引用本文： 黃鎮, 孫寧, 任佳彬, 李瑞, 劉鑫, 李岳飛, 畢經緯, 孫兆忠. 應用 CT 三維重建模擬技術明確腰椎皮質骨螺釘植釘起點. 中國修復重建外科雜志, 2020, 34(2): 162-167. doi: 10.7507/1002-1892.201908087 復制
椎弓根螺釘內固定技術是脊柱內固定的標準術式[1]，術后螺釘松動是影響手術效果的重要原因。腰椎骨質情況是決定螺釘內固定強度的重要因素[2]，骨質疏松癥患者骨質破壞嚴重，螺釘與骨小梁把持力不足，易導致螺釘松動、脫出。Santoni 等[3]提出腰椎皮質骨螺釘（cortical bone trajectory，CBT）內固定技術，通過設定植釘軌跡，與皮質骨集中的區域更多接觸，可以為骨質疏松癥患者提供理想的螺釘固定強度。但 Glennie 等[4]利用 CBT 內固定技術對 8 例患者實施手術，由于較椎弓根螺釘更短的螺釘長度及更大的頭傾軌跡，CBT 產生的剪切力更大，隨訪 5 例出現螺釘松動現象。
Matsukawa 等[5]提出螺釘植釘起點應位于上關節突中線與橫突下緣 1 mm 水平線交點，即在左側椎弓根投影 5 點位置，向 11 點方向植釘；右側椎弓根投影 7 點位置，向 1 點方向植釘；植釘角度頭傾角 25～26°，外傾角 8～9°。但在實際手術操作時我們發現上關節突中線尋找困難，橫突下緣不同部位在不同水平線，無法獲得準確的植釘起點。Iwatsuki 等[6]提出將進釘點選擇在峽部外側邊緣向內 3 mm 和椎間孔上緣交點，該植釘方式需要術中反復透視定位，從而延長手術時間，增加患者射線暴露風險。采用釘道經過區域的骨密度（bone mineral density，BMD）值決定 CBT 螺釘軌跡，明確植釘起點，可使 CBT 植釘更加科學，術中操作更有效率[7]。
臨床上通常應用雙能 X 線骨密度儀進行 BMD 測量，相關研究發現應用 CT 值[亨氏單位（Hounsfield unit，HU）]可以作為評估患者 BMD 的指標，與雙能 X 線骨密度儀測量的 BMD 結果成正相關[8-11]。骨質疏松癥患者 BMD 降低，有學者提出骨質疏松是螺釘松動的獨立危險因素，以 HU 代表的 BMD 可以預測術后螺釘松動風險，HU 越低，螺釘松動風險越高[11-13]。盡可能多地使釘道經過 HU 高的區域可以提高螺釘內固定強度。鑒于此，我們通過 CT 三維重建技術[14]模擬 CBT 植釘，明確植釘起點及方向，為臨床提供理論參考。報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
納入標準：① 年齡 35～70 歲；② 均行高分辨率薄層 CT 腰椎平掃，掃描節段包括 T12～S1。排除標準：① 腰椎骨性結構畸形、骨質破壞等骨性結構改變；② 腰椎腫瘤；③ 既往有腰椎手術史。2017 年 2 月—2018 年 4 月共選擇 24 例患者腰椎 CT 作為研究對象，其中男 7 例，女 17 例；年齡 37～68 歲，平均 50.4 歲。
1.2 研究方法
將患者 CT 的 DICOM 格式數據導入 Mimics 16.0 軟件中，建立腰椎三維模型。運用 Mimics 16.0 軟件建立直徑為 5 mm 的圓柱體模擬腰椎 CBT，于 L1～L5 左右兩側分別植釘，釘道終點均位于椎體上終板后外側骨突環附近，但不突破椎體上終板；螺釘軌跡均通過并緊貼椎弓根峽部表面，但不突破骨皮質。根據植釘方案不同將研究分為 3 組：A 方案（A 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部上緣，植釘起點在冠狀面上不超過上關節突基底部水平線；B 方案（B 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部內側緣；C 方案（C 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部下緣。見圖 1。
圖1
3 種植釘方案及釘道軌跡
a. 橫斷位；b. 矢狀位；c. 冠狀位
Figure1. Three CBT placements of plan A, B, C and screw trajectorya. Transverse position; b. Sagittal position; c. Coronal position
1.3 觀測指標
觀察各節段椎板及上、下關節突形態。將模擬螺釘與腰椎相交部分標記為感興趣區（region of interest，ROI）并生成蒙板，應用 Mimics 16.0 軟件自動測量每個節段 ROI 的平均 HU、釘道長度，另外分別測量釘道頭傾角、外傾角。以橫突根部最下緣水平線與腰椎峽部外側緣交點 F 作為標志點，測量 A、B、C 方案釘道起點與 F 點的水平及垂直距離，觀察 3 種方案釘道與關節突關節和棘突位置的關系。
1.4 統計學方法
采用 SPSS20.0 和 Graphpad prism5 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，先將每個節段左右兩側測量值行配對 t 檢驗，差異無統計學意義，故將兩側數據合并。各節段間比較以及 3 種方案間比較均采用單因素方差分析，兩兩比較采用 LSD 檢驗；檢驗水準取雙側 α=0.05。
2 結果
矢狀面觀察椎板與冠狀面的夾角于 L1～L5 逐漸增大，椎板上下距離逐漸減小，椎弓根峽部直徑逐漸增大。A、C 方案于 L5 模擬植釘時植釘起點分別位于上、下關節突關節，故 A、C 方案于 L5 的測量數據未納入統計。A、B、C 方案組分別模擬植入 192、240、192 枚 CBT 螺釘。
A 方案 ROI 平均 HU 最高，最大值出現在 L4；B 方案釘道長度最長，最大值出現在 L5；C 方案釘道頭傾角最大，最大值出現在 L4；B 方案釘道外傾角最大，最大值出現在 L3。B 方案組釘道長度和外傾角均顯著大于 A、C 組，差異有統計學意義（P<0.05），A、C 方案組間差異無統計學意義（P>0.05）；A、B、C 方案組頭傾角逐漸增加，各組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）；3 個方案組間 ROI 平均 HU 比較差異均無統計學意義（P>0.05）。見詳表 1～4。
表1
3 組植釘方案 ROI 平均 HU 比較（n=24，
，HU）
Table1.
Comparison of average HU value of ROI in each segment among 3 groups (n=24, 
, HU)
表2
3 組植釘方案釘道長度比較（n=24，
，mm）
Table2.
Comparison of screw length in each segment among 3 groups (n=24, 
, mm)
表3
3 組植釘方案釘道頭傾角比較（n=24，
，°）
Table3.
Comparison of head inclination angle in each segment among 3 groups (n=24, 
, °)
表4
3 組植釘方案釘道外傾角比較（n=24，
，°）
Table4.
Comparison of head camber angle in each segment among 3 groups (n=24, 
, °)
A 方案組 74.48%（143/192）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點?2～4 mm，垂直方向距 F 點 6～14 mm，頭傾角（14.64±2.77）°，外傾角（6.55±2.09）°；B 方案組 84.58%（203/240）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點 1～6 mm，垂直方向距 F 點 1～5 mm，頭傾角（26.93±2.21）°，外傾角（10.29±2.46）°；C 方案組 85.94%（165/192）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點?2～3 mm，垂直方向距 F 點?2～4 mm，頭傾角（33.50±3.69）°，外傾角（6.47±2.48）°。見圖 2。
圖2
3 種植釘方案植釘起點范圍
Figure2.
The range of starting point of three CBT placements
3 討論
腰椎 CBT 螺釘內固定術后螺釘松動主要與年齡、BMD 等因素有關，在性別方面差異無統計學意義[15-16]。在胸腰椎內固定手術中 CBT 相較于椎弓根螺釘具有更強的把持力及扭矩，力學性質更優；同時 Ueno 等[17]通過生物力學試驗發現，決定 CBT 固定強度的因素在于釘道本身，而非螺釘類型。由于椎弓根形態存在個體差異，按照 Matsukawa 等[5]提出的植釘方法，術后腰椎 CT 及 X 線片復查見 CBT 并非經過椎弓根皮質，大多數通過椎弓根中央松質骨達到椎體上終板后外側骨突環。鑒于此，我們擬通過本研究明確 CBT 植釘起點及方向，使螺釘更多地把持椎弓根皮質骨，給予骨質疏松癥患者更大的螺釘固定強度，減少螺釘松動，避免術后并發癥的出現，提高手術成功率。
相關研究發現，腰椎上終板后外側皮質骨厚，且力學強度高[18]，腰椎峽部位于上、下關節突之間，主要由皮質骨構成，且由內向外皮質骨厚度逐漸增高。我們選擇將螺釘軌跡終點置于椎體上終板后外側，經過腰椎峽部上、下方及內側皮質骨，CBT 螺釘起點均可以起自腰椎峽部偏外側，從而使螺釘最大程度把持皮質骨，提高螺釘固定強度。
A、B、C 方案 ROI 的 HU 比較差異均無統計學意義，但 B 方案釘道長度最長，并且植釘操作時不會對關節突關節造成破壞。A 方案雖然頭傾角最小，螺釘產生的剪切力小，但起點位于上關節突基底部水平線以下、峽部上份，實際操作時可能會破壞上位關節突關節，影響術后手術節段穩定性。C 方案釘道起點在腰椎峽部偏外側，實際操作困難，且下位關節突關節可能會對操作造成阻擋；腰動脈向后外側發出背側支經橫突根部之間、緊貼腰椎峽部外側緣向后走行[19]，植釘起點位置過于偏外容易損傷該動脈，導致動脈回縮，止血困難，影響操作；腰神經緊貼椎弓根下緣出椎間孔，植釘軌跡于椎弓根區域過于偏下，可能突破椎弓根皮質對其造成損傷。C 方案釘道頭傾角在 3 組方案中最大，也會增加螺釘剪切力，增加術后螺釘松動風險。
因此，我們建議 CBT 植釘操作時，植釘起點范圍位于 F 點水平向內 1～6 mm，垂直向上 1～5 mm，頭傾角（26.93±2.21）°，外傾角（10.29±2.46）°。以 B 方案植釘可保證 CBT 對峽部、椎弓根及上終板皮質骨的把持，避免損傷重要血管、神經，同時植釘起點位置偏內，對周圍軟組織剝離少，術中出血少，降低了術后下腰背部疼痛發生率。若腰椎峽部骨折或初次植釘失敗，以 B 方案植釘困難時，可將 A 方案作為備選方案，但 L5 無法完成，L1～L4 植釘起點位于 F 點水平向內?2～4 mm，垂直向上 6～14 mm，頭傾角（14.64±2.77）°，外傾角（6.55±2.09）°。
由于本研究樣本量相對較少，且目前尚缺乏生物力學相關數據，故該結論用于指導臨床實踐尚需進一步研究。
作者貢獻：黃鎮、孫寧負責文章撰寫、數據收集整理及統計分析；任佳彬、李瑞、劉鑫負責科研設計、文章撰寫、數據收集整理及統計分析；李岳飛、畢經緯負責科研設計、實施及文章撰寫；孫兆忠負責科研選題、設計、實施及文章修改。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：該研究方案經濱州醫學院附屬醫院醫學倫理委員會批準（2018-ZR2017LH021-01）。
椎弓根螺釘內固定技術是脊柱內固定的標準術式[1]，術后螺釘松動是影響手術效果的重要原因。腰椎骨質情況是決定螺釘內固定強度的重要因素[2]，骨質疏松癥患者骨質破壞嚴重，螺釘與骨小梁把持力不足，易導致螺釘松動、脫出。Santoni 等[3]提出腰椎皮質骨螺釘（cortical bone trajectory，CBT）內固定技術，通過設定植釘軌跡，與皮質骨集中的區域更多接觸，可以為骨質疏松癥患者提供理想的螺釘固定強度。但 Glennie 等[4]利用 CBT 內固定技術對 8 例患者實施手術，由于較椎弓根螺釘更短的螺釘長度及更大的頭傾軌跡，CBT 產生的剪切力更大，隨訪 5 例出現螺釘松動現象。
Matsukawa 等[5]提出螺釘植釘起點應位于上關節突中線與橫突下緣 1 mm 水平線交點，即在左側椎弓根投影 5 點位置，向 11 點方向植釘；右側椎弓根投影 7 點位置，向 1 點方向植釘；植釘角度頭傾角 25～26°，外傾角 8～9°。但在實際手術操作時我們發現上關節突中線尋找困難，橫突下緣不同部位在不同水平線，無法獲得準確的植釘起點。Iwatsuki 等[6]提出將進釘點選擇在峽部外側邊緣向內 3 mm 和椎間孔上緣交點，該植釘方式需要術中反復透視定位，從而延長手術時間，增加患者射線暴露風險。采用釘道經過區域的骨密度（bone mineral density，BMD）值決定 CBT 螺釘軌跡，明確植釘起點，可使 CBT 植釘更加科學，術中操作更有效率[7]。
臨床上通常應用雙能 X 線骨密度儀進行 BMD 測量，相關研究發現應用 CT 值[亨氏單位（Hounsfield unit，HU）]可以作為評估患者 BMD 的指標，與雙能 X 線骨密度儀測量的 BMD 結果成正相關[8-11]。骨質疏松癥患者 BMD 降低，有學者提出骨質疏松是螺釘松動的獨立危險因素，以 HU 代表的 BMD 可以預測術后螺釘松動風險，HU 越低，螺釘松動風險越高[11-13]。盡可能多地使釘道經過 HU 高的區域可以提高螺釘內固定強度。鑒于此，我們通過 CT 三維重建技術[14]模擬 CBT 植釘，明確植釘起點及方向，為臨床提供理論參考。報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
納入標準：① 年齡 35～70 歲；② 均行高分辨率薄層 CT 腰椎平掃，掃描節段包括 T12～S1。排除標準：① 腰椎骨性結構畸形、骨質破壞等骨性結構改變；② 腰椎腫瘤；③ 既往有腰椎手術史。2017 年 2 月—2018 年 4 月共選擇 24 例患者腰椎 CT 作為研究對象，其中男 7 例，女 17 例；年齡 37～68 歲，平均 50.4 歲。
1.2 研究方法
將患者 CT 的 DICOM 格式數據導入 Mimics 16.0 軟件中，建立腰椎三維模型。運用 Mimics 16.0 軟件建立直徑為 5 mm 的圓柱體模擬腰椎 CBT，于 L1～L5 左右兩側分別植釘，釘道終點均位于椎體上終板后外側骨突環附近，但不突破椎體上終板；螺釘軌跡均通過并緊貼椎弓根峽部表面，但不突破骨皮質。根據植釘方案不同將研究分為 3 組：A 方案（A 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部上緣，植釘起點在冠狀面上不超過上關節突基底部水平線；B 方案（B 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部內側緣；C 方案（C 組），釘道軌跡緊貼椎弓根峽部下緣。見圖 1。
圖1
3 種植釘方案及釘道軌跡
a. 橫斷位；b. 矢狀位；c. 冠狀位
Figure1. Three CBT placements of plan A, B, C and screw trajectorya. Transverse position; b. Sagittal position; c. Coronal position
1.3 觀測指標
觀察各節段椎板及上、下關節突形態。將模擬螺釘與腰椎相交部分標記為感興趣區（region of interest，ROI）并生成蒙板，應用 Mimics 16.0 軟件自動測量每個節段 ROI 的平均 HU、釘道長度，另外分別測量釘道頭傾角、外傾角。以橫突根部最下緣水平線與腰椎峽部外側緣交點 F 作為標志點，測量 A、B、C 方案釘道起點與 F 點的水平及垂直距離，觀察 3 種方案釘道與關節突關節和棘突位置的關系。
1.4 統計學方法
采用 SPSS20.0 和 Graphpad prism5 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，先將每個節段左右兩側測量值行配對 t 檢驗，差異無統計學意義，故將兩側數據合并。各節段間比較以及 3 種方案間比較均采用單因素方差分析，兩兩比較采用 LSD 檢驗；檢驗水準取雙側 α=0.05。
2 結果
矢狀面觀察椎板與冠狀面的夾角于 L1～L5 逐漸增大，椎板上下距離逐漸減小，椎弓根峽部直徑逐漸增大。A、C 方案于 L5 模擬植釘時植釘起點分別位于上、下關節突關節，故 A、C 方案于 L5 的測量數據未納入統計。A、B、C 方案組分別模擬植入 192、240、192 枚 CBT 螺釘。
A 方案 ROI 平均 HU 最高，最大值出現在 L4；B 方案釘道長度最長，最大值出現在 L5；C 方案釘道頭傾角最大，最大值出現在 L4；B 方案釘道外傾角最大，最大值出現在 L3。B 方案組釘道長度和外傾角均顯著大于 A、C 組，差異有統計學意義（P<0.05），A、C 方案組間差異無統計學意義（P>0.05）；A、B、C 方案組頭傾角逐漸增加，各組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）；3 個方案組間 ROI 平均 HU 比較差異均無統計學意義（P>0.05）。見詳表 1～4。
表1
3 組植釘方案 ROI 平均 HU 比較（n=24，，HU）
Table1.
Comparison of average HU value of ROI in each segment among 3 groups (n=24, , HU)
表2
3 組植釘方案釘道長度比較（n=24，，mm）
Table2.
Comparison of screw length in each segment among 3 groups (n=24, , mm)
表3
3 組植釘方案釘道頭傾角比較（n=24，，°）
Table3.
Comparison of head inclination angle in each segment among 3 groups (n=24, , °)
表4
3 組植釘方案釘道外傾角比較（n=24，，°）
Table4.
Comparison of head camber angle in each segment among 3 groups (n=24, , °)
A 方案組 74.48%（143/192）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點?2～4 mm，垂直方向距 F 點 6～14 mm，頭傾角（14.64±2.77）°，外傾角（6.55±2.09）°；B 方案組 84.58%（203/240）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點 1～6 mm，垂直方向距 F 點 1～5 mm，頭傾角（26.93±2.21）°，外傾角（10.29±2.46）°；C 方案組 85.94%（165/192）螺釘的植釘起點水平方向距 F 點?2～3 mm，垂直方向距 F 點?2～4 mm，頭傾角（33.50±3.69）°，外傾角（6.47±2.48）°。見圖 2。
圖2
3 種植釘方案植釘起點范圍
Figure2.
The range of starting point of three CBT placements
3 討論
腰椎 CBT 螺釘內固定術后螺釘松動主要與年齡、BMD 等因素有關，在性別方面差異無統計學意義[15-16]。在胸腰椎內固定手術中 CBT 相較于椎弓根螺釘具有更強的把持力及扭矩，力學性質更優；同時 Ueno 等[17]通過生物力學試驗發現，決定 CBT 固定強度的因素在于釘道本身，而非螺釘類型。由于椎弓根形態存在個體差異，按照 Matsukawa 等[5]提出的植釘方法，術后腰椎 CT 及 X 線片復查見 CBT 并非經過椎弓根皮質，大多數通過椎弓根中央松質骨達到椎體上終板后外側骨突環。鑒于此，我們擬通過本研究明確 CBT 植釘起點及方向，使螺釘更多地把持椎弓根皮質骨，給予骨質疏松癥患者更大的螺釘固定強度，減少螺釘松動，避免術后并發癥的出現，提高手術成功率。
相關研究發現，腰椎上終板后外側皮質骨厚，且力學強度高[18]，腰椎峽部位于上、下關節突之間，主要由皮質骨構成，且由內向外皮質骨厚度逐漸增高。我們選擇將螺釘軌跡終點置于椎體上終板后外側，經過腰椎峽部上、下方及內側皮質骨，CBT 螺釘起點均可以起自腰椎峽部偏外側，從而使螺釘最大程度把持皮質骨，提高螺釘固定強度。
A、B、C 方案 ROI 的 HU 比較差異均無統計學意義，但 B 方案釘道長度最長，并且植釘操作時不會對關節突關節造成破壞。A 方案雖然頭傾角最小，螺釘產生的剪切力小，但起點位于上關節突基底部水平線以下、峽部上份，實際操作時可能會破壞上位關節突關節，影響術后手術節段穩定性。C 方案釘道起點在腰椎峽部偏外側，實際操作困難，且下位關節突關節可能會對操作造成阻擋；腰動脈向后外側發出背側支經橫突根部之間、緊貼腰椎峽部外側緣向后走行[19]，植釘起點位置過于偏外容易損傷該動脈，導致動脈回縮，止血困難，影響操作；腰神經緊貼椎弓根下緣出椎間孔，植釘軌跡于椎弓根區域過于偏下，可能突破椎弓根皮質對其造成損傷。C 方案釘道頭傾角在 3 組方案中最大，也會增加螺釘剪切力，增加術后螺釘松動風險。
因此，我們建議 CBT 植釘操作時，植釘起點范圍位于 F 點水平向內 1～6 mm，垂直向上 1～5 mm，頭傾角（26.93±2.21）°，外傾角（10.29±2.46）°。以 B 方案植釘可保證 CBT 對峽部、椎弓根及上終板皮質骨的把持，避免損傷重要血管、神經，同時植釘起點位置偏內，對周圍軟組織剝離少，術中出血少，降低了術后下腰背部疼痛發生率。若腰椎峽部骨折或初次植釘失敗，以 B 方案植釘困難時，可將 A 方案作為備選方案，但 L5 無法完成，L1～L4 植釘起點位于 F 點水平向內?2～4 mm，垂直向上 6～14 mm，頭傾角（14.64±2.77）°，外傾角（6.55±2.09）°。
由于本研究樣本量相對較少，且目前尚缺乏生物力學相關數據，故該結論用于指導臨床實踐尚需進一步研究。
作者貢獻：黃鎮、孫寧負責文章撰寫、數據收集整理及統計分析；任佳彬、李瑞、劉鑫負責科研設計、文章撰寫、數據收集整理及統計分析；李岳飛、畢經緯負責科研設計、實施及文章撰寫；孫兆忠負責科研選題、設計、實施及文章修改。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題：該研究方案經濱州醫學院附屬醫院醫學倫理委員會批準（2018-ZR2017LH021-01）。
