钉固定避免了骶骨棒松动的问题，因此能提供更好的纵向稳定性。

3. 改良 Galveston 技术

Galveston 技术是一种最初用于治疗脊柱侧突的腰髂固定方法^[11]。Galveston 技术用 2 根 L 形棒固定腰髂，一端用钢丝固定于腰椎，另一端插入髂骨 2 层皮质骨之间。Gokaslan 等^[12]用椎弓根钉代替钢丝固定 L 形棒，改良了 Galveston 技术，首先在 L₃～L₅ 椎体打入椎弓根钉，用 2 根 L 形棒与椎弓根钉相连，将 L 形棒远端插入髂骨 2 层皮质骨之间，在 L 形棒之间设置 2～3 个横连；再用 1 根水平放置的髂骨棒连接两侧髂骨，防止腰髂的轴向旋转；最后在髂骨间植入异体胫骨以促进骨融合。改良 Galveston 技术的优点在于椎弓根钉的使用增强了腰椎固定的稳定性，并减少了需要固定的腰椎节段。在此后的重建中，改良 Galveston 技术得到了较为广泛的应用^[13]。

但改良 Galveston 技术仍存在缺陷。Jackson 等^[14]回顾了 13 例使用改良 Galveston 技术重建腰骶部的病例资料，发现术后 7 周 1 例双侧 L 形棒在 L₅ 和髂骨间断裂。Kawahara 等^[10]对改良 Galveston 技术进行了有限元分析，在 L₅ 椎弓根钉和髂骨钉之间的脊柱棒上发现了应力集中区域，并超过了钛合金的屈服应力，提示存在断棒风险，这与 Jackson 等^[14]发现的断棒病例相符。脊柱棒上的应力集中可能是来自腰椎的轴向压力全部由脊柱棒传递至骨盆所导致的。此外，L 形棒术中弯棒操作复杂费时。

4. 改良 Galveston 技术的改进

由于改良 Galveston 技术弯棒操作复杂，后续以改良 Galveston 技术为基础的全骶骨切除重建均用髂骨钉代替 L 形棒进行髂骨部分的固定，并进行了不同的改进^[15-23]。Doita 等^[15]将纵行的脊柱棒和横行的髂骨棒连接起来，分担了脊柱棒的轴向压力。Zhang 等^[16]在每侧髂骨打入 2 根髂骨钉，未用髂骨棒和移植股骨连接骨盆后环。Ohata 等^[17]将髂骨棒穿过 L₅ 椎体。Dickey 等^[18]用 2 根带血管的移植腓骨连接 L₅ 椎体和两侧髂骨翼，2 根腓骨在腰髂中形成稳定的三角形结构，可提供即刻的力学稳定性，将压力从腰椎传递至髋关节。Gallia 等^[20]用 L 形接头将脊柱棒与髂骨棒连接，并将连接两侧髂骨钉的横棒与髂骨棒和连接 2 根脊柱棒的横连用连接器分别相连。McLoughlin 等^[21]则用 T 形接头将 2 根竖棒与髂骨棒连接，并将这 2 根竖棒与两侧的脊柱棒用连接器分别相连。这两种重建方法与 Doita 等^[15]的方法相似，都将纵向压力经由髂骨棒和髂骨钉分别传导至髂骨。Newman 等^[22]的重建方法与 Gallia 等^[20]的非常相似，只是用另一对髂骨钉和横棒代替了髂骨横行棒，并在髂骨间植骨时使用了碳笼。Shen 等^[23]提出了“四棒技术”，脊柱每侧各有 2 根金属棒，分别连接 L₂ 和 L₄ 或 L₃ 和 L₅ 的椎弓根钉，以及 1 根髂骨钉，2 个钛笼连接 L₅ 椎体和两侧髂骨。这种方法增加了纵向固定强度，但由于内侧椎弓根钉的方向为“直向前”，导致其长度较短，因此抗拔出力量低于长椎弓根钉。

Kelly 等^[24]利用尸体骨盆实验比较了有横连的四棒重建、无横连的四棒重建和有横连的双棒重建在稳定性方面的差异，结果显示有横连的四棒重建和无横连的四棒重建在屈伸方向的稳定性显著高于有横连的双棒重建，有横连的四棒重建在轴向旋转的稳定性上显著高于无横连的四棒重建和有横连的双棒重建。这与既往报道^[25-26]一致，提示横联能够增强轴向抗旋转能力，但对屈伸的稳定性无显著影响。此外，3 种重建方法在侧向稳定性上无明显差异。Yu 等^[27]利用尸体骨盆实验比较了单侧单髂骨钉和双髂骨钉对稳定性的影响，发现双髂骨钉垂直受压和扭转的稳定性显著高于单髂骨钉，并可达到正常骨盆的力学性能；髂骨钉的长度（70 mm 和 130 mm）对稳定性无影响。此外在髂骨钉位置方面，研究发现^[27]，与双髂骨钉分别置于上髂骨柱（髂后上棘至髂嵴最高点）和下髂骨柱（髂后上棘至髂前下棘）相比，双髂骨钉均置于下髂骨柱时的纵向压应力稳定性显著提高。从解剖学和生物力学特征分析，可能由于下髂骨柱位于腰椎至髋关节之间，是压力传导的重要路径，而上髂骨柱的主要作用是提供韧带附着点，因此在使用双髂骨螺钉时应优先置于下髂骨柱中。Macki 等^[28]比较了双棒重建、双棒重建加横置髂骨棒和四棒重建（椎弓根钉均在外侧棒上，内侧棒为卫星棒技术）的稳定性，结果发现四棒重建在多个方向有更优的生物力学稳定性，而增加了横置髂骨连接棒的模型在各个方向上都未显示出比双棒重建更高的稳定性，并且在多个方向显著低于四棒重建的稳定性。虽然髂骨棒在全骶骨切除重建的早期就存在，被认为可以连接双侧髂骨、恢复骨盆后环、提高轴向旋转强度，但 Macki 等的发现使得髂骨棒重建的生物力学意义受到了质疑。

5. 包含前柱的重建方法

为了获得腰椎-骨盆重建的稳定性，提高重建系统屈伸方向的稳定性，研究者们逐渐意识到恢复腰椎椎体和骨盆之间连续性的意义^{[20, 29]}。早期有研究者用髂骨棒穿过 L₅ 椎体来达到前柱的固定^{[5-6, 8]}，但操作过程中需要将脊柱向下牵引数厘米。Salehi 等^[30]在使用改良 Galveston 技术的基础上（固定 L₄ 和 L₅、使用髂骨钉），将一个装有植骨的钛网植于 L₅ 椎体下，并用髂骨棒穿过钛笼，起到前柱固定效果。Varga 等^[31-32]提出了“闭合环”技术，在腰椎打入椎弓根钉，每侧髂骨打入 2 根髂骨钉，用 1 根 U 形棒连接椎弓根钉和髂骨钉，并将 2 根螺钉打入 L₅ 椎体，再与 U 形棒连接。Humphries 等^[33]的重建方法与 Gallia 等^[20]的类似，将另外 1 根螺钉垂直于终板纵向植入 L₅ 椎体，将螺钉与髂骨棒固定。Gallia 等^[34]对 1 例同时切除骶骨及 L₅ 的患者，在使用 Gallia 等^[20]重建方法的基础上，于 L₄ 椎体终板下放置 1 个钛笼，钛笼中穿过 1 根带螺纹的金属棒，上至 L₂、L₃ 椎间盘，下方用 T 形连接器与另外 1 根髂骨棒连接。姬涛等^[35]在使用改良 Galveston 技术的基础上，额外增加双侧各 1 枚髂骨钉以及 1 枚纵向植于 L₅ 椎体内的椎弓根螺钉，最后用 1 根预弯金属棒连接髂骨钉及 L₅ 椎体内的椎弓根钉。

Kawahara 等^[10]在有限元试验中提出了一种包含前柱的重建方法，在使用改良 Galveston 技术的基础上，用 1 根髂骨棒连接 2 枚植入 L₅ 椎体的螺钉，在对这种重建方法的有限元分析中未发现应力集中区域，提示发生断棒和内植物松动的可能性较小。但目前尚无这种重建方法临床应用的报道。Clark 等^[36]利用尸体骨盆实验比较了 3 种重建方法（异体股骨支撑、L₅-髂骨钛网支撑、可延长钛网重建）在步态模拟疲劳负载下的稳定性。3 种方法都采用了相同的钉棒结构，即 L₃～L₅ 植入椎弓根钉，两侧髂骨植入 2 枚髂骨钉，先用 2 根横棒连接两侧的髂骨钉，再用 2 根纵棒分别连接 L₃～L₅ 两侧的椎弓根钉，纵棒的下段与横棒连接，最后通过横联连接 2 根横棒。不同之处在于：异体股骨支撑在双侧髂骨间放置异体股骨块并用螺钉固定；L₅-髂骨钛网支撑在 L₅ 椎体下缘和双侧髂骨间各放置钛网并用螺钉固定；可延长钛网重建在 L₅ 椎体和靠下的横棒间固定 1 个纵棒，并在纵棒上穿过 1 个可伸长的钛笼，将钛笼两端与 L₅ 椎体和横棒接触。研究发现，在屈伸方向的稳定性上，包含前柱重建的 L₅-髂骨钛网支撑和可延长钛网重建显著高于无前柱重建的异体股骨支撑，说明前柱重建可有效改善屈伸方向上的稳定性。在轴向旋转和侧向的稳定性上，3 种重建方法无显著差异。此外，在疲劳试验中，可延长钛网重建是 3 种重建方法中唯一未出现内固定物失败的方法。有研究^[37-39]利用尸体骨盆模型和有限元分析方法比较了 4 种重建方法的稳定性：骶骨棒重建（Kawahara 等^[10]提出的包含前柱的重建方法）、双腓骨重建（与 Dickey 等^[18]的重建方法相似，未使用髂骨棒）、四棒重建和复合重建（为前 3 种方法的叠加）。结果发现复合重建有最好的稳定性和最小的特征点应力，四棒重建的稳定性最差，特征点应力也较大。再次证明了前柱重建的重要性。复合重建虽然有最好的生物力学特性，但由于重建方法过于复杂，其实用性有待考量。

6. 个体化假体

Wuisman 等^[40-41]设计了一种个体化假体，由 5 个钛合金组件组成，用螺钉、螺栓和椎弓根钉固定，达到了腰髂、骨盆后环和前柱的重建，它同时解决了切除部分髂骨翼后，剩余部分无法完成传统钉棒重建的问题。这种个体化假体的缺点是术中无法对假体进行调整，因此利用影像资料和三维模型进行精确的术前规划十分重要。另外，假体的制作周期和定制假体的费用也限制了其广泛应用。Wei 等^[42]设计了基于 3D 打印技术的全骶骨假体，该假体有 3 个金属-骨接触面，接触面有 3 mm 厚的孔隙设计，术中可以方便地用螺钉将假体与 L₅ 椎体终板和两侧髂骨截骨面连接，再用 2 根椎弓根钉和金属棒与 L₄ 连接，该设计为组配设计，有 3 种型号以适应不同大小的骨缺损。这种 3D 打印全骶骨假体实现了腰髂、骨盆后环和前柱 3 个主要结构的重建，并且在骨接触面采用多孔结构，有利于骨的长入。

7. 小结与展望

全骶骨切除术后重建方法虽然各有不同，但都可用 3 种重建策略加以概括：腰髂、后环和前柱^[29]。腰髂指腰椎与双侧髂骨之间的连接，后环指双侧髂骨之间的连接，前柱指邻近腰椎椎体和骨盆的连接。上述文献中对于这 3 个主要力学传导结构的重建情况见表 1。

表 1.

Reconstruction methods following total sacrectomy

全骶骨切除术后重建方法

时间 Time	作者 Author	是否重建 Reconstruction or not				重建方法 Reconstruction method
		后环 Posterior ring	前柱 Anterior column	腰髂 Lumboiliac		后环 Posterior ring	前柱 Anterior column	腰髂 Lumboiliac
1988	Shikata 等[5]	√	√	√		骶骨棒	髂骨棒穿过 L5 椎体	Harrington 棒
1990	Tomita 等[7]	√		√		骶骨棒		Harrington 棒
		√	√	√		骶骨棒	蒸汽灭活骶骨	蒸汽灭活骶骨
		√		√		AO 板		Cottrel-Dubousset 系统
1992	Shikata 等[6]	√	√	√		骶骨棒	髂骨棒穿过 L5 椎体	Harrington 棒
1993	Santi 等[8]	√	√	√		Steinmann 针	Steinmann 针穿过 L5 椎体	Cottrel-Dubousset 系统
1994	Blatter 等[9]	√		√		DHS 钉板		钉棒
1997	Gokaslan 等[12]	√		√		髂骨棒，移植胫骨		改良 Galveston 技术
2000	Jackson 等[14]	√		√		髂骨棒，移植胫骨或股骨		改良 Galveston 技术
2001	Wuisman 等[40]	√	√	√		个体化假体	个体化假体	个体化假体
2002	Sar 等[13]	√		√		自体移植腓骨		改良 Galveston 技术
2002	Salehi 等[30]	√	√	√		髂骨棒	被髂骨棒横穿的钛笼 植于 L5 椎体下	改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2003	Doita 等[15]	√		√		髂骨棒，移植腓骨		改良 Galveston 技术（髂骨螺钉），竖棒与横棒相连
2003	Zhang 等[16]			√				双髂骨螺钉和腰部固定
2004	Ohata 等[17]	√	√	√		髂骨棒，移植股骨	髂骨棒穿过 L5 椎体	改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2005	Dickey 等[18]	√	√	√		髂骨棒	双移植腓骨连接 L5 和 髂耻线	改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2005	Gallia 等[20]	√		√		髂骨棒，移植股骨		改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2006	Shen 等[23]		√	√			钛笼连接 L5 和骶髂关节	四棒技术
2008	McLoughlin 等[21]	√		√		髂骨棒，移植股骨		改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2009	Newman 等[22]	√		√		髂骨钉+横棒		改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2009	Varga 等[31]	√	√	√		U 形棒和螺钉	U 形棒和螺钉	U 形棒和螺钉
2010	Gallia 等[34]	√	√	√		髂骨棒，自体移植股骨	钛笼支撑 L5，竖螺棒穿过 L3、4 椎体	改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2010	Humphries 等[33]	√	√	√		髂骨棒，钛笼，髂骨钉+横棒	髂骨棒和螺钉进入 L5 椎体	改良 Galveston 技术（髂骨螺钉）
2017	Wei 等[42]	√	√	√		3D 打印假体	3D 打印假体	3D 打印假体+钉棒

腰髂重建是全骶骨切除术后重建所必须的部分，腰髂重建恢复了从腰椎向骨盆的力学传导。在腰椎固定方面，早期采用 Harrington 钩棒和 Cottrel-Dubousset 钩棒等技术，这些椎板下装置能提供腰骶融合后方的张力带作用，但抗扭转力差，术后融合率低，最终形成假关节概率较高^[43]。椎弓根钉的使用提高了腰椎固定的稳定性，减少了腰椎固定节段^[14]（多数固定范围为 L₃～L₅）。在脊柱两侧连接棒间增加横连能够进一步增加抗旋转抗扭转稳定性^[24-26]。在髂骨固定方面，早期采用骶骨棒或 Galveston 技术的 L 形棒，但由于髂骨翼后部不够坚固，在髂骨棒与髂骨连接处存在应力集中区域，易导致松动发生^[10]。加上 L 形棒术中弯棒操作复杂，后期的髂骨固定主要采用髂骨钉。在腰髂连接方面，椎弓根钉连接棒断裂的病例^[14]以及相应的有限元研究^[10]发现，单侧单棒的强度不足以承受来自腰椎的压力。为了解决这一问题，出现了四棒固定方法^[24]（一侧两棒）逐渐得到应用。这一改进有效地增强了腰髂间的连接。需要注意的是，如果使用单棒腰髂重建，仅凭增加髂骨钉的数量并不能降低连接棒在 L₅ 椎弓根钉和髂骨钉之间的应力，但如果联合前柱重建分担受力，单棒腰髂重建可能可以提供所需的稳定性。

大多数重建方法都包含了后环重建，后环重建可以提高轴向抗旋转强度。其中一部分是用独立的结构连接后环，另一部分是将腰椎固定与连接后环的横棒相连。后环的重建材料有骶骨棒、髂骨连接棒、植骨块或钛网等。但 Macki 等^[28]的生物力学试验发现，增加髂骨连接棒在各个方向上都未显示出比双棒重建更高的稳定性，使得后环重建的生物力学意义受到了质疑。

随着人们对腰椎骨盆生物力学特性认识的逐渐深入，前柱重建的重要性愈发凸显。生物力学试验证明前柱重建可以提高稳定性，尤其是屈伸方向的稳定性^[36-37]。系统综述发现包含前柱重建的方法，术后并发症和内植物断裂风险均低于未采用前柱重建的方法^[29]。前柱重建的方法主要分为两种^[18]，一种是用腓骨或钛网连接 L₅ 椎体和双侧髂骨^[18]，形成三角形结构；另一种是用钛网或螺钉一端固定于 L₅ 椎体，另一端固定于髂骨间的横棒上。

3D 打印全骶骨假体^[42]为全骶骨切除重建提供了新的思路。传统钉棒重建中腰髂、后环和前柱的重建部分相对独立，而 3D 打印全骶骨假体将 3 个结构重建融为一体，术中可同时完成 3 个结构的重建，缩短了手术时间，简化了手术操作，且重建结构自身强度可满足腰骶部复杂、高强度的力学环境。此外，3D 打印假体的假体-骨接触面采用多孔结构，有利于骨的长入，为远期稳定提供结构基础。目前尚无 3D 打印全骶骨假体重建的生物力学研究。如果能够通过固定方式优化，如螺钉位置、长度等降低螺钉应力，3D 打印全骶骨假体有望成为一种合理的选择。

综上述，为了达到力学稳定，腰髂、后环和前柱的联合重建是全骶骨切除术后重建的发展方向，如何实现生物固定提高重建结构远期稳定性，是目前亟待解决的问题。

Funding Statement

北京市科技计划项目（Z161100000116100）；国家重点研发计划（2016YFB1101502）

Beijing Municipal Science and Technology Project (Z161100000116100); National Key Research and Development Program of China (2016YFB1101502)