計(jì)算機(jī)輔助下樞椎前路椎弓根螺釘優(yōu)勢及不同內(nèi)固定技術(shù)生物力學(xué)對比

陳曉隴，張柳楊，李柯柯，謝雅芬，劉偉鍵，尚平，張清順，吳增暉

(1.廣東省工傷康復(fù)醫(yī)院脊柱骨科；2.南方醫(yī)科大學(xué)附屬花都人民醫(yī)院骨科；3.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院脊柱骨科，廣東 廣州 510000)

樞椎區(qū)域解剖關(guān)系復(fù)雜，緊鄰延髓，其處相應(yīng)的頸髓、椎動脈等結(jié)構(gòu)常受骨折、脫位等常損傷，而處于高危狀態(tài)。手術(shù)恢復(fù)三維穩(wěn)定為首選治療，樞椎亦為術(shù)中重要的錨點(diǎn)。2008年Koller等[1]提出前路頸椎椎弓根螺釘技術(shù)。理論上，由于同椎體內(nèi)前路椎弓根螺釘?shù)尼數(shù)篱L度遠(yuǎn)超椎弓根螺釘外的其他各類型螺釘，明顯擁有更好的生物力學(xué)的固定度。目前，國內(nèi)外相關(guān)的解剖學(xué)及生物力學(xué)研究，多集中在下頸椎[2-3]，而前路樞椎椎弓根螺釘(AAPS)問題的研究，尚在早期起始階段[4]。希望通過對AAPS生物力學(xué)方面最大拔出力的研究，提供此項(xiàng)技術(shù)的生物力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本項(xiàng)目從2019年10月至2021年1月，共收集成人體頸椎防腐標(biāo)本(南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供)16例，排除感染、腫瘤、創(chuàng)傷等因素所致狀況，剔除1例樞椎畸形，余下15例標(biāo)本，年齡23～73歲，平均46.3歲，其中男性10例，女性5例。標(biāo)本均行CT薄層掃描(技術(shù)參數(shù)設(shè)為：球管電壓120 kV，電流250 mA，窗位300 HU，窗寬1000 HU，層厚1 mm，螺距0.938，層間距0.5 mm)。每例標(biāo)本分別進(jìn)行椎弓根螺釘、前路逆行椎弓根螺釘(AAPS)、椎體螺釘(VBS)置釘操作，并按置釘方式測試并數(shù)據(jù)分組。項(xiàng)目實(shí)施獲廣東省工傷康復(fù)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(AF/SC-07/2018.60)。

1.2 主要器材

螺旋CT(Neusoft 64排CT，Neusoft Medical Systems，中國，廣東省工傷康復(fù)醫(yī)院影像科提供)；Mimics 19.0軟件(Materialise公司，比利時(shí))；高精度生物材料試驗(yàn)機(jī)(Bose，ElectroForce，美國，南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供)；固定螺釘(直徑3.5 mm，長度38 mm；直徑2.7 mm，長度34 mm，蘇州康力骨科器械有限公司)。

l.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1建模觀測

對標(biāo)本行CT掃描，排除感染、腫瘤、創(chuàng)傷、先天等因素所致樞椎畸形狀況。排除不符合納入條件的個(gè)例后，將CT掃描圖像導(dǎo)入Mimics軟件中，并對掃描目標(biāo)進(jìn)行三維重建。對重建的三維圖像進(jìn)行觀察，在不同角度，通過不同視角，了解椎動脈的特點(diǎn)；通過進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、調(diào)整三維體的透明度等操作，直接對樞椎內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并預(yù)先規(guī)劃釘?shù)?，擬定入釘點(diǎn)的位置，見圖1～3。

1.3.2 置釘操作

選取直徑3.5 mm的適長螺釘，參考Koller等[1]所述方法，將準(zhǔn)備好的15例樞椎標(biāo)本，隨機(jī)選取左右側(cè)，使用內(nèi)六角螺絲刀擰入螺釘。即一側(cè)使用3.5 mm直徑螺釘進(jìn)行前路逆行樞椎椎弓根螺釘(AAPS)置釘后，對側(cè)則使用3.5 mm直徑螺釘進(jìn)行常規(guī)后路的椎弓根螺釘固定。選取直徑2.7 mm適長螺釘，在樞椎體部置入椎體螺釘(VBS)，所有內(nèi)固定過程中，均采用單皮質(zhì)固定而不固定雙側(cè)皮質(zhì)，且所有螺釘均一次性完成置入操作。將樞椎置于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的固定鉗中。以固定鉗固定好標(biāo)本，注意調(diào)節(jié)角度，保持螺釘軸線于與水平面處于垂直角度，上生物材料試驗(yàn)機(jī)，行螺釘拔出操作，見圖4，記錄傳感器上的最大軸向拔出力。然后，對椎弓根螺釘、AAPS，以及VBS進(jìn)行兩兩比較，對比兩者最大軸向拔出力的差異。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

圖1 Mimics軟件中三維重建后的模擬置釘 圖2 Mimics軟件中置釘后觀察置釘情況

A：橫斷面；B：矢狀面

圖4 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上拔出力測試

2 結(jié) 果

CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件后形成的三維重建圖像，可以在不同角度、不同視角，直接顯示椎動脈和椎管等結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)其位置關(guān)系，從而能非常直觀且個(gè)體化的了解了樞椎結(jié)構(gòu)狀況。

15個(gè)樞椎標(biāo)本中，14個(gè)樞椎可順利置入椎弓根螺釘及前路椎弓根螺釘。1例(女性)樞椎左右側(cè)椎弓根最小直徑分別是4.34 mm與3.93 mm。在置入3.5 mm的椎弓根螺釘?shù)膰L試操作過程中，出現(xiàn)側(cè)方骨皮質(zhì)穿破，造成標(biāo)本廢用。

剩余共14例樞椎標(biāo)本，前路椎弓根螺釘與后路置釘組、及椎體螺釘組(VBS)測量數(shù)據(jù)值符合正態(tài)分布。其中，在前路椎弓根螺釘組的最大軸向拔出力為(635.95±220.35)N，在后路椎弓根螺釘組的最大軸向拔出力為(772.95±230.55)N，VBS組螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力(451.45±181.13)N。采取配對樣本t檢驗(yàn)，比較AAPS組與后路椎弓根釘組兩者的最大軸向拔出力測定值，P<0.05，顯示結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，顯示后路椎弓根螺釘拔出力大于前路螺釘，同理，采用配對樣本t檢驗(yàn)比較AAPS組與VBS組兩組的測定值，P<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，顯示AAPS置釘拔出力大于VBS置釘法，見表1。

表1 最大軸向平均拔出力值兩兩比較

3 討 論

對于樞椎這樣結(jié)構(gòu)特殊的部分，對它椎弓根的定義，目前有著多種不同的描述。有學(xué)者認(rèn)為，樞椎的椎弓根在上關(guān)節(jié)突下方和橫突孔前內(nèi)側(cè)的部分；也有學(xué)者提出樞椎狹部和椎弓根可視為一復(fù)合體；也有認(rèn)為，樞椎后弓與側(cè)塊的連接部應(yīng)為樞椎椎弓根，和樞椎椎體與上關(guān)節(jié)突之間的區(qū)域?yàn)闃凶底倒Ｒ虼?，解剖學(xué)中椎弓根及峽部的界定差異，使得其定義亦存在差別。在本研究中，認(rèn)為AAPS軸線依次由前向后，經(jīng)過上關(guān)節(jié)突內(nèi)份、椎弓根峽部，樞椎椎體。

3.1 AAPS的前期生物力學(xué)研究

新型上頸椎內(nèi)固定器材，如Harms鋼板、TARP鋼板、人工寰齒關(guān)節(jié)等，近20年來逐步在臨床上推廣。以較有代表性的TAPP鋼板應(yīng)用為例，現(xiàn)有臨床經(jīng)驗(yàn)及研究顯示，寰樞前路松解復(fù)位關(guān)節(jié)后，直接植骨內(nèi)固定，可在一期達(dá)到減壓復(fù)位穩(wěn)定的目的[4-6]。但是在它們的應(yīng)用初期，螺釘上進(jìn)行固定的錨定點(diǎn)設(shè)在樞椎前路椎體(VBS)或側(cè)塊上，術(shù)后的隨訪中顯示，存在螺釘松動、移位情況[7]。為了改善這一狀況，吳峰、尹慶水等[8]對AAPS、關(guān)節(jié)突下螺釘、椎體螺釘?shù)葞追N不同的內(nèi)固定方式做了最大拔出力的測試。研究顯示生物力學(xué)強(qiáng)度方面前路逆行的椎弓根螺釘固定有較優(yōu)表現(xiàn)，提示使用AAPS固定可獲得更可靠的生物力學(xué)固定。因此提示，只要釘?shù)篮线m，AAPS技術(shù)作為一種技術(shù)，可適用于各類型上頸椎前路固定操作。

3.2 AAPS置釘“安全性”研究和局限

既往樞椎逆行椎弓根螺釘置釘?shù)慕馄蕦W(xué)研究方面，吳增暉等[7]在測量實(shí)際經(jīng)口咽前入路時(shí)，樞椎前路(逆行)椎弓根螺釘置入的安全進(jìn)釘點(diǎn)在：距前正中矢狀面(7.8±0.7)mm處；距樞椎上關(guān)節(jié)面(5.0±1.0)mm處；平均釘?shù)篱L度為(26.4±1.5)mm，置釘?shù)陌踩嵌葹橥鈨A(18±4)°，下傾(14±4)°。使用CT測量時(shí)，鄭軼等[9]提示置釘安全角度為下傾(10±2)°，外傾(21±2)°。顧勇杰等[10]結(jié)合了CT圖像和軟件測量結(jié)果，顯示AAPS的尾傾角為(15.5±2.0)°，外傾角為(28.5±2.3)°；AAPS進(jìn)釘點(diǎn)，可設(shè)置在樞椎椎體與上關(guān)節(jié)突之間凹陷的頂點(diǎn)。胡勇等[11]的研究則提示，AAPS的理想釘?shù)肋M(jìn)釘在樞椎正中矢狀面外(3.95±0.44)mm與兩側(cè)上關(guān)節(jié)突上緣連線下方(4.39±0.67)mm交匯處，其長度約為(34.15±2.93)mm，釘?shù)劳鈨A為(30.80±2.79)°，下傾為(36.35±3.26)°，此點(diǎn)進(jìn)釘釘?shù)垒^長，可提供更大的抗拔出力。

解剖結(jié)構(gòu)方面，樞椎椎弓根附近的椎動脈，隨椎弓根狹窄和走行常出現(xiàn)變異[4,12]217-221。椎弓根寬度、距離椎動脈管的距離等指標(biāo)，常在既往文獻(xiàn)中報(bào)道，成為判斷椎弓根螺釘置釘可行性的重要依據(jù)。瞿東濱等[13]提出按上、中、下寬區(qū)分樞椎椎弓根區(qū)域，同時(shí)，可通過測量椎弓根的中寬，以此判斷椎弓根能否置入螺釘。吳增暉等[7]502-507認(rèn)為，合適的安全進(jìn)釘點(diǎn)，與橫突孔內(nèi)側(cè)壁的距離應(yīng)大于(6.1±1.7)mm。但數(shù)據(jù)測量過程中，若使用的是目測觀察研究平面，這會令對三維空間中的毗鄰結(jié)構(gòu)的全面兼顧上存在不足。

解剖測量研究時(shí)，如使用游標(biāo)卡尺或用軟件在CT掃描圖上進(jìn)行。使用游標(biāo)卡尺的測量，精確度有限，不可避免的受主觀因素影響大，出現(xiàn)參考平面不一致；而處于頸椎處于不同位置的CT二維掃描圖像，或因椎體本身傾斜角度不同，而難以全面測量椎弓根的走形及毗鄰全貌。這種因測量方法、測量工具及對解剖定位的理解不同，會造成數(shù)據(jù)組間差異較大。

總體來說，傳統(tǒng)研究對于樞椎逆行椎弓根釘?shù)慕馄蕦W(xué)釘?shù)捞接戄^充分，但相關(guān)的生物力學(xué)問題涉及很少，值得進(jìn)一步研究。

3.3 計(jì)算機(jī)輔助置釘?shù)膬?yōu)勢

本研究中將CT掃描圖像導(dǎo)入Mimics軟件中，并對掃描目標(biāo)進(jìn)行三維重建。對重建的三維圖像進(jìn)行觀察，在不同角度，通過不同視角，直接了解椎動脈的特點(diǎn)，可以非常直觀且個(gè)體化的了解了樞椎重要結(jié)構(gòu)狀況，比如，一些細(xì)節(jié)，能最大可能地避開周圍結(jié)構(gòu)(如椎管、椎間孔、椎動脈管等)。通過調(diào)整三維體的透明度、進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等操作，除直接觀察樞椎內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可預(yù)先規(guī)劃釘?shù)?，擬定入釘點(diǎn)位置。通過計(jì)算機(jī)合理規(guī)劃，可相當(dāng)程度上避免手工盲目性。王建華等[14]總結(jié)了樞椎與椎動脈存在的4種解剖關(guān)系，指出Ⅱ型椎動脈溝與椎弓根內(nèi)壁距離很近，置釘空間受到嚴(yán)重?cái)D壓，使其成為置釘?shù)慕桑ㄗh此類病例采用椎板螺釘?shù)绕渌麅?nèi)固定替代方式；對于置釘空間的評估，他提出通過計(jì)算CT薄層掃描層數(shù)來間接評估的方法。本試驗(yàn)中，采用計(jì)算機(jī)Mimics軟件輔助重建樞椎三維圖像后，再此基礎(chǔ)上觀察和了解樞椎個(gè)體化解剖細(xì)節(jié)，明顯較前法，所提供細(xì)節(jié)更加豐富，更加直觀明了且準(zhǔn)確度增加；不但可以明確椎弓根的高度，同時(shí)其寬度也一并了解。與此同時(shí)，甚至可以不論樞椎與椎動脈的解剖關(guān)系，直接規(guī)劃置釘計(jì)劃。

置釘后，再次使用CT掃描后，證實(shí)椎弓根螺釘、前路椎弓根螺釘(AAPS)、椎體螺釘(VBS)置入符合要求后，對3種內(nèi)固定方式螺釘測量最大拔出力，測試其生物力學(xué)數(shù)據(jù)，并比較三者生物力學(xué)特性。

3.4 樞椎前路椎弓根螺釘組與后路椎弓根螺釘組最大拔出力的比較

通常認(rèn)為，影響拔出力的因素，主要取決于固定皮質(zhì)的單雙狀況、釘?shù)涝诠琴|(zhì)中的行程長度、螺釘?shù)闹睆酱旨?xì)，以及樞椎附件及椎體骨皮質(zhì)強(qiáng)度孰大孰小。實(shí)際臨床上，在樞椎后路椎弓根螺釘置釘時(shí)，為避免樞椎前方結(jié)構(gòu)(咽后壁)受損，采用單皮質(zhì)固定；但在前路(逆行)椎弓根螺釘置釘研究和測量中，因樞椎后方為厚實(shí)豐富的的肌肉組織，無其他重要特殊神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)，故單純從理論上而論，似允許行雙皮質(zhì)置釘固定。

但在臨床實(shí)際中情況復(fù)雜得多，術(shù)中樞椎前路徒手逆行置釘，很少采用超長螺釘，刻意行雙皮質(zhì)固定，這是因?yàn)椋?1)本身樞椎前路逆行性徒手置釘難度就頗大，在單皮質(zhì)螺釘固定已經(jīng)滿足力學(xué)固定需要的前提下，再在高位區(qū)域的樞椎水平，額外追求雙皮質(zhì)固定，將導(dǎo)致操作難度提高，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；(2)與單皮質(zhì)螺釘長度要求相比，雙皮質(zhì)螺釘長度超常，常需特備，條件往往不易達(dá)到；(3)高位區(qū)域置釘操作時(shí)，釘頭在骨質(zhì)中最為安全，一旦突破，突破點(diǎn)在何處即時(shí)不易確認(rèn)，如因追求雙皮質(zhì)固定，釘頭穿破或損傷重要結(jié)構(gòu)，有弄巧成拙、徒增手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)之虞，得不償失。所以臨床實(shí)際中，仍采用適長螺釘行單皮質(zhì)固定。

本項(xiàng)目中，為最大程度貼近臨床實(shí)際，且在相同條件(即前、后路椎弓根螺釘、椎體螺釘都為單皮質(zhì)固定)下對比，3種內(nèi)固定方式均采取單皮質(zhì)固定。分析釘?shù)揽砂l(fā)現(xiàn)，2種螺釘行程都穿過了基本相同的松質(zhì)骨部分，而兩種螺釘釘?shù)赖闹饕町愒谟冢鼈兇┻^的皮質(zhì)位置不同。本研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示比較AAPS與椎弓根螺釘?shù)淖畲蟀纬隽?，后者明顯大于前者，提示后路進(jìn)釘點(diǎn)皮質(zhì)處生物力學(xué)強(qiáng)度明顯比椎體前方骨皮質(zhì)大。

因?yàn)闃?biāo)本數(shù)量的限制，在本次研究中，并未進(jìn)行雙皮質(zhì)AAPS與單皮質(zhì)椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)比較。但胡勇等[15]在30具新鮮樞椎標(biāo)本安置側(cè)塊螺釘、椎板螺釘、后路單皮質(zhì)和后路雙皮質(zhì)的椎弓根釘固定，比較幾者螺釘拔出力強(qiáng)度，證實(shí)了雙皮質(zhì)椎弓根螺釘拔出力量(1255.8±381.9)N明顯大于單皮質(zhì)椎弓根螺釘(901.8±373.3)N。實(shí)際操作中，因椎弓根后方為豐富的肌層而非重要的神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)，AAPS置釘可突破椎弓根后方的皮質(zhì)，實(shí)施雙皮質(zhì)固定，故這也為AAPS的一重要生物力學(xué)優(yōu)勢。

3.5 樞椎前路椎弓根螺釘組與椎體螺釘置釘組方式最大拔出力的比較

前路椎弓根螺釘，相較于椎體螺釘具有較長的骨質(zhì)中行程長度，同時(shí)螺釘直徑明顯大于椎體螺釘，固最大拔出力應(yīng)大于后者。既往報(bào)道中，吳峰等[16]使用6例新鮮樞椎標(biāo)本，測定前路椎弓根、關(guān)節(jié)突及椎體螺釘固定的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，證實(shí)AAPS拔出力(593.14±97.77)N，明顯大于樞椎椎體螺釘?shù)?395.15±75.07)N。胡勇[15]17-20和馬向陽等[17]在新鮮樞椎標(biāo)本上的測定，也顯示雙皮質(zhì)椎弓根螺釘?shù)陌纬隽ψ畲?1726.5±433.3)N；單皮質(zhì)螺釘(1279.9±432.0)N和雙皮質(zhì)樞椎椎板螺釘、雙皮質(zhì)樞椎側(cè)塊螺釘(1054.8±411.3)N之間，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而樞椎單皮質(zhì)側(cè)塊螺釘拔出力最小，為 (689.4±128.0)N。本實(shí)驗(yàn)中，VBS亦采用單皮質(zhì)固定，對比AAPS與VBS置釘方式拔出力，顯示AAPS的置釘拔出力明顯大于VBS，產(chǎn)生此結(jié)果的情況考慮為AAPS釘?shù)涝诠琴|(zhì)中行程大大長于VBS釘?shù)浪?；也為近年來臨床上，使用AAPS固定方式逐步替代VBS固定的主要原因，也符合臨床上經(jīng)口咽前路內(nèi)固定手術(shù)后VBS仍可見松動、移位之報(bào)道而AAPS極為少見的實(shí)際情況。

總之，由于樞椎解剖結(jié)構(gòu)個(gè)體差異較大，在實(shí)際應(yīng)用中，如術(shù)前能利用計(jì)算機(jī)輔助了解樞椎形態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)施個(gè)體化的AAPS的置入操作；AAPS釘?shù)篱L度大于多數(shù)其他置釘方式，有較明顯的生物力學(xué)優(yōu)勢，固定性能佳，且理論上有可實(shí)施雙皮質(zhì)固定前景。隨著導(dǎo)航或3D打印技術(shù)的推廣，該技術(shù)可作為手術(shù)內(nèi)固定選擇的較理想方式。