探讨同一椎弓根内置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的可行性*

赵永辉 王龙 陆维 韩公海 马林 梁金龙 滕兆伟 罗浩天 徐永清 陆声*

椎弓根螺钉技术是目前脊柱外科手术中最常用的固定方法。在伴有骨质疏松的患者中，其固定强度减弱，术后螺钉松动、拔钉的风险较高[1]。2009 年，Santoni 等[2]通过改变置钉通道使螺钉最大限度与通道皮质骨接触，以提高螺钉的固定强度，这种新的置钉方式被称为皮质骨通道（cortical bone trajectory，CBT）螺钉技术。随后不同文献均证实了CBT 螺钉的固定强度优越于椎弓根螺钉[3-5]；该技术在临床上的应用也在逐渐增多，不同文献[6-8]报道了皮质骨通道螺钉技术在腰椎滑脱、腰椎退变性等疾病中的应用，并取得了满意的治疗效果。在临床应用中，CBT 螺钉还可以和传统椎弓根螺钉联合应用：上位椎体使用皮质骨通道螺钉，下位椎体使用椎弓根螺钉；一侧使用椎弓根螺钉，一侧使用皮质骨通道螺钉等[9-11]。此外，一些文献也报道了在同一椎弓根内同时置入皮质骨通道螺钉和椎弓根螺钉，以实现最坚强的固定，可用于临近椎体病的翻修及严重骨质疏松患者的固定。但该技术是否适用于每一个患者，是否在不同椎体均可以开展该技术，目前关于此类技术的应用缺乏系统的解剖学研究。本研究将利用数字化技术，通过模拟双通道置钉，进一步探讨该方法的可行性，为临床应用提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取本院2015 年10 月至2017 年10 月期间住院的40例成年患者的腰椎CT 断层扫描数据，其中男18 例，女22例，年龄19 ～83 岁，平均年龄（57.9±17.4）岁。纳入标准：患者年龄≥18 岁；具有L1～L5完整的CT 扫描数据。排除标准：椎体发育异常或腰椎畸形；骨折、感染或肿瘤破坏椎体结构；既往有腰椎手术史。

1.2 研究方法

基于数字化技术，从两方面探讨椎弓根内同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的可行性：探讨基于传统椎弓根螺钉的基础上再次置入皮质骨通道螺钉的可行性；探讨椎弓根内同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的可行性。分别模拟完成置钉后统计出置钉成功和置钉失败的数目，最后统计出两组间的置钉成功率。并根据TRW参数的范围和腰椎节段进行分组，探讨置钉成功率与椎弓根通道参考宽度的关系。

患者腰椎CT 断层扫描参数：层厚0.625mm，电压120KV，电流150 MA，矩阵512×512；所有CT 数据以数字影像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）的标准格式储存。将本组40 例患者的腰椎CT 数据以DICOM 格式导入到Mimics 19.0 软件三维重建腰椎模型。由于L1～L5椎弓根的高度大于宽度，所以椎弓根宽度是限制螺钉的直径的主要因素。因此，笔者利用Mimics 19.0 软件测量TRW、SBW 和PW，见图1。其中TRW 是选择CBT螺钉直径的主要参考依据。当4.0 mm≤TRW＜4.5 mm 时，建议选择直径4.0 mm 的螺钉；4.5 mm≤TRW＜5.0 mm 时，建议选择直径4.5 mm 的螺钉；5.0 mm≤TRW＜5.5 mm 时，建议选择直径5.0 mm 的螺钉；5.5 mm≤TRW 时，建议选择直径5.5 mm 的螺钉。SBW、PW 是选择传统椎弓根螺钉直径的参考依据。考虑到在同一椎弓根内置入CBT 螺钉和传统椎弓根螺钉，可根据测量的相关参数选择出不同的螺钉直径，见表1。

图1 A.椎弓根宽度（LM 间距）和松质骨宽度（lm 间距）的测量示意图；B.L1 ～L4 椎弓根皮质骨通道参考宽度：选择椎弓根上下壁高度最高平扫层面，在椎弓根外壁内缘作一条与椎体中分线相平行的直线，在椎弓根内壁外缘作一条与椎体中分线相平行的直线，两条直线间的垂直距离即皮质骨通道参考宽度；C.L5 椎弓根通道参考宽度:选择测量平面并作出该平面最狭窄处的直线（EF），该直线与外壁内缘相交于K 点，再确定椎板外嵴在横截面上的位置（用G 点表示），连线G 点与K 点，再作GK 直线的平行线，使其向内侧平移且刚好与内壁外缘接触，测出这两条平行线的垂直距离

表1 相关参数测量结果和模拟置入的螺钉直径

1.2.1 基于传统椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉

本研究纳入本院既往40 例患者的腰椎CT 数据，分别通过Mimics19.0 软件进行三维重建。将对应椎体节段左右两侧椎弓根合并后，L1～L5对应椎弓根样本量分别为80 个，在L1-L5各椎体节段对应的椎弓根中分别置入传统椎弓根螺钉（见图2）。置钉标准为：选择“人”字嵴顶点为置钉点；置钉方向，在矢状面上螺钉靠近椎弓根上缘与椎体上终板平行，在横断面上螺钉沿椎弓根轴方向置入，置入深度到椎体前1/3 处；螺钉直径，L1（5.0 mm）、L2（6.0 mm）、L3（6.5 mm）、L4（6.5 mm）、L5（6.5 mm）。完成传统椎弓根螺钉模拟置钉后再次模拟置入皮质骨通道螺钉。皮质骨通道螺钉直径的选择：L1（4.0 mm）、L2（4.0 mm）、L3（4.5 mm）、L4（5.0 mm）、L5（5.0 mm）。置钉方向由下向上、由内向外并根据椎弓根螺钉的位置适当调整CBT 螺钉的置钉点及置钉方向，最大限度地完成置钉（见图3）。置入的螺钉未刺破通道皮质骨以及两螺钉间没有相互耦合，符合以上要求则认为置钉成功。如果模拟置钉过程中通过调整CBT 螺钉仍出现螺钉刺破通道皮质骨或两螺钉间有相互耦合的现象，则认为置钉失败（见图4）；完成所有模拟置钉后统计出腰椎各节段置钉成功及置钉失败的个数，计算出L1～L5节段的置钉成功率。并且根据TRW 参数的范围和腰椎节段进行分组（如L1根据TRW 分为：TRW＜4.0 mm，4.0 mm≤TRW＜4.5 mm，4.5 mm≤TRW＜5.0 mm，5.0 mm≤TRW＜5.5 mm，5.5 mm≤TRW＜6.0 mm，6.0 mm≤TRW）。最后根据统计结果探讨基于传统椎弓根再次置入CBT 螺钉的可行性及置钉成功率与椎弓根通道参考宽度的关系。

图2 椎弓根置钉标准：A.置钉点位于“人”字嵴定点；B.螺钉靠近椎弓根上缘于上终板平行；C.横断面螺钉位于椎弓根内外壁中间，置钉深度到椎体前1/3 处

图3 基于传统椎弓根螺钉置入CBT 螺钉示意图：A.椎弓根螺钉以“人”字嵴定点为置钉点，CBT 螺钉的置钉点则更靠内靠下；B.透明化椎体显示正位双螺钉位置关系；C.45°斜位显示双螺钉之间无耦合部分符合置钉要求；D.侧位片显示双螺钉位置关系，CBT螺钉为未到椎体上终板；E.通过横切面可以看到CBT 螺钉位于椎弓根螺钉下面，头侧与椎体侧壁接触；F.双螺钉在俯视下视图的位置关系

图4 基于传统椎弓根螺钉置入CBT 螺钉：A.CBT 螺钉刺破了椎弓根内侧壁示意图；B.通过透明化椎体可以看到双螺钉存在耦合部分。这两种情况均为置钉失败

1.2.2 同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉

将上述40 例腰椎CT 数据，同样通过Mimics19.0 软件进行三维重建，将左右两侧椎弓根合并后，L1～L5节段椎弓根样本量分别为80 个，在每个节段80 个椎弓根分别同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉。按照上述标准选择CBT 螺钉及传统椎弓根螺钉置钉的尺寸。在确保置钉安全可行的前提下，通过适当调整两螺钉的置钉点及置钉方向，使双螺钉尽量成功置钉。在置钉过程中，笔者发现传统椎弓根螺钉的置钉点较原来更靠外，螺钉内倾角更大，螺钉头侧也更偏向尾侧，这样才能为顺利置入皮质骨螺钉留出尽可能大的空间。CBT 螺钉位于椎弓根螺钉的内上方，置钉点则较原来更靠近头侧，其头倾角也相应减少，从而完成双螺钉的置入。置钉完成后，如果任何螺钉刺破通道皮质骨则认为置钉失败；如果螺钉未刺破通道皮质骨，可以通过隐藏椎体模型仅显示同一椎弓根内的两个螺钉模型，观察两螺钉间有无耦合，如果有耦合现象则同样视为置钉失败（见图5）。完成所有模拟置钉后统计腰椎各节段置钉成功及置钉失败的数量，计算出置钉成功率。根据TRW 参数和腰椎节段进行分组并在各组间内统计出置钉成功及置钉失败的数量计算出置钉成功率。根据统计结果探讨同一椎弓根内同时置入皮质骨通道螺钉及传统椎弓根螺钉的可行性及置钉成功率与椎弓根通道参考宽度的关系。

图5 同时置入双螺钉示意图：A.双螺钉置钉点的位置关系；B.透明化椎体显示正位双螺钉与椎弓根投影的位置关系；C.双螺钉在45°斜位的位置关系；D.双螺钉在侧位片的位置关系，椎弓根螺钉头侧段向尾侧倾斜，CBT 螺钉朝向椎体上终板；E.切面观双螺钉无耦合；F.CBT 螺钉位于椎弓根螺钉之上；G.CBT 螺钉刺破了椎弓根壁，该情况为置钉失败；H.椎体透明化后可见双螺钉存在耦合部分，该情况同样被视为置钉失败

1.3 统计学方法

所有统计的数据均采用SPSS 21.0 统计学软件（SPSS 公司，美国）进行统计学分析。在两种方法测得的腰椎各节段成功率比较时采用卡方检验分析。若n＞40，此时1＜T＜5 时，选择连续性校正卡方检验；如果T＜1 或n＜40 时，选择Fisher确切概率法直接计算概率,＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基于传统椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉

对40 例患者腰椎CT数据进行三维重建后模拟置钉，首先按照上述标准置入传统的椎弓根螺钉，置钉完成后固定参数不变，再次置入对应的皮质骨通道螺钉。各节段椎弓根分别进行80 次模拟置钉，共模拟置钉400 次。腰椎各节段基于传统椎弓根螺钉置入CBT 螺钉的成功率分别为L1：47.50%，L2：62.50%，L3：57.50%，L4：70.00%，L5：47.50%。腰椎不同节段按TRW 进行分组，可以看到L1～L5随TRW 的增加，置钉成功率也逐渐增加。TRW 增加到一定程度时，置钉成功率将显著增加。当L1：TRW≥5.0 mm 时，置钉成功率≥85.71%；L2：TRW≥5.0mm 时，置钉成功率≥83.33%；L3：TRW≥6.0 mm 时，置钉成功率≥84.62%；L4：TRW≥7.0 mm时，置钉成功率≥81.82%；L5：TRW≥7.5 mm 时，置钉成功率≥87.50%（见表2）。因此，根据TRW 的测量结果可以评估使用皮质骨通道螺钉进行翻修手术的可行性。

表2 腰椎各节段按TRW 分组后基于TP 置入CBT 螺钉的情况汇总

2.2 同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉

对上述40 例患者腰椎CT 数据通过Mimics 19.0 重建腰椎三维模型，对L1～L5节段的80 个椎弓根分别进行模拟置钉，总共完成400 次模拟置钉。腰椎各节段椎弓根同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的成功率分别为L1：61.25%，L2：76.25%，L3：77.50%，L4：91.25%，L5：82.50%。不同腰椎节段同样按TRW 区间进行分组，可以看到腰椎各节段置钉成功率随TRW 的增加而逐渐增加。TRW 增加到某一范围时，置钉成功率显著提高。当L1：TRW≥4.5 mm时，置钉成功率≥85.00%；L2：TRW≥5.0 mm 时，置钉成功率≥94.44%；L3：TRW≥5.5 mm 时，置钉成功率≥88.89%；L4：TRW≥6.0mm 时，置钉成功率≥90.00%；L5：TRW≥6.0mm时，置钉成功率≥85.71%（见表3）。因此，在考虑采用双螺钉固定手术时，术前测量TRW 参数对手术是否可行具有重要的意义。

表3 腰椎各节段按TRW 分组后同时置入TP 和CBT 螺钉的情况汇总

2.3 两种双通道置钉方法的比较

笔者采用上述两种方式分别完成了模拟置钉，按L1～L5分别统计出两组的置钉成功及置钉失败的个数，计算出各自的置钉成功率（见表4）。通过卡方检验对两组结果进行统计学分析。两组间L1：＞0.05，两组间对应L1的置钉成功率比较差异无统计学意义；L2：＞0.05，两组间对应L2的置钉成功率比较差异无统计学意义；L3：＜0.05，两组间对应L3的置钉成功率比较差异有统计学意义，同时置入双螺钉组置钉成功率明显高于前者；L4：＜0.05，两组间对应L4的置钉成功率存在显著性差异，同时置入双螺钉组置钉成功率明显高于前者；L5：＜0.05，两组间对应L5的置钉成功率比较差异有统计学意义，同时置入双螺钉组置钉成功率明显高于前者；将两组间置钉成功及置钉失败经过计数汇总，两组间通过卡方检验得到＜0.05，两组间总体置钉成功率比较差异有统计学意义，同时置入双螺钉组的置钉成功率明显高于基于椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉组。置钉成功率与椎弓根的大小相关，而TRW 是限制皮质骨通道螺钉直径的主要因素，同时也能间接反映椎弓根的大小。因此，通过对TRW 进行分组并统计出各区间的置钉成功率，置钉成功率与TRW 呈正相关。当TRW 达到某一区间时，置钉成功率明显升高。因此，在考虑采用双螺钉固定或使用皮质骨通道螺钉行腰椎翻修手术时，术前测量TRW 对手术是否安全可行具有重要的参考价值。

表4 两组间模拟置钉结果的比较

3 讨论

椎弓根螺钉仍然是目前脊柱外科最常用和最可靠的固定方式。然而，椎间融合可加速邻近节段的退变[6]，导致椎间盘突出、椎体滑脱和小关节退变等，这种现象被称为相邻节段退变性疾病（adjacentsegmentdisease，ASD）。目前腰椎手术的患者越来越多，Deyo 等[12]对1993—2011 年美国国家卫生保健的相关数据分析后发现，腰椎融合手术的患者增加了600%。然而，随着大量腰椎固定手术的应用，同样也要面对越来越多腰椎术后失败的问题，以及因感染、椎间盘突出复发、邻椎病等原因而需要翻修的病例也在不断增加[13-15]。Tobert等[16]通过对腰椎融合术综述在回顾文献后发现，患者术后5 年内因各种原因需要翻修的患者高达20%。不同文献报道ASD 的发病率各不相同。根据影像学证据，ASD 的患病率超过40%，而需要对ASD 患者进行手术干预的发生率为5.2%～18.5%[6-7]。然而，在进行ASD 手术时，外科医师通常需要取出原有的内固定装置，这就需要增加暴露的范围，如此一来不仅延长了手术时间、增加了失血和手术创伤，而且提高了术后感染的风险。CBT 螺钉内固定技术的出现为ASD 患者的翻修手术提供了一种新的思路。可以使用CBT螺钉通过与上端固定椎或下端固定椎桥接固定来延长固定节段以达到翻修的目的，从而避免传统翻修手术的不足。2014年，Analiz Rodriguez 等[17]通过“O”形臂导航对5 例腰椎相邻节段退变性疾病的患者在不取出原有内固定情况下，通过在上端固定椎的椎弓根内置入了皮质骨通道螺钉完成了手术。王燕燕等[18]也报道了12 例腰椎相邻节段退变性疾病的患者同样通过CBT 螺钉技术完成了翻修手术并取得了满意效果。Chen 等[19]对6 例腰椎邻近节段疾病的患者仅通过C臂下完成了翻修手术，同样也获得了满意效果。Jeffrey 等[8]选择了47 例腰椎CT 数据，按照有无腰椎手术史分为两组，一组基于原来的椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉，一组同时置入两种螺钉。笔者认为同时置入双螺钉具有可行性，而有手术史组，由于手术固定节段非均匀分布，其中L1节段仅3例，所以得到的结果参考意义也非常有限。面对越来越多需要翻修手术的腰椎相邻节段退变性疾病患者，能否通过皮质骨通道螺钉桥接固定在上端或下端固定椎以完成翻修手术一直困扰着我们。因此，本研究利用数字化技术基于传统椎弓根螺钉再次置入CBT 螺钉来验证该方法的可行性。

本研究对40 例患者的腰椎CT 数据通过三维重建后进行模拟置钉。根据椎弓根通道参考宽度的测量，选择的皮质骨通道螺钉直径为4.0 ～5.0 mm，椎弓根螺钉直径为5.5 ～6.5 mm。这和前面几篇相关文章中选择的螺钉尺寸不尽相同。MasakiUeno 等[11]使用的皮质骨通道螺钉直径为4.5 mm（L1～L5：4.5mm，S1：5.5 mm），传统椎弓根螺钉直径为5.5～6.5 mm（L1～L2：5.5 mm，L3～L5：6.5 mm）；Analiz Rodriguez 等[8]在翻修时选择的皮质骨通道螺钉直径为5.5mm，传统椎弓根螺钉为7.0 ～7.5mm（L1、L2、L4：7.0mm,L3、L5：7.5mm）。不同的螺钉尺寸会对置钉成功率产生不同的影响，同时也会影响到内固定的生物力学强度。这还需要进一步的研究探索。在基于传统椎弓根螺钉组，笔者通过按照相关标准模拟置入椎弓根螺钉后再次模拟置入皮质骨通道螺钉。这样的设计可重复性好，可以直观地看到双螺钉有没有刺破通道皮质骨，也可以通过隐藏椎体仅显示双螺钉观察有没有相交集，容易判断是否置钉成功。此外，也避免了一些样本量不足的问题。该设计方案同样存在一定的不足，由于椎弓根螺钉均按照单一标准置入，而实际临床中因置钉方法的不同以及操作者间置钉技术或习惯的差异最终导致置入的椎弓根螺钉角度参差不齐。所以实际的置钉准确率与模拟的置钉准确率必然存在一定的差异。本研究在Mimics 19.0 软件上模拟置钉的准确率为57.00%，其中置钉失败的原因主要是椎弓根解剖结构的差异。因此，术前需要在三维层面了解是否有容纳皮质骨通道螺钉的空间以及判断置钉的角度。在各种参数中TRW 的测量具有更重要的参考意义。尽管有些能够模拟置钉成功，而在实际置钉时则对皮质骨通道螺钉要求很高甚至是有些苛刻，置钉角度稍有偏差则可能穿破通道皮质导致脊髓神经损伤的风险。因此，考虑翻修时应选择具有较宽松的容纳皮质骨通道螺钉空间的病例，或术前根据患者的腰椎CT 数据设计出个体化置钉导板辅助置钉，以提高置钉成功率。如果螺钉伪影干扰严重，也可以通过患者第一次手术前的CT 数据重建，根据椎弓根螺钉尺寸及置钉角度进行模拟置钉，在此基础上模拟置入CBT 螺钉，从而设计出个性化CBT 螺钉的置钉点及置钉方向，同时也可以设计置钉导板辅助置钉，从而增加了置钉成功率，使手术更加安全。

此外，2013 年，Masaki Ueno 等[20]报道了在同一椎弓根内置入双螺钉（皮质骨通道螺钉和传统椎弓根螺钉）固定的方式为一位腰椎退变性疾病的老年女性患者完成了腰椎内固定手术，术后效果满意。本研究在同一椎弓根内同时置入椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉时，为了能够更好地成功置钉，笔者将传统椎弓根螺钉的置钉点较原来更靠外，螺钉内倾角更大，螺钉头侧也更偏向尾侧，这样才能为顺利置入皮质骨通道螺钉留出尽可能大的空间。皮质骨通道螺钉的置钉点则较原来更靠近头侧，从而完成双螺钉的置入。同时置入皮质骨通道螺钉和传统椎弓根螺钉的置钉成功率为77.75%，置钉成功率明显高于前者。在同时置钉时可以通过调节双螺钉置钉角度以最大限度完成置钉。笔者从两种方式模拟置入双螺钉后发现，两螺钉之间存在明显的位置差异。前者椎弓根螺钉靠上，CBT 螺钉沿椎弓根螺钉下面穿过斜向上与椎体侧壁接触，但未到达上终板。后者CBT 螺钉靠上，椎弓根螺钉靠下相互交叉置入，从而最大限度地保证了双螺钉的置钉空间。能否完成双螺钉置钉，除了和置钉角度有关更重要和椎弓根通道的解剖结构相关。椎弓根空间越大，置钉的成功率则相对越高。PW 和SBW 是选择椎弓根螺钉重要的参考依据，而TRW 则是选择皮质骨通道螺钉直径的重要参数。由于皮质骨通道螺钉的置钉技术要求更高，因此笔者完成模拟置钉后按TRW 分组，以了解不同区间的置钉情况。研究结果表明：两组置钉成功率随着TRW 的增加而逐渐提高，同时置入双螺钉组总体置钉成功率明显高于基于传统椎弓根螺钉再次置入皮质骨通道螺钉组。其总体置钉成功率分别为57.00%、77.75%。因此，术前测量TRW 可以大致了解能否采用双螺钉进行翻修或内固定手术。

对于椎弓根内同时置入双螺钉，笔者认为既然不同学者都证实了皮质骨通道螺钉在骨质疏松患者能够提供有效的固定，那么这种双螺钉以相互妥协的方式提高固定的力学强度与单独皮质骨通道螺钉相比是否具有统计学差异以及实际临床意义，尚需生物力学研究、临床应用以及长期随访来综合评估。而基于传统椎弓根螺钉再次置入CBT 螺钉，目前相关研究较少，本研究也存在一定缺陷，后期笔者将着重对CBT 螺钉用于腰椎相邻节段退变性疾病翻修的可行性进行更加全面深入的研究，为临床提供重要的参考依据。