1-6岁儿童枢椎经椎弓根螺钉内固定的可行性

doi:10.12307/2022.433

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (9): 1383-1387.doi: 10.12307/2022.433

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1-6岁儿童枢椎经椎弓根螺钉内固定的可行性

李琨1，高尔科2，熊峰3，王星1，3，武丹琪2，李志军1，3，张少杰1，3，刘亚楠2，朵岚2，李子瑜2

内蒙古医科大学，1人体解剖学教研室，2研究生学院，3数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010000

收稿日期:2021-05-22 修回日期:2021-05-25 接受日期:2021-07-28 出版日期:2022-03-28 发布日期:2021-12-10
通讯作者: 李志军，教授，博士生导师，内蒙古医科大学人体解剖学教研室，内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010000 张少杰，教授，硕士生导师，内蒙古医科大学人体解剖学教研室，内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010000
作者简介:李琨，女，1988年生，汉族，内蒙古自治区呼和浩特市人，硕士，主要从事脊柱与脊髓的数字化研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81860382)，项目负责人：王星；国家自然科学基金(81860383)，项目负责人：李志军；国家自然科学基金(81660358)，项目负责人：张少杰；内蒙古自治区研究生科研创新基金项目(S2018112010Z)，项目负责人：李琨；内蒙古自然科学基金资助项目(2020LH08021)，项目负责人：李志军；内蒙古自然科学基金资助项目(2019MS08017)，项目负责人：张少杰；内蒙古自治区科技发展计划项目(2019GG158)，项目负责人：王星；内蒙古医科大学青年创新基金项目(YKD2020QNCX055)，项目负责人：李琨；内蒙古医科大学英才培育项目(YCPY2021050)，项目参与人：熊峰

Feasibility of axial transpedicle screw internal fixation in children aged 1 to 6 years

Li Kun1, Gao Erke2, Xiong Feng3, Wang Xing1, 3, Wu Danqi2, Li Zhijun1, 3, Zhang Shaojie1, 3, Liu Yanan2, Duo Lan2, Li Ziyu2

1Department of Human Anatomy, 2Graduate School, 3Digital Medical Center, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2021-05-22 Revised:2021-05-25 Accepted:2021-07-28 Online:2022-03-28 Published:2021-12-10
Contact: Li Zhijun, Professor, Doctoral supervisor, Department of Human Anatomy, and Digital Medical Center, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China Zhang Shaojie, Professor, Master’s supervisor, Department of Human Anatomy, and Digital Medical Center, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Li Kun, Master, Department of Human Anatomy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81860382 (to WX); National Natural Science Foundation of China, No. 81860383 (to LZJ); National Natural Science Foundation of China, No. 81660358 (to ZSJ); Graduate Research in Inner Mongolia Autonomous Region Innovation Fund Project, No. S2018112010Z (to LK); Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2020LH08021 (to LZJ); Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2019MS08017 (to ZSJ); Science and Technology Development Planned Project of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2019GG158 (to WX); Youth Innovation Fund Project of Inner Mongolia Medical University, No. YKD2020QNCX055 (to LK); Talent Cultivation Project of Inner Mongolia Medical University, No. YCPY2021050 (to XF)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
枢椎：即第2颈椎，是颈椎中最坚固的椎骨，其椎体上有向上伸出的齿突与寰椎前弓的齿突凹相关节，以适应头颈部的旋转运动，枢椎的椎体较其他颈椎小，但椎弓根短而粗，横突短小且末端不分叉，椎板厚而坚固，其棘突较下位椎骨的棘突长而大。
螺钉内固定技术：凭借着植入螺钉纹理与骨质内部的紧密咬合达到良好固定、复位效果，此技术可以恢复骨支架，防止压缩变形，同时具有切口小、剥离骨膜少、对骨组织及周围软组织创伤少、异物感小、操作简单等优点。

背景：在治疗枕-寰-枢复合体区枢椎椎弓根特异性骨折时患者需行螺钉内固定，这种方法在成年人中应用较广泛，对于1-6岁儿童在枢椎椎弓根的共性化内固定置钉，国内外尚无发育解剖数据。
目的：探讨1-6岁儿童枢椎经椎弓根行3.50 mm螺钉内固定的可行性。
方法：入选1-6岁儿童45例，每隔2岁为1组，分为1-岁组，3-岁组，5-6岁组，每组15例，获取颈椎CT原始数据，行三维重建后测量椎弓根上、中、下缘宽，椎弓根高和长，置钉内倾角及上倾角等参数。每例均测双侧椎弓根相关指标参数，每个参数指标测量3次，取平均值。
结果与结论：①枢椎椎弓根各指标除上倾角和内倾角随年龄增长呈下降趋势外，其余各指标均呈上升趋势；②同年龄组间椎弓根上缘宽、椎弓根中缘宽、椎弓根下缘宽互相比较，差异均有显著性意义；③限制枢椎椎弓根螺钉置钉及稳定性的主要因素是椎弓根中缘宽和长，椎弓根中缘宽：1-岁组为(4.26±0.68) mm，3-岁组为(4.92±0.83) mm，5-6岁组为(6.26±1.26) mm；椎弓根长：1-岁组为(12.38±2.10) mm，3-岁组为(21.00±5.39) mm，5-6岁组为(24.62±1.11) mm；④结果表明，1-6岁儿童枢椎椎弓根具有置入3.50 mm螺钉的可行性，不同年龄组置钉方式应有所不同。

https://orcid.org/0000-0002-8329-3368 (李琨)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 儿童, 枢椎椎弓根, 数字化测量, 螺钉内固定, 螺旋CT, 解剖形态

Abstract: BACKGROUND: Internal screw fixation is often required for the treatment of specific axial pedicle fractures in the occipito-atlanto-axial complex region and is widely used in adults. However, there are no anatomic data on the development of the axial pedicle with common internal fixation in children aged 1 to 6 years.
OBJECTIVE: To investigate the feasibility of 3.50 mm perpedicle screw internal fixation of axial vertebrae in children aged 1 to 6 years.
METHODS: Totally 45 children aged 1 to 6 years were selected and divided into three groups: 1-year-old group, 3-year-old group, 5-6-year-old group, with 15 cases in each group. The original cervical CT data were obtained. The width of the upper, middle and lower edges of the vertebral pedicle, the height and length of the vertebral pedicle, the inclination angle and the upclination angle of the screw were measured after three-dimensnioal reconstruction. In each case, the related index parameters of bilateral pedicle were measured, and each parameter index was measured three times, and the average value was taken.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) All the indexes of axial pedicle showed an increasing trend with age, except the upper inclination and inner inclination. (2) The width of the upper edge of the vertebral pedicle, the width of the middle edge of the vertebral pedicle and the width of the lower edge of the vertebral pedicle were significantly different among the same age groups. (3) The main limiting factors of axial pedicle screw insertion and stability were the median edge width and length of the vertebral pedicle. The median edge width of the vertebral pedicle was (4.26±0.68) mm in 1-year-old group, (4.92±0.83) mm in 3-year-old group, and (6.26±1.26) mm in 5-6-year-old group. The pedicle length was (12.38±2.10) mm in 1-year-old group, (21.00±5.39) mm in 3-year-old group, and (24.62±1.11) mm in 5-6-year-old group. (4) These results confirm the feasibility of inserting 3.50 mm screws in the axial pedicle of children aged 1-6 years. The screw placement methods should be different in different age groups.

Key words: children, axial pedicle, digital measurement, screw internal fixation, spiral CT, anatomical shape

中图分类号:

李琨, 高尔科, 熊峰, 王星, 武丹琪, 李志军, 张少杰, 刘亚楠, 朵岚, 李子瑜. 1-6岁儿童枢椎经椎弓根螺钉内固定的可行性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1383-1387.

Li Kun, Gao Erke, Xiong Feng, Wang Xing, Wu Danqi, Li Zhijun, Zhang Shaojie, Liu Yanan, Duo Lan, Li Ziyu. Feasibility of axial transpedicle screw internal fixation in children aged 1 to 6 years[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(9): 1383-1387.

图/表（结果） 4

2.1 不同年龄组枢椎椎弓根置钉相关参数指标测量结果由表1可知，椎弓根各参数指标除上倾角和内倾角随年龄增长呈下降趋势外，其余各指标均呈上升趋势。椎弓根上缘宽、椎弓根中缘宽、椎弓根高、椎弓根长、入钉点距中线距离在3个年龄组间互相比较差异有显著性意义(P < 0.05)。5-6岁组的椎弓根下缘宽高于1-岁组、3-岁组，差异有显著性意义(P < 0.05)。5-6岁组的椎弓根上倾角低于1-岁组、3-岁组，差异有显著性意义(P < 0.05)。1-岁组的椎弓根内倾角高于3-岁组、5-6岁组，差异有显著性意义(P < 0.05)。同年龄组间椎弓根上缘宽、中缘宽、下缘宽互相比较，差异均有显著性意义(P < 0.05)。

该实验以枢椎椎弓根中轴线作为螺钉置入通道，椎弓根峡部中缘宽度是决定螺钉成功置入的重要因素，有学者得出当骨通道至少有0.5 mm的间隙时可以保持置入螺钉的稳定[11]，即3.5 mm螺钉置入时，椎弓根中缘宽度应大于4 mm。但是儿童的骨质柔韧性较强，据报道小儿椎弓根螺钉的直径可为拟固定椎弓根横径的115%[14]，即椎弓根中缘宽度只要大于3.04 mm可置入3.5 mm的螺钉。据此将椎弓根置钉分为危险范围(≤3.04 mm)、临界范围(> 3.04 mm并≤4 mm)、安全范围(> 4 mm) 3个范围，表2为各年龄段以椎弓根峡部中缘宽度为置钉因素统计的置钉范围。由卡方检验可知，1-岁组与3-岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围差异无显著性意义(χ2=2.222，P=0.136)；1-岁组与5-6岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围差异有显著性意义(χ2=12.000，P=0.001)；3-岁组与5-6岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围差异无显著性意义(χ2=3.491，P=0.062)。

2.2 不同年龄组儿童枢椎经椎弓根螺钉置入的入钉点定位及模拟入钉实验观察发现椎弓根入钉点均位于枢椎下关节突后方，且临床手术时此处易于暴露，手术操作方便，因此枢椎下关节突可作为其椎弓根螺钉入钉点的解剖学标志。将3组患者资料导入到Mimics 16.0软件中三维重建，均运用软件的Med CAD工具构建一圆柱体(参数选择半径1.75 mm)模拟椎弓根螺钉置入，通过对其椎弓根通道透明化并进行椎弓根轴线投影，观察其入钉点位置。将枢椎下关节突用九分法分割，其中1-岁组椎弓根轴线主要投影到1，2，4，5区，即枢椎下关节突中点外上侧，见图2A；3-岁组椎弓根轴线大部分投影到4，5区，即枢椎下关节突中点稍外侧，见图2B；5-6岁组椎弓根轴线大部分投影到5区，即枢椎下关节突中点附近，见图2C。

该试验随机在3组中各选1例资料导入到Mimics 16.0软件中三维重建并模拟椎弓根螺钉置入，见图3。3组均透明化观察置钉位置，置钉均成功，且位置良好。

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引言

材料方法

1.1 设计根据CT薄层数据资料和三维重建的枢椎解剖形态测绘，软件模拟入钉。组间数据满足正态齐性和方差齐性，运用单因素方差分析。
1.2 时间及地点 2020年1月至2021年1月在内蒙古医科大学数字医学中心完成。
1.3 材料
1.3.1 实验软件螺旋CT扫描机为美国GE公司 Light Speed 64排螺旋CT，扫描参数：螺旋扫描模式，管球电压80 kV，管电流200 mA，矩阵512×512，螺距1.375∶1，层厚1.25 mm，扫描图像以 DICOM格式导出存盘；测量及重建软件为比利时Materialise公司的Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件，统计学分析使用SPSS 25.0软件，由内蒙古医科大学数字医学中心提供。
1.3.2 患者资料 2016年9月至2021年3月期间在内蒙古医科大学第一、第二附属医院和国际蒙医院收集年龄为1-6岁行螺旋CT扫描涉及枢椎的影像资料(GE Light QX/I 64排螺旋CT，层厚和间距均为0.625 mm，Fov 30×30 cm，矩阵512×512 dpi)，与患者监护人沟通并签署知情同意书且得到上述3所医院伦理委员会批准，并排除枢椎骨折、畸形、肿瘤等疾患致枢椎形态异常的影像资料，共选取45例，每隔2岁为1组，分为3组，1-岁；3-岁；5-6岁，每组15例，每例均测双侧椎弓根相关指标参数。每个参数指标测量3次，取平均值。
1.4 方法将收集的影像资料以DICOM格式导入Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件，在Segmention中运用Thresholding工具选取合适HU阈值生成bone Mask，再利用软件的Edit Masks、Region Growing等工具将枢椎单独生成Mask，行三维重建。运用Centerline工具计算其椎弓根中心线(即中轴线)，并在重建模型及3个轴位视图上调整相应椎弓根中轴线，延长中轴线并标记与枢椎椎弓根整体前、后缘皮质的交点(分别为A、A’、B、B’)。观测枢椎椎弓根上B、B’解剖位置以指导入钉点位置。运用软件的Measure Distance及Measure Angle三维测量工具，在重建模型上测量相关指标参数。同时，运用软件截取垂直于椎弓根最狭处的截面，在截面从上到下将其四等分，观测其解剖形态并测量椎弓根宽及高。3组均运用软件的Med CAD工具构建一圆柱体(参数选择半径1.75 mm)模拟椎弓根螺钉置入，通过对其椎弓根通道透明化并进行椎弓根轴线投影，观察其入钉点位置。
1.5 主要观察指标测量方法见图1。①椎弓根上缘宽(PWU)：椎弓根最峡处四等分后上端分界线的内外侧皮质外缘间距；②椎弓根中缘宽(PWM)：椎弓根最峡处四等分后中间分界线的内外侧皮质外缘间距；③椎弓根下缘宽(PWL)：椎弓根最峡处四等分后下端分界线的内外侧皮质外缘间距；④椎弓根高(PH)：为椎弓根峡部上下皮质外缘间距；⑤椎弓根骨通道全长(POCL)：沿椎弓根中轴线从椎板后缘皮质到椎体前缘皮质间距；⑥入钉点距中线距离(EM)：入钉点距正中矢状面的垂直距离；⑦椎弓根上倾角(f)：椎弓根轴线与相应椎骨水平面在尾侧形成的夹角；⑧椎弓根内倾角(e)：椎弓根轴线与相应椎骨矢状面间夹角。

1.6 统计学分析使用SPSS 25.0统计软件进行数据处理，计量资料以x±s形式表示。两组间比较行t检验；组内数据满足正态齐性和方差齐性时运用单因素方差分析，两两比较采用 LSD 检验，不满足方差齐性时采用非参数检验的Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney检验，计数资料比较采用卡方检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

上颈椎不稳是由骨性或软组织结构异常或损伤造成的[15-16]。椎骨内固定是治疗该区域不稳的有效方式。与其他固定方式相比，经椎弓根固定因可获得较好的把持力、较低的松解率而成为成人枢椎螺钉置入内固定的首选方式[3，17-19]，但是国内外对于低龄儿童的内固定鲜有报道，由于儿童枢椎椎弓根细小，临床手术时螺钉易穿出椎弓根皮质，损伤椎动脉和神经根。鉴于此，该研究对45例1-6岁儿童枢椎影像资料行三维重建测量，评估该年龄段儿童是否适合椎弓根螺钉的置入。
新生儿枢椎为4个骨块构成，随着年龄的增长逐渐骨化完整，其形态结构较特殊，YARBROUSH等[20]提出枢椎上、下关节突之间的结构是椎弓根，即峡部。峡部是置入螺钉的必经通道且最狭细处，成功精准置入椎弓根螺钉，应对其正确定位、定向及定深。因此，影响螺钉成功置入及置入后稳定性的因素有两大类：①椎弓根峡部直径是否允许3.5 mm螺钉放置，置入螺钉直径与椎弓根径线的比值决定其稳定性及安全性；②椎弓根长度决定了置入螺钉的长度，较长的螺钉其把持力和生物力学稳定性也较强。
通过测量峡部相关指标，以论证椎弓根螺钉置入的可行性。椎弓根高决定螺钉置入的纵径，椎弓根宽决定螺钉置入的横径。以椎弓根中轴线为螺钉置入通道，故椎弓根中缘宽度才能反映椎弓根的实际横径。以椎弓根中轴线为置钉骨通道和以往的报道数据，椎弓根峡部中缘宽度被认为是评估枢椎椎弓根置钉可行性最重要的参数[1-2，21-23]。椎弓根峡部中缘宽随年龄增加逐渐增长，且在3组间差异均有显著性意义。据文献报道椎弓根螺钉置入的骨通道距椎弓根皮质至少应有0.5 mm的间隙及儿童椎弓根弹性和膨胀率较大的特点[11，24-25]，椎弓根中缘宽度只要大于4 mm，临床置钉就在安全范围，该研究1-岁组在安全范围占62.22%，3-岁组占83.33%，5-6岁组占100%。椎弓根中缘宽度在3.04 mm和4 mm之间为临界范围，1-岁组在临界范围占37.78%，3-岁组占16.68%。椎弓根中缘宽度小于3.04 mm为危险范围，该试验所有测量的3组参数没有位于危险范围的数值。经统计，1-岁组与3-岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围没有显著差异；1-岁组与5-6岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围有显著差异；3-岁组与5-6岁组儿童椎弓根中缘宽值在临界范围和安全范围没有显著差异。临床以椎弓根中轴线为置入螺钉通道，3组均具有置入直径3.5 mm螺钉的可行性，但5-6岁组置钉的安全率较高。
另外，成功置入枢椎椎弓根螺钉还受螺钉长度限制，椎弓根螺钉的把持力与置入螺钉的长度成正比。实验结果显示，3组椎弓根骨通道全长差异均有显著性意义。置入螺钉长度以椎弓根骨通道全长的80%为标准[26|，对于螺钉长度，1-岁组约需10 mm，3-岁组约需16.8 mm，5-6岁组约需19.7 mm，1-岁组儿童由于年龄小，椎弓根与椎体间的骨骺线未闭合，椎弓根骨通道全长较短，故螺钉的抗拔出力和把持力还需进一步验证。
研究结果显示，3组入钉点距中线距离、内倾角及上倾角差异均有显著性意义，故不同年龄组置钉方式亦有不同。枢椎经椎弓根置钉的定位方法很多[27-29|，该研究观察发现椎弓根入钉点均位于枢椎下关节突后方，且临床手术时此处易于暴露，手术操作方便，因此枢椎下关节突可作为椎弓根螺钉入钉点的解剖学标志。1-岁组枢椎椎弓根细小，螺钉通道几乎为椎弓根的中轴线，入钉点为下关节突的中点上外侧，距枢椎中线约13.49 mm，内倾约30.64°，上倾约26.36°；3-岁组入钉点为下关节突的中点稍外侧，距枢椎中线约
15.46 mm，内倾约27.45°，上倾约25.96°；5-6岁组入钉点为下关节突中点附近，枢椎中线旁开约16.92 mm，内倾约26.00°，上倾约22.29°。同年龄组间椎弓根上、中、下缘宽参数指标呈下降趋势，且这3个参数指标同年龄组间互相比较，差异均有显著性意义。因此，在临床置钉时，由于椎弓根上缘最宽、下缘最窄，入钉点可偏上不宜偏下。综上所述，1-6岁儿童枢椎椎弓根置入螺钉是可行的。
该研究存在一定的局限性：①排除了先天性异常患者，因此不能将测量结果应用于这个患病群体；②基于影像资料的形态学测量，其生物力学稳定性还有待于下一步实验验证。
结论：在临床工作中，为避免严重的术中并发症，外科医生在术前应仔细评估椎弓根的形态，术前需常规螺旋CT并行三维重建，为患儿制定个性化手术方案。对1-6岁儿童枢椎行椎弓根螺钉内固定时，由于其脊柱尚在发育，不同年龄儿童在置钉时应有所区别。该研究对1-6岁儿童枢椎椎弓根螺钉置入提供了理论依据，这个年龄段的儿童具有置入3.50 mm螺钉的可行性，年龄越大可行性越高。行椎弓根螺钉置入时，1-岁组入钉点为下关节突的中点上外侧，距枢椎中线约13.49 mm，内倾约30.64°，上倾约26.36°；3-岁组入钉点为下关节突的中点稍外侧，距枢椎中线约15.46 mm，内倾约27.45°，上倾约25.96°；5-6岁组入钉点为下关节突中点附近，枢椎中线旁开约16.92 mm，内倾约26.00°，上倾约22.29°。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1-6岁儿童枢椎经椎弓根螺钉内固定的可行性

Feasibility of axial transpedicle screw internal fixation in children aged 1 to 6 years

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