腰椎椎弓根CT影像学参数的测量与临床意义

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0173

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

测量椎弓根解剖学形态的方法：目前测量椎弓根解剖学形态的方法主要有：①用游标卡尺直接在尸体标本进行测量；②运用X射线进行尸体或活体测量；③对尸体或活体CT平扫测量；④运用螺旋CT技术对尸体或活体进行三维重建及测量。由于椎弓根结构的特殊性，前3种方法均无法很好的了解及展现其内部形态，而多排螺旋CT重建技术在研究椎弓根通道内部结构形态方面具有很大优势。这项技术可从任意平面对对象进行重建，能更清晰准确地测量。

CT重建：通常根据CT平扫获得的物体数据来重新建立图像，骨科常用的有三维重建和表面重建。而多平面重建是从原始的横轴位图像经后处理获得人体组织器官任意的冠状、矢状、横轴和斜面的二维图像处理方法，与MR图像十分相近，显示全身各个系统器官的形态学改变，尤其在判断颅底、颈部、肺门、纵隔、腹部、盆腔及大血管等解剖结构和器处理官的病变性质、侵及范围和毗邻关系有着明显优势。

摘要

背景：尽管随着技术的发展，越来越多精确、个性化的检测和辅助工具应用于骨科领域，但是目前术前CT依然是众多骨科医师的一线检查手段。因此掌握腰椎椎弓根的CT影像学表现是脊柱外科医生的基础，也是脊柱置钉手术的基石。

目的：通过CT影像技术，测量国人腰椎椎弓根影像学参数，了解其内部结构规律作为螺钉选择的依据，以提高置钉手术的安全性与准确性。

方法：随机选择36例于苏州大学第一附属医院行腰椎及腹腔CT检查但无腰椎相关疾病的病例，其中男20例，女16例，年龄(43.3±12.3)岁。应用PACS系统进行腰椎重建，测量相关影像学参数。

结果与结论：①病例自身左右两侧椎弓根各参数进行配对样本t检验，差异均无显著性意义(P > 0.05)；②腰椎椎弓根上倾角总体呈下降趋势，变化水平较小，L₄相对L₃增大些，L₅水平最小，平均为-1.3°；外倾角相反呈逐渐增大趋势，L₅处最大，均数为25.4°；③椎弓根通道长度在腰椎节段先增大后减小，在L₂节段最长平均52.2 mm，L₅最短，平均47.4 mm；④椎弓根高度在L₁-L₃水平略有缩小，最小15.4 mm(L₃均数)，后至L₅达到最大，可达22.7 mm(L₅均数)；松质骨高度也呈相同趋势，最小L₃为10.2 mm，最大L₅为17.9 mm；⑤腰椎椎弓根宽度呈上升趋势，L₁最小为7.7 mm，L₅最大为12.5 mm；松质骨宽度也成相似上升趋势，最窄L₁平均为4.9 mm，最大L₅平均为8.5 mm；⑥总体上看，上腰椎椎弓根通道细长，而下腰椎稍粗短；⑦综上，通过对椎弓根形态参数的测量，其相关参数可以成为选择合适螺钉的依据。同时，腰椎各节段椎弓根形态具有一定差异也存在一定规律，准确把握其结构与影像特点是椎弓根螺钉置钉手术的基础。而术前影像资料的收集评估，结合患者一般情况，制定个性化的置钉方案，在提高置钉的安全性和准确性方面有所帮助。

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
ORCID: 0000-0002-0170-2333(管喆恒)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 腰椎, 椎弓根, 测量, CT, 椎弓根螺钉

Abstract:

BACKGROUND: Although more and more accurate and personalized detection and assistive tools are used in the field of orthopedics with the development of technology, the preoperative CT is still the first-line examination choice of many orthopedic surgeons. Therefore, to master the lumbar spine CT imaging performance is not only the basis of spine surgeons, but also the cornerstone of spinal nail surgery.

OBJECTIVE: Through CT imaging technique, we measured the parameters of lumbar pedicle imaging, and understood its internal structure as the basis for the choice of screws, in order to improve the safety and accuracy of nail surgery.

METHODS: Totally 36 cases without lumbar vertebrae-related disease undergoing lumbar vertebra and abdominal cavity CT scan were randomly selected, including 20 males and 16 females at the age of (43.3±12.3) years. PACS was used to reconstruct lumbar vertebrae, and the related imaging parameters were measured.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference between the left and right sides of the pedicle for paired t-test (P > 0.05). (2) Pedicle sagittal angle had downward trend, the level of change was small; L₄ increased relative to L₃; L₅ level was minimum at the average of -1.3°. Pedicle transverse angle had gradually increased trend, and maximum at L₅; the average was 25.4°. (3) The length of the pedicle channel increased first and then decreased in the lumbar segment; the longest average was 52.2 mm in the L₂segment, the shortest at L₅, with an average of 47.4 mm. (4) The pedicle height was slightly narrowed at L₁-L₃ levels; the smallest was 15.4 mm (L₃ mean), and reached the maximum in the L₅ at 22.7 mm (L₅ mean). Cancellous bone height also showed the same trend, the minimum in the L₃ at 10.2 mm, the maximum in the L₅ at 17.9 mm. (5) Lumbar pedicle width showed an upward trend, L₁ minimum of 7.7 mm, L₅ maximum of 12.5 mm. Cancellous bone width also became a similar upward trend; the narrowest L₁, averagely 4.9 mm; the maximum L₅, averagely 8.5 mm. (6) Overall, the upper lumbar pedicle channel was slender, while the lower lumbar spine was slightly short. (7) The parameters of the pedicle can be used as the basis for selecting the appropriate screw. At the same time, lumbar pedicle morphology has a certain difference, and there is a certain law. Accurately grasping its structure and image characteristics of pedicle screw fixation is the basis of surgery. The preoperative imaging data collection and assessment, combined with the general situation of patients, and the development of personalized programming, will help in improving the safety and accuracy of screw placement.

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

Key words: Lumbar Vertebrae, Bone Nails, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

管喆恒，杨惠林，罗宗平，崔旭东，潘晓宇，严沫琦，王一帆，陆霁航. 腰椎椎弓根CT影像学参数的测量与临床意义[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1743-1748.

Guan Zhe-heng, Yang Hui-lin, Luo Zong-ping, Cui Xu-dong, Pan Xiao-yu, Yan Mo-qi, Wang Yi-fan, Lu Ji-hang. Measurement and clinical significance of lumbar pedicle CT imaging parameters[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1743-1748.

图/表（结果） 2

参考文献

[1] Gailloud P, Beauchamp N, Martin J, et al. Percutaneous pediculoplasty:polymethylmethacrylate injection into lytic vertebral pedicle lesions. J Vasc Interv Radiol. 2002;13(5):517-521.

[2] Modi HN, Suh SW, Fernandez H, et al. Accuracy and safety of pedicle screw placement in neuromuscular scoliosis with free-hand technique. Eur Spine J. 2008;17(12):1686-1696.

[3] Gelalis ID, Paschos NK, Pakos EE, et al. Accuracy of pedicle screw placement: a systematic review of prospective in vivo studies comparing free hand, fluoroscopy guidance and navigation techniques. Eur Spine J. 2012;21(2):247-255.

[4] Watanabe K, Matsumoto M, Tsuji T, et al. Ball tip technique for thoracic pedicle screw placement in patients with adolescent idiopathic scoliosis. J Neurosurg Spine. 2010;13(2):246-252.

[5] Tian NF, Xu HZ. Image-guided pedicle screw insertion accuracy: a meta-analysis. Int Orthop. 2009;33(4):895-903.

[6] Boucher HH. A method of spinal fusion. J Bone Joint Surg Br. 1959; 41-B(2):248-259.

[7] 唐天驷. 胸腰椎骨折患者的椎弓根短节段脊柱内固定器治疗[J]. 苏州医学院学报, 1989,30(3):178.

[8] 陈耀然,唐天驷. 后路内固定术有关解剖结构在脊柱外科上的应用和评价[J]. 中国临床解剖学杂志,1989,7(4):238-240.

[9] Magerl FP. Stabilization of the lower thoracic and lumbar spine with external skeletal fixation. Clin Orthop Relat Res.1984;(189):125-141.

[10] Misenhimer GR, Peek RD, Wiltse LL, et al. Anatomic analysis of pedicle cortical and cancellous diameter as related to screw size. Spine (Phila Pa 1976).1989;14(4):367-372.

[11] Hou S, Hu R, Shi Y. Pedicle morphology of the lower thoracic and lumbar spine in a Chinese population. Spine (Phila Pa 1976). 1993; 18(13):1850-1855.

[12] 陈耀然,唐天驷. 椎弓根的观测及其临床意义[J]. 中华外科杂志, 1989, 27(10):578-580.

[13] Zindrick MR, Wiltse LL, Doornik A, et al. Analysis of the morphometric characteristics of the thoracic and lumbar pedicles. Spine (Phila Pa 1976). 1987;12(2):160-166.

[14] Nojiri K, Matsumoto M, Chiba K, et al. Morphometric analysis of the thoracic and lumbar spine in Japanese on the use of pedicle screws. Surg Radiol Anat. 2005;27(2):123-128.

[15] Kim NH, Lee HM, Chung IH, et al. Morphometric study of the pedicles of thoracic and lumbar vertebrae in Koreans. Spine (Phila Pa 1976). 1994;19(12):1390-1394.

[16] Krag MH, Beynnon BD, Pope MH, et al. An internal fixator for posterior application to short segments of the thoracic, lumbar, or lumbosacral spine. Design and testing. Clin Orthop Relat Res.1986;(203):75-98.

[17] Louis R. Fusion of the lumbar and sacral spine by internal fixation with screw plates. Clin Orthop Relat Res.1986;(203):18-33.

[18] Roy-Camille R, Saillant G, Mazel C. Internal fixation of the lumbar spine with pedicle screw plating. Clin Orthop Relat Res.1986;(203): 7-17.

[19] Lehman RJ, Polly DJ, Kuklo TR, et al. Straight-forward versus anatomic trajectory technique of thoracic pedicle screw fixation: a biomechanical analysis. Spine (Phila Pa 1976).2003;28(18): 2058-2065.

[20] Sterba W, Kim DG, Fyhrie DP, et al. Biomechanical analysis of differing pedicle screw insertion angles. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2007; 22(4):385-391.

[21] Panjabi MM, O'Holleran JD, Crisco JR, et al. Complexity of the thoracic spine pedicle anatomy. Eur Spine J. 1997;6(1):19-24.

[22] 陈开润,刘蜀生.腰椎椎弓根内部结构的解剖学研究[J]. 四川解剖学杂志, 2007,15(3):26-28.

[23] Krag MH, Beynnon BD, Pope MH, et al. Depth of insertion of transpedicular vertebral screws into human vertebrae: effect upon screw-vertebra interface strength. J Spinal Disord. 1988;1(4):287-294.

[24] 饶书城. 脊柱外科手术学[M]. 2版.北京:人民卫生出版社,1999:354-356.

[25] Atlas SW, Bressler EL, Weinberg PE, et al. Roentgenographic evaluation of thinning of the lumbar pedicles. Spine (Phila Pa 1976). 1993;18(9):1190-1192.

[26] Benzian SR, Mainzer F, Gooding CA. Pediculate thinning: a normal variant at the thoracolumbar junction. Br J Radiol.1971;44(528): 936-939.

[27] 何伟,钱宇,杨万雷,等. 胸腰段窄小椎弓根的应用解剖学研究[J]. 中华骨科杂志, 2017,37(1):36-43.

[28] 王方永,李建军. 胸腰椎椎弓根解剖参数三维分析[J]. 中国康复理论与实践,2012,18(2):134-136.

[29] Makino T, Kaito T, Fujiwara H, et al. Analysis of lumbar pedicle morphology in degenerative spines using multiplanar reconstruction computed tomography: what can be the reliable index for optimal pedicle screw diameter? Eur Spine J. 2012;21(8):1516-1521.

引言

材料方法

1.1 设计 回顾性调查分析。

1.2 时间及地点 于2016年12月至2017年1月在苏州大学第一附属医院影像科完成。

1.3 对象 从2013年10月至2016年12月已在苏州大学第一附属医院行腰椎或下腹部CT检查的人群中，随机选择36例病例。

排除标准：患有腰椎相关疾病(包括先天或后天脊柱畸形、腰椎结核、肿瘤、创伤、感染等)、慢性肾病、恶性肿瘤、肺结核等疾病的病例。

实验设备及软件：64排螺旋CT机(西门子SIEMENS公司)；PACS综合图像软件系统(东软公司)。

1.4 方法

1.4.1 测量方法 ①应用多排螺旋CT扫描后，用PACS系统工作站打开图像，设定骨窗为：窗宽1 500 Hu，窗位 450 Hu。调整灰度、对比度，获得清晰的骨窗，设定长度精度为0.1 mm，角度精度为1°；②在横断位上选择以椎弓根轴线方向进行重建(图1A)，获得平行于椎弓根轴线的矢状位图(图1B)；③在所得的矢状位上选择以椎弓根轴线方向进行重建(图1B)，获得垂直于椎弓根轴线上的冠状位图(图1C)，滑动滚轮选出最窄的椎弓根截面，即椎弓根峡部，测量相关数据并记录。

1.4.2 测量参数(骨窗)

椎弓根高度：最窄椎弓根截面上，椎弓根上下侧皮质外缘之间最短距离。

椎弓根宽度：最窄椎弓根截面上，椎弓根内外皮质外缘之间最短距离。

椎弓根松质骨高度：在最窄椎弓根截面上，椎弓根上下皮质内侧缘之间最短距离。

椎弓根松质骨宽度：在最窄椎弓根截面上，椎弓根内外皮质内侧缘之间最短距离。

如图2所示，以显著的CT信号变化为界，区分松质骨与皮质骨。

椎弓根通道长度：前面所得横截面上，椎弓根轴线与椎体前缘皮质骨的交点和椎弓根轴线与椎弓根后缘皮质骨交点之间的距离，也称椎弓根轴长，即图3A中线段ab。椎弓根轴线即椎弓根松质骨上下、内外的中点。

椎弓根水平面夹角：横断面上，椎体椎弓根轴线与椎体矢状面的夹角，如图3B。

椎弓根矢状面夹角：矢状面上椎体上终板与椎弓根轴线所成的夹角，如图3C。

1.5 主要观察指标 观察在不同节段各测量参数的差异性。

1.6 统计学分析 所测结果使用Microsoft Excel、SPSS 19.0以及GraphPad Prism 5.0统计软件分析及制图，计量资料使用x(_)±s表示，组间比较使用配对t 检验，P < 0.05时为差异有显著性意义。

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

讨论

1959年Boucher等^[6]第1次将椎弓根螺钉应用于脊柱手术，而后著名学者唐天驷教授率先在全国应用椎弓根螺钉内固定术治疗脊柱椎体骨折^[7-8]，获得广泛肯定。随着技术的发展和推广，椎弓根螺钉内固定术已逐渐受到同道认可和接受，也成为现代脊柱外科常规手术，在治疗脊柱骨折、退行性病变、肿瘤及畸形矫正等疾病中广泛应用。

有文献报道在胸腰椎由于置钉不良导致螺钉侵犯椎弓根壁的发生率为1.5%-43%^[2]，且大多数研究皮质穿破率为28%-43%，少有报道低于5%。Gelalis等^[3]统计26篇临床文章，包括1 105例患者，6 617个椎体。徒手技术置钉不良的占6%-31%，X射线辅助15%-72%，CT导航0-11%，X射线导航8%-19%。其中徒手置钉技术更容易导致椎弓根内侧皮质的穿破，而CT导航似乎更倾向于穿破外侧皮质骨。如果螺钉穿破椎弓根皮质，不仅会降低内固定强度，引起内固定松动，还可能损伤到内脏、脊髓、神经根等重要组织，引发更严重的并发症。

如何有效减少在建立椎弓根通道过程中导致穿破椎弓根皮质骨的情况发生是具有重要意义的课题。目前主要辅助建立椎弓根通道的方法有X射线辅助徒手技术和CT数字导航技术，也有诸如球形探针技术(Ball Tip)^[4]、B超引导等辅助工具或设备的出现。但是这些设备技术很大程度上依赖临床医师的临床经验，需要一定的学习曲线和经验门槛，同时也存在着缺陷。X射线辅助技术会增加医患双方的辐射暴露量，也会增加手术时间，同时增大术中感染的风险。虽然数字影像导航技术在脊柱外科手术的应用一定程度上提高了置钉的准确性^[3^，^5]，但目前设备要求较高，操作相对复杂，同时存在增加医院和患者双方经济成本的不足，限制了其应用和推广。

因此，精准地置入椎弓根螺钉对于内固定的稳定性及预防不良相关并发症起着十分重要作用，而由于椎弓根形态结构的复杂性和多样性，更需要深入了解地其特征，这也是提高置钉手术准确性与安全性的基础。

3.1 椎弓根上倾角及外倾角的测量意义 选择正确的进针点和合适的进针方向的建立椎弓根通道的首要步骤。Mager法和“人”字嵴法是确定椎弓根通道进针点的常用方法^[9-12]。前者进针点位置为上关节突外缘垂线与左右横突中点连线的交点，而乳副突间凹为后者的进针点。另一方面适当的进针方向主要取决于椎弓根的是上倾角和外倾角，即水平面角和矢状面角。

根据本试验测量结果显示，腰椎部分的椎弓根上倾角总体呈下降趋势，变化水平较小，L₄相对L₃增大些，L₅水平最小，平均为-1.3°；外倾角相反呈逐渐增大趋势，L₅处最大，均数为25.4°。总体结果与以往文献报道相近。Zindrick等^[13]使用X射线与CT测量椎弓根上倾角和外倾角，具有相似的变化趋势，上倾角最小为L₅，平均-1.8°，外倾角最大为L₅，平均29.8°。Nojiri等^[14]与Kim等^[15]也得出类似结果，但个别阶段测量结果存在差异可能与人种差异、个体差异或是测量误差有关。

根据患者的上倾角与外倾角参数来建立椎弓根通道，即沿椎弓根长轴前进，Zindrick等^[13]和Krag等^[16]认为是较安全的方向。而Louis等^[17]和Roy-Camille等^[18]抱有不同看法，他们认为应避开内侧，平行终板直线朝前。Lehman 等^[19]研究结果表明直向进钉法比沿椎弓根轴线方向进钉方法的旋入力增加39%，而抗拔出力增加27%。他们对比了两种方法后认为主要原因可能是螺钉周围骨组织的密度不同，前者螺钉更靠近椎体上缘皮质骨与上终板，其骨密度稍高，这种方法的螺钉拥有更好稳定性^[20]，而后一种方法螺钉周围骨质较松，抗拔出与旋转力相对较差。因此，作者认为具体选择方向时应以患者相应节段的上倾角、外倾角为基础，综合骨密度等个体情况，适当进行方向上的调整，以获得个体化、安全又牢固的解决方案。

3.2 椎弓根通道长度及椎弓根峡部参数的测量意义 椎弓根通道建立过程中是否穿破皮质还取决于穿刺针的大小及长度，就像置钉手术中需要选择的合适大小的椎弓根螺钉一样，过粗过长的螺钉会增加皮质穿破的风险。Panjabi等^[21]通过测量认为椎弓根为哑铃状的不规则结构，而椎弓根峡部就是“哑铃”中最狭窄的部分。无论是椎弓根螺钉还是穿刺探针在推进过程中都受到椎弓根峡部的限制。本试验通过CT三维重建能更准确的测量椎弓根峡部参数情况，总体结果与前述文献报道基本一致。测量结果表明椎弓根峡部的宽度远小于高度，因此椎弓根螺钉直径主要取决于椎弓根峡部的宽度。

就椎弓根置钉手术而言，螺钉不能过长过粗，同样也不能过细过短，这会出现松动，影响稳定性及手术效果。Misenhimer等^[10]研究报告表明如果椎弓根螺钉占椎弓根

通道的比例超过80%，则更容易穿破椎弓根以及椎体前壁皮质，引起神经血管损伤等并发症；相反如果选择螺钉过细，则螺钉与骨质接触减少更容易出现松动不稳。此外，在L₁、L₂腰椎节段上椎弓根长度较长而椎弓根峡部宽度较小，这提示上腰椎会比其他腰椎的椎弓根螺钉内固定安全性差些^[22]。目前学者主要认为椎弓根通道长度的80%是螺钉长度的一个界限，这会使内固定手术的安全性与螺钉稳定性两方面达到一定的平衡^[23-24]。

由于实验样本数量偏少，未采集到一些变异椎体的参数。如Atlas等^[25]报道了椎弓根宽度仅为3 mm的腰椎间盘突出症患者，这与正常人群的宽度明显偏小。同时，Benzian等^[26]的研究表明在200例样本中约有7%的椎弓根变扁，并有不同程度的变异。而何伟等^[27]测量了312例其中椎弓根窄小者26例，占8.33%，并且该组置钉穿透骨皮质发生率达84.6%(27/32枚)。这应引起临床医生的注意，术前了解到这种变异存在对手术具有重要意义^[28-29]。本试验为回顾性研究，未采集身高体质量数据，如要对性别因素进行分析比较，应去除身高体质量因素的影响，同时加大样本数量。总的来说，根据患者术前的影像资料，选择适合的螺钉长度、进针点与进针方向，制定个体化的制定方案，对降低并发症风险具有一定意义。

3.3 结论 通过对椎弓根形态参数的测量，椎弓根通道的长度、椎弓根峡部的宽度可以成为选择合适螺钉的依据。同时，各阶段腰椎具有一定差异但也存在规律，准确把握其内部结构与影像学特点是椎弓根螺钉置钉手术的基础。而术前影像资料的收集评估，结合患者一般情况，制定个性化的制定方案，在提高手术的安全性和准确性方面有所帮助。

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