三维CT模拟双通道螺钉置入同一腰椎椎弓根成功率的影响因素分析

段伟 谭瑞 甘璐 常乐 朱慧阳 王飞 叶正旭

自1959 年Boucher 等［1］应用螺钉固定椎弓根治疗腰椎退变性疾病以来，椎弓根螺钉（pedicle screw，PS）固定技术已成为脊柱内固定术常用技术。然而，随着PS的广泛应用，其不足也日渐凸显，如相邻腰椎节段退变、内固定断裂、钉道切割等［2］。此外，面对老年骨质疏松病人，PS的应用受到了更大的限制。2009 年，Santoni 等［3］提出皮质骨通道（cortical bone trajectory，CBT）螺钉。与传统PS 相比，CBT 螺钉具备更强的抗拔出力，更小的手术切口，更少的肌肉组织剥离；特别是治疗严重骨质疏松病人、肥胖病人以及翻修的病人，CBT 螺钉体现出更大的优势和更好的疗效［4-5］。然而，对于严重骨质疏松导致的退变性侧弯，单独应用其中一种螺钉均易导致内固定失败，二者的联合应用可以互补，让脊柱后路手术有更多的选择。目前国内外已有少量报道针对其联合应用进行研究［6-7］，结果显示其成功率不一，且相关影响因素还缺乏足够研究。本研究通过三维数字成像技术模拟双通道螺钉同时置入同一椎弓根，研究椎弓根直径、置钉方案对于置钉成功率的影响，从而提高置钉成功率，避免盲目置钉导致医源性椎弓根破坏，同时进一步验证该技术在临床中的适用性。

资料与方法

一、纳入标准与排除标准

纳入标准：①病人年龄≥18 岁；②椎体、椎弓根三维CT数据完整；③三维CT数据由同一台CT扫描完成。

排除标准：①椎体或附件发育异常、缺如；②骨折、感染或肿瘤等破坏椎体或附件结构；③严重增生退变，无法分辨结构；④腰椎数据不全或漏扫，无法重建；⑤既往有腰椎手术史。

二、一般资料

筛选空军军医大学第一附属医院2018年8月至2019 年8 月期间符合纳入标准与排除标准的49 例病人纳入本研究，其中男26 例，女23 例，年龄为（45.19±14.89）岁。将年龄分为3档：＜40岁、［40岁，60 岁）、≥60 岁。对L1～L5椎体共490 个椎弓根样本进行测量并模拟置钉。经前期测量后设定L1、L2、L3、L4、L5PS直径和CBT螺钉直径，见表1。

三、研究方法

（一）腰椎三维影像数据的获取

所有病人腰椎三维CT 应用西门子SOMATOM Definition 扫描，参数：间距1 mm，层厚1 mm，电压130 kV，电流自动毫安秒，矩阵512×512；所有CT 数据以DICOM 的标准格式储存。将本研究49例病人的腰椎CT数据以DICOM格式导入Mimics 10.0软件（Materialise公司，比利时）重建三维腰椎模型。

（二）椎弓根直径测量及分组标准

椎弓根形状不规则，故我们测量其横径及纵径间接表示椎弓根的直径。横径和纵径测量标准见图1。根据病例横径和纵径的分布特点，将横径及纵径均分为3档。横径：＜8.0 mm、［8.0 mm，12.0 mm）、≥12.0 mm；纵径：＜10.0 mm、［10.0 mm，14.0 mm）、≥14.0 mm。

表1 各椎弓根直径及模拟置钉螺钉直径参数

（三）PS及CBT螺钉进钉点及进钉角度的设定

图1 横径和纵径测量标准 a：椎弓根横径，三维CT轴位上标记椎弓根中轴线，在椎弓根最狭窄处作一垂直于此线的直线，此直线在椎弓根两侧皮质骨的交点间的距离即为横径；b：椎弓根纵径，三维CT矢状位上标记平行于上终板椎弓根中轴线，在椎弓根最狭窄处作一垂直于此线的直线，此直线在椎弓根两侧皮质骨的交点间的距离即为纵径

将纳入本研究的49例病人的L1～L5椎体三维CT数据，通过Mimics 10.0软件进行数据测量及模拟置钉，在每个椎弓根均采用3 种不同方案置入传统PS和CBT 螺钉，置钉方案样本量为1470（490×3）。选定预设螺钉直径，根据两螺钉的置钉点及置钉角度不同，分为3 种置钉方式。方案A：先置入PS，进钉点为乳副突间凹［8］，PS 在矢状位及轴位均位于椎弓根中轴线，置入深度到椎体前缘80%处，保持PS 位置不变后置入CBT螺钉，CBT螺钉进钉位置为峡部，由内下向外上置钉，其位置及角度可任意调节。方案B：先置入CBT 螺钉，从椎弓根投影峡部5点方位（左侧）、7点方位（右侧）置入，置钉方向由内下向外上，置入深度接近椎体后外侧缘皮质，螺钉中心在矢状位及轴位均位于椎弓根正中，保持CBT 螺钉位置不变后置入PS，椎弓根进钉位置为椎弓根开口处，由外侧斜向内侧，其位置及角度可任意调节。方案C：同时置入PS 和CBT 螺钉，并保持PS 位于椎弓根下方，CBT螺钉位于椎弓根上方，在符合两者进钉要求前提下其进钉位置及角度均可任意调节（见图2、3）。

（四）置钉成功的判断标准

置入的两螺钉均未穿破通道皮质骨且两螺钉间无相互通道重叠，即为置钉成功。如果模拟置钉过程中通过调整螺钉所有可能位置及角度后仍出现螺钉刺破通道皮质骨或两螺钉间有相互重叠的现象，则视为置钉失败（图4）。完成模拟置钉后统计不同方案下各椎弓根置钉成功率及其可能的影响因素。

所有测量结果均经两位高年资脊柱外科医生进行相互核对。经双方确认置钉成功则记录为成功，置钉失败则由上述医生进行调整，直至反复尝试仍旧失败则记录为失败，如调整后成功，经核对后则记录为成功。

四、统计学分析

采用SPSS 21.0统计学软件（IBM公司，美国）对数据进行统计分析。符合正态分布的计量资料用均数±标准差（±s），采用χ2检验对计数资料（横径大小、纵径大小、置钉方案）进行单因素分析，将差异有统计学意义的自变量带入二元Logistic 回归分析模型，筛选出置钉成功率的影响因素。

图2 PS和CBT螺钉置钉点及角度，蓝色为CBT螺钉，绿色为PS a：CBT螺钉从椎弓根投影峡部5点方位（左侧）、7点方位（右侧）置入；b、c：CBT螺钉置钉方向由内下向外上，置入深度接近椎体后外侧缘皮质，螺钉中心在矢状位及轴位均位于椎弓根正中；d：PS进钉点为乳副突间凹；e、f：PS在矢状位及轴位均位于椎弓根中轴线，置入深度到椎体前缘80%处

图3 双通道螺钉在不同方案下置钉后相对位置关系，蓝色为CBT螺钉，绿色为PS a～e：方案A置钉正位、侧位、斜位，隐去骨质后侧位、正位；f～j：方案B置钉正位、侧位、斜位，隐去骨质后侧位、正位；k～o：方案C置钉正位、侧位、斜位，隐去骨质后侧位、正位

图4 各种方案模拟置钉后置钉失败表现，蓝色为CBT螺钉，绿色为PS a：二维图像上显示螺钉耦合重叠状态；b：去除部分骨质显示螺钉重叠；c：三维重建模型下螺钉穿破椎弓根内壁；d：三维重建模型下螺钉穿破椎弓根上壁

结 果

一、不同性别、年龄病人椎弓根置钉的成功次数及成功率

49 例病人共进行了1 470 次模拟置钉，按照置钉是否成功进行分组，其中置钉成功组566次，置钉失败组904 次。女23 例，置钉成功次数为159（159/690，23.04%），男26 例，置钉成功次数为407（407/780，52.18%）。

年龄＜40岁者17例，置钉成功次数为247（247/510，48.43%）；年龄为［40岁，60岁）者19例，置钉成功次数为189（189/570，33.16%）；年龄≥60 岁者13 例，置钉成功次数为130（130/390，33.33%）。

二、影响置钉成功率的单因素分析

椎弓根横径＜8.0 mm、［8.0 mm，12.0 mm）、≥12.0 mm 这3 个分级的置钉成功率分别为：25.23%（162/642）、47.73%（295/618）、51.90%（109/210）。椎弓根纵径＜10.0 mm、［10.0 mm，14.0 mm）、≥14.0 mm这3 个分级的置钉成功率分别为：16.67%（12/72）、32.37%（268/828）、50.18%（286/570）。A、B、C 三个置钉方案的成功率分别为：16.94%（83/490）、23.27%（114/490）、75.31%（369/490）。经过单因素分析结果显示置钉成功组和置钉失败组间横径、纵径及置钉方案的差异均有统计学意义（P均＜0.05）。见表2。

三、Logistic 回归分析椎弓根横径及纵径、置钉方案对成功率的影响

将上述单因素分析结果差异有统计学意义的因素纳入二元Logistic回归分析模型中，结果发现椎弓根横径、椎弓根纵径及置钉方案均是置钉成功率的独立影响因素（P均＜0.05，表3）。

讨 论

一、CBT螺钉的应用

脊柱内固定手术在近20年来逐渐增多，而由于固定失败、相邻节段退变等并发症导致的手术翻修率也相应增高［9］。此外，随着人类平均寿命的大幅提高，骨质疏松病人的数量明显增加［10］。骨质疏松导致的退行性脊柱侧弯成为老年脊柱畸形的重要原因之一［11］。PS 在骨密度较低的椎体中抗拔出强度明显下降［12］，可能导致PS 的早期松动和假关节发生。因此，越来越多的学者将目光聚焦于CBT 螺钉。不同于PS，CBT螺钉由内向外大部分走行于皮质骨，共途经峡部皮质、椎弓根内外侧皮质、椎体后外侧缘皮质四层皮质，有研究报道更短更细的CBT螺钉即能提供与PS相同甚至更强的抗拔除力［13］，在骨质疏松病人中应用可增强内固定稳定性［14］。不同于PS走行于椎弓根及椎体松质骨，骨质疏松对CBT螺钉影响更小。同时CBT 螺钉置钉方式可以减小伤口，避免了置钉过程中相邻的关节突损伤，从而减少相邻节段退变［15］，为相邻节段退变手术及翻修手术带来更多可能。近年来，不断有国内外学者探索PS与CBT螺钉使用方式。胡惠强等［7］使用CBT螺钉加传统PS结合卫星棒固定治疗11例退变性脊柱侧凸病人，取得良好矫形及术后疗效。王洋等［16］在12例骨质疏松腰椎退变性疾病病人中使用CBT 螺钉，治疗取得了良好的效果。鲁增辉等［17］在部分椎体破坏的结核病人中将CBT螺钉与PS混用，在取得良好效果前提下减少了固定节段。Mullin等［18］通过47例腰椎三维CT数据模拟双通道置钉并分析其可行性，但其未就相关影响因素进一步分析。在这些研究的基础上，为了研究双通道置钉影响因素及更进一步验证混合置钉的可行性，我们设计并测量了3 种不同的置钉方案，研究椎弓根直径、置钉方案对于置钉成功率的影响，从而提高置钉成功率。

表2 影响置钉成功率的单因素分析［例（%）］

表3 影响置钉成功率的Logistic多因素分析

二、试验结果分析

本研究结果显示年龄较低的病人拥有较高的置钉成功率，虽然椎体及附件发育成熟后随年龄增长体积变化多表现在椎体或椎间盘［19］，但是如果腰椎出现退变后可能导致椎体扁平化发展［20］，同时椎体出现骨质疏松后其边缘易引起骨折或塌陷，造成椎体一定程度上出现楔形变［21］，在这类病人中模拟置钉时容易穿出骨皮质，这可能与中老年病人置钉成功率变低有关。男性置钉成功率明显高于女性，性别主要与椎弓根直径相关，男性椎弓根直径多数大于女性椎弓根直径。而椎弓根直径及置钉方案均为置钉成功率的影响因素。椎弓根本身形态为近椭圆柱状，多数椎弓根中纵径大于横径，PS 与CBT 螺钉置钉均需要内外倾斜角度，这就会占用更多椎弓根横径，越大的椎弓根横径其置钉成功率会越高，当然如果双通道螺钉置钉满足其穿过椎弓根中心部位而无重合，则更大的横径对提高置钉成功率影响也会相对减小。而在三种置钉方案中两种螺钉均为上下并排方式，如横径已经满足两组椎弓根直径大小穿过中心位置而不重合，则更大的纵径甚至可以满足两种螺钉完全上下并排置入，在我们的数据中可以看到不少椎弓根纵径长度超过了两种螺钉的直径之和。2013 年Ueno 等［6］报道描述了需要经过术前三维CT 模拟精心设计后才可以最大程度实现双通道螺钉置入。本研究设计了三种置钉方案，方案A、方案B分别模拟已置入PS和CBT螺钉，后置入另一种螺钉并调节，其置钉成功率均不高，且两者差别不显著，这主要是因为先置入的螺钉占据了椎弓根中央的部位，剩余的面积通过调节不易容纳另一种螺钉。而方案C同时置入进钉位置稍低的PS、进钉位置稍高的CBT螺钉和Ueno等［6］选择相同，统计结果显示有较高成功率。在采用与本研究方案C类似置钉方案的文献中，本研究置钉成功率略高于赵永辉等［22］研究结果，这可能与我们的研究中纳入更多男性病人及使用更小的螺钉直径有关；而在Mullin等［18］的研究中其置钉成功率稍低于本研究结果，可能与其术后部分数据由病人提供有关，螺钉金属尾影影响模拟置钉成功率。这也提示我们置钉方案对于置钉成功率也会有影响。对于今后需要两种螺钉同时使用或混用的手术病人均需术前完成三维CT，再进行设计后实施，可以最大程度提高置钉成功率。

三、展望与不足

双通道螺钉技术拥有很强的应用潜力和研究价值，它可以使脊柱后路手术拥有更多选择。该技术应用于临床病患仍较少，无法完全确定其手术适应证，从理论及现有应用情况来看，其可广泛适用于腰椎翻修手术［5］及严重骨质疏松腰椎退变性疾病、腰椎退变性侧弯或后凸［7］，以及腰椎螺钉置钉过程中失败后抢救性改换置钉方式［23］。在翻修手术中不用取出原有内固定，也可以在需要矫形的严重退变性脊柱侧弯合并骨质疏松疾患中提供更加坚强的固定。对于潜在翻修风险较大的病人可在第一次手术时注意置钉位置及方向，为可能的翻修手术置钉预留足够空间。双通道螺钉技术并发症报道仍较少，可能与皮质骨螺钉类似，存在螺钉钉棒断裂、椎弓根骨折等［24］。故而，在能实现双通道螺钉置钉的前提下可考虑使用更大直径的螺钉，这可以提供更好的生物力学效应［25］，但也要避免螺钉直径过大而引起椎弓根骨折，出现无法再次置钉情况。本文虽然对双通道置钉影响因素进行了较为全面的分析，可以避免临床使用中的一些误区。但是本研究也存在一些不足：第一，本研究为利用Mimics 软件对影像文件的重建分析，虽然在三维CT模拟置钉过程中大部分椎弓根均能置钉成功，但置钉成功的分析中也可能存在骨皮质即将破裂、螺钉即将重叠、置钉点不易寻找或易损伤椎弓根结构等极限情况，实际临床应用中其置钉成功率受各种情况限制可能会降低，其实际置入时的临床效果还有待临床验证。第二，本研究的重点是明确置钉方式及椎弓根直径对置钉成功率的影响，没有分析螺钉的直径对置钉成功率的影响，而在其他文献中发现不同的螺钉直径也会带来不同的置钉成功率。关于螺钉直径对置钉成功率的影响，还需要去除其他干扰因素后有针对性的进一步研究来验证。第三，本研究仅讨论了双通道螺钉内固定的影响因素，而脊柱内固定主要目标为实现融合，其临床应用后对脊柱融合的影响还需要进一步研究。综上所述，双通道螺钉固定技术是腰椎后路内固定的一种可行的选择，特别是对于退变性腰椎侧弯合并严重骨质疏松症病人或相邻节段退变的翻修病人，它甚至可能改变脊柱后路内固定的方式。