新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘解剖學依據

肖忠洲， 劉家明， 黃山虎， 劉志禮

1.南昌大學第一附屬醫院骨科,南昌 330006； 2.南昌大學脊柱脊髓研究所，南昌 330006

椎弓根螺釘系統已廣泛應用于脊柱外科領域，臨床應用最多的是標準椎弓根螺釘，有學者改進螺釘上螺紋的螺距、螺紋形態及螺釘主干設計出多種螺釘[1,2]，但都是全螺紋螺釘。全螺紋螺釘在通過椎弓根峽部時一旦發生椎弓根內側壁破裂，螺紋壓迫或切割神經根及脊髓，易造成神經損傷[3,4]。本研究擬設計新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘，其椎弓根段設計為無螺紋，在置釘過程中如若發生椎弓根內側壁破裂，其特殊設計可以避免對神經根或脊髓的壓迫或切割，從而最大限度地減少由于置釘引起的神經損傷。由于脊柱形態結構復雜，相關文獻對脊柱的形態學測量雖然有一些報道，但大部分研究相對片面，如側重于對下胸椎及腰椎的測量或是對單側部分指標進行測量[5～8]。本研究對健康成人雙側胸椎和腰椎椎骨相關指標進行測量，旨在為設計新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘提供依據，同時補充胸椎及腰椎的形態學資料。

1 材料和方法

1.1 選取志愿者

納入健康志愿者200人，其中胸椎和腰椎各100名。納入標準：①年齡20～40歲；②健康，無胸椎、腰椎發育異常及相關疾病，無內分泌代謝疾病等全身各系統疾病，胸椎及腰椎生理曲度存在。排除標準：①任何胸椎或腰椎椎體缺失者；②胸椎或腰椎先天性畸形者；③有明顯的椎體、椎間關節形態或功能異常，如椎體關節突增生、后縱韌帶鈣化，胸椎或腰椎椎體曲度異常者；④CT提示可能存在胸椎或腰椎外傷、結核、腫瘤者；⑤圖像質量不佳，影響測量者。

1.2 研究方法

1.2.1 拍攝胸椎/腰椎CT圖像 使用西門子公司的Somatom Emotion 16螺旋CT，對200名志愿者進行胸椎/腰椎圖像采集。受檢者取仰臥位，雙臂上舉交叉在頭頂上方，正中線定位燈線在身體中央線上，橫線定位燈線在恥骨聯合連線上，側線定位燈線在身體側中線上。進行胸椎/腰椎連續橫斷掃描，球管電壓為120 KV，電流100 mAs，層厚為0.6 mm。

1.2.2 椎骨相關解剖參數測量 椎弓根螺釘置入椎體的過程，一般是首先經過后方的椎板部分，之后是椎弓根，最后到達前方的椎體。據此路徑可將椎弓根螺釘劃分為3段。在椎體后壁相當于后縱韌帶處作一條椎體后壁的切線AB，通過兩側椎弓根與椎板交界處作一條與AB平行的直線CD，沿椎弓根長軸作一條直線EF，EF與椎體前壁交點為E，與椎板后緣交點為F，與線AB交點為G，與線CD交點為H，這樣由前向后將椎弓根螺釘進釘路徑劃分為3段：椎體段EG、椎弓根段GH、椎板段HF。其中，椎體段長度可為新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘的椎體段螺紋長度設計提供參考；椎弓根段對應新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘的雙螺紋之間無螺紋部分；椎板段長度可為新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘的近尾帽螺紋長度設計提供參考。見圖1。此外還需測量：進釘外展角：椎弓根軸線與椎體正中矢狀面之間的夾角α（圖2）；椎弓根峽部高度（height of pedicle isthmus，PIH）：為椎弓根上下緣皮質之間的距離，椎弓根峽部寬度（width of pedicle isthmus，PIW）：為椎弓根內外側皮質之間的距離（圖3）。

圖1 椎弓根螺釘進釘路徑椎體段長度、椎弓根段長度、椎板段長度測量示意圖AB：椎體后壁切線CD：與AB平行、通過兩側椎弓根與椎板交界處的標識線EF：椎弓根長軸E：椎弓根長軸與椎體前壁交點F：椎弓根長軸與椎板后緣交點G：椎弓根長軸與AB交點H：椎弓根長軸與CD交點EG：螺釘在椎體內的長度GH：螺釘在椎弓根內的長度HF：螺釘在椎板內的長度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

圖2 椎弓根螺釘進釘外展角（α）測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement for the abduction angleαfor pedicle screw placement

圖3 椎弓根峽部高度（PIH）和寬度（PIW）測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of pedicle isthmus width and height measurement PIH,the height of pedicle isthmus;PIW,thewidth of pedicleisthmus

1.2.3 新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘的設計理念 該螺釘的椎弓根段光滑無螺紋，且直徑更細，在置入過程中不會對椎弓根產生切割作用，向外的擠壓作用較輕，從而降低神經根損傷的風險（圖4）。

圖4 新型防神經損傷雙螺紋椎弓根螺釘設計示意圖，螺釘位于椎弓根部分為光滑無螺紋設計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 統計學處理

所有測量數據采用SPSS 18.0軟件進行統計和分析，兩組之間同節段同部位的測量值進行t檢驗。P<0.05認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 胸椎椎骨相關解剖參數

胸椎椎弓根螺釘進釘路徑椎體段長度為左側（14.91±2.46）～（22.47±2.18）mm，右側（15.17±2.24）～（24.19±2.14）mm；椎弓根段長度為左側（6.41±1.31）～（8.59±1.28）mm，右側（6.84±1.33）～（9.06±1.49）mm；椎板段長度為左側（8.24±1.67）～（13.99±2.49）mm，右側（7.97±1.30）～（13.69±2.49）mm；進釘外展角為左側（4.63±1.89）～（27.08±4.98）°，右側（4.21±1.42）～（28.59±5.69）°；椎弓根峽部寬度為左側（4.84±0.84）～（8.59±1.73）mm，右側（4.49±0.97）～（8.15±1.68）mm；椎弓根峽部高度為左側（8.18±1.60）～（16.47±2.04）mm，右側（8.11±1.12）～（16.42±2.33）mm。見表1～2。胸椎椎體段長度T1～T12逐漸變長，椎弓根段長度T1～T12逐漸變長，椎板段長度T1～T12逐漸變長，進釘外展角T1～T8逐漸減小，T9～T12又逐漸增大，椎弓根峽部寬度T1～T5逐漸減小，T6～T12逐漸增大，椎弓根峽部高度T1～T12逐漸增大。T1～T12螺釘椎體段長度、椎弓根段長度、椎板段長度、進釘外展角各參數對比，差異無統計學意義（P>0.05），T1～T12椎弓根峽部高度分別與椎弓根峽部寬度比較，有統計學差異（P<0.05）。

2.2 腰椎椎骨相關解剖參數

腰椎椎弓根螺釘進釘路徑椎體段長度為左側（23.97±3.09）～（29.47±3.92）mm，右側（24.12±3.07）～（30.53±3.46）mm；椎弓根段長度為左側（9.36±1.78）～（10.54±1.53）mm，右側（9.93±1.52）～（11.12±1.58）mm；椎板段長度為左側（9.75±1.86）～（14.32±1.88）mm，右側（10.56±2.11）～（15.39±2.57）mm（表1）；進釘外展角為左 側（11.59±2.35）～（24.70±4.24）°，右側（10.95±2.42）～（25.17±4.89）°；椎弓根峽部寬度為左側（7.76±1.38）～（12.91±1.52）mm，右側（7.76±1.57）～（12.29±1.84）mm；椎弓根峽部高度為左側（13.78±2.76）～（15.24±2.39）mm，右側（12.04±2.85）～（15.61±2.06）mm（表2）。腰椎椎弓根螺釘椎體段長度L1～L5逐漸變長，椎弓根段長度L1～L2逐漸增大，L3～L5逐漸減小，椎板段長度L1～L5逐漸變小，進釘外展角L1～L5逐漸變大，椎弓根峽部寬度L1～L5逐漸變大，椎弓根峽部高度L1～L5逐漸變小。L1～5螺釘椎體段長度、椎弓根段長度、椎板段長度、進釘外展角各參數對比，差異無統計學意義（P>0.05），L1～5椎弓根峽部高度分別與椎弓根峽部寬度比較，有統計學差異（P<0.05）。

表1 胸椎及腰椎椎弓根螺釘進釘路徑分段測量值（±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釘進釘路徑分段測量值（±s，mm）Tab.1 Values of thoracic and lumbar pedicle screw entry path in different parts(Mean±SD,mm)

*P>0.05，左右兩側分別對比*P>0.05,left sideand right sidewascompared

椎體Vertebral body椎體段長度*Thelength of vertebrae椎弓根段長度*Thelength of pedicle椎板段長度*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 胸椎及腰椎椎弓根峽部高度、寬度和進釘外展角測量值（±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 胸椎及腰椎椎弓根峽部高度、寬度和進釘外展角測量值（±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分別與PHW值進行比較▲P<0.05,PDHvalues and PHW valuesof T1～L 5 wascompared

椎體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椎弓根峽部寬度▲（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椎弓根峽部高度▲（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進釘外展角（°）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 討論

自20世紀70年代Roy-Camille[9]發明椎弓根鋼板用于治療不穩定性胸腰椎骨折以來，各種具有良好生物力學特性的脊柱內植物不斷問世，使脊柱外傷、脊柱畸形及脊柱腫瘤等方面的治療取得巨大的進展。椎弓根內固定技術主要優點為：①螺釘從后柱經椎弓根直達椎體同時從兩側固定三柱，符合三維固定原則；②矯形作用；③節段短，創傷小；④穩定性好，患者可早期下床活動[10]。

目前用于臨床的椎弓根螺釘，其螺紋形態均一，能夠適應絕大部分患者。缺點同樣是因為其螺紋形態均一，對于嚴重骨質疏松患者，其生物力學強度不夠，容易出現松動或拔出。Mehta等[2]就螺釘的螺紋形態及螺距設計出一種螺釘并與標準螺釘進行生物力學實驗，結果顯示其設計的新型螺釘生物力學方面優于普通的標準椎弓根螺釘。骨水泥螺釘因其可以往螺釘周圍注射骨水泥增加骨-螺釘界面的生物力學強度，特別適用于骨質疏松患者，因而在臨床上廣泛使用[11]。但是上面3類螺釘最大的缺點是全螺紋螺釘，全螺紋螺釘在通過椎弓根峽部時，一旦發生椎弓根內側壁破裂，椎弓根處的螺紋可壓迫或切割神經根及脊髓，易造成神經損傷。本研究擬設計新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘，其椎弓根段無螺紋，在置釘過程中如若發生椎弓根內側壁破裂，其特殊設計可以避免對神經根或脊髓的壓迫或切割，從而降低醫源性神經損傷的發生率。

螺釘長度是椎弓根固定術中應該考慮的重要內容。螺釘過短，固定不牢固；螺釘過長，有可能突破椎體前皮質損傷血管等結構。陳家強等[12]對31例成年人胸椎及腰椎參數測量后，建議T1～10椎弓根釘置入深度在24.0～33.0 mm，并隨著脊柱節段數增加而逐漸增加1 mm，T11、T12較T10短，小于32.00 mm，L1～5為34.00 mm以上。本研究所測數據為：T1～12椎弓根釘置入深度在29.0～45.0 mm，L1～5椎弓根釘置入深度在49.0～58.0 mm之間。與陳家強等[12]測量數據的不同可能因為：其樣本量相對較小且是測量實體，而本研究是在CT片上測量。史亞民等[7]建議椎弓根螺釘深度一般以釘尖至椎體前緣骨皮質后方5～8 mm最合適。本研究所設計的椎弓根螺釘由于其椎弓根段為無螺紋，為增加螺釘把持力在不突破椎體前緣的情況下建議盡量接近椎體前緣。

合適的進針角度是置釘成功的關鍵，角度過大或過小，都可引起椎弓根內側皮質損傷或破裂，嚴重者引起神經根、脊髓或周圍血管損傷。王芳永等[13]通過CT對T9～L4椎弓根進釘角度測量后得出適宜角度為6.26°～13.06°。阮狄克等[14]通過100例腰椎標本CT測量，L4、L5椎弓根螺釘進釘平均角度分別為17.5°、32.6°；陳茂林等[8]對60例干燥骨測量，L4、L5進釘平均角度分別為16.01°、18.55°。本研究測量胸椎進釘角度為左側4.63°～27.08°，右側4.21°～28.59°，且角度在T1～T8逐漸減小，T9～T12又逐漸增大；腰椎進釘角度為左側11.59°～24.70°，右側10.95°～25.17°，角度從L1～L5逐漸變大。測量結果基本與上述研究結果區間相符合。進釘點的位置并非固定不變，喬拴杰等[5]及Magerl[15]、Muller等[16]所介紹的幾種進釘點選擇的方法是目前臨床較常用的。

椎弓根是脊柱最堅強的部分，被稱為脊柱的力核中心，周圍包繞堅固的骨皮質，中心包含少量松質骨，CT斷層掃描顯示椎弓根內部松質骨呈蜂窩狀，且自椎體前往后密度逐漸增加，椎弓根后端與椎板連接處最致密[13]。椎弓根峽部是整個椎弓根螺釘置入通道最狹窄的部分，也是最危險的區域，Esses等[17]、Louis[18]分別報道有1.5%、4.7%的神經損傷發生率。Matsuzaki等[19]研究發現約有11%發生神經損傷。楊科球等[20]對31具尸體脊柱標本測量發現胸椎（T1除外）PIW 約為PIH的一半，PIW 與PIH平均值分別為6.37 mm和12.30 mm，T12最大，T3～7的PIW或T2～5的PIH較為接近，PIH從T6開始逐節段增加，PIW 從T7開始增加直到T12。腰椎PIW、PIH以L5最大，平均值分別為9.41 mm和15.97 mm，PIW從L1～L5逐漸增加，PIH在L1～L5較為接近。本研究的測量結果為胸椎PIW和PIH平均為6.07 mm和11.78 mm；腰椎PIW 和PIH平均為9.59 mm和14.28 mm；本研究T1～L5的PIW、PIH平均值及各節段變化規律與楊科球等[20]描述的基本一致。Moran等[21]及Misenhimer等[22]研究發現椎弓根螺釘直徑每增加1 mm，其抗拔出力相應增加，因此，螺釘直徑越大，固定越牢固。但是椎弓根PIW及PIH在不同節段其大小各不相同，椎弓根螺釘直徑也要根據相應椎弓根大小而改變，避免引起椎弓根骨皮質破裂[23]。螺釘的直徑與椎弓根髓腔的比值在70%左右較合適[12]，目前臨床使用的椎弓根螺釘直徑有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，常規的椎弓根螺釘顯然無法滿足。有學者建議L5椎弓根螺釘直徑增加為6.50～7.50 mm、7.50～8.50 mm[24]。

由于本新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘其中間段相當于椎弓根峽部無螺紋，如果其他部位設計與標準椎弓根螺釘一致，必然影響其在椎體內的生物力學強度，故結合胸椎及腰椎螺釘進釘路徑椎體內長度、椎弓根長度、椎板內長度及椎弓根峽部寬度與高度等解剖參數的測量，為本新型螺釘設計合適的螺釘椎體段長度、椎弓根段長度、椎板段長度、螺釘有螺紋處直徑及螺釘無螺紋處直徑提供數據支持，設計出既能滿足臨床需要又有足夠生物力學強度同時減少因為椎弓根螺釘而引起的神經并發癥發生的優良螺釘，豐富脊柱外科醫師的螺釘選擇，為手術帶來便利。

本研究的不足之處在于納入的樣本量較少，未來可增加樣本量進一步驗證。此外，本研究的數據測量僅基于CT片，未在尸體標本上測量。總之，本文通過對健康成年人的胸椎及腰錐CT進行影像解剖學測量，獲取胸椎T1～12及腰椎L1～5螺釘進釘路徑椎體段長度、椎弓根段長度、椎板段長度、進釘外展角、椎弓根峽部寬度和高度等相應解剖參數，可為設計新型防神經根損傷雙螺紋椎弓根螺釘提供依據。