新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉解剖学依据

肖忠洲， 刘家明， 黄山虎， 刘志礼

1.南昌大学第一附属医院骨科,南昌 330006； 2.南昌大学脊柱脊髓研究所，南昌 330006

椎弓根螺钉系统已广泛应用于脊柱外科领域，临床应用最多的是标准椎弓根螺钉，有学者改进螺钉上螺纹的螺距、螺纹形态及螺钉主干设计出多种螺钉[1,2]，但都是全螺纹螺钉。全螺纹螺钉在通过椎弓根峡部时一旦发生椎弓根内侧壁破裂，螺纹压迫或切割神经根及脊髓，易造成神经损伤[3,4]。本研究拟设计新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉，其椎弓根段设计为无螺纹，在置钉过程中如若发生椎弓根内侧壁破裂，其特殊设计可以避免对神经根或脊髓的压迫或切割，从而最大限度地减少由于置钉引起的神经损伤。由于脊柱形态结构复杂，相关文献对脊柱的形态学测量虽然有一些报道，但大部分研究相对片面，如侧重于对下胸椎及腰椎的测量或是对单侧部分指标进行测量[5～8]。本研究对健康成人双侧胸椎和腰椎椎骨相关指标进行测量，旨在为设计新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉提供依据，同时补充胸椎及腰椎的形态学资料。

1 材料和方法

1.1 选取志愿者

纳入健康志愿者200人，其中胸椎和腰椎各100名。纳入标准：①年龄20～40岁；②健康，无胸椎、腰椎发育异常及相关疾病，无内分泌代谢疾病等全身各系统疾病，胸椎及腰椎生理曲度存在。排除标准：①任何胸椎或腰椎椎体缺失者；②胸椎或腰椎先天性畸形者；③有明显的椎体、椎间关节形态或功能异常，如椎体关节突增生、后纵韧带钙化，胸椎或腰椎椎体曲度异常者；④CT提示可能存在胸椎或腰椎外伤、结核、肿瘤者；⑤图像质量不佳，影响测量者。

1.2 研究方法

1.2.1 拍摄胸椎/腰椎CT图像 使用西门子公司的Somatom Emotion 16螺旋CT，对200名志愿者进行胸椎/腰椎图像采集。受检者取仰卧位，双臂上举交叉在头顶上方，正中线定位灯线在身体中央线上，横线定位灯线在耻骨联合连线上，侧线定位灯线在身体侧中线上。进行胸椎/腰椎连续横断扫描，球管电压为120 KV，电流100 mAs，层厚为0.6 mm。

1.2.2 椎骨相关解剖参数测量 椎弓根螺钉置入椎体的过程，一般是首先经过后方的椎板部分，之后是椎弓根，最后到达前方的椎体。据此路径可将椎弓根螺钉划分为3段。在椎体后壁相当于后纵韧带处作一条椎体后壁的切线AB，通过两侧椎弓根与椎板交界处作一条与AB平行的直线CD，沿椎弓根长轴作一条直线EF，EF与椎体前壁交点为E，与椎板后缘交点为F，与线AB交点为G，与线CD交点为H，这样由前向后将椎弓根螺钉进钉路径划分为3段：椎体段EG、椎弓根段GH、椎板段HF。其中，椎体段长度可为新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉的椎体段螺纹长度设计提供参考；椎弓根段对应新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉的双螺纹之间无螺纹部分；椎板段长度可为新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉的近尾帽螺纹长度设计提供参考。见图1。此外还需测量：进钉外展角：椎弓根轴线与椎体正中矢状面之间的夹角α（图2）；椎弓根峡部高度（height of pedicle isthmus，PIH）：为椎弓根上下缘皮质之间的距离，椎弓根峡部宽度（width of pedicle isthmus，PIW）：为椎弓根内外侧皮质之间的距离（图3）。

图1 椎弓根螺钉进钉路径椎体段长度、椎弓根段长度、椎板段长度测量示意图AB：椎体后壁切线CD：与AB平行、通过两侧椎弓根与椎板交界处的标识线EF：椎弓根长轴E：椎弓根长轴与椎体前壁交点F：椎弓根长轴与椎板后缘交点G：椎弓根长轴与AB交点H：椎弓根长轴与CD交点EG：螺钉在椎体内的长度GH：螺钉在椎弓根内的长度HF：螺钉在椎板内的长度Fig.1 The schematic diagram of measuring vertebral body length,pedicle length,lamina length in the screw entry path AB:Tangent line of posterior wall of vertebral body；CD:The marking line was paralleling to AB line then passed through the junction of pedicle and lamina on both sides；EF:Long axis of pedicle；E:Intersection of the long axis of pedicle and the anterior wall of the vertebral body；F:Intersection of the long axis of pedicle and the posterior edge of the lamina；G:Intersection of the long axis of pedicle and AB line；H:Intersection of the long axis of pedicle and CD line；EG:Vertebral body length;GH:Pediclelength;HF:Laminalength

图2 椎弓根螺钉进钉外展角（α）测量示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement for the abduction angleαfor pedicle screw placement

图3 椎弓根峡部高度（PIH）和宽度（PIW）测量示意图Fig.3 Schematic diagram of pedicle isthmus width and height measurement PIH,the height of pedicle isthmus;PIW,thewidth of pedicleisthmus

1.2.3 新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉的设计理念 该螺钉的椎弓根段光滑无螺纹，且直径更细，在置入过程中不会对椎弓根产生切割作用，向外的挤压作用较轻，从而降低神经根损伤的风险（图4）。

图4 新型防神经损伤双螺纹椎弓根螺钉设计示意图，螺钉位于椎弓根部分为光滑无螺纹设计Fig.4 Schematic diagram of the new double-threaded pedicle screw for preventing nerve root injury,the screws were in smooth and free thread design

1.3 统计学处理

所有测量数据采用SPSS 18.0软件进行统计和分析，两组之间同节段同部位的测量值进行t检验。P<0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 胸椎椎骨相关解剖参数

胸椎椎弓根螺钉进钉路径椎体段长度为左侧（14.91±2.46）～（22.47±2.18）mm，右侧（15.17±2.24）～（24.19±2.14）mm；椎弓根段长度为左侧（6.41±1.31）～（8.59±1.28）mm，右侧（6.84±1.33）～（9.06±1.49）mm；椎板段长度为左侧（8.24±1.67）～（13.99±2.49）mm，右侧（7.97±1.30）～（13.69±2.49）mm；进钉外展角为左侧（4.63±1.89）～（27.08±4.98）°，右侧（4.21±1.42）～（28.59±5.69）°；椎弓根峡部宽度为左侧（4.84±0.84）～（8.59±1.73）mm，右侧（4.49±0.97）～（8.15±1.68）mm；椎弓根峡部高度为左侧（8.18±1.60）～（16.47±2.04）mm，右侧（8.11±1.12）～（16.42±2.33）mm。见表1～2。胸椎椎体段长度T1～T12逐渐变长，椎弓根段长度T1～T12逐渐变长，椎板段长度T1～T12逐渐变长，进钉外展角T1～T8逐渐减小，T9～T12又逐渐增大，椎弓根峡部宽度T1～T5逐渐减小，T6～T12逐渐增大，椎弓根峡部高度T1～T12逐渐增大。T1～T12螺钉椎体段长度、椎弓根段长度、椎板段长度、进钉外展角各参数对比，差异无统计学意义（P>0.05），T1～T12椎弓根峡部高度分别与椎弓根峡部宽度比较，有统计学差异（P<0.05）。

2.2 腰椎椎骨相关解剖参数

腰椎椎弓根螺钉进钉路径椎体段长度为左侧（23.97±3.09）～（29.47±3.92）mm，右侧（24.12±3.07）～（30.53±3.46）mm；椎弓根段长度为左侧（9.36±1.78）～（10.54±1.53）mm，右侧（9.93±1.52）～（11.12±1.58）mm；椎板段长度为左侧（9.75±1.86）～（14.32±1.88）mm，右侧（10.56±2.11）～（15.39±2.57）mm（表1）；进钉外展角为左 侧（11.59±2.35）～（24.70±4.24）°，右侧（10.95±2.42）～（25.17±4.89）°；椎弓根峡部宽度为左侧（7.76±1.38）～（12.91±1.52）mm，右侧（7.76±1.57）～（12.29±1.84）mm；椎弓根峡部高度为左侧（13.78±2.76）～（15.24±2.39）mm，右侧（12.04±2.85）～（15.61±2.06）mm（表2）。腰椎椎弓根螺钉椎体段长度L1～L5逐渐变长，椎弓根段长度L1～L2逐渐增大，L3～L5逐渐减小，椎板段长度L1～L5逐渐变小，进钉外展角L1～L5逐渐变大，椎弓根峡部宽度L1～L5逐渐变大，椎弓根峡部高度L1～L5逐渐变小。L1～5螺钉椎体段长度、椎弓根段长度、椎板段长度、进钉外展角各参数对比，差异无统计学意义（P>0.05），L1～5椎弓根峡部高度分别与椎弓根峡部宽度比较，有统计学差异（P<0.05）。

表1 胸椎及腰椎椎弓根螺钉进钉路径分段测量值（±s，mm）Tab.1 Values of thoracic and lumbar pedicle screw entry path in different parts(Mean±SD,mm)

表1 胸椎及腰椎椎弓根螺钉进钉路径分段测量值（±s，mm）Tab.1 Values of thoracic and lumbar pedicle screw entry path in different parts(Mean±SD,mm)

*P>0.05，左右两侧分别对比*P>0.05,left sideand right sidewascompared

椎体Vertebral body椎体段长度*Thelength of vertebrae椎弓根段长度*Thelength of pedicle椎板段长度*Thelength of lamina Right 8.59±1.73 8.19±1.37 8.29±1.33 8.83±1.43 8.98±1.22 7.97±1.30 8.07±1.34 8.29±1.18 7.99±1.19 8.59±1.95 11.72±3.97 13.69±2.49 15.39±2.57 15.04±2.25 15.07±2.67 13.76±2.71 10.56±2.11 T1T2T3T4T5T6T7T8T9 T10 T11 T12 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 Left 16.05±2.59 15.23±2.20 14.91±2.46 15.53±2.44 17.39±2.61 19.08±1.92 20.37±2.66 21.49±2.62 21.90±2.48 22.34±1.87 22.47±2.18 22.26±2.23 23.97±3.09 25.95±3.01 27.77±3.47 27.83±3.38 29.47±3.92 Right 16.32±2.06 15.17±2.24 15.34±2.41 15.81±2.42 17.36±2.80 19.74±2.41 21.49±2.94 22.43±3.15 22.68±2.68 23.66±2.55 24.19±2.14 23.01±2.72 24.12±3.07 25.78±3.43 27.57±2.88 27.31±3.43 30.53±3.46 Left 6.41±1.31 6.77±0.74 8.11±1.18 8.41±1.36 7.55±0.99 8.59±1.28 8.20±1.06 8.05±1.19 7.38±1.29 6.96±1.11 7.34±1.42 8.22±1.55 10.54±1.53 10.22±1.63 9.96±1.51 9.93±1.45 9.36±1.78 Right 6.84±1.33 7.41±0.92 8.53±0.99 8.63±0.95 8.13±0.97 9.03±1.31 8.45±1.33 8.26±1.17 7.86±1.25 7.37±0.89 7.95±1.37 9.06±1.49 10.65±1.54 11.12±1.58 10.37±1.34 9.93±1.52 9.75±1.69 Left 8.57±1.42 8.24±1.67 8.33±2.29 8.67±1.12 9.33±1.68 8.99±2.10 9.61±1.45 9.98±1.69 9.84±1.59 10.59±2.69 13.13±4.03 13.99±2.49 14.32±1.88 14.06±2.34 14.17±2.62 11.39±2.11 9.75±1.86

表2 胸椎及腰椎椎弓根峡部高度、宽度和进钉外展角测量值（±s）Tab.2 The height of the pedicle isthmus,the width of the pedicle isthmus and the abduction angle of pediclescrew placement(Mean±SD)

表2 胸椎及腰椎椎弓根峡部高度、宽度和进钉外展角测量值（±s）Tab.2 The height of the pedicle isthmus,the width of the pedicle isthmus and the abduction angle of pediclescrew placement(Mean±SD)

▲P<0.05，T1～L 5的PDH分别与PHW值进行比较▲P<0.05,PDHvalues and PHW valuesof T1～L 5 wascompared

椎体Vertebral body Right 28.59±5.69 13.02±4.76 8.33±3.05 6.47±2.19 5.37±1.99 4.85±2.09 4.21±1.42 4.53±1.62 5.22±2.35 4.99±1.77 7.54±2.75 8.10±2.79 10.95±2.42 12.88±2.23 15.06±2.19 17.49±3.51 25.17±4.89 T1T2T3T4T5T6T7T8T9 T10 T11 T12 L 1 L 2L3 L 4 L 5椎弓根峡部宽度▲（mm）Thewidth of pedicleisthmus(mm)Left 7.06±1.12 5.52±0.99 4.86±0.96 4.84±0.84 5.19±1.13 5.45±1.59 5.33±1.12 5.87±1.09 6.26±1.20 7.29±1.58 8.59±1.73 7.57±1.01 7.76±1.38 8.19±2.13 9.34±1.63 10.41±1.28 12.91±1.52 Right 6.55±1.03 5.49±0.86 4.59±0.89 4.49±0.97 4.68±1.06 5.13±1.16 5.29±1.06 5.95±1.27 6.19±1.19 6.78±1.59 8.15±1.68 8.13±1.11 7.76±1.57 7.88±2.14 9.19±1.71 10.13±1.93 12.29±1.84椎弓根峡部高度▲（mm）Theheight of pedicleisthmus(mm)Left 8.18±1.60 8.93±1.36 9.78±1.76 10.23±1.21 10.06±2.17 11.80±2.63 11.03±1.86 12.37±2.33 12.64±2.19 14.40±2.05 16.47±2.04 15.28±1.11 15.24±2.39 14.46±1.99 14.22±2.28 13.78±2.76 14.81±4.71 Right 8.11±1.12 9.05±1.15 10.28±1.57 10.41±1.30 10.21±1.42 11.49±2.10 11.32±1.86 11.93±1.78 12.62±7.81 14.11±2.62 16.42±2.33 15.49±1.87 15.61±2.06 14.53±2.32 13.79±2.31 14.28±2.39 12.04±2.85进钉外展角（°）Theabduction angleof screw placement(°)Left 27.08±4.98 13.12±4.31 9.35±2.66 6.45±1.98 5.95±2.55 4.99±1.84 5.04±2.28 4.63±1.89 5.87±2.59 4.90±2.09 7.73±2.10 8.28±1.55 11.59±2.35 12.97±2.56 15.43±2.62 16.09±2.88 24.70±4.24

3 讨论

自20世纪70年代Roy-Camille[9]发明椎弓根钢板用于治疗不稳定性胸腰椎骨折以来，各种具有良好生物力学特性的脊柱内植物不断问世，使脊柱外伤、脊柱畸形及脊柱肿瘤等方面的治疗取得巨大的进展。椎弓根内固定技术主要优点为：①螺钉从后柱经椎弓根直达椎体同时从两侧固定三柱，符合三维固定原则；②矫形作用；③节段短，创伤小；④稳定性好，患者可早期下床活动[10]。

目前用于临床的椎弓根螺钉，其螺纹形态均一，能够适应绝大部分患者。缺点同样是因为其螺纹形态均一，对于严重骨质疏松患者，其生物力学强度不够，容易出现松动或拔出。Mehta等[2]就螺钉的螺纹形态及螺距设计出一种螺钉并与标准螺钉进行生物力学实验，结果显示其设计的新型螺钉生物力学方面优于普通的标准椎弓根螺钉。骨水泥螺钉因其可以往螺钉周围注射骨水泥增加骨-螺钉界面的生物力学强度，特别适用于骨质疏松患者，因而在临床上广泛使用[11]。但是上面3类螺钉最大的缺点是全螺纹螺钉，全螺纹螺钉在通过椎弓根峡部时，一旦发生椎弓根内侧壁破裂，椎弓根处的螺纹可压迫或切割神经根及脊髓，易造成神经损伤。本研究拟设计新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉，其椎弓根段无螺纹，在置钉过程中如若发生椎弓根内侧壁破裂，其特殊设计可以避免对神经根或脊髓的压迫或切割，从而降低医源性神经损伤的发生率。

螺钉长度是椎弓根固定术中应该考虑的重要内容。螺钉过短，固定不牢固；螺钉过长，有可能突破椎体前皮质损伤血管等结构。陈家强等[12]对31例成年人胸椎及腰椎参数测量后，建议T1～10椎弓根钉置入深度在24.0～33.0 mm，并随着脊柱节段数增加而逐渐增加1 mm，T11、T12较T10短，小于32.00 mm，L1～5为34.00 mm以上。本研究所测数据为：T1～12椎弓根钉置入深度在29.0～45.0 mm，L1～5椎弓根钉置入深度在49.0～58.0 mm之间。与陈家强等[12]测量数据的不同可能因为：其样本量相对较小且是测量实体，而本研究是在CT片上测量。史亚民等[7]建议椎弓根螺钉深度一般以钉尖至椎体前缘骨皮质后方5～8 mm最合适。本研究所设计的椎弓根螺钉由于其椎弓根段为无螺纹，为增加螺钉把持力在不突破椎体前缘的情况下建议尽量接近椎体前缘。

合适的进针角度是置钉成功的关键，角度过大或过小，都可引起椎弓根内侧皮质损伤或破裂，严重者引起神经根、脊髓或周围血管损伤。王芳永等[13]通过CT对T9～L4椎弓根进钉角度测量后得出适宜角度为6.26°～13.06°。阮狄克等[14]通过100例腰椎标本CT测量，L4、L5椎弓根螺钉进钉平均角度分别为17.5°、32.6°；陈茂林等[8]对60例干燥骨测量，L4、L5进钉平均角度分别为16.01°、18.55°。本研究测量胸椎进钉角度为左侧4.63°～27.08°，右侧4.21°～28.59°，且角度在T1～T8逐渐减小，T9～T12又逐渐增大；腰椎进钉角度为左侧11.59°～24.70°，右侧10.95°～25.17°，角度从L1～L5逐渐变大。测量结果基本与上述研究结果区间相符合。进钉点的位置并非固定不变，乔拴杰等[5]及Magerl[15]、Muller等[16]所介绍的几种进钉点选择的方法是目前临床较常用的。

椎弓根是脊柱最坚强的部分，被称为脊柱的力核中心，周围包绕坚固的骨皮质，中心包含少量松质骨，CT断层扫描显示椎弓根内部松质骨呈蜂窝状，且自椎体前往后密度逐渐增加，椎弓根后端与椎板连接处最致密[13]。椎弓根峡部是整个椎弓根螺钉置入通道最狭窄的部分，也是最危险的区域，Esses等[17]、Louis[18]分别报道有1.5%、4.7%的神经损伤发生率。Matsuzaki等[19]研究发现约有11%发生神经损伤。杨科球等[20]对31具尸体脊柱标本测量发现胸椎（T1除外）PIW 约为PIH的一半，PIW 与PIH平均值分别为6.37 mm和12.30 mm，T12最大，T3～7的PIW或T2～5的PIH较为接近，PIH从T6开始逐节段增加，PIW 从T7开始增加直到T12。腰椎PIW、PIH以L5最大，平均值分别为9.41 mm和15.97 mm，PIW从L1～L5逐渐增加，PIH在L1～L5较为接近。本研究的测量结果为胸椎PIW和PIH平均为6.07 mm和11.78 mm；腰椎PIW 和PIH平均为9.59 mm和14.28 mm；本研究T1～L5的PIW、PIH平均值及各节段变化规律与杨科球等[20]描述的基本一致。Moran等[21]及Misenhimer等[22]研究发现椎弓根螺钉直径每增加1 mm，其抗拔出力相应增加，因此，螺钉直径越大，固定越牢固。但是椎弓根PIW及PIH在不同节段其大小各不相同，椎弓根螺钉直径也要根据相应椎弓根大小而改变，避免引起椎弓根骨皮质破裂[23]。螺钉的直径与椎弓根髓腔的比值在70%左右较合适[12]，目前临床使用的椎弓根螺钉直径有4.5、5.5、6.25和7.0 mm，而在本研究中，L5椎弓根PIW在12.0 mm左右，常规的椎弓根螺钉显然无法满足。有学者建议L5椎弓根螺钉直径增加为6.50～7.50 mm、7.50～8.50 mm[24]。

由于本新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉其中间段相当于椎弓根峡部无螺纹，如果其他部位设计与标准椎弓根螺钉一致，必然影响其在椎体内的生物力学强度，故结合胸椎及腰椎螺钉进钉路径椎体内长度、椎弓根长度、椎板内长度及椎弓根峡部宽度与高度等解剖参数的测量，为本新型螺钉设计合适的螺钉椎体段长度、椎弓根段长度、椎板段长度、螺钉有螺纹处直径及螺钉无螺纹处直径提供数据支持，设计出既能满足临床需要又有足够生物力学强度同时减少因为椎弓根螺钉而引起的神经并发症发生的优良螺钉，丰富脊柱外科医师的螺钉选择，为手术带来便利。

本研究的不足之处在于纳入的样本量较少，未来可增加样本量进一步验证。此外，本研究的数据测量仅基于CT片，未在尸体标本上测量。总之，本文通过对健康成年人的胸椎及腰锥CT进行影像解剖学测量，获取胸椎T1～12及腰椎L1～5螺钉进钉路径椎体段长度、椎弓根段长度、椎板段长度、进钉外展角、椎弓根峡部宽度和高度等相应解剖参数，可为设计新型防神经根损伤双螺纹椎弓根螺钉提供依据。