腰椎术中实测椎弓根螺钉扭矩及相关影响因素分析

庄乾宇　李书纲盛　林　许德荣　任志楠　陈　鑫　蒋　超

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京100730）

腰椎术中实测椎弓根螺钉扭矩及相关影响因素分析

庄乾宇李书纲*盛林许德荣任志楠陈鑫蒋超

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京100730）

背景：椎弓根螺钉锚定强度不足与术后松动等并发症相关，明确椎弓根螺钉强度影响因素对于术前计划、患者告知及术中决策具有重要意义。目的：共纳入2013年1月至2015年8月我科收治的腰椎疾病患者134例。术中分别测量双侧L4螺钉拧入时的最大扭矩，记录平均值。以扭矩1.25 Nm作为界值将研究病例分为两组，比较两组患者年龄、性别、身高、体重、BMI、血钙、血磷、甲状旁腺素、25羟维生素D3、1，25羟维生素D3、β-胶原降解产物、髋关节及腰椎各部位骨密度。将有显著性差异的影响因素纳入多因素Logistic回归进一步分析。结果：探讨腰椎术中实测椎弓根螺钉扭矩的相关影响因素。方法：术中实测L4双侧扭矩平均值为（1.28±0.43）Nm。单因素分析结果显示：相对于低扭矩组，高扭矩组有更高的甲状腺素、25羟维生素D3、1，25羟维生素D3水平，股骨颈、大转子、L1椎体、L2椎体、L3椎体、L4椎体、L1-L4平均骨密度以及L2-L4平均骨密度。多因素Logistic回归分析结果显示：L4椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素是独立影响因素。结论：椎弓根螺钉置入椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素是腰椎术中实测椎弓根螺钉扭矩的独立影响因素，对于评估腰椎椎弓根螺钉强度有重要预测价值。

椎弓根螺钉；螺钉扭矩；骨密度；1，25羟维生素D3；甲状旁腺激素

【Abstract】Background：Insufficient pedicle screw strength was reported to be highly correlated with postoperative screw loosening.Therefore，identification of related factors of pedicle screw strength is crucial for preoperative plan，patient consultation and intraoperative decision-making.Objective：To identify contributing factors of intraoperative insertional torque of lumbar pedicle screw.Methods：A total of 134 consecutive patients who underwent lumbar surgeries at our center from January 2013 to August 2015 were enrolled according to the inclusion/exclusion criteria.Maximum insertion torques（MIT）of L4 bilateral screws were measured during surgery，and the average were recorded.The cohort was classified into a low insertional torque group（IT＜1.25 Nm）and high insertional torque group（IT＞1.25 Nm）.Age，gender，height，weight，BMI，blood calcium，phosphate，parathyroid hormone，25-dihydroxyvitamin D3，1，25-dihydroxyvitamin D3，β-collagen degradation products，BMD of hip joint and lumbar spine were compared between two groups.Candidate factors with significant difference between the two groups were further analyzed using binomial multiple logistic regression analysis.Results：Average intraoperative insertional torque of L4 bilateral screws was（1.28±0.43）Nm.Univariate analysis revealed higher parathyroid hormone，1，25-dihydroxyvitamin D3，BMD of femoral neck，greater tubercle，L1，L2，L3，L4，L1-L4 and L2-L4 vertebra in the high insertional torque group than the low insertional torque group.Binomial multivariate regression analysis demonstrated that BMD of L4 vertebra，1，25-dihydroxyvitamin D3，and parathyroid hormone were independent contributing factors.Conclusions：The BMD of the instrumented lumbar vertebra，1，25-dihydroxyvitamin D3，parathyroid hormone are revealed as independent contributing factors of intraoperative insertional torque of lumbar pedicle screw，which may be of crucial predictive value of pedicle screws strength.

【Key words】Pedicle screw； Insertional screw torque； Bone mineral density （BMD）； 1，25-dihydroxyvitamin D3； Parathyroid hormone

随着脊柱后路内固定器械及技术的发展，椎弓根螺钉已经成为腰椎手术重建稳定性的标准内固定方法。很多研究已经证实椎弓根螺钉能够同时控制脊柱的前、中、后三柱，从而在减少融合节段的同时提供坚强固定、重建稳定性、矫正局部畸形，恢复躯干平衡［1］。然而，尽管椎弓根螺钉有上述优势，但也存在一些相关问题：例如内固定断裂、螺钉松动、螺钉拔出等并发症等［2，3］。美国背部研究学会（American Back Society）调查显示：在617例患者中，螺钉松动及断裂并发症分别为0.81%及2.9%。而在以往研究中，椎弓根螺钉松动的发生率在0.6%～11%不等［4］。

椎弓根螺钉松动主要与骨-螺钉界面承受的周期性头尾向应力有关［5，6］。如果椎弓根螺钉在椎体内的锚定强度不够，其发生松动的可能性很大，且会导致远期的矫形丢失及骨不愈合等问题。这种问题在伴有骨质疏松的老年患者中更为突出［7］，已经成为临床工作中面临的突出问题。因此，明确椎弓根螺钉强度相关影响因素对于术前计划、患者告知及术中决策具有重要意义。

既往多项尸体生物力学研究已经证实椎弓根螺钉扭矩与椎弓根螺钉强度及抗拔出力明确呈正相关［8-10］。部分基于动物标本及尸体标本的研究发现椎弓根螺钉扭矩与骨密度可能存在相关性［11，12］，且由于骨密度检查的二维特点、易受骨赘影响等问题其相关性尚存在争议［13］，而与其他影响因素的关系尚不明确［14］；基于上述情况，本研究将以临床病例术中实测椎弓根螺钉扭矩作为椎弓根螺钉强度评价指标，拟分析年龄、性别、BMI、骨密度、骨代谢指标等影响因素与术中实测椎弓根螺钉扭矩的相关性。

1　资料与方法

1.1临床资料

本研究为前瞻性收集、回顾性分析的队列研究。纳入标准：①诊断为腰椎管狭窄症或腰椎间盘突出症患者，伴腰痛、下肢疼痛或间歇性跛行等症状，经保守治疗无效；②有后路腰椎椎弓根螺钉内固定指征；③内固定节段包括双侧L4椎体；④所有手术均由同一主刀医师完成。排除标准：①严重腰椎滑脱（≥Ⅱ°）；②腰椎椎弓根发育异常无法置入螺钉；③术后影像学资料确认螺钉位置欠佳；④腰椎创伤、肿瘤及其他椎管内异常；⑤翻修手术。

本研究实施前已将方案提交北京协和医院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2影像学测量

所有患者术前均拍摄腰椎正侧位X线片，前屈后伸位片，腰椎CT及MRI检查，全面了解腰椎局部解剖情况、椎管内骨性及软组织性狭窄情况，并除外腰椎椎弓根发育异常和椎管内异常。所有患者均使用双能X线骨密度仪（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）测量髋部和腰椎骨密度。

1.3手术情况及扭矩测量

患者均采用气管内插管全身麻醉，俯卧于脊柱外科手术垫上，常规切开并骨膜下剥离椎旁肌，显露范围为手术节段双侧椎板，向外剥离至小关节外侧和横突根部。采用Margel法，根据解剖标志确定进钉点，制备双侧椎弓根螺钉钉道，插入定位针，C型臂透视确认定位针位置良好。取出定位针，以与螺钉直径相同的丝攻进行钉道攻丝，再次以探针确认钉道四壁及底壁完整。根据术前CT测量确定的合适螺钉长度，置入Expedium万向椎弓根螺钉（直径6.5 mm，长度40～45 mm，钛合金材料，强生公司，USA），以扭力测量仪（图1）分别测量双侧L4螺钉拧入时的最大扭矩，记录双侧扭矩平均值。术中采用高速磨钻仔细准备小关节突间植骨床，取自体棘突椎板松质骨及异体松质骨行小关节突间融合。

1.4术后随访

4.2.3 构建统一的联合标准和完善的服务体系。由于图书馆配产业成员来自天南海北的出版社、馆配商及各大高校图书馆和省市地区公共图书馆等，各行业所运用的办公系统和工作标准不一,导致图书信息的传递、转换、利用受限，给图书采访工作带来诸多不便，因此建立高度统一的信息传递标准和完善的联合体系是跨领域的多方合作亟需解决的重要问题。

术后即刻复查腰椎正侧位片确认所有螺钉位置良好。术后3、6个月复查时摄腰椎正侧位、前屈后伸位、腰椎CT平扫+矢状位重建，观察螺钉位置有无松动、拔出等内固定相关并发症。螺钉松动定义为X线片上可见骨-螺钉界面透亮区宽度超过1 mm；骨不连定义为术后前屈后伸位见局部活动，或X线片及CT上可见植骨部位松质骨连续性中断。影像学结果分别由两名住院医师在未知术中扭矩及相关影响因素情况下分析，当两名测量者结果有分歧时由通信作者复核裁定。

图1　扭矩测量仪实物图

1.5统计学方法

取扭矩1.25 Nm（相当于研究队列中扭矩的中位数）作为界值，将研究队列分为两组：双侧L4平均扭矩＜1.25 Nm的病例为低扭矩组；双侧L4平均扭矩＞1.25 Nm的病例为高扭矩组。两组间比较的影响因素包括：年龄、性别、身高、体重、BMI、血清总钙、血磷、甲状旁腺激素、25羟维生素D3、1，25羟维生素D3、β-胶原降解产物、髋关节各部位（股骨颈、Wards三角、大转子、总体）骨密度及腰椎各部位（L1-L4各椎体、L1-L4平均、L2-L4平均）骨密度。

采用SPSS 22.0统计软件包（SPSS公司，美国）进行统计分析。计量资料采用均数±标准差表示；计数资料用频率表示；两组计量资料均数比较采用独立样本t检验；计数资料之间比较采用卡方检验；将单变量分析中存在显著性差异的椎弓根螺钉扭矩相关影响因素作为自变量，以双侧L4椎体扭矩平均值作为因变量，通过Logistic回归进一步行多变量回归分析；检验水准均采用α=0.05。

2　结果

2.1人口统计学资料

根据纳入与排除标准，本研究共纳入2013年1月至2015年8月在我科接受腰椎椎弓根螺钉固定术的腰椎疾病患者134例。男56例，女78例。年龄21～82岁，平均（59.71±11.89）岁。患者平均身高（1.64± 0.08）m，体重（69.4±11.5）kg。诊断为腰椎管狭窄者102例，腰椎间盘突出者32例。根据WHO骨质疏松分级标准，骨密度测量结果提示骨量正常者68例；骨量减少者43例，骨质疏松者23例。

图2　患者，男，69岁，术前诊断腰椎管狭窄症（L3-5），行“后路L3-5椎管减压、椎弓根螺钉内固定、小关节间植骨融合术”。术后随访示腰椎椎弓根螺钉位置良好，小关节突融合确切，无螺钉松动、拔出等并发症发生

2.2临床结果

2.3单因素分析

相对于低扭矩组，高扭矩组中有更高的甲状腺素水平（P=0.033）、25羟维生素D3水平（P=0.004）、1，25羟维生素D3水平（P=0.003）、股骨颈骨密度（P= 0.004）、大转子骨密度（P=0.006）、L1椎体骨密度（P= 0.001）、L2椎体骨密度（P＜0.001）、L3椎体骨密度（P＜0.001）、L4椎体骨密度（P＜0.001）、L1-L4平均骨密度（P＜0.001）以及L2-L4平均骨密度（P＜0.001）。见表1。

2.4多因素分析

将上述单因素分析中有显著性统计学差异的术中扭矩影响因素纳入Logistic回归进行多因素分析，结果显示L4椎体骨密度（OR=351.850，95%CI：14.481～8548.757，P＜0.001）、1，25羟维生素D3（OR= 1.111，95%CI：1.021～1.210，P=0.015）、甲状旁腺激素（OR=1.045，95%CI：1.002～1.090，P=0.040）是腰椎术中实测扭矩的独立影响因素。

表1　腰椎术中实测扭矩单因素分析（）

表1　腰椎术中实测扭矩单因素分析（）

注：△代表两组间存在显著性差异

项目年龄（岁）女性比例身高（m）体重（kg）BMI总钙（mmol/L）磷（mmol/L）甲状旁腺激素（pg/ml）25羟维生素D3（ng/ml）1，25羟维生素D3（ng/ml）β-胶原降解产物（ng/ml）股骨颈骨密度（g/cm2）Wards三角骨密度（g/cm2）大转子骨密度（g/cm2）髋部总体骨密度（g/cm2）L1椎体骨密度（g/cm2）L2椎体骨密度（g/cm2）L3椎体骨密度（g/cm2）L4椎体骨密度（g/cm2）L1-L4平均骨密度（g/cm2）L2-L4平均骨密度（g/cm2）低扭矩组61.16±9.03 58% 1.61±0.06 65.00±9.68 24.87±3.02 2.27±0.10 1.26±0.21 32.27±11.58 13.02±6.47 27.82±8.59 0.52±0.32 0.82±0.15 0.58±0.35 0.70±0.13 0.89±0.15 0.95±0.17 1.02±0.21 1.11±0.21 1.14±0.24 1.06±0.20 1.09±0.21高扭矩组58.22±14.22 36% 1.67±0.09 73.92±11.69 26.19±3.46 2.23±0.08 1.23±0.17 39.74±17.65 17.90±7.53 40.94±24.54 0.41±0.19 0.91±0.12 0.70±0.12 0.78±0.11 0.91±0.33 1.08±0.16 1.19±0.19 1.30±0.20 1.36±0.23 1.25±0.18 1.31±0.19 P值0.287 0.090 0.051 0.051 0.083 0.127 0.652 0.033△0.004△0.003△0.102 0.004△0.037△0.006△0.707 0.001△＜0.001△＜0.001△＜0.001△＜0.001△＜0.001△

3　讨论

随着人口老龄化的发展，如何客观评估椎弓根螺钉强度的相关影响因素已经成为脊柱外科医师临床工作中面临的突出问题。本研究以临床病例术中实测椎弓根螺钉扭矩作为椎弓根螺钉强度评价指标，纳入年龄、性别、BMI、腰椎及骨盆各部位骨密度、骨代谢指标等18项影响因素，通过单因素分析及进一步Logistic多因素回归分析，确定螺钉置入椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素为腰椎术中实测扭矩的独立影响因素。

3.1螺钉置入椎体骨密度

既往有多项尸体生物力学研究及动物研究结果提示双能X线测量（DXA）椎体骨密度与椎弓根螺钉稳定性有明确相关性［11，15，16］。但也有很多学者诟病DXA测量椎体骨密度预测椎弓根螺钉强度存在诸多问题。首先，DXA作为面密度测量，是通过二维手段评价三维结构，影响其准确性［17］；其次，DXA投照范围包括椎体骨质增生、小关节退变、椎间盘狭窄、终板硬化、主动脉硬化等，存在相对精度误差［18］；最后，低能X线的穿透性较差，因此体重大者所测量的骨密度亦大，影响精确度。

本研究通过腰椎术中实测椎弓根螺钉扭矩，评估DXA不同部位骨密度与体内测量椎弓根螺钉强度的相关性。单因素分析结果显示：股骨颈、大粗隆骨密度及腰椎骨密度均与椎弓根螺钉扭矩存在强正相关关系，这支持既往尸体标本及动物标本研究中得出的结论。进一步多因素回归分析证实，螺钉置入椎体（L4）骨密度是椎弓根螺钉强度的重要独立影响因素。骨盆各部位骨密度没有进入最终回归方程，考虑可能由于DXA髋部骨密度测量的精度受下肢旋转角度变化的影响。因此，本研究结果提示椎弓根螺钉置入椎体的骨密度与术中螺钉强度有明确正相关关系，预测价值优于骨盆部位骨密度，提示临床工作中术前行DXA骨密度测量有重要预测意义。

3.21，25羟维生素D3

本研究发现术前1，25羟维生素D3水平与术中椎弓根螺钉强度存在正相关关系。1，25羟维生素D3是维生素D的活性代谢产物，在骨的吸收和形成代谢过程中起着重要作用。首先，体外研究证实1，25羟维生素D3能够修饰成骨细胞的分化通路，促进成熟后期的成骨细胞I型胶原表达［19］。其次，1，25羟维生素D3能够激活多种信息途径，上调或下调与成骨细胞增殖和分化相关的基因表达，从而保证骨组织胶原纤维矿化，提高骨质量［20］。再次，1，25羟维生素D3能够促进前体破骨细胞向成熟破骨细胞分化，增加破骨细胞数量，改善骨代谢［19］。因此，1，25羟维生素D3是骨量峰值形成的关键因子，也是骨质量和骨机械稳定性能的重要保障，本研究结果提示脊柱外科医生应当关注1，25羟维生素D3水平，重视术前术后维生素D补充，对于改善椎弓根螺钉强度、预防内固定失败有积极意义。

3.3甲状旁腺激素

甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）也是本研究发现的术中椎弓根螺钉扭矩的独立影响因素之一。甲状旁腺激素是调节钙磷代谢及骨转换最重要的肽类激素，可调节骨骼的合成和分解代谢。在动物实验中，既往研究发现每日注射人PTH可增加去卵巢和维生素D不足大鼠的松质骨钙量，纠正骨丢失，促进骨形成［21，22］。体外实验发现甲状旁腺激素能促进骨髓中的成骨祖细胞向成骨细胞的增生分化。临床应用方面，加拿大骨质疏松临床指南委员会的系统评价显示：甲状旁腺激素应用能够显著增加腰椎骨密度，轻度增加股骨颈和全髋骨密度［24］；然而，甲状旁腺激素的成骨作用存在剂量依赖性，其具体机制目前尚未完全阐明。本研究结果提示脊柱外科医生应当增加对于术前甲状旁腺激素水平的重视，其对于预测骨强度及螺钉固定强度具有一定价值，值得进一步关注和研究。

螺钉置入椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素作为本研究所确立的腰椎术中实测扭矩的3项独立危险因素，从统计学分析角度，其在对于术中扭矩的影响应当是相对独立的。但从实际临床意义方面，三者有一定相互联系。1，25羟维生素D3及甲状旁腺激素均在骨代谢过程中起重要作用，能够促进成骨，提高骨质量和骨强度，因此其水平可能与螺钉置入椎体骨密度存在一定相关性。

此外，既往研究报道，椎弓根螺钉扭矩还与术中入钉点选择、螺钉类型、丝攻器械、扭矩扳手设计等因素相关。本研究纳入病例均由同一名临床医生完成手术，在入钉点选择、螺钉置入流程方面能够做到标准化操作，同时选取固定品牌螺钉，使用统一丝攻器械及扭矩扳手，确保置钉及扭矩测量流程的标准化及统一性。

综上所述，本研究以术中实测椎弓根螺钉扭矩作为椎弓根螺钉强度评价指标，初步确立螺钉置入椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素为腰椎术中实测扭矩的独立影响因素。研究结果提示脊柱外科医生在术前应重视对于螺钉置入椎体骨密度、1，25羟维生素D3、甲状旁腺激素的关注和评估，这对于制定术前计划、实施患者告知及调整术中决策具有重要意义。本研究结果还有待于大样本临床研究及深入的基础研究来进一步证实。

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Intraoperative measurements of insertional torque of lumbar pedicle screw and analysis of contributing factors of pedicle screw strength

ZHUANG Qianyu，LI Shugang*，SHENG Lin，XU Derong，REN Zhinan，CHEN Xin，JIANG Chao
（Department of Orthopaedics，Peking Union Medical College Hospital，CAMS&PUMC，Beijing 100730，China）

2095-9958（2016）04-0109-05

10.3969/j.issn.2095-9958.2016.02-04

李书纲，E-mail：lishugang@medmail.com.cn