提高骨质疏松症椎体椎弓根螺钉固定强度的技术研究进展

刘亮，孙崇毅

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨三科，哈尔滨 150081)

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种骨密度下降致骨强度下降、脆性增加、骨折风险增高的疾病，对我国老龄人口的骨骼健康造成极大危害[1]。随着越来越多的老年患者因退行性或创伤性脊柱病变而接受手术治疗，骨质疏松性骨内固定逐渐引起脊柱外科医师的关注[2]。由于应力集中、微动等，OP患者椎弓根螺钉固定术后出现螺钉松动、位移甚至拔出的可能性较大。因此，需要特别关注应用于OP患者脊柱内固定手术器械的设计和技术的改进。20世纪50年代末，Boucher采用双侧椎弓根螺钉系统实现了多节段脊柱的融合固定，此系统在脊柱融合固定方面取得了很大进步，但在OP患者的骨质内实现最佳的螺钉固定强度仍值得关注[3]。为了提高OP患者椎弓根螺钉的固定强度(拔出强度)，各国学者已进行了多种关于螺钉设计和手术技术的改进，螺钉设计包括用骨水泥增加钉骨界面间的强度[4-5]，改变螺钉直径[6-7]、长度[8]、螺纹设计[9]和螺钉内径的锥形设计[10]以及可膨胀螺钉的选择[11]等。螺钉设计对OP患者椎体椎弓根螺钉的固定强度有重要作用，但手术技术的改进对手术操作有重要的指导意义。现就提高OP患者椎体椎弓根螺钉固定强度的技术研究进展予以综述。

1 置入技术

在提高椎弓根螺钉的固定强度时，首先应考虑通过改变椎弓根螺钉置入技术实现有效固定。引导孔的大小是非常重要的因素，“过大”的引导孔(大于螺钉直径)将使螺钉与骨之间的把持力下降，而“较小”的引导孔(远小于所使用的螺钉直径)会加大置入螺钉的扭力，在OP患者骨质内此作用力更明显，从而增加了椎弓根骨折、螺钉松动、拔出的风险[10]。其他需要关注的技术还包括自攻螺钉与预攻引导孔的选择[8,10]、置钉角度[12]、置钉深度[8,10,13]以及必要时的螺钉重新置入[4,12]等。

1.1引导孔的大小 螺钉旋入之前用开路锥预攻引导孔的大小对椎弓根螺钉的固定具有重要作用，特别是在骨质疏松性椎骨内[14]。Battula等[10]进行了一系列测试，目的是找出在低螺钉固定扭矩和高螺钉固定强度之间保持最佳平衡所需引导孔大小的临界值，通过对螺钉外径为70%、71.5%、73%和80%的引导孔进行拔出强度试验，最终确定使用椎弓根螺钉外径71.5%的引导孔可满足所需的临界引导孔大小。此研究结论虽对术者的手术操作无明显影响，但可用于指导特殊的预攻引导孔所使用的开路锥的设计和研制，有利于手术器械的改进，最后可通过选择合适大小的开路锥获得理想的引导孔，从而取得低螺钉扭矩和高螺钉固定强度间的最佳平衡。

1.2预攻丝与自攻螺钉 置入螺钉前将引导孔预攻丝还是使用自攻螺钉对螺钉把持力的影响受到关注[9,15-17]。术中常用自攻螺钉，自攻螺钉在插入时切割螺纹路径中的骨质，省时省力，缩短了手术时间[18]。Pfeiffer等[17]分别检测10种不同设计的自攻螺钉或非自攻螺钉，发现大部分自攻螺钉在骨质疏松模型中可显著提高螺钉的把持力，但自攻螺钉在旋入过程中会产生摩擦阻力，增加了低密度骨质内的螺钉扭矩和椎弓根骨折的风险。

在骨科手术中，引导孔的预攻丝是精确地在长骨上置钉的一种方法，已应用于脊柱手术[17]，但其有效性仍存在争议。Chen等[3]认为，与使用自攻螺钉相比，在插入螺钉前使用引导孔预攻丝会减弱螺钉把持力。Carmouche等[15]报道，在OP患者腰椎骨质中预攻丝会降低螺钉把持力，但胸椎固定中预攻丝和自攻螺钉两种方法对螺钉把持力无明显影响。此外，Thompson等[9]和Mehta等[16]也未发现引导孔预攻丝和自攻螺钉在螺钉拔出强度上的明显差异。上述报道证实了自攻螺钉的优势，目前自攻螺钉已广泛应用于临床，且大多数情况下未行预攻丝，最终获得了理想的固定效果，但对于骨质硬化的椎骨，为避免高螺钉扭矩和椎弓根劈裂的风险，必要时也需要进行预攻丝。

1.3置钉角度 椎弓根螺钉置入角度的选择也能改变螺钉固定强度。Patel等[7]在代表正常骨、轻度骨质疏松性骨和严重骨质疏松性骨的人工骨模型中按矢状角(与椎体矢状面夹角)0°～40°的角度置钉，对螺钉的把持力进行测试发现，在正常骨质模型中置钉方向与轴向拔出方向平行时把持力较大，在骨质疏松性骨模型中当螺钉置入方向与轴向拔出力呈10°角时把持力最佳，可能与骨质疏松骨质中骨-螺钉交界处的把持力较小有关，故在置钉时使螺钉置入方向与轴向拔出力成角度以增加螺钉与周围骨质的啮合面积来锚固螺钉，从而获得更大把持力。

王永强和刘晓光[19]认为，平行终板置入椎弓根螺钉并不能获得最佳的螺钉把持力；Yuan等[20]通过计算机导航技术，对两种置钉方式(螺钉向脊柱尾侧倾斜置入和平行上终板置入)进行了比较，最终发现螺钉向尾侧倾斜置入时固定强度较高；Kuhns等[21]发现，当螺钉头端斜向脊柱尾侧23°时，不管是否使用骨水泥强化螺钉，其固定强度都有所增加。以上研究结果说明，在矢状面上将螺钉倾斜旋入、置钉方向与椎体终板成角度可以提高螺钉的固定强度，可能与矢状面上螺钉与终板呈一定角度置入椎体时，螺钉旋入距离延长、骨-钉接触面积增加有关。

以上测试为骨模型中单螺钉置钉角度与拔出强度的关系，史可强等[22]采用斜行交叉置钉法(将两螺钉自同一椎骨模型两侧椎弓根置入，一侧螺钉与上终板呈5°～10°角，一侧螺钉与下终板呈15°～20°角)所产生的拔出强度较平行终板置钉法显著增加。此方法可能使螺钉与椎弓根四壁的骨质咬合程度显著增加，从而相应提高了螺钉拔出强度。以上研究为术中置钉角度的选择提供了试验证据和理论依据，对术者的手术操作有一定的指导意义，但交叉置钉也存在一定的缺点，如角度把握困难、容易造成椎弓根骨折、易穿破损伤终板等，术中应根据患者骨质情况(有无OP及严重程度)、疾病性质(有无终板处骨折等)及术者的经验和操作技术等合理选择置钉角度。

1.4置钉深度 在解剖学上，置钉深度又称骨-螺钉通道长度[23]，目前对椎弓根螺钉置钉深度的观点不一，但普遍认为在一定范围内增加椎弓根螺钉置入深度可增加螺钉拔出强度，因为螺钉置入深度代表了骨-螺钉接触面的大小，直观体现了对螺钉拔出强度的影响。Weinstein等[8]通过试验证明，长度为35 mm的螺钉在椎弓根内所承受的弯曲力矩较40 mm和45 mm螺钉增加16%，降低了螺钉的稳固性，故建议临床尽量使用长度40 mm以上的螺钉。Polly等[24]认为，在轻度骨质疏松的椎体模型中同时增加椎弓根螺钉的直径和长度(螺钉直径和长度的增加以不引起椎弓根劈裂、突破椎体前皮质为限)，可显著增加螺钉的拔出强度，但在严重骨质疏松椎体模型中同时增加螺钉直径和长度对螺钉的拔出强度无显著影响。也有研究指出，当螺钉进入椎弓根且位于椎体置钉轴线的80%深度时，固定强度已足够，再延长置钉深度固定强度也无显著增加，并且会增加穿透椎体前侧皮质、损伤腹侧血管的风险[25]。因此，可根据目标椎体影像学检查(如CT、X线等)判断置钉轴线的深度以确定螺钉长度，并指导手术者术前选择合适长度的椎弓根螺钉。

1.5螺钉的重新置入 术中术者有时会根据螺钉置入情况对螺钉进行必要的调整，如拔出后再次置入或调整方向后再次置入，这种操作是否会降低螺钉的固定效果仍存在质疑。Krishnan等[26]在骨质疏松模型中用单螺钉和双螺钉结合横连分别进行了螺钉重新置入的生物力学测试发现，更换较大直径的螺钉可获得足够的螺钉固定强度。Manon等[27]通过骨质疏松模型中椎弓根螺钉翻修重置对拔出强度影响的生物力学研究认为，在一定范围内椎弓根重置螺钉的拔出强度随螺钉直径的增加而增大。Chen等[4]测试重度OP的低密度骨模型中螺钉撤出后，再次单独置入螺钉和再次骨水泥强化下置入螺钉的效果发现，再次单独置入螺钉后固定强度较拔出前下降了10%，与拔出前螺钉的固定强度相比，骨水泥强化后重新置入螺钉的固定强度无明显差异。Ying等[13]的试验发现，螺钉再次置入固化水泥不利于骨水泥界面的把持力，对固定强度有显著的负面影响。由此可见，手术过程中调整螺钉位置，无论是否使用骨水泥强化，只要相应增加置入螺钉的直径，都不会对螺钉固定效果产生较大影响，但除绝对必要外，应避免重新置入螺钉时使用骨水泥强化。

2 双皮质固定

为了达到良好的固定效果，外科医师通常将椎弓根螺钉突破椎体前皮质进行双皮质固定来获得更大的把持力，特别是在骨质疏松的椎体模型中，双皮质螺钉固定所产生的拔出强度较单皮质固定显著增加[6,8,12]。Zindrick等[28]研究表明，根据所使用螺钉置入深度的不同，穿过椎体前皮质的双皮质置钉较仅将螺钉插入接近前皮质而不穿透前皮质的单皮质置钉的固定强度增加31%～120%。然而，当螺钉穿透椎体前皮质插入椎弓根螺钉时，必须特别小心，由于髂血管、主动脉、下腔静脉等大血管紧邻椎体前侧，螺钉放置不当可能导致严重的大血管损伤。此外，Zindrick等[28]在测试中发现，当螺钉穿过椎体前皮质时，对螺钉施加一个周期性载荷，在此载荷下螺钉的活动中心转移至远侧尖端，导致“雨刷”式微动，使椎前血管损伤以及椎弓根骨折的发生风险升高。因此，Kubaszewski等[29]建议，双皮质固定可用于骶骨置钉(骶骨前侧未紧邻大血管)或迫切需要增强螺钉固定强度的情况(如严重骨质疏松时)。

3 椎弓根双螺钉固定

在椎弓根螺钉的临床应用中，一般习惯将一枚螺钉置入一个椎弓根内，但由于椎弓根冠状面为椭圆形，可能在同一椎弓根内放置2枚螺钉进行固定。Carmouche等[15]选取胸腰段一个椎弓根内径略大于平均值的脊柱标本，交叉置入2枚直径为5 mm的椎弓根螺钉，并通过力学装置测试对螺钉把持力影响的研究发现，双螺钉固定强度优于单枚直径6 mm螺钉的固定强度，但固定强度仅增加了7.5%。据推测，这一结果可能由于螺钉系统体积增大，削弱了骨质疏松性椎弓根的骨质把持强度[30]。由于2枚螺钉在置入过程中会存在干扰，因此建议在不损伤椎弓根的情况下，使用2枚直径4 mm螺钉而非直径5 mm或以上螺钉进行交叉置入，这样可以较为理想地提高螺钉的固定强度。双螺钉固定虽然能提高螺钉固定强度，但延长了手术时间，增加了置入难度，因此，术中可根据术者的经验、习惯和操作熟练程度合理地选择此种固定方法。

4 固定节段

固定节段的增加不仅可以提高螺钉的整体固定强度，也能相应降低每一枚螺钉所承受的应力。临床研究表明，在胸腰椎骨折内固定时，经伤椎置钉的6钉固定方法较跨伤椎的4钉固定方法的轴向抗扭转力增加了近2倍，且屈伸、侧弯抗扭转力也有增加[31]。DeWald等[32]认为，在矫正OP脊柱后凸畸形时，最好选择在畸形节段的上、下各3个节段同时进行椎弓根螺钉的固定，腰骶部矫形时可加用髂骨螺钉来相应增加固定强度。姜宇等[33]报道了18例经手术治疗的继发性胸腰段后凸畸形(因陈旧性骨质疏松性胸腰椎椎体压缩骨折所致)的患者，选择增加1个椎体节段行椎弓根螺钉固定，效果理想，远期随访只出现1例部分螺钉松动。但固定节段的增加并不是无限制的，因为每增加一个固定节段就会丧失一个脊柱节段的活动度，目前针对OP胸腰椎骨折临床一般采用经伤椎(包括上、下2个节段)的6钉固定或跨伤椎(包括上下各2个节段)的8钉固定方法，以获取较理想的固定强度，并尽量减少脊柱活动度的丢失。

5 小 结

对于OP脊柱手术患者来说，获取充分的椎弓根螺钉固定强度是一个持续的挑战。目前对于提高OP患者椎体椎弓根螺钉固定强度的置钉技术的研究和改进还有不足，有些置钉技术(如置钉角度、椎弓根双螺钉固定等)尚缺乏临床应用中长期回顾性研究，因此需要进一步对各项技术进行归纳总结和对比研究。另一方面，以上置钉技术虽然在理论上为术者的选择提供了依据，但也要根据术者的经验、习惯、对各种技术优缺点的评估以及患者骨质情况、椎弓根解剖特点等进行个体化选择。目前，OP患者内固定术后螺钉松动仍是比较棘手的问题，如何进一步优化术中置钉策略仍是今后研究的方向之一。