三維CT模擬雙通道螺釘置入同一腰椎椎弓根成功率的影響因素分析

段偉 譚瑞 甘璐 常樂 朱慧陽 王飛 葉正旭

自1959 年Boucher 等［1］應(yīng)用螺釘固定椎弓根治療腰椎退變性疾病以來，椎弓根螺釘（pedicle screw，PS）固定技術(shù)已成為脊柱內(nèi)固定術(shù)常用技術(shù)。然而，隨著PS的廣泛應(yīng)用，其不足也日漸凸顯，如相鄰腰椎節(jié)段退變、內(nèi)固定斷裂、釘?shù)狼懈畹龋?］。此外，面對老年骨質(zhì)疏松病人，PS的應(yīng)用受到了更大的限制。2009 年，Santoni 等［3］提出皮質(zhì)骨通道（cortical bone trajectory，CBT）螺釘。與傳統(tǒng)PS 相比，CBT 螺釘具備更強的抗拔出力，更小的手術(shù)切口，更少的肌肉組織剝離；特別是治療嚴重骨質(zhì)疏松病人、肥胖病人以及翻修的病人，CBT 螺釘體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢和更好的療效［4-5］。然而，對于嚴重骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的退變性側(cè)彎，單獨應(yīng)用其中一種螺釘均易導(dǎo)致內(nèi)固定失敗，二者的聯(lián)合應(yīng)用可以互補，讓脊柱后路手術(shù)有更多的選擇。目前國內(nèi)外已有少量報道針對其聯(lián)合應(yīng)用進行研究［6-7］，結(jié)果顯示其成功率不一，且相關(guān)影響因素還缺乏足夠研究。本研究通過三維數(shù)字成像技術(shù)模擬雙通道螺釘同時置入同一椎弓根，研究椎弓根直徑、置釘方案對于置釘成功率的影響，從而提高置釘成功率，避免盲目置釘導(dǎo)致醫(yī)源性椎弓根破壞，同時進一步驗證該技術(shù)在臨床中的適用性。

資料與方法

一、納入標準與排除標準

納入標準：①病人年齡≥18 歲；②椎體、椎弓根三維CT數(shù)據(jù)完整；③三維CT數(shù)據(jù)由同一臺CT掃描完成。

排除標準：①椎體或附件發(fā)育異常、缺如；②骨折、感染或腫瘤等破壞椎體或附件結(jié)構(gòu)；③嚴重增生退變，無法分辨結(jié)構(gòu)；④腰椎數(shù)據(jù)不全或漏掃，無法重建；⑤既往有腰椎手術(shù)史。

二、一般資料

篩選空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院2018年8月至2019 年8 月期間符合納入標準與排除標準的49 例病人納入本研究，其中男26 例，女23 例，年齡為（45.19±14.89）歲。將年齡分為3檔：＜40歲、［40歲，60 歲）、≥60 歲。對L1～L5椎體共490 個椎弓根樣本進行測量并模擬置釘。經(jīng)前期測量后設(shè)定L1、L2、L3、L4、L5PS直徑和CBT螺釘直徑，見表1。

三、研究方法

（一）腰椎三維影像數(shù)據(jù)的獲取

所有病人腰椎三維CT 應(yīng)用西門子SOMATOM Definition 掃描，參數(shù)：間距1 mm，層厚1 mm，電壓130 kV，電流自動毫安秒，矩陣512×512；所有CT 數(shù)據(jù)以DICOM 的標準格式儲存。將本研究49例病人的腰椎CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 10.0軟件（Materialise公司，比利時）重建三維腰椎模型。

（二）椎弓根直徑測量及分組標準

椎弓根形狀不規(guī)則，故我們測量其橫徑及縱徑間接表示椎弓根的直徑。橫徑和縱徑測量標準見圖1。根據(jù)病例橫徑和縱徑的分布特點，將橫徑及縱徑均分為3檔。橫徑：＜8.0 mm、［8.0 mm，12.0 mm）、≥12.0 mm；縱徑：＜10.0 mm、［10.0 mm，14.0 mm）、≥14.0 mm。

表1 各椎弓根直徑及模擬置釘螺釘直徑參數(shù)

（三）PS及CBT螺釘進釘點及進釘角度的設(shè)定

圖1 橫徑和縱徑測量標準 a：椎弓根橫徑，三維CT軸位上標記椎弓根中軸線，在椎弓根最狹窄處作一垂直于此線的直線，此直線在椎弓根兩側(cè)皮質(zhì)骨的交點間的距離即為橫徑；b：椎弓根縱徑，三維CT矢狀位上標記平行于上終板椎弓根中軸線，在椎弓根最狹窄處作一垂直于此線的直線，此直線在椎弓根兩側(cè)皮質(zhì)骨的交點間的距離即為縱徑

將納入本研究的49例病人的L1～L5椎體三維CT數(shù)據(jù)，通過Mimics 10.0軟件進行數(shù)據(jù)測量及模擬置釘，在每個椎弓根均采用3 種不同方案置入傳統(tǒng)PS和CBT 螺釘，置釘方案樣本量為1470（490×3）。選定預(yù)設(shè)螺釘直徑，根據(jù)兩螺釘?shù)闹冕旤c及置釘角度不同，分為3 種置釘方式。方案A：先置入PS，進釘點為乳副突間凹［8］，PS 在矢狀位及軸位均位于椎弓根中軸線，置入深度到椎體前緣80%處，保持PS 位置不變后置入CBT螺釘，CBT螺釘進釘位置為峽部，由內(nèi)下向外上置釘，其位置及角度可任意調(diào)節(jié)。方案B：先置入CBT 螺釘，從椎弓根投影峽部5點方位（左側(cè)）、7點方位（右側(cè)）置入，置釘方向由內(nèi)下向外上，置入深度接近椎體后外側(cè)緣皮質(zhì)，螺釘中心在矢狀位及軸位均位于椎弓根正中，保持CBT 螺釘位置不變后置入PS，椎弓根進釘位置為椎弓根開口處，由外側(cè)斜向內(nèi)側(cè)，其位置及角度可任意調(diào)節(jié)。方案C：同時置入PS 和CBT 螺釘，并保持PS 位于椎弓根下方，CBT螺釘位于椎弓根上方，在符合兩者進釘要求前提下其進釘位置及角度均可任意調(diào)節(jié)（見圖2、3）。

（四）置釘成功的判斷標準

置入的兩螺釘均未穿破通道皮質(zhì)骨且兩螺釘間無相互通道重疊，即為置釘成功。如果模擬置釘過程中通過調(diào)整螺釘所有可能位置及角度后仍出現(xiàn)螺釘刺破通道皮質(zhì)骨或兩螺釘間有相互重疊的現(xiàn)象，則視為置釘失?。▓D4）。完成模擬置釘后統(tǒng)計不同方案下各椎弓根置釘成功率及其可能的影響因素。

所有測量結(jié)果均經(jīng)兩位高年資脊柱外科醫(yī)生進行相互核對。經(jīng)雙方確認置釘成功則記錄為成功，置釘失敗則由上述醫(yī)生進行調(diào)整，直至反復(fù)嘗試仍舊失敗則記錄為失敗，如調(diào)整后成功，經(jīng)核對后則記錄為成功。

四、統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 21.0統(tǒng)計學(xué)軟件（IBM公司，美國）對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。符合正態(tài)分布的計量資料用均數(shù)±標準差（±s），采用χ2檢驗對計數(shù)資料（橫徑大小、縱徑大小、置釘方案）進行單因素分析，將差異有統(tǒng)計學(xué)意義的自變量帶入二元Logistic 回歸分析模型，篩選出置釘成功率的影響因素。

圖2 PS和CBT螺釘置釘點及角度，藍色為CBT螺釘，綠色為PS a：CBT螺釘從椎弓根投影峽部5點方位（左側(cè)）、7點方位（右側(cè)）置入；b、c：CBT螺釘置釘方向由內(nèi)下向外上，置入深度接近椎體后外側(cè)緣皮質(zhì)，螺釘中心在矢狀位及軸位均位于椎弓根正中；d：PS進釘點為乳副突間凹；e、f：PS在矢狀位及軸位均位于椎弓根中軸線，置入深度到椎體前緣80%處

圖3 雙通道螺釘在不同方案下置釘后相對位置關(guān)系，藍色為CBT螺釘，綠色為PS a～e：方案A置釘正位、側(cè)位、斜位，隱去骨質(zhì)后側(cè)位、正位；f～j：方案B置釘正位、側(cè)位、斜位，隱去骨質(zhì)后側(cè)位、正位；k～o：方案C置釘正位、側(cè)位、斜位，隱去骨質(zhì)后側(cè)位、正位

圖4 各種方案模擬置釘后置釘失敗表現(xiàn)，藍色為CBT螺釘，綠色為PS a：二維圖像上顯示螺釘耦合重疊狀態(tài)；b：去除部分骨質(zhì)顯示螺釘重疊；c：三維重建模型下螺釘穿破椎弓根內(nèi)壁；d：三維重建模型下螺釘穿破椎弓根上壁

結(jié) 果

一、不同性別、年齡病人椎弓根置釘?shù)某晒Υ螖?shù)及成功率

49 例病人共進行了1 470 次模擬置釘，按照置釘是否成功進行分組，其中置釘成功組566次，置釘失敗組904 次。女23 例，置釘成功次數(shù)為159（159/690，23.04%），男26 例，置釘成功次數(shù)為407（407/780，52.18%）。

年齡＜40歲者17例，置釘成功次數(shù)為247（247/510，48.43%）；年齡為［40歲，60歲）者19例，置釘成功次數(shù)為189（189/570，33.16%）；年齡≥60 歲者13 例，置釘成功次數(shù)為130（130/390，33.33%）。

二、影響置釘成功率的單因素分析

椎弓根橫徑＜8.0 mm、［8.0 mm，12.0 mm）、≥12.0 mm 這3 個分級的置釘成功率分別為：25.23%（162/642）、47.73%（295/618）、51.90%（109/210）。椎弓根縱徑＜10.0 mm、［10.0 mm，14.0 mm）、≥14.0 mm這3 個分級的置釘成功率分別為：16.67%（12/72）、32.37%（268/828）、50.18%（286/570）。A、B、C 三個置釘方案的成功率分別為：16.94%（83/490）、23.27%（114/490）、75.31%（369/490）。經(jīng)過單因素分析結(jié)果顯示置釘成功組和置釘失敗組間橫徑、縱徑及置釘方案的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P均＜0.05）。見表2。

三、Logistic 回歸分析椎弓根橫徑及縱徑、置釘方案對成功率的影響

將上述單因素分析結(jié)果差異有統(tǒng)計學(xué)意義的因素納入二元Logistic回歸分析模型中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)椎弓根橫徑、椎弓根縱徑及置釘方案均是置釘成功率的獨立影響因素（P均＜0.05，表3）。

討 論

一、CBT螺釘?shù)膽?yīng)用

脊柱內(nèi)固定手術(shù)在近20年來逐漸增多，而由于固定失敗、相鄰節(jié)段退變等并發(fā)癥導(dǎo)致的手術(shù)翻修率也相應(yīng)增高［9］。此外，隨著人類平均壽命的大幅提高，骨質(zhì)疏松病人的數(shù)量明顯增加［10］。骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的退行性脊柱側(cè)彎成為老年脊柱畸形的重要原因之一［11］。PS 在骨密度較低的椎體中抗拔出強度明顯下降［12］，可能導(dǎo)致PS 的早期松動和假關(guān)節(jié)發(fā)生。因此，越來越多的學(xué)者將目光聚焦于CBT 螺釘。不同于PS，CBT螺釘由內(nèi)向外大部分走行于皮質(zhì)骨，共途經(jīng)峽部皮質(zhì)、椎弓根內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)、椎體后外側(cè)緣皮質(zhì)四層皮質(zhì)，有研究報道更短更細的CBT螺釘即能提供與PS相同甚至更強的抗拔除力［13］，在骨質(zhì)疏松病人中應(yīng)用可增強內(nèi)固定穩(wěn)定性［14］。不同于PS走行于椎弓根及椎體松質(zhì)骨，骨質(zhì)疏松對CBT螺釘影響更小。同時CBT 螺釘置釘方式可以減小傷口，避免了置釘過程中相鄰的關(guān)節(jié)突損傷，從而減少相鄰節(jié)段退變［15］，為相鄰節(jié)段退變手術(shù)及翻修手術(shù)帶來更多可能。近年來，不斷有國內(nèi)外學(xué)者探索PS與CBT螺釘使用方式。胡惠強等［7］使用CBT螺釘加傳統(tǒng)PS結(jié)合衛(wèi)星棒固定治療11例退變性脊柱側(cè)凸病人，取得良好矯形及術(shù)后療效。王洋等［16］在12例骨質(zhì)疏松腰椎退變性疾病病人中使用CBT 螺釘，治療取得了良好的效果。魯增輝等［17］在部分椎體破壞的結(jié)核病人中將CBT螺釘與PS混用，在取得良好效果前提下減少了固定節(jié)段。Mullin等［18］通過47例腰椎三維CT數(shù)據(jù)模擬雙通道置釘并分析其可行性，但其未就相關(guān)影響因素進一步分析。在這些研究的基礎(chǔ)上，為了研究雙通道置釘影響因素及更進一步驗證混合置釘?shù)目尚行?，我們設(shè)計并測量了3 種不同的置釘方案，研究椎弓根直徑、置釘方案對于置釘成功率的影響，從而提高置釘成功率。

表2 影響置釘成功率的單因素分析［例（%）］

表3 影響置釘成功率的Logistic多因素分析

二、試驗結(jié)果分析

本研究結(jié)果顯示年齡較低的病人擁有較高的置釘成功率，雖然椎體及附件發(fā)育成熟后隨年齡增長體積變化多表現(xiàn)在椎體或椎間盤［19］，但是如果腰椎出現(xiàn)退變后可能導(dǎo)致椎體扁平化發(fā)展［20］，同時椎體出現(xiàn)骨質(zhì)疏松后其邊緣易引起骨折或塌陷，造成椎體一定程度上出現(xiàn)楔形變［21］，在這類病人中模擬置釘時容易穿出骨皮質(zhì)，這可能與中老年病人置釘成功率變低有關(guān)。男性置釘成功率明顯高于女性，性別主要與椎弓根直徑相關(guān)，男性椎弓根直徑多數(shù)大于女性椎弓根直徑。而椎弓根直徑及置釘方案均為置釘成功率的影響因素。椎弓根本身形態(tài)為近橢圓柱狀，多數(shù)椎弓根中縱徑大于橫徑，PS 與CBT 螺釘置釘均需要內(nèi)外傾斜角度，這就會占用更多椎弓根橫徑，越大的椎弓根橫徑其置釘成功率會越高，當然如果雙通道螺釘置釘滿足其穿過椎弓根中心部位而無重合，則更大的橫徑對提高置釘成功率影響也會相對減小。而在三種置釘方案中兩種螺釘均為上下并排方式，如橫徑已經(jīng)滿足兩組椎弓根直徑大小穿過中心位置而不重合，則更大的縱徑甚至可以滿足兩種螺釘完全上下并排置入，在我們的數(shù)據(jù)中可以看到不少椎弓根縱徑長度超過了兩種螺釘?shù)闹睆街汀?013 年Ueno 等［6］報道描述了需要經(jīng)過術(shù)前三維CT 模擬精心設(shè)計后才可以最大程度實現(xiàn)雙通道螺釘置入。本研究設(shè)計了三種置釘方案，方案A、方案B分別模擬已置入PS和CBT螺釘，后置入另一種螺釘并調(diào)節(jié)，其置釘成功率均不高，且兩者差別不顯著，這主要是因為先置入的螺釘占據(jù)了椎弓根中央的部位，剩余的面積通過調(diào)節(jié)不易容納另一種螺釘。而方案C同時置入進釘位置稍低的PS、進釘位置稍高的CBT螺釘和Ueno等［6］選擇相同，統(tǒng)計結(jié)果顯示有較高成功率。在采用與本研究方案C類似置釘方案的文獻中，本研究置釘成功率略高于趙永輝等［22］研究結(jié)果，這可能與我們的研究中納入更多男性病人及使用更小的螺釘直徑有關(guān)；而在Mullin等［18］的研究中其置釘成功率稍低于本研究結(jié)果，可能與其術(shù)后部分數(shù)據(jù)由病人提供有關(guān)，螺釘金屬尾影影響模擬置釘成功率。這也提示我們置釘方案對于置釘成功率也會有影響。對于今后需要兩種螺釘同時使用或混用的手術(shù)病人均需術(shù)前完成三維CT，再進行設(shè)計后實施，可以最大程度提高置釘成功率。

三、展望與不足

雙通道螺釘技術(shù)擁有很強的應(yīng)用潛力和研究價值，它可以使脊柱后路手術(shù)擁有更多選擇。該技術(shù)應(yīng)用于臨床病患仍較少，無法完全確定其手術(shù)適應(yīng)證，從理論及現(xiàn)有應(yīng)用情況來看，其可廣泛適用于腰椎翻修手術(shù)［5］及嚴重骨質(zhì)疏松腰椎退變性疾病、腰椎退變性側(cè)彎或后凸［7］，以及腰椎螺釘置釘過程中失敗后搶救性改換置釘方式［23］。在翻修手術(shù)中不用取出原有內(nèi)固定，也可以在需要矯形的嚴重退變性脊柱側(cè)彎合并骨質(zhì)疏松疾患中提供更加堅強的固定。對于潛在翻修風(fēng)險較大的病人可在第一次手術(shù)時注意置釘位置及方向，為可能的翻修手術(shù)置釘預(yù)留足夠空間。雙通道螺釘技術(shù)并發(fā)癥報道仍較少，可能與皮質(zhì)骨螺釘類似，存在螺釘釘棒斷裂、椎弓根骨折等［24］。故而，在能實現(xiàn)雙通道螺釘置釘?shù)那疤嵯驴煽紤]使用更大直徑的螺釘，這可以提供更好的生物力學(xué)效應(yīng)［25］，但也要避免螺釘直徑過大而引起椎弓根骨折，出現(xiàn)無法再次置釘情況。本文雖然對雙通道置釘影響因素進行了較為全面的分析，可以避免臨床使用中的一些誤區(qū)。但是本研究也存在一些不足：第一，本研究為利用Mimics 軟件對影像文件的重建分析，雖然在三維CT模擬置釘過程中大部分椎弓根均能置釘成功，但置釘成功的分析中也可能存在骨皮質(zhì)即將破裂、螺釘即將重疊、置釘點不易尋找或易損傷椎弓根結(jié)構(gòu)等極限情況，實際臨床應(yīng)用中其置釘成功率受各種情況限制可能會降低，其實際置入時的臨床效果還有待臨床驗證。第二，本研究的重點是明確置釘方式及椎弓根直徑對置釘成功率的影響，沒有分析螺釘?shù)闹睆綄χ冕敵晒β实挠绊?，而在其他文獻中發(fā)現(xiàn)不同的螺釘直徑也會帶來不同的置釘成功率。關(guān)于螺釘直徑對置釘成功率的影響，還需要去除其他干擾因素后有針對性的進一步研究來驗證。第三，本研究僅討論了雙通道螺釘內(nèi)固定的影響因素，而脊柱內(nèi)固定主要目標為實現(xiàn)融合，其臨床應(yīng)用后對脊柱融合的影響還需要進一步研究。綜上所述，雙通道螺釘固定技術(shù)是腰椎后路內(nèi)固定的一種可行的選擇，特別是對于退變性腰椎側(cè)彎合并嚴重骨質(zhì)疏松癥病人或相鄰節(jié)段退變的翻修病人，它甚至可能改變脊柱后路內(nèi)固定的方式。