颈椎椎弓根皮质骨螺钉固定的钉道影像学测量与生物力学研究测试

发布时间：2021-04-28

　　【摘要】目的：探讨颈椎椎弓根皮质骨螺钉在临床使用可行性、钉道的参数和置钉后生物力学分析。方法：随机选取我院2014年1月～2018年6月住院行颈椎CT三维重建的住院患者CT资料30例，男性16例，女性14例，年龄30～60岁(48.0±5.6岁)，采集患者颈椎(选取C4～C6)CT连续扫描数据，测量每个椎弓根的形态学数据：椎弓根高度和宽度;并在图像处理系统上模拟皮质骨螺钉的钉道轨迹，测量每个钉道的侧倾角和头倾角，计算各个椎体皮质骨螺钉置入的角度范围。选用18具完整的成人新鲜颈椎标本(选取C4～C6)，将每一节段颈椎标本左右两侧椎弓根各作为一个测试单元进行随机置钉，置入传统椎弓根螺钉为A组，置入皮质骨通道的螺钉为B组。再将置好螺钉的颈椎标本进行CT平扫，测量并记录A、B组螺钉的平均固定长度，根据Grade标准评估置钉等级。将颈椎标本固定在特制的夹具上，生物力学测试前通过旋转夹具底座的方法来调整螺钉与夹具的角度，检测螺钉的最大垂直轴向拔出力，比较两组结果。结果：30例住院患者C4高度为7.3±0.8mm、宽度为5.5±0.3mm;C5高度为7.4±0.6mm、宽度为5.8±0.2mm;C6高度为7.6±0.6mm、宽度为6.2±0.3mm。模拟置钉测量C4侧倾角为39.5°±2.3°、头倾角为10.3°±0.4°;C5侧倾角为39.3°±1.3°、头倾角为10.9°±0.5°;C6侧倾角为37.6°±0.9°、头倾角为11.7°±0.3°。新鲜颈椎标本CT扫描重建，两组螺钉Grade置钉等级，A组1级52枚，2级2枚，B组1级51枚，2级3枚，差异无统计学意义(P>0.05)。A组的平均固定长度C4为34.2±1.8mm，C5为34.3±2.3mm，C6为34.6±1.9mm;B组的平均固定长度C4为23.3±1.4mm，C5为24.3±2.1mm，C6为25.7±1.3mm，差异无统计学意义(P>0.05)。A组最大拔出力为521.2±15.6N;B组最大拔出力为527.4±18.9N;两组的最大拔出力差异无统计学意义(P>0.05)。结论：CT扫描、图像模拟显示颈椎皮质骨螺钉置入安全可行;颈椎皮质骨螺钉的拔出力与传统椎弓根骨螺钉相比，固定长度差异不大，拔出力相当。

　　【关键词】皮质骨螺钉;椎弓根螺钉;拔出力;生物力学

　　脊柱椎弓根螺钉固定技术因其良好的生物力学稳定性、安全性和可靠性，在脊柱各类手术治疗中取得良好的治疗效果。但仍有不少患者由于各种原因导致脊柱椎弓根螺钉固定失败，需要翻修手术[1]。Santoni等[2]提出了椎弓根皮质骨轨迹(corticalbonetrajectory，CBT)螺钉固定技术。与传统椎弓根螺钉相比，椎弓根皮质骨螺钉的进钉点更偏内下侧，钉道和椎板下皮质骨接触界面更大，具有把持力强、创伤小等优点[3]。即皮质骨螺钉通过椎弓根在矢状面由下向上，在横断面由内向外侧置钉，改变了传统通过椎弓根解剖轴置钉的方式。皮质骨螺钉内固定技术采用的螺钉较传统螺钉直径减小、长度变短，但螺纹排列更紧密，且与皮质骨集中区域接触面积增大，可增加骨与螺钉界面强度。在既往临床研究中，椎弓根皮质骨螺钉把持力跟传统椎弓根螺钉相当，手术需暴露范围减少，手术操作难度不大，操作方便。皮质骨钉道本身设计上对皮质骨把持的特点是其具有良好力学效应的关键，腰椎皮质骨螺钉在临床应用中有较好的近期效果。目前临床运用中，和传统颈椎椎弓根螺钉相比，颈椎椎弓根皮质骨螺钉固定技术出现后相关研究较少，由于颈椎的特殊解剖结构和复杂毗邻关系，准确地置入螺钉是手术成功的关键。有学者利用3D打印导航模板辅助颈椎皮质骨螺钉置入。近年来在三维重建等技术的指导和帮助下，众多学者对颈椎椎弓根的解剖、形态学结构以及椎弓根螺钉轨迹做了大量的基础研究。Abumi等[4]认为C3~C5进钉点为上位椎体的下关节突下端的略下方侧块向内5mm处，与椎体矢状面成25°~45°，C5~C7与上终板平行，C4进针点略向头方倾斜，C3较C4再略向头方倾斜;进入深度C3和C4为20mm，C5~C7分别是22、24、28mm。目前颈椎皮质骨螺钉的研究文献极少，暂未查阅到颈椎皮质骨螺钉置入的参数。本实验先通过对正常颈椎椎弓根的CT三维重建，测量颈椎椎弓根高度和宽度，模拟置钉，得出椎弓根皮质骨螺钉置钉的可行性。之后在新鲜人体标本进行颈椎皮质骨螺钉的置入，并与传统椎弓根骨螺钉进行螺钉平均长度和拔出力学分析，以期为皮质骨螺钉在临床上作为新的颈椎椎弓根螺钉置入应用奠定基础。

　　1资料和方法

　　1.1一般资料

　　随机选取我院2014年1月~2018年6月我院行颈椎CT三维重建30例住院患者的资料，男性16例，女性14例，年龄在30～60岁。入组标准：(1)骨骼发育成熟;(2)行颈椎CT三维重建检查;(3)既往无颈椎手术史。排除标准：(1)骨骼发育不成熟或骨质疏松患者;(2)颈椎骨折患者;(3)颈椎先天发育畸形或椎体变异患者;(4)强直性脊柱炎患者;(5)颈椎肿瘤患者。

　　采集颈椎(选取C4~C6)CT连续扫描数据，所用设备为美国GELightSpeed64排螺旋CT，于仰卧位扫描，参数为层厚0.75mm，层距0.75mm。包括椎弓根内侧缘、椎弓根外侧缘、椎弓根上下缘、椎体上缘、各椎弓根在CT横断面的中轴线、上关节突和横突的位置。进行CT扫描、重建，测量距离精度为0.10mm，图像信息进行表面重建和多平面重建(multi-planereconstruction，MPR)后获得垂直于椎弓根峡部的横截面，得出每个椎弓根的形态学数据，包括椎弓根高度和宽度，利用GEAW4.3工作站进行图像后处理，模拟螺钉的置入，测量模拟皮质骨螺钉置钉钉道的侧倾角和头倾角，得到皮质骨螺钉置入的角度范围。

　　选用18具完整的成人新鲜颈椎标本(包含C4～C6段椎体及椎间盘等组织)。年龄55~65岁，男女性各9例。颈椎标本实验前排除有先天发育畸形、椎体变异、肿瘤等。置钉前用器械剥离附着于椎体骨面的肌肉、脂肪等软组织，保留完整骨性结构，为了降低个体间骨密度差异等其他无法预知的因素对测试结果准确性的影响，将每一个颈椎标本左右两侧椎弓根各作为一个测试单元，分别进行颈椎传统椎弓根螺钉和椎弓根皮质骨螺钉固定。

　　颈椎传统椎弓根螺钉置入(A组)：参照Abumi置钉法，C4~C6进针点为上位椎体的下关节突下端的略下方侧块外缘向内5mm处，使用磨钻对进钉点皮质骨进行开口，探针探查椎弓根人口松质骨髓腔，与椎体矢状面成25°～45°，C4～C6与上终板平行，C4略向头端倾斜。测深后置入合适长度的皮质骨螺钉(直径3.5mm)。

　　相关期刊推荐《脊柱外科杂志》于2003年2月28日正式创刊。主要栏目有临床研究、基础研究、短篇报道、经验交流、综述、专家论坛、专题讲座、新技术新方法等，对脊柱外科各个领域的基础与临床研究热点、研究成果、技术与进展，经验与教训等进行全方位的报道

　　椎弓根皮质骨螺钉置入(B组)：根据之前实验模拟皮质骨螺钉得出的置入角度范围，并使用谭明生等[5]“管道疏通法”，只需显露C4~C6椎板外侧及关节突内侧缘，置钉点为上关节突内下缘向下、内各3mm处椎板，角度为前文模拟皮质骨螺钉置入的角度范围。开路器长度为前端通过椎弓根到达外侧皮质即可，探针探测四周骨道完整无破损;放入定位针，X线机透视定位针位置方向理想，然后直视下置钉，椎弓根皮质骨置入螺钉与椎弓根内侧皮质骨最大化接触，钉尾紧贴椎体上缘皮质，钉道长度为前端通过椎弓根到达外侧皮质即可，术中使用磨钻对进钉点皮质骨进行开口，测深后置入直径3.5mm皮质骨螺钉(图1)。

　　1.2影像学检查

　　将置好螺钉的颈椎标本进行X线透视和CT平扫，X线检查显示各椎螺钉位置方向理想;CT三维重建，分析、得出A、B两组螺钉的影像数据，A、B组螺钉的平均长度进行测量并记录结果。其中钉道按Grade分级标准分级：1级，螺钉位于椎弓根中央;2级，贯穿皮质螺钉横截面小于1/3(偏差值≤1.2mm);3级，贯穿皮质螺钉横截面大于1/3，小于1/2(偏差值<2mm);4级，贯穿皮质横截面大于1/2(偏差值≥2mm);5级，偏差值≥3.5mm。1、2级为非临界螺钉位置，螺钉在非临界位置一般不会对椎动脉、神经根以及硬膜囊造成损害;3~5级为临界螺钉位置;螺钉在临界位置可能会对椎动脉、神经根以及硬膜囊造成损害。

　　1.3力学测量

　　将置好螺钉的颈椎标本固定在特制的夹具上，调整螺钉与夹具的角度，检测螺钉的最大垂直轴向拔出力强度，记录结果。实验使用BoseElectroforce3520-AT疲劳实验机，依预实验结果设置试验机机轴长度增加速度1.5mm/min，最大拉力3000N，最大位移10mm。为确保将螺钉垂直拔出，仅产生轴向拔出力，不产生其他方向的分力，使用专门的夹具夹住螺钉钉帽。测试前通过软件调整夹具和螺钉之间的力。将拔出力的初始数据归零，以免产生正向及负向的初始力。开始加载后，螺钉拔出约2cm时即中止测试。加载后通过软件可以直接得出拔出过程中的拔出力变化，从而得到螺钉最大拔出力。

　　1.4统计分析

　　实验测得椎弓根高度、宽度，图像模拟螺钉的侧倾角和头倾角参数均为计量资料，记录实验结果，利用SAS统计软件对两组之间的置钉安全分级采用χ2检验，检验两种螺钉在置钉安全分级方面是否有统计学差异。并在新鲜尸体标本置钉，A、B两组螺钉的平均长度和最大垂直轴向拔出力进行t检验，检验两种螺钉最大拔出力是否有统计学差异。

　　2结果

　　C4~C6椎弓根高度、宽度、模拟皮质骨螺钉侧倾角和头倾角测量结果见表1。CT扫描重建显示，A组螺钉置入1级52枚，2级2枚;B组1级51枚，2级3枚，无3~5级螺钉。两组之间的置钉安全分级差异无统计学意义(P>0.05，表2)。

　　颈椎传统椎弓根螺钉组拔出力最大为521.2±15.58N;椎弓根皮质骨螺钉组拔出力最大527.41±18.93N;两组的最大拔出力差异无统计学意义(P>0.05，表3)。

　　3讨论

　　近年来，脊柱内固定技术得到了迅速发展。Abumi等[4、6]在1994年首次报道了颈椎椎弓根螺钉在临床上的运用，之后逐渐发展成为目前应用较为常见的颈椎内固定方法，2000年进一步介绍并总结其徒手置钉的经验。传统的椎弓根螺钉固定技术椎体内主要依靠松质骨对螺钉的把持进行固定，对于一些骨质疏松患者来讲，出现螺钉松动、螺钉退出等固定失败率相对较高。对于严重骨质疏松患者，椎弓根螺钉固定强度有必要得到进一步加强。既往的生物力学研究表明，通过增加螺钉咬合高密度的皮质骨量可以有效加强螺钉固定效果。Santoni等[7]在2009年首次提出了一种新型腰椎椎弓根螺钉内固定通道技术即CBT，并对这项新型螺钉固定技术与传统椎弓根螺钉技术进行相应的生物力学研究，这种新型置钉技术是通过相对固定的进针点将特殊设计的皮质骨螺钉在矢状面由下向上通过椎弓根，在横断面由内皮质骨钉道向外通过椎弓根最终到达椎体外上侧缘皮质的方式置钉。这种新型置钉方法改变了传统椎弓根螺钉内固定技术的置钉位置，而且新设计使用的皮质骨螺钉，较传统椎弓根螺钉具有直径更小、长度更短及螺纹排列更加紧密的特点，这种设计能增大螺钉螺纹在椎体及椎弓根内皮质骨较多区域的接触面积，从而提供更大的钉骨界面把持力。Matsukawa等[8]利用CT扫描对100名成人的470个椎体进行形态学测量，发现腰椎椎弓根的形状和轴角在不同节段各不相同，但钉道的外倾角和头倾角没有明显差异。经解剖人类尸体标本生物力学研究证实：与传统的椎弓根螺钉技术比较，腰椎皮质骨钉道技术可增加30%的轴向抗拉力[9]。而本研究中两者的把持力相当，统计无明显差异;这可能与颈椎椎体较小，椎弓根螺钉和皮质骨螺钉的钉道轨迹中接触皮质骨的面积相当有关。

　　有学者在尸体的生物力学研究中证实，椎弓根皮质骨螺钉的轴向拔出力比传统椎弓根螺钉增强，且皮质骨螺钉的把持力也明显优于传统椎弓根螺钉。也有学者通过CT影像学研究表明，皮质骨钉道所经过的椎弓根和椎体的CT值大约为传统椎弓根钉道经过区域CT值的4倍，而CT值与骨密度的高低成正相关[10、11];这些研究可以从间接为皮质骨螺钉具有更大钉骨界面把持力提供有力依据。另外，Matsukawa等[12]学者进行的皮质骨螺钉扭矩测量实验中，得出皮质骨螺钉在术中的扭矩比传统椎弓根螺钉增强，并报道扭矩与轴向拔出力成有明显相关性，也证实皮质骨螺钉在活体也可以提供更大的钉骨界面把持力。皮质骨螺钉与传统椎弓根螺钉固定技术在进钉位置、进钉方向和螺钉形态方面均有很大的差异。椎弓根螺钉的进钉位点通常位于小关节的外上区域，钉尾在横断面上逐渐向内汇聚，螺钉与终板基本平行于椎体内，一般使用松质骨螺钉，螺纹深而宽;而皮质骨螺钉的进钉点位于椎弓峡部区域，螺钉在横断面上钉尾向外发散，在矢状面上向头端倾斜角度明显增大，使用螺纹浅而密的皮质骨螺钉[13]。皮质骨螺钉技术主要适用于有骨质疏松的患者，其皮质骨强度优于松质骨，皮质骨螺钉在椎体内的皮质骨区域接触面积增大，能增强螺钉与椎体的把持力[14];向外显露范围减少，所需分离组织较少，可适用于糖尿病及肥胖患者[15];也可用于创伤、肿瘤及退变性疾病等传统椎弓根螺钉无法置入的患者，还能用于脊柱翻修手术，皮质骨螺钉可作为补救性的固定手段[16]。颈椎皮质骨螺钉这项技术较为新颖，临床上使用时间尚缺乏足够多的解剖学、置钉参数和生物力学的研究，因颈椎皮质骨螺钉的研究文献极少，暂未查阅到颈椎皮质骨螺钉置入的参数。因此，我们利用CT扫描重建技术，通过正常人颈椎椎体与椎弓根影像学测量，三维重建模拟置钉，再通过尸体实验对国人颈椎皮质骨螺钉钉道技术参数进行了详细的测量，进行颈椎置入皮质骨螺钉和椎弓根螺钉的初步生物力学测试，希望为脊柱外科医师在使用此项新的螺钉技术时提供参考。本研究表明皮质骨通道螺钉在颈椎应用是可行的，本研究试图通过对新鲜中上颈椎尸体标本进行皮质骨螺钉手术模拟，验证其可行性。

　　本研究进行颈椎皮质骨螺钉置钉可行性的探讨，由于颈椎解剖复杂，椎弓根解剖形态变异性大，因此椎弓根螺钉的准确置入是颈椎手术的难点。寻找一种可代替置钉方法，在椎弓根螺钉无法置入的情况下，提供替代的内固定方式。我们开始尸体标本实验前CT扫描、重建、分析了正常人颈椎椎弓根的宽度，螺钉的置入角度、方向和轨迹，分析得到皮质骨螺钉置入的数据，提高了颈椎皮质骨螺钉置入的准确度。但颈椎椎弓根钉道参数存在着较大的变异性，不同个体、不同节段水平之间均存在差别。术前通过CT三维重建，充分了解各个颈椎椎弓根解剖参数，可以降低手术操作的风险性，在螺钉的直径以及长度等方面选择时可以提供重要的参考信息，进一步提高椎弓根螺钉置入的安全性与精准性。从实验结果我们可以认为：在C4~C6节段中，椎弓根的高度和宽度远大于3.5mm，皮质骨置钉后CT扫描钉道按Grade分级标准分级，所有螺钉均位于非临界螺钉位置，正常情况下颈椎椎弓根置入3.5mm直径皮质骨螺钉是安全的。

　　我们实验发现颈椎皮质骨螺钉置入时比较靠近椎弓根内侧壁，有研究表明，椎管内的硬膜囊和椎弓根内侧壁之间有约3.0mm的安全距离，颈椎椎弓根外侧壁邻近椎动脉等重要结构，一旦发生误伤会带来无法预计的后果，甚至威胁到患者的生命安全。以往有文献报道椎弓根置钉外侧穿孔率明显高于内侧。谭明生等[5]使用“管道疏通法”，于侧块背面上1/2、椎弓根轴线与侧块背面皮质骨的交点(A)与椎弓根管口内侧缘起点平行矢状面的延长线与侧块背面皮质骨的交点(B)之间区域，用咬骨钳或磨钻去除皮骨，用3mm刮匙以旋转方式刮除松质骨，暴露椎弓根管口和椎弓根管腔3~5mm，用直径1mm、长度30mm的克氏针在C臂X线机透视下定位，用自制方向定位器导向。因此，我们进行颈椎皮质骨螺钉置钉时偏内侧开口，根据CT三维重建，测量的矢状面及水平面夹角值，利用管道疏通法，保持开路器矢状位尾倾25°~45°、冠状位由内向外倾10°~15°，开路器长度为前端通过椎弓根到达外侧皮质即可，探针探测四周骨道完整无破损，内无破损进入椎管，外无进入椎动脉孔，损伤椎动脉的可能;放入定位针，X线机透视定位针位置方向理想，然后直视下置钉，椎弓根皮质骨置入螺钉与椎弓根内侧皮质骨最大化接触，钉尾紧贴椎体上缘皮质。结果表明置入颈椎皮质骨螺钉是可行、安全的，54枚螺钉中，51枚Grade1级，3枚Grade2级，可作为临床颈椎椎弓根螺钉置钉困难或者翻修的一种选择。——论文作者：姚楚亮，杨焱鑫，杜杰明，曾辉，王华仁，陈杰，廖臻