计算机辅助下枢椎前路椎弓根螺钉优势及不同内固定技术生物力学对比

陈晓陇，张柳杨，李柯柯，谢雅芬，刘伟键，尚平，张清顺，吴增晖

(1.广东省工伤康复医院脊柱骨科；2.南方医科大学附属花都人民医院骨科；3.广州医科大学附属第三医院脊柱骨科，广东 广州 510000)

枢椎区域解剖关系复杂，紧邻延髓，其处相应的颈髓、椎动脉等结构常受骨折、脱位等常损伤，而处于高危状态。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，国内外相关的解剖学及生物力学研究，多集中在下颈椎[2-3]，而前路枢椎椎弓根螺钉(AAPS)问题的研究，尚在早期起始阶段[4]。希望通过对AAPS生物力学方面最大拔出力的研究，提供此项技术的生物力学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本项目从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，其中男性10例，女性5例。标本均行CT薄层扫描(技术参数设为：球管电压120 kV，电流250 mA，窗位300 HU，窗宽1000 HU，层厚1 mm，螺距0.938，层间距0.5 mm)。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。项目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，ElectroForce，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)。

l.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；通过进行旋转、调整三维体的透明度等操作，直接对枢椎内部结构进行观察，并预先规划钉道，拟定入钉点的位置，见图1～3。

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3.5 mm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2.7 mm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。

1.4 统计学方法

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

A：横断面；B：矢状面

图4 生物力学实验机上拔出力测试

2 结 果

CT数据导入Mimics软件后形成的三维重建图像，可以在不同角度、不同视角，直接显示椎动脉和椎管等结构，展现其位置关系，从而能非常直观且个体化的了解了枢椎结构状况。

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。在置入3.5 mm的椎弓根螺钉的尝试操作过程中，出现侧方骨皮质穿破，造成标本废用。

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，在前路椎弓根螺钉组的最大轴向拔出力为(635.95±220.35)N，在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。采取配对样本t检验，比较AAPS组与后路椎弓根钉组两者的最大轴向拔出力测定值，P<0.05，显示结果差异有统计学意义，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t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

3 讨 论

对于枢椎这样结构特殊的部分，对它椎弓根的定义，目前有着多种不同的描述。有学者认为，枢椎的椎弓根在上关节突下方和横突孔前内侧的部分；也有学者提出枢椎狭部和椎弓根可视为一复合体；也有认为，枢椎后弓与侧块的连接部应为枢椎椎弓根，和枢椎椎体与上关节突之间的区域为枢椎椎弓根。因此，解剖学中椎弓根及峡部的界定差异，使得其定义亦存在差别。在本研究中，认为AAPS轴线依次由前向后，经过上关节突内份、椎弓根峡部，枢椎椎体。

3.1 AAPS的前期生物力学研究

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。以较有代表性的TAPP钢板应用为例，现有临床经验及研究显示，寰枢前路松解复位关节后，直接植骨内固定，可在一期达到减压复位稳定的目的[4-6]。但是在它们的应用初期，螺钉上进行固定的锚定点设在枢椎前路椎体(VBS)或侧块上，术后的随访中显示，存在螺钉松动、移位情况[7]。为了改善这一状况，吴峰、尹庆水等[8]对AAPS、关节突下螺钉、椎体螺钉等几种不同的内固定方式做了最大拔出力的测试。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。因此提示，只要钉道合适，AAPS技术作为一种技术，可适用于各类型上颈椎前路固定操作。

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[7]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在：距前正中矢状面(7.8±0.7)mm处；距枢椎上关节面(5.0±1.0)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[9]提示置钉安全角度为下倾(10±2)°，外倾(21±2)°。顾勇杰等[10]结合了CT图像和软件测量结果，显示AAPS的尾倾角为(15.5±2.0)°，外倾角为(28.5±2.3)°；AAPS进钉点，可设置在枢椎椎体与上关节突之间凹陷的顶点。胡勇等[11]的研究则提示，AAPS的理想钉道进钉在枢椎正中矢状面外(3.95±0.44)mm与两侧上关节突上缘连线下方(4.39±0.67)mm交汇处，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[4,12]217-221。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，成为判断椎弓根螺钉置钉可行性的重要依据。瞿东滨等[13]提出按上、中、下宽区分枢椎椎弓根区域，同时，可通过测量椎弓根的中宽，以此判断椎弓根能否置入螺钉。吴增晖等[7]502-507认为，合适的安全进钉点，与横突孔内侧壁的距离应大于(6.1±1.7)mm。但数据测量过程中，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，如使用游标卡尺或用软件在CT扫描图上进行。使用游标卡尺的测量，精确度有限，不可避免的受主观因素影响大，出现参考平面不一致；而处于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的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[14]总结了枢椎与椎动脉存在的4种解剖关系，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，再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3种内固定方式螺钉测量最大拔出力，测试其生物力学数据，并比较三者生物力学特性。

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

通常认为，影响拔出力的因素，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，故单纯从理论上而论，似允许行双皮质置钉固定。

但在临床实际中情况复杂得多，术中枢椎前路徒手逆行置钉，很少采用超长螺钉，刻意行双皮质固定，这是因为：(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力学固定需要的前提下，再在高位区域的枢椎水平，额外追求双皮质固定，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)高位区域置钉操作时，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，钉头穿破或损伤重要结构，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。

本项目中，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，3种内固定方式均采取单皮质固定。分析钉道可发现，2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。

因为标本数量的限制，在本次研究中，并未进行双皮质AAPS与单皮质椎弓根螺钉的生物力学比较。但胡勇等[15]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(1255.8±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[16]使用6例新鲜枢椎标本，测定前路椎弓根、关节突及椎体螺钉固定的生物力学数据，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[15]17-20和马向阳等[17]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；单皮质螺钉(1279.9±432.0)N和双皮质枢椎椎板螺钉、双皮质枢椎侧块螺钉(1054.8±411.3)N之间，差异无统计学意义，而枢椎单皮质侧块螺钉拔出力最小，为 (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。