枢椎前后路三种螺钉内固定的安全性比较*

陈晓陇 张柳杨 谢雅芬 刘伟键 李柯柯 尚平 张清顺 吴增晖

枢椎解剖结构复杂，与延脊髓紧邻，其处的骨折、脱位等常损伤相应的颈髓、椎动脉等结构而使之处于高危状态。手术恢复三维稳定为首选治疗，枢椎亦为术中重要的锚点。2008年Koller 等[1]提出前路颈椎椎弓根螺钉技术。理论上，由于同椎体内前路椎弓根螺钉的钉道长度远超椎弓根螺钉外的其他各类型螺钉，明显拥有更好的生物力学的固定度。目前，相关的国内外生物力学解剖研究多集中于下颈椎[2-4]，而上颈椎枢椎前路的椎弓根螺钉（anterior axis pedicle screw，AAPS）技术的研究，尚在早期起始阶段[5-8]。笔者希望通过对AAPS 最大拔出力的生物力学研究，为此项技术提供力学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究从2019 年10 月至2021 年1 月，共收集成人体颈椎防腐标本（南方医科大学解剖教研室提供）16例，排除感染、肿瘤、创伤等因素所致状况，剔除1例枢椎畸形，余下15例标本，年龄23～73 岁，平均46.3 岁，其中男10例，女5例。标本均行CT 薄层扫描（技术参数设为：层厚1 mm，层间距0.5 mm，螺距0.938，球管电压120 kV，电流250 mA，窗宽1000，窗位300）。每例标本分别进行椎弓根螺钉、前路逆行椎弓根螺钉（AAPS）、椎体螺钉（VBS）置钉操作，并按置钉方式测试并数据分组。本研究实施获广东省工伤康复医院医学伦理委员会批准（AF/SC-07/2018.60）。

1.2 主要器材

螺旋CT（Neusoft 64 排CT，Neusoft Medical Systems，中国，广东省工伤康复医院影像科提供）；Mimics 19.0 软件（Materialise 公司，比利时）；高精度生物材料试验机（Bose，Electro Force，美国，南方医科大学生物力学实验室提供）；固定螺钉（直径3.5 mm，长度38 mm；直径2.7 mm，长度34 mm，苏州康力骨科器械有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 建模观测

对标本行CT 扫描，排除感染、肿瘤、创伤、先天等因素所致枢椎畸形状况。排除不符合纳入条件的个例后，将CT 扫描图像导入Mimics 软件中，并对扫描目标进行三维重建。对重建的三维图像进行观察，在不同角度，通过不同视角，了解椎动脉的特点；通过调整三维体的透明度、进行旋转等操作，直接观察枢椎内部结构，并预先规划钉道，以及拟定入钉点的位置（见图1-3）。

图1 Mimics 软件中三维重建后的模拟置钉

图2 Mimics 软件中置钉后观察置钉情况

图3 动态观察钉道情况：A.横断面；B.矢状面

1.3.2 置钉操作

选取直径3.5 mm 的适长螺钉，参考Koller 等[1]所述方法，将准备好的15例枢椎标本，随机选取左右侧，使用内六角螺丝刀拧入螺钉。即一侧使用3.5mm 直径螺钉进行前路逆行枢椎椎弓根螺钉（AAPS）置钉后，对侧则使用3.5 mm 直径螺钉进行常规后路的椎弓根螺钉固定。选取直径2.7mm 适长螺钉，在枢椎体部置入椎体螺钉（VBS），所有内固定过程中，均采用单皮质固定而不固定双侧皮质，且所有螺钉均一次性完成置入操作。将枢椎置于生物力学实验机的固定钳中。以固定钳固定好标本，注意调节角度，保持螺钉轴线于与水平面处于垂直角度，上生物材料试验机，行螺钉拔出操作（见图4），记录传感器上的最大轴向拔出力。然后，对椎弓根螺钉、AAPS，以及VBS 进行两两比较，对比两者最大轴向拔出力的差异。

图4 生物力学实验机上拔出力测试

1.4 统计学方法

在SPSS18.0 软件上，输入各次试验录得的最大拔出力的均数±标准差。使用配对样本 检验，对椎弓根螺钉、AAPS，及VBS 进行两两比较。首先，比较椎弓根螺钉组（后路）和AAPS 组的最大拔出力，检测数据差异是否有统计学意义；然后如前，继续使用配对样本 检验，比较AAPS 与VBS 置钉组的最大拔出力，观察数据差异是否有统计学意义。

2 结果

15 个枢椎标本中，14 个枢椎可顺利置入椎弓根螺钉及前路椎弓根螺钉。1例（女性）枢椎左右侧椎弓根最小直径分别是4.34 mm 与3.93 mm。在尝试置入3.5 mm 的椎弓根螺钉过程中穿破侧方骨皮质，造成废用。

剩余共14例枢椎标本，前路椎弓根螺钉与后路置钉组、及椎体螺钉组（VBS）测量数据值符合正态分布。其中，前路椎弓根螺钉组最大轴向拔出力为（635.95±220.35）N，后路椎弓根螺钉组的最大轴向拔出力为（772.95±230.55）N，VBS 组螺钉的最大轴向拔出力（451.45±181.13）N。采用配对样本 检验比较AAPS 组与后路椎弓根钉组两组的测定值，P<0.05，差异有统计学意义，显示后路椎弓根螺钉拔出力大于前路螺钉，同理，采用配对样本 检验比较AAPS 组与VBS 组两组的测定值，P<0.05，差异有统计学意义，显示AAPS 置钉拔出力大于VBS 置钉法（见表1）。

表1 最大轴向平均拔出力值两两比较（N）

3 讨论

由于枢椎的结构特殊，目前对于其椎弓根的定义有着不同的描述。Ebraheim 等[9]认为，上关节突下方和横突孔前内侧的部分为枢椎的椎弓根；Naderi 等[10]则提出枢椎狭部和椎弓根可视为一复合体；马向阳等[5]的意见是，枢椎后弓与侧块的连接部应为枢椎椎弓根；侯黎升等[6]认为这一结构应指枢椎椎体与上关节突之间的区域。正因为解剖学上椎弓根及峡部的描述不尽相同，使得其界定亦不完全统一，但本研究中AAPS 轴线由前向后依次通过上关节突内侧份、椎弓根峡部，直至枢椎椎体。

3.1 AAPS 的临床应用

新型上颈椎内固定器材，如Harms 钢板、TARP 钢板、人工寰齿关节等，近20 年来逐步在临床上推广。以比较有代表性的TAPP 钢板应用为例，现有研究及临床经验表明，前路松解复位寰枢关节后直接植骨内固定，可达到一期减压复位稳定的治疗目的[11-12]。但是在它们的应用初期，螺钉锚定在枢椎前路椎体（VBS）或侧块上进行固定，术后随访显示存在一定几率的螺钉松动、移位情况[13]。为了改善这一状况，吴峰、尹庆水等[14]对AAPS、关节突下螺钉、椎体螺钉的最大拔出力进行了测试。研究显示，生物力学强度方面前路逆行的椎弓根螺钉固定有较优表现，提示使用AAPS 固定可获得更可靠的生物力学固定。AAPS 技术作为一种技术方式，只要钉道合适，可适用于各类型上颈椎前路固定的操作。

3.2 AAPS 置钉“安全性”研究和局限

既往枢椎逆行椎弓根螺钉置钉的解剖学研究方面，吴增晖等[13]在测量实际经口咽前入路时，枢椎前路（逆行）椎弓根螺钉置入的安全进钉点为：距枢椎上关节面（5.0±1.0）mm处，距前正中矢状面（7.8±0.7）mm 处，平均钉道长度为（26.4±1.5）mm，置钉的安全角度为外倾（18±4）°，下倾（14±4）°。使用CT 测量时，郑轶等[15]提示置钉安全角度为向外倾（21±2）°，下倾（10±2）°。顾勇杰等[16]报道的CT图像结合软件测量结果，AAPS 的外倾角为（28.5±2.3）°，尾倾角为（15.5±2.0）°；枢椎椎体与上关节突之间凹陷的顶点可作为AAPS 进钉点置入螺钉。胡勇等[17]则提示枢椎两侧上关节突上缘连线下方（4.39±0.67）mm 与正中矢状面外（3.95±0.44）mm 交汇处是AAPS 的理想钉道进钉点，其长度约为（34.15±2.93）mm，钉道外倾为（30.80±2.79）°，下倾为（36.35±3.26）°，此点进钉钉道较长，可提供更大的抗拔出力。

解剖结构方面，枢椎椎弓根附近的椎动脉，随椎弓根狭窄和走行常出现变异[7,18]。椎弓根宽度、距离椎动脉管的距离等指标，常在既往文献中报道，可用以判断椎弓根螺钉置钉可行性。瞿东滨等[19]提出枢椎椎弓根可分为上、中、下宽，预判枢椎椎弓根是否适合置钉，可通过测量椎弓根的中宽为依据。吴增晖等[13]认为与横突孔内侧壁的距离大于（6.1±1.7）mm 时，可认为是适合置钉的安全进钉点。但测量这些数据过程中，若使用的是目测观察研究平面，这会令对三维空间中的毗邻结构的全面兼顾上存在不足。

解剖测量研究时，如使用游标卡尺[13,20-21]，或用软件在CT 扫描图上进行[8,18-19,22]。使用游标卡尺的测量，精确度有限，不可避免地受主观因素影响大，出现参考平面不一致；而颈椎处于不同位置的CT 二维扫描图像，或因椎体本身倾斜角度不同，而难以全面测量椎弓根的走形及毗邻全貌。这种因测量方法、测量工具及对解剖定位的理解不同，会造成数据组间差异较大。

总体来说，传统研究对于枢椎逆行椎弓根钉的解剖学钉道探讨较充分，但相关的生物力学问题涉及很少，值得进一步研究。

3.3 计算机辅助置钉的优势

本研究中将CT 扫描图像导入Mimics 软件中，并对扫描目标进行三维重建。对重建的三维图像进行观察，在不同角度，通过不同视角，直接了解椎动脉的特点，可以非常直观且个体化地了解了枢椎重要结构状况，比如，一些细节，能最大可能地避开周围结构（如椎管、椎间孔、椎动脉管等）。通过调整三维体的透明度、进行旋转等操作，除直接观察枢椎内部结构，还可预先规划钉道，拟定入钉点位置。通过计算机合理规划，可相当程度上避免手工盲目性。王建华等[23]总结了枢椎与椎动脉存在的4 种解剖关系，并指出，Ⅱ型椎动脉沟与椎弓根内壁距离很近，置钉空间受到严重挤压，使其成为置钉的禁忌，建议此类病例采用椎板螺钉等其他内固定替代方式；对于置钉空间的评估，他提出通过计算CT 薄层扫描层数来间接评估的方法。本试验中，采用计算机Mimics 软件辅助重建枢椎三维图像后，在此基础上观察和了解枢椎个体化解剖细节，明显较前法所提供细节更加丰富，更加直观明了且准确度增加；不但可以明确椎弓根的高度，同时其宽度也一并了解。与此同时，甚至可以不论枢椎与椎动脉的解剖关系，直接规划置钉计划。

置钉后，再次使用CT 扫描后，证实椎弓根螺钉、前路椎弓根螺钉（AAPS）、椎体螺钉（VBS）置入符合要求后，对三种内固定方式螺钉测量最大拔出力，测试其生物力学数据，并对三者进行比较，得出三者生物力学上的比较特性。

3.4 枢椎前路椎弓根螺钉组与后路椎弓根螺钉组最大拔出力的比较

一般认为，拔出力的影响因素主要取决于固定皮质的单双状况、钉道在骨质中的行程长度、螺钉的直径粗细，以及枢椎附件及椎体骨皮质强度孰大孰小。实际临床上，在枢椎后路椎弓根螺钉置钉时，为避免枢椎前方结构（咽后壁）受损，采用单皮质固定；但在前路（逆行）椎弓根螺钉置钉研究和测量中，因枢椎后方为厚实丰富的的肌肉组织，无其他重要特殊神经血管结构，故从单纯理论上而论，似允许行双皮质置钉固定。

但在情况复杂得多的临床实际中，术中枢椎前路逆行置钉（徒手），很少采用超长螺钉，刻意进行双皮质固定，主要原因是：①本身枢椎前路逆行性徒手置钉难度就颇大，在单皮质螺钉固定已经满足需要的前提下，在周围结构复杂的枢椎水平，刻意追求双皮质固定，将导致操作难度提高，增加手术风险；②与单皮质螺钉长度要求相比，双皮质螺钉长度超常，常需特备，条件往往不易达到；③枢椎置钉操作时，钉头在骨质中最为安全，一旦突破，突破点在何处即时不易确认，如因追求双皮质固定，钉头穿入或损伤重要结构，有弄巧成拙、徒增手术风险之虞，得不偿失。所以临床实际中，仍采用适长螺钉行单皮质固定。

本研究中，为最大程度贴近临床实际，且在相同条件（即前、后路椎弓根螺钉，椎体螺钉都为单皮质固定）下对比，三种内固定方式均采取单皮质固定。分析钉道可发现，两种螺钉行程都穿过了基本相同的松质骨部分，而两种螺钉钉道的主要差异在于，它们穿过的皮质位置不同。本研究统计结果显示比较AAPS 与椎弓根螺钉的最大拔出力，后者明显大于前者，提示后路进钉点皮质处生物力学强度明显比椎体前方骨皮质大。

由于标本的数量限制，本次研究并未进行双皮质AAPS与单皮质椎弓根螺钉的生物力学特性比较。但胡勇等[24]在30 具新鲜枢椎标本安置侧块螺钉、椎板螺钉、后路单皮质和后路双皮质的椎弓根钉固定，比较几者螺钉拔出力强度，证实了双皮质椎弓根螺钉拔出力量[（1 255.8±381.9）N]明显大于单皮质椎弓根螺钉[（901.8±373.3）N]。实际操作中，因椎弓根后方为丰富的肌层而非重要的神经血管结构，AAPS置钉可突破椎弓根后方的皮质，实施双皮质固定，故这也为AAPS 的一重要生物力学优势。

3.5 枢椎前路椎弓根螺钉组与椎体螺钉置钉组方式最大拔出力的比较

前路椎弓根螺钉，相较于椎体螺钉具有较长的骨质中行程长度，同时螺钉直径明显大于椎体螺钉，固最大拔出力应大于后者。既往报道中，吴峰等[25]在6例枢椎新鲜标本上，使用前路椎弓根、椎体及关节突螺钉固定，测定其生物力学特性，证实AAPS 拔出力（593.14±97.77）N，明显大于枢椎椎体螺钉的（395.15±75.07）N。胡勇[24]和马向阳等[26]在新鲜枢椎标本上的测定，也显示双皮质椎弓根螺钉的拔出力最大[（1726.5±433.3）N]；双皮质枢椎椎板螺钉、双皮质枢椎侧块螺钉[（1054.8±411.3）N]和单皮质螺钉[（1279.9±432.0）N]之间，差异无统计学意义，而单皮质枢椎侧块螺钉拔出力为最小[（689.4±128.0）N]。本实验中，VBS 亦采用单皮质固定，对比AAPS 与VBS 置钉方式拔出力，显示AAPS 的置钉拔出力明显大于VBS，产生此结果的情况考虑为AAPS 钉道在骨质中行程大大长于VBS 钉道所致；也为近年来临床上，使用AAPS 固定方式逐步替代VBS 固定的主要原因，也符合临床上经口咽前路内固定手术后VBS 仍可见松动、移位之报道而AAPS 极为少见的实际情况。

总之，由于枢椎解剖结构个体差异较大，在实际应用中，如术前能利用计算机辅助了解枢椎形态结构，有利于实施个体化的AAPS 的置入操作；AAPS 钉道长度大于多数其他置钉方式，有较明显的生物力学优势，固定性能佳，且理论上有可实施双皮质固定前景。随着导航或3D打印技术的推广，该技术可作为手术内固定选择的较理想方式。