脊柱皮质骨钉道螺钉的基础研究进展

马绪彪，蒲 丹，朱 钧，秧茂盛

椎弓根钉棒系统是目前治疗脊柱疾病最常用、最可靠的固定方式[1]。随着我国人口老龄化加剧，老年退变性脊柱疾病发生率逐年上升，伴发骨质疏松的患者人数也日益增多[2]。此类患者骨质量的大量丢失主要发生于松质骨，导致以松质骨把持面积为主的椎弓根螺钉（pedicle screw,PS）的抗拔出力和稳定性大幅度降低，因此PS固定系统丧失了其在维持脊柱正常序列、重建序列稳定及促进融合等生物力学稳定性方面的优势，螺钉不稳、松动、断裂及椎弓根骨折等的发生风险加大[3-4]。2009年Santoni等[5]提出皮质骨钉道（cortical bone trajectory，CBT）螺钉内固定，把持力强、创伤小、并发症少，较好地解决了骨质疏松患者PS把持力不够等难题。本文就胸椎、腰椎、骶椎CBT螺钉的生物力学、置钉技术、螺钉参数等基础研究进行文献综述。

1 CBT螺钉的特点

作为一种新的置钉技术，CBT螺钉的特征在于置钉路径与PS不同，其进针点较靠内并以头倾及外翻的角度置钉，较少剥离后外侧肌肉，与PS相比直径更小，长度更短，螺纹排列更紧密，与皮质骨集中区域充分接触，接触面积包括背侧皮质、椎弓根后内侧壁、前外侧椎弓根壁和椎体壁弧面，骨-螺钉界面的把持力增加约30%[6]。

同样，CBT螺钉进钉点、进钉方向及螺钉参数与PS亦有明显差异。后者是以关节突关节纵向中线与横突中线的交点为进钉点，进钉方向垂直于椎体冠状面，与椎体矢状面成5°～15°内聚角；而CBT螺钉进钉点为上关节突关节中垂线与同侧横突下1 mm水平线交点，螺钉通过椎弓根在矢状面由下向上，钉尾向外发散，减少了神经血管损伤的潜在风险，达到微创效果[5-6]。

2 胸椎CBT螺钉

目前有关胸椎CBT螺钉的研究大多是影像学及应用解剖学分析，很少涉及生物力学和临床应用方面。

2.1 胸椎CBT螺钉解剖-影像学研究

Mastsukawa等[7]分析下胸椎CBT螺钉的解剖-影像学结果，发现T9～T12椎体CBT螺钉的置钉参数随椎体节段的改变而逐渐增大，其最大直径、最大长度和头倾角分别由（5.8±1.1）mm、（29.7±4.6）mm、（21.4 ± 3.3）°增加至（8.5 ± 1.4）mm、（32.0± 2.1）mm、（27.6± 3.9）°；生物力学分析亦显示，CBT螺钉的最大旋入扭力矩与PS比较增加了约53.8%。有学者通过观察100例二维CT影像重建数据及10例尸体标本，分析CBT螺钉在亚洲人群下位胸椎（T9～T12）应用的可行性，结果同样显示螺钉的最大直径、长度、外展角和头倾角从T9开始逐渐增加，分别由（4.92±0.64）mm、（29.64±0.94）mm、（7.37 ± 1.39）°、（19.03 ± 2.68）°增加至T12的（7.47 ± 1.08）mm、（32.84 ± 1.82）mm、（10.47 ± 2.90）°、（27.5 ± 3.63）°；研究还发现置钉外展角、头倾角无明显性别差异，而螺钉最大直径（T9～T12）、长度（T9、T11、T12）与性别相关；且 T9和T10椎弓根皮质骨断裂率高于其他各椎体，尤其在女性患者中常见，因此作者指出成人T9、T10椎弓根或椎-肋复合体CBT螺钉直径为4.5 mm时，可减少皮质骨破裂发生率[8]。此外，该研究者还通过影像学测量对5～16岁青少年人群进行CBT螺钉技术应用的相关研究，着重分析不同年龄组CBT的相关数据以及置钉角度、位置等问题，结果显示，T9～T12椎体CBT螺钉直径、长度、头倾角逐渐增大，置钉的相关参数随年龄增长而增加，且螺钉直径、长度有性别差异，作者认为青少年椎弓根或椎肋复合体CBT螺钉的理想直径为4.5～5.5 mm[9]。

而在上中位胸椎，Sheng等[10]通过CT影像学及尸体标本分析T3～T8CBT螺钉的直径、长度、外展角及头倾角等相关解剖-影像学数据，认为上中位胸椎CBT螺钉置钉有良好的稳定性和安全性，特别是在骨质疏松患者和胸椎后凸矫正术中，作者推荐使用CBT螺钉的直径为5 mm、长度为25～35 mm，头倾角为15°～20°。

2.2 胸椎CBT螺钉进钉点及方向

胸椎CBT螺钉的进钉点在每个节段并不是固定的。Xuan等[8]认为下位胸椎（T9～T12）均以冠状面为平面，以矢状面轴线和横截面轴线分别为Y轴和X轴，平分椎弓根投影所在的冠状面象限（45°）连线与椎弓根冠状面投影中心交点为进钉点；Sheng 等[10]报道T3～T4及 T7～T8椎体节段在上关节突和横突中线交点进钉，T5～T6椎体在上关节突和横突上1/3水平线交点进钉；Mastsukawa等[7]则将胸椎CBT螺钉进钉点选择在上关节突外侧2/3与横突下缘所在平面直线的交点处，头部角度为沿轴向平面的直线前进瞄准上终板后1/3，但不同椎体进钉点存在差异，T9、T10进钉点不变，T11、T12则分别下移1～2 mm。

胸椎CBT螺钉进钉方向则均以腰椎CBT螺钉的进钉方向为参考，不同研究及同一研究中存在微调[7-10]。Xuan等[9]对80例青少年胸椎CBT螺钉置入进行二维CT多平面重建研究，结果表明，进钉方位由椎弓根6点钟方向指向12点钟方向，与以往腰椎CBT螺钉置钉方向存在差异；Mastsukawa等[6-7]的研究亦得出类似结论。而CBT的外展角、头倾角也不是一成不变的[9-10]。总之，胸椎是活动度较大的颈椎和承重较大的腰椎之间的过渡部分，椎弓根解剖结构复杂且相对狭小，椎弓根与椎体形成特有的倾斜状态，因此，不同椎体进钉点、进钉方向及置钉参数变化较大，仍需进行大量影像学及尸体研究。

3 腰椎CBT螺钉

3.1 生物力学稳定性

螺钉的抗拔出力和置入扭矩可在一定程度上反映螺钉的固定强度。Santoni等[5]在5具新鲜尸体腰椎标本上比较PS和CBT螺钉的生物力学稳定性，结果显示后者的轴向拔出力较PS高30%。Matsukawa等[11]对48例患者进行PS和CBT螺钉置入扭矩测定，结果显示腰椎CBT螺钉的置入扭矩比PS高约1.7倍。Baluch等[12]对离体脊椎（T11～L5）进行PS和CBT螺钉抗拔出力测试，结果显示CBT螺钉位移2 mm所需的拨动转数和轴向拔出力均明显高于PS。Sansur等[13]对8例新鲜冰冻骨质疏松脊柱骨盆标本（骨密度T值≤—2.5）进行抗疲劳测试，发现CBT螺钉固定下腰椎的平均负荷显著增加，提示该置钉方式可作为骨质疏松患者PS固定的替代方案。但也有学者持不同意见，Akpolat等[14]在12个离体椎体上测试CBT螺钉和PS出现位移所需的循环载荷次数，PS出现位移需100圈以上，而CBT出现位移时均未达到100圈，结果证实PS固定更加稳定。因此，仍需要大量的生物力学实验来验证CBT螺钉的固定强度。

螺钉通道周围CT值常被用于计算骨密度，同时亦可反映固定强度。Kojima等[15]对222例脊柱疾病患者进行腰椎CT扫描分析，测量螺钉周围CT值，结果显示CBT螺钉周围Hounsfield值是PS的4倍，证实CBT螺钉把持力更大。Mai等[16]对180例患者CT影像学Hounsfield值进行研究，比较PS钉道和CBT钉道骨密度情况，结果证实CBT螺钉技术优势明显，尤其是在骨质疏松患者中。

不同状态下的椎体活动范围（range of motion，ROM）亦可反映椎体的稳定性。Perez-Orribo等[17]对比PS与CBT螺钉固定后不同状态下尸体腰椎椎体ROM的差异，发现CBT螺钉固定与PS固定有相似的稳定性。研究者们还将PS和CBT螺钉置入新鲜鹿腰椎标本，进行8个方向上的弯曲和左右旋转实验，结果证实，2种螺钉固定腰椎ROM值及其变化率并无显著差异，因此认为CBT螺钉固定与PS固定具有相似的稳定性[18]；而新鲜冰冻尸体多节段轻度腰椎滑脱模型的ROM分析结果也提示，多节段解压后CBT螺钉固定仍能提供与PS相同的稳定性[19]。

三维有限元（three-dimensional finite element，TDFE）技术不仅能够完整复制腰椎各个结构并模拟其生物力学特性，有效模拟骨质疏松患者的腰椎结构，而且还能按照标准选择进钉点和置钉方向，具有良好的准确性及可重复性，为术前规划、脊柱置钉操作、应力学分析等提供参考依据[20-21]。Matsukawa等[6]对正常腰椎和17例成人峡部裂型腰椎滑脱患者进行腰椎CT扫描，比较正常腰椎和滑脱腰椎PS和CBT螺钉置入后的轴向拔出力及模拟施加屈曲、拉伸、侧弯和轴向旋转力时的固定强度，结果显示，正常椎体CBT螺钉较PS抗拔出力提高23.5%，屈曲、伸展、侧向弯曲、轴向旋转时固定强度均较PS明显增加，但在滑脱椎体中CBT螺钉的固定强度不如PS，抗拔出力无明显差异，因此作者认为CBT螺钉治疗峡部裂型腰椎滑脱不具优势。

3.2 钉道优势

为明确CBT螺钉和PS两种螺钉之间固定强度的差异究竟是钉道因素、还是螺钉类型因素，有学者进行猪腰椎标本生物力学实验，结果发现两种螺钉置入CBT后拔出力均增大；但同种钉道置入两种类型螺钉，CBT螺钉拔出力未见明显增加，因此作者认为CBT螺钉固定强度主要受钉道因素影响[22]。Wray等[23]对新鲜冰冻人体腰椎（L1～L5）样本进行测量，分为PS置入传统PS钉道、PS置入CBT、CBT螺钉置入CBT三组，记录各组与钉道相关的骨质量、拔出力和扭矩，发现无论是正常质量骨还是低质量骨，两种不同类型螺钉置入CBT后其钉道周围骨质量均明显增加，证实与PS钉道相比，CBT有明显优势。

3.3 置钉参数

Matsukawa等[24-26]研究发现CBT平均直径在腰椎由L1至L5逐渐增大，由6.2 mm增至8.4 mm，而钉道平均长度分别为36.8、38.2、39.3、39.8 和38.3 mm；同时利用TDFE技术建立腰椎三维模型，分析不同直径（4.5～6.5 mm）、长度（25～40 mm）的CBT螺钉对腰椎固定强度的影响，结果提示，不同腰椎节段螺钉的固定强度有所不同，因此推荐CBT螺钉的理想直径应＞5.5 mm、长度＞35 mm，置钉深度为36～39 mm。关于置钉方向，研究推荐理想头倾角应为 25°～30°，外展角为8°～10°[27]。今后仍需进行大量的尸体解剖学研究，以明确置钉参数对固定效果的影响，为避免发生置钉相关并发症提供理论依据。

3.4 补救置钉

为寻找PS置钉失败后的补救措施，有学者尝试利用CBT螺钉固定。Calvert等[28]对尸体标本进行生物力学实验，结果显示CBT技术可用于PS置钉失败后的翻修手术，PS亦适用于CBT螺钉置钉失败后的补救性置钉；运用2种螺钉对相同置钉失败节段进行补救置钉，其强度和把持力比较，均无明显差异，CBT螺钉可保持原PS拔出力的60%，PS可保持原CBT螺钉把持力的65%，也就是说，两种螺钉可用于彼此置钉失败后的补救置钉。

4 骶椎CBT螺钉

由于S1椎体的解剖结构与腰椎差距甚大，椎体前方神经血管丛分布密集，S1骨皮质更厚等因素，目前临床开展骶椎CBT螺钉阻力较大，相关基础研究也相对较少。为了增加固定强度，需将螺钉头部穿透椎体前方皮质或骶骨岬，进行双皮质固定，因此增加了损伤前方血管神经的风险。Matsukawa等[29]提出穿透S1终板螺钉（penetrating S1 endplate screw，PES）的置钉技术，CBT螺钉在S1的置钉点位于S1上关节突中心和L5下关节突最下缘下方约3 mm的结合点。该技术的优点在于：置钉扭矩测定较单皮质骨固定增加约141%，有更好的稳定性；螺钉进钉更为靠内，减少了对肌肉的剥离；螺钉进入椎间隙也不致损伤血管，位置与腰椎皮质骨螺钉更匹配，减少对S2置钉的干扰；螺钉横断面平行置于S1上终板的1/2，也同时避免了对椎间融合器放置的影响。此外，该学者通过CT测量S1CBT螺钉的相关技术参数，头倾角为（30.7± 5.1）°，长度为（31.5± 3.5）mm[29]。这一技术仍存在神经损伤的潜在风险，要求术者十分熟悉解剖结构，置钉前要充分剥离肌肉。

5 小结

对于伴有骨质疏松的脊柱外科患者，其松质骨骨质量的减少远远超过皮质骨，传统PS固定稳定性下降。作为一种新型脊柱固定方式，CBT螺钉固定允许螺钉与皮质骨的接触面积最大化，增加了螺钉的稳定性和抗拔出力。与PS相比，CBT进钉点更偏向内下，尾端向外发散，减少了置钉相关神经损伤、出血等并发症，手术切口小，椎旁肌肉剥离少，符合现代微创及快速康复的理念。胸椎椎体数目多，椎弓根相关参数存在可变性，尽管目前已开展的解剖-影像研究分析了相关的参数及置钉方向等，但目前存在样本量不足、无广泛临床应用等问题，年龄、性别等差异可能是影响推广胸椎CBT螺钉临床应用的关键。由于骶椎三维结构的复杂性，骶椎CBT置钉研究尚少，缺乏生物力学理论支持。腰椎CBT由于出现时间较短，技术有其自身特点，开展初期有一定的学习曲线；其置钉过程与PS也明显不同，实际应用存在较大风险，手术效果差异也较大[30-33]，无论是置钉角度、方向，螺钉长度、直径，还是减压范围，都没有统一的标准，仍需大量生物力学实验进行有关置钉技术及螺钉参数等的基础研究，不断改良优化置钉技术，进一步明确临床适用范围，为CBT螺钉的实际应用提供理论支持。