枢椎交叉椎板螺钉轨道的模拟设计

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0348

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (27): 4332-4336.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0348

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枢椎交叉椎板螺钉轨道的模拟设计

孙月荣¹，王天瑞²，潘荣芳³，王岩¹，任翀旻¹，张国庆¹，陈伯华¹，岳斌¹

青岛大学附属医院，¹骨科，³营养科，山东省青岛市 266003；²河北医科大学，河北省石家庄市 050000

出版日期:2018-09-28 发布日期:2018-09-28
通讯作者: 岳斌，副主任医师，硕士生导师，青岛大学附属医院骨科，青岛市 266003
作者简介:孙月荣，女，1975年生，山东省东营市人，汉族，主要从事脊柱退行性疾病的基础和临床研究。
基金资助:
山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2011YY006)

Virtual design of trajectory of cervical crossing laminar screw

Sun Yue-rong¹, Wang Tian-rui², Pan Rong-fang³, Wang Yan¹, Ren Chong-min¹, Zhang Guo-qing¹, Chen Bo-hua¹, Yue Bin¹

¹Department of Orthopedics, ³Department of Nutrition, the Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, Shandong Province, China; ²Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China

Online:2018-09-28 Published:2018-09-28
Contact: Yue Bin, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, the Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, Shandong Province, China
About author:Sun Yue-rong, Department of Orthopedics, the Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, Shandong Province, China
Supported by:
the Research Award Fund for Outstanding Young Scientists in Shandong Province, No. BS2011YY006

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

Mimics虚拟置钉测量：利用Mimics软件对C₂的CT扫描图像进行三维重建，在重建模型上做C₂交叉椎板螺钉的虚拟设计，模拟空间角度、长度等与颈椎实物相一致，可对不同入钉位置和轨道进行多次、反复设计，测量结果具有科学性和可信性，且取材方便，适于临床研究和应用。

C₂交叉椎板螺钉固定技术：由Wright在2004年首次报道。C₂的棘突和椎板较厚，在棘突与椎板交界处入钉，双侧螺钉交叉植入对侧椎板，在临床治疗寰枢椎不稳相关疾病或损伤中，可以达到较好的固定和生物力学效果，减少椎动脉损伤的发生。

摘要

背景：C₂交叉椎板螺钉入钉点、入钉轨道会影响置钉效果和安全性。

目的：利用Mimics软件对C₂椎体进行三维重建、虚拟置钉和测量，探讨国内C₂交叉椎板螺钉应用的形态结构基础以及适宜的入钉点和入钉轨道。

方法：2012年2月至2016年7月青岛大学医学院附属医院行颈椎CT扫描并符合纳入排除标准的影像400例，将CT扫描的影像资料导入Mimics 15.0进行三维重建，建立C₂的椎体的三维图像后，进行虚拟交叉椎板螺钉置钉(直径3.5 mm)，测量椎体形态和入钉轨道。

结果与结论：①C₂椎板和棘突高度和厚度存在明显的性别差异(P < 0.05)，均可支持交叉螺钉固定；②C₂椎体距椎管后缘向棘突方向5.0-6.0 mm处作为虚拟入钉点，入钉成功率分别为男性92.1%、女性86.1%、最大安全角度范围，与其他入钉点相比差异有显著性意义(P < 0.05)，同时，可有较大的入钉长度；③综上所述，国内成年人有C₂交叉椎板螺钉固定适宜的解剖学基础，C₂椎体距椎管后缘向棘突方向5.0-6.0 mm处作为虚拟入钉点，可获得良好的入钉轨道。

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: 0000-0003-0184-8700(岳斌)

关键词: C₂交叉椎板螺钉, 轨道分析, 计算机三维模拟手术设计, 安全角度范围, 椎板, 棘突, 形态测量, 最大入钉长度, 骨科植入物

Abstract:

BACKGROUND: Entry point and trajectory of C₂ crossing laminar screw can affect its clinical effect and safety.

OBJECTIVE: To explore the structural basis of application of C₂crossing laminar screw in China and the suitable entry point and trajectory using Mimics software through three-dimensional reconstruction, virtual design and measurement.

METHODS: Totally 400 cases of cervical CT data were collected between February 2012 and July 2016 at the Affiliated Hospital of Qingdao University. Three-dimensional reconstruction and virtual entry point and trajectory of C₂crossing laminar screw (3.5 mm in diameter) were performed using Mimics 15.0. C₂ morphology and screw trajectory were measured.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There were significant differences in the height and thickness of the C₂ laminae and spinous process between sexes (P < 0.05), which could support the application of C₂ crossing laminar screw. (2) Zone 5.0–6.0 mm posterior to the spinal canal was recommended as a feasible entry point due to the maximum success rate (92.1% in men, 86.1% in women) and maximum safe angle range. (3) These results suggest that domestic adults have appropriate anatomical basis for C₂ crossing laminar screw, and zone 5.0–6.0 mm posterior to the spinal canal was recommended as a feasible entry point.

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: Bone Nails, Image Processing, Computer-Assisted, Computer Simulation, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

孙月荣，王天瑞，潘荣芳，王岩，任翀旻，张国庆，陈伯华，岳斌. 枢椎交叉椎板螺钉轨道的模拟设计[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(27): 4332-4336.

Sun Yue-rong, Wang Tian-rui, Pan Rong-fang, Wang Yan, Ren Chong-min, Zhang Guo-qing, Chen Bo-hua, Yue Bin. Virtual design of trajectory of cervical crossing laminar screw[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(27): 4332-4336.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 回顾性分析。

1.2 时间及地点 试验于2012年2月至2016年7月青岛大学医学院附属医院脊柱外科完成。

1.3 对象 在青岛大学医学院附属医院行颈椎CT扫描的颈椎疾病患者。基于power分析，满足统计分析所需最少样本数。同时结合临床实际，按时间顺序先后纳入400例。所有患者均知情同意。

纳入标准：①因颈椎外伤或退行性疾病所致寰枢椎不稳行颈椎CT扫描的患者；②年龄大于16周岁。

排除标准：寰枢椎骨折、有寰枢椎手术史以及枢椎肿瘤或畸形的患者。

其中男性227例(56.8%)，女性173例(43.2%)，年龄16-69(41.2±13.5)岁。

1.4 方法 将CT扫描的影像资料导入Mimics 15.0(比利时Materialise公司)进行三维重建，建立C₂椎体的三维图像后，进行虚拟交叉椎板螺钉置钉(直径3.5 mm)和测量。C₂椎体从椎管后缘至棘突方向每隔1 mm，分成若干区域，作为模拟螺钉入钉点。螺钉自不同入钉点处虚拟置入，双侧螺钉交叉植入对侧椎板，使螺钉不穿破椎板和椎弓根。入钉方法及部分测量指标三维示意图见图1^[11]。

1.5 主要观察指标 椎板中部的高度(H1)、棘突椎板连接块高度(H2)、棘突长度(L1)、板中部横断面最小圆径(L2)、安全入钉角度(SA，为螺钉通过椎板中点而没有破坏椎板内侧皮质时与轴向夹角最大值和最小值的均值)、安全入钉角度范围(SAR，螺钉与轴向夹角最大值和最小值的差值)、最大入钉长度(MSL，为安全入钉角度均值处的入钉长度，即入钉点至对侧椎板与横突关节突前外侧交界的距离)。

1.6 统计学分析 采用SPSS 19.0(美国SPSS公司)进行统计学分析。计量资料以x(_)±s表示，非配对t 检验比较组间差异，计数资料的比较采用卡方检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

研究表明，C₂的解剖结构中，椎板的高度、厚度可支持螺钉的置入，使得椎板螺钉固定技术易于操作^[12-13]，且经C₂椎板螺钉固定技术融合率高、并发症少^[7]。试验对棘突椎板连接块高度和棘突长度以及椎板中部的高度和横截面最小圆径进行了测量。棘突椎板连接块高度平均为(12.6±2.6) mm，可支持2枚3.5 mm螺钉的交叉置入；椎板中部是整个椎板较薄的部分，主要影响椎板内螺钉的角度，中部横截面的最小圆径双侧分别为(4.8±1.1) mm和(4.7±0.9) mm，均可支持3.5 mm螺钉的置入。Ma等^[12]在其研究中认为棘突高于9.0 mm且双侧椎板厚度大于 4.0 mm即可进行双侧椎板螺钉固定。黄师等^[14]对60例枢椎标本测量发现，85.8%的椎板厚度在4.0 mm以上，78.3%的在5.0 mm以上。该研究中，棘突长度平均为(8.8± 1.7) mm，其中0-2 mm段模拟入钉难以穿过椎板中点，因此将棘突2-8 mm段每隔1 mm分为一个模拟入钉点，进行虚拟交叉椎板螺钉固定。

Kim等^[10]对C₂椎板的形态进行了分析，发现椎板横截面存在个体差异，倒梨形横截面可能导致螺钉穿出皮质，适宜的入钉轨道有利于提高置钉安全性。此次研究中，分析不同入钉点的置钉成功率，可发现距椎管后缘5.0- 6.0 mm处作为入钉点，置钉成功率男性和女性分别为92.1%和86.1%，平均为89.5%，显著高于其他入钉点(P < 0.05)，可作为首选入钉点；3.0-4.0 mm、4.0-5.0 mm、6.0-7.0 mm处置钉成功率平均分别为73.5%，82.3%，76.5%，亦可作为备选入钉点。以上入钉点处置钉成功率不同性别无显著差异性。此外，5.0-6.0 mm处置入螺钉安全入钉角度范围为(9.4±4.5)°，显著高于其他入钉点，且入钉长度平均为(21.7±2.3) mm；6.0-7.0 mm、4.0-5.0 mm处亦可产生较好的安全入钉角度范围和最大入钉长度，临床中可作为备选入钉点。此外，王建等^[15]对枢椎椎板螺钉出针点进行了测量，发现两侧出针点距侧块边缘距离无明显性别差异。

双侧C₂交叉椎板螺钉固定技术自Wright报道后，为减少螺钉穿入椎管，多位学者对其进行了研究和改良。陈科等^[16]经研究比较发现， C₂交叉椎板螺钉固定比椎弓根螺钉和经关节螺钉技术有更高的侧方弯曲活动度，椎动脉损伤风险更小，而生物力学稳定性相似。黄师等^[17]对不同固定技术的生物力学性能进行了分析，C₂交叉椎板螺钉结合C₁侧块与经关节螺钉固定都可提供较好的生物力学稳定性。Sinha等^[6]对患者行C₂交叉椎板螺钉固定后，随访未见神经或血管系统并发症，患者术后颈椎机能获得明显改善。王向阳在椎板中部开窗，术中直视钻头通过开窗处，无需透视，在平均13.4个月的随访期间，无明显螺钉松动以及并发症发生，寰枢关节骨性融合良好，取得了较好的置钉效果^[18]。Engler等^[19]则在术中采用荧光透视辅助置钉，置钉效果良好，术后患者症状亦获得明显改善。Kaneyama等^[20]研制了一种定制的螺钉导航模板系统，不仅可用于精确导航C₂椎板、椎弓根、胯关节等后路固定技术，还可适用于枢椎畸形的患者，但对导航模板系统和多步骤的置钉技术有较高的要求。胡勇等^[21]经计算机辅助设计钉道后，利用数字化导向模块辅助置钉，置钉的准确性明显提高。儿童的枢椎解剖结构尽管与成人相差较大，但研究表明5岁以下儿童经C₂椎板仍可置入3.5 mm螺钉，术后可获得较好的融合，较少发生并发症^[22-28]。Singh等^[29]对8例儿科患者(2-17岁)双侧椎板置入3.5 mm螺钉，在平均8个月的随访期内无血管或神经系统并发症，未发生感染、椎板骨折或螺钉穿出，显示了良好的安全性。Xia等^[30]利用儿童的CT扫描数据，将手术方式改良经椎板背侧穿出，模拟置钉，认为改良后的手术方式可使C₂椎板较大的儿童，获得更大的入钉角度和较好的置钉效果。但目前国内尚无C₂椎板螺钉技术应用于儿童的临床报道，实际应用效果需研究确证。

作者利用国内成人颈椎CT扫描数据和Mimics软件进行三维重建，虚拟C₂交叉椎板置钉和测量。研究结果证实了C₂椎板交叉螺钉固定的解剖学可行性和安全性，同时研究结果表明C₂椎体距椎管后缘向棘突方向5.0- 6.0 mm处作为虚拟入钉点，入钉成功率高，可获得较好的入钉轨道和长度，为临床治疗中治疗术式的选择和入钉轨道的设计提供了一定的参考。后期研究将结合以上研究结果，设计临床试验，对比和观察实际置钉效果和疗效。

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