上胸椎椎弓根螺钉钉道与椎前重要结构解剖位置的CT评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.26.017

摘要/Abstract

摘要：

背景：上胸椎周围结构复杂，椎弓根横径相对较小，椎体前方存在重要组织脏器，螺钉偏离轴线或螺钉过长，置钉的安全性和有效性得不到保障，有必要对其周围重要结构做一了解。
目的：分析上胸椎椎弓根螺钉轴线与椎体前重要毗邻结构的解剖位置关系。
方法：对30例健康成人志愿者进行T₁-T₄平行椎弓根轴线CT扫描，观察椎弓根螺钉沿椎弓根轴线置入时椎体前方食管、气管、主动脉弓、颈动脉、椎动脉等结构的位置，测量每一椎体两侧椎弓根轴线与这些结构的最短距离。采用配对t检验进行分析。
结果与结论：共240个测量参数被分析，T _1-3左侧椎弓根轴线与食管距离小，T₂左侧椎弓根最小；T_2-4右侧椎弓根轴线与气管距离小；T₃，T₄右侧椎弓根轴线与右主支气管距离小；颈动脉和椎动脉无损伤的危险性。62%的患者主动脉弓在T₄平面，且无损伤危险性。提示左侧椎弓根螺钉易损伤食管，右侧椎弓根易损伤气管，颈动脉、椎动脉和主动脉弓不易损伤。上胸椎椎弓根螺钉置入前仔细分析CT数据可以确定易损伤结构的解剖位置。

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

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关键词: 植入物, 脊柱植入物, 胸椎, 椎弓根螺钉, 解剖学, 食管, 气管, 主动脉弓, 颈动脉, 椎动脉

Abstract:

BACKGROUND: The structure surrounding upper thoracic spine is complicated. Transverse diameter of pedicle was relatively small. There were important organs in front of the vertebral body. Screws deviated from axis or screws were too long. The safety and effectiveness of screw implantation were not implemented. It is necessary to understand the key structure of surroundings.
OBJECTIVE: To analyze the relationship of anatomic position between the axis of screw of pedicle of upper thoracic spine and key adjacent structure of the vertebral body.
METHODS: A total of 30 healthy adult volunteers received T₁-T₄ pedicle axis parallel to CT scans. The positions of esophagus, trachea position, aortic arch, carotid and vertebral arteries were observed when the pedicle screw was implanted along the pedicle axis. The shortest distance on both sides of a vertebral pedicle axis from these structures was measured. Paired t-test was utilized for analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: 240 measurement parameters were analyzed. The distance from the left pedicle axis on T _1-3 to esophagus was small, and the left pedicle on T₂was minimal. The distance from the right pedicle axis on T_2-4 to trachea was small. The distance from right pedicle axis on T₃, T₄to right main bronchus was small. Carotid and vertebral artery did not show the risk of injury. 62% of the patients were in the aortic arch on T₄ plane, and no risk of damage was found. These results indicated that the left pedicle screws were easy to damage the esophagus, and the right pedicle screw was easy to damage trachea. Carotid artery, vertebral artery and aortic arch were not easy to be damaged. The anatomic position of easily damaged structure could be identified by careful analysis of CT data before screw implantation in the pedicle of upper thoracic spine.

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Key words: internal fixators, thoracic vertebrae, anatomy, esophagus, trachea

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 1

2.1 参与者数量分析 按意向性分析，30例成人健康志愿者T₁_-₄椎弓根轴线CT扫描数据均进入结果分析，无脱落。

2.2 食管到轴线的距离 T₁-T₄椎体皮质前结构测量结果 见表1。

所有结构中，轴线与食管距离最近，最容易受到损伤(图1)。在T₁食管位于椎体前缘中线，然后开始向左侧偏离下降。轴线至食管的平均距离为左侧3.0 mm，右侧5.8 mm。T₂左侧最小2.3 mm，左侧椎弓根螺钉具有较高损伤食管的风险。

2.3 气管到焦点的距离 72%的志愿者食管位置解剖学上从T₁椎体前缘中线开始下降，直到T₄个椎体的右侧 (表1)。在T₁水平，气管位于食管的前面，在T₂_-₄水平气管紧邻食管。从焦点到气管的平均最短距离右侧为8.3 mm，左侧为11.6 mm。T₂_-₄右侧椎弓根螺钉(6.5 mm)具有高危损伤率，特别是T₃右侧位置具有极大的气管损伤率(P < 0.05)，T₄右侧螺钉有极大损伤右侧主支气管率(P < 0.05)。

2.4 颈动脉到焦点的距离 颈动脉位于焦点的前方或侧方。在所有位置中，焦点到颈动脉的距离均大于10.0 mm (表1)。焦点到颈动脉的平均距离为右侧14.5 mm，左侧为12.8 mm，左右差异无显著性意义(P < 0.05)。考虑到焦点与颈动脉的最短距离较大，暂认为颈动脉无椎弓根螺钉损伤的可能性。

2.5 椎动脉到焦点的距离椎动脉在T₃-T₄不出现，在T₁-T₂椎动脉位于螺钉的侧方或前方(表1)。焦点到椎动脉平均距离右侧为12.5 mm，左侧为18.3 mm。因此，也认为椎弓根螺钉不会有椎动脉损伤的可能性。

2.6 主动脉弓到焦点的距离 62%的患者T₄水平有主动脉弓的出现。1例患者出现在T₂水平。主动脉弓出现在T₄水平的患者，20%位于椎体中线，80%位于椎体左侧。T₄焦点到主动脉弓的平均距离为8.1 mm。尽管沿左侧椎弓根主动脉弓有下降趋势，但无椎弓根螺钉损伤的风险性。

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引言

椎弓根螺钉内固定技术在20世纪70-80年代开始应用于脊柱骨折、退变、肿瘤、畸形等导致的脊柱不稳治疗，由于其可提供坚强的脊柱内固定，已成为胸腰段、腰段椎体较经典的后路内固定技术^[1-2]。但在中、上胸椎或胸段脊柱侧弯畸形时，椎弓根螺钉可能给椎弓根邻近的组织或椎体前方组织(脊髓、神经、血管、内脏等)造成损伤，存在较大的风险和并发症，胸椎椎弓根内固定螺钉应用被划为禁区，直到1999年美国FDA才正式批准该项技术为经典的脊柱后路固定方法之一。目前国内外学者对胸椎椎弓根形态学做了大量研究，总结出椎弓根常用解剖参数：高度、宽度、角度、内部结构等^[3]。中、上胸椎(T₂_-₇)，椎弓根横径较窄(3-8 mm)、外缘骨皮质极薄(1.0-2.0 mm)，螺钉穿过困难，易发生椎弓根骨折而损伤周围结构；在胸椎畸形时，椎弓根、椎体失去正常形态和位置关系，螺钉无法经椎弓根到达椎体，椎弓根螺钉固定技术的应用受到限制，只能用椎板钩或棘突钢丝固定，但效果多不理想^[4-6]。

最近几年椎弓根计算机导航系统的出现，相关技术的研究也主要是在依照传统手术方法设计的基础上进行的，虽能准确的定位椎弓根，仍无法从根本上解决上述问题^[7-9]。在缺少完整的理论、技术依据的情况下解决这些问题，对脊柱外科医生来说是困难的，具有极大的风险和极高的挑战性^[10]。

胸椎椎弓根螺钉固定时，理想的螺钉置入应完全通过椎弓根进入椎体，并且螺钉在最大范围内切割骨皮质。但通过对椎弓根螺钉置入后影像学研究发现^[11-14]，胸椎椎弓根螺钉置入时，椎弓根骨折率约41%，其中椎弓根骨折外侧壁占72%，内侧壁占28%，部分还有穿出椎体前缘的报道。在椎弓根横径极小的中、上胸椎及胸椎畸形做后路经椎弓根内固定时，为避免螺钉穿破椎弓根内壁而损伤脊髓，在置入螺钉时，进钉点向外偏移2.0-3.0 mm，进钉角度偏大5°-15°，使螺钉通过横突根部-肋骨复合体-椎体，同样可以达到坚固的螺钉固定。

上胸椎前方的气管、食管、大血管等重要解剖结构错综复杂，椎弓根螺钉置入时一旦损伤后果严重，具有较大的风险与并发症^[15-16]。然而，临床上有时为了增加椎弓根螺钉的强度，应用穿破椎体前缘皮质长螺钉固定^[17]，此时在很大程度上增加了损伤毗邻内脏的风险性。有学者报道了中下胸椎长螺钉置入时与易损伤结构的毗邻关系^[18]，但在上胸椎未见报道。

文章利用上胸椎CT扫描数据，明确穿破皮质的椎弓根螺钉置入时容易损伤结构的解剖位置，为医生制定置入前计划提供参考，以减少并发症。

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材料方法

设计：重复测量试验。

时间及地点：于2013年2至9月在内蒙古医科大学第二附属医院影像科完成测量，在内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科完成统计分析。

对象：30例来源于内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科门诊的健康体检成人志愿者，男17例，女13例，年龄21-46岁，平均30.5岁。选择身高165-170 cm，排除有脊柱病理学改变、畸形、外伤、手术史者，以及骨骼形态较小和骨骼结构缺损者。所有志愿者对试验过程知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

方法：

CT扫描：门诊健康体检的符合入选标准的志愿者30例，均采用德国siemens公司 Light speed 64排螺旋CT扫描。患者平卧位，扫描范围扫描范围自T₁上缘至T₄下缘。CT扫描时平行于椎体终板，射线强度为120 kV，300 mA，层厚0.625 mm，精确度为0.001 mm。选择显示椎弓根中轴线上包含完整肋骨头、横突、椎弓根等结构的CT图像，由CT自带图像处理软件进行参数测量。软组织窗经增强后清楚的显示软组织周围结构。

测量指标：在显示双侧椎弓根的CT图像上，沿椎弓根中轴线模拟椎弓根螺钉置入，轴线与椎体前缘皮质交点作为测量点(暂时命名为焦点)，测量该点到食管、气管、颈动脉、椎动脉、主动脉弓的最短距离(图1)。

主要观察指标：观察T₁_-₄在完整显示椎弓根中轴线的CT图片上，观察左侧、右侧椎弓根轴线与椎体前缘的交点周围重要解剖(食管、气管、颈动脉、椎动脉)结构出现的概率及其与椎弓根轴线的位置关系。

统计学分析：采用SPSS 13.0进行统计学分析，测量结果采用x(_)±s，采用配对t 检验对左右椎弓根轴线位置与食管、气管、主动脉弓、颈动脉和椎动脉的关系进行分析。

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讨论

胸椎椎弓根螺钉技术的临床应用，有力地推动了脊柱外科的发展。Boucher 1959年首先采用螺钉经椎弓根到达椎体，用于腰骶椎融合固定，取得良好的效果^[19]。1986年Roy-Camille和Steffee等^[20-21]报道椎弓根螺钉技术做脊柱后路短节段内固定，获得了良好的效果。由于椎弓根钉棒脊柱固定系统可同时固定三柱，及时可靠的重建脊柱稳定性的优点，近10年来经椎弓根手术逐渐得到推广应用。已经出现了在胸椎乃至颈椎方面的应用，计算机导航系统的引用更是提高了椎弓根镙钉置入的准确性^[22]，经皮椎弓根螺钉置入技术也已经开始发展^[23]。由于脊柱后柱细微解剖关系复杂，椎弓根比较短小，解剖位置深，周围重要结构多, 显露受限，给椎弓根准确定位及置钉带来困难，稍有不慎就有可能损伤周围重要结构，也出现了许多诸如螺钉穿破椎体、损伤前方大血管或内脏、穿破椎弓根、损伤脊髓、神经根及使内固定强度下降等并发症，甚至造成灾难性的后果。由于椎弓根内固定的生物力等优势，使其能在后柱不完整的情况下进行脊柱的三柱控制，创伤小，操作方便；在恢复椎管生理曲度的同时恢复脊柱的稳定，有利于骨折愈合。同时为术后护理，康复锻炼，减少并发症发生提供有利条件，因此被多数脊柱外科医师所接受。理想的置入深度应该是在不造成椎体本身的破坏和不引起不良后果时，尽可能地提高其生物力学性能，使椎弓根螺钉有最大的抗拔出力量。有学者研究发现，螺钉拧入深度达椎体前后径的50%是拧入深度为80%拔出力量的75%-77%，拧入达100%(到达前方骨皮质)时，拔出力量是拧入80%的124%-125%^[24]。然而，考虑到螺钉置入深度过深，有穿透前方骨皮质损伤血管、神经和脏器等的风险，目前多数学者建议椎弓根螺钉放置深度为椎体前后径的80%^[25-26]。在上胸椎，考虑到椎体前方重要血管及脏器较多^[27]，在椎弓根螺钉置入时，多数采用比较短的螺钉固定，结果有时有螺钉拔出或松动，导致不能有效的固定。作者在进行正常成人的T₁-T₄椎前重要结构的CT扫描后观测，认为在一定范围内，即使螺钉传出椎体前缘皮质，椎弓根螺钉仍具有一定的安全范围，临床上不必过分担心。

3.1 食管和气管的解剖学特点在上胸椎行椎弓根穿破椎体前缘皮质的长螺钉固定时，食管和气管是最容易损伤的结构。在各个胸椎节段，测量焦点到重要脏器最短距离是焦点-食管距离，左侧椎弓根螺钉损伤食管可能性较大。右侧椎弓根螺钉容易损伤气管，尤其是右侧主支气管。这些结构的解剖位置也解释了左右侧椎弓根螺钉内固定时不同的易损伤结构。越靠近颈胸段，食管越向气管的中部、后部靠近。气管在T₃-T₅水平逐渐分为左、右主支气管。气管分叉后，右主支气管逐渐向后靠并变得垂直，逐渐与食管相邻并平行于食管；左主支气管靠近胸腔内脏器，尤其是心脏。这就是左右侧椎弓根螺钉在胸椎解剖中的不同。从椎弓根轴线与椎体前缘皮质焦点至食管的平均距离为左侧3.0 mm，右侧5.8 mm，因此，临床上左侧椎弓根螺钉穿破皮质3.0 mm以内，右侧椎弓根螺钉穿破5.0 mm以内，椎弓根螺钉不会造成食管的损伤。

3.2 重要血管解剖学特点主动脉弓位于上纵隔内，胸骨角平面以上一段，起于右侧第2胸肋关节水平，然后从右前方弯向左后方，通常主动脉弓从右向左发出头臂干、左颈总动脉和左锁骨下动脉，头臂干又分出右锁骨下动脉和右颈总动脉，双侧椎动脉一般发自锁骨下动脉^[28]。正常情况下，T₁_-₃平面不出现主动脉弓，仅有部分人群出现于T₄水平，本文中主动脉弓仅发现62%的患者存在，且位于T₄水平，没有解剖变异时，且其损伤的概率较小。椎动脉发自锁骨下动脉第一段，于颈前方上行，穿经C₆及其上各颈椎的横突孔后出现于枕下三角，再经过寰枕后膜经枕骨大孔入颅，最后与颈内动脉分支共同组成椎-基底动脉系。椎动脉位于椎体的侧方，只有当椎弓根螺钉偏离轴线从椎弓根侧方置入时，才会有损伤。胸主动脉位于胸椎椎体的左前外侧，颈动脉解剖上位置更靠前，与椎体前缘距离较远。因此医源性损伤可能性较小。

然而，对于原发右侧胸弯的特发性脊柱侧凸患者，胸主动脉的位置关系显著不同。Sucato等^[24]应用X射线、MRI检查对比研究了36例原发右侧胸弯的特发性脊柱侧凸患者和43例无脊柱畸形者，发现和无脊柱畸形者相比，右侧胸弯患者的胸主动脉更靠近外后方。因此，对于在凹侧置入胸椎椎弓根螺钉治疗右侧胸弯的患者尤应注意伤及胸主动脉。Sucato等^[24]评价了主动脉在特发性脊柱侧弯和非特发性脊柱侧弯的走行，尽管他们证实脊柱侧弯的患者主动脉假定比正常人位置更靠后外侧，其他临近结构也未被评价。Sarlak等^[18]也评价了青少年特发性脊柱右侧胸椎侧弯患者，通过MRI评价在T₂-T₃有脊髓损伤的高风险性。尽管发现T₄-T₁₂主动脉-椎体距离逐渐减少，T₁-T₃没有进一步损伤肺和脊髓风险率评价。Kuklo等^[29]评价脊柱侧弯矫形内固定融合后CT扫描，尽管已经确认食管、气管和奇静脉系统在置入内置物时无损伤可能，但这些都是前路内固定。最后，Carbone等^[30]做了无脊柱畸形长螺钉固定时易损伤结构尸体解剖研究，他证实右侧椎弓根螺钉置入时有损伤上肋间血管和食管的可能性，而下胸椎有损伤奇静脉、下腔静脉、胸导管的危险性。相反，左侧食管和主动脉弓是是易损伤的危险结构。与本文结果相似，他认为T₄水平食管最容易受到损伤。未见关于更靠近头侧的报道。

3.3 关于测量点和螺钉置入方向本文螺钉轨道是沿着椎弓根轴线置入，但实际临床应用中，螺钉置入时有很大的变异性，有的平行于椎体终板置入，有的沿椎弓根-肋骨复合体轴线置入^[31-35]。然而，模拟每种不同的螺钉钉道会有不同的结果。此外，本次测量的参照点是椎弓根螺钉轴线与椎体前缘皮质的交点，以此为焦点测量该点到各个重要脏器的最短距离，易损伤临近解剖结构会被量化。对于其他的参照点，如椎体前缘中点有时也会有用。作者测量选择所有椎体前缘完整的皮质，因为这代表了皮质穿破的最低水平。

实际工作中，有时在上胸椎后路翻修手术时，不得不采用较粗、较长的椎弓根螺钉来增加其把持力^[36]。当椎体前缘皮质骨折时，其临床后果与单纯椎弓根劈裂相比，更多关注椎弓根壁中部骨折而至的神经损伤。文献中没有螺钉穿破椎体前缘安全范围的报道，以及由此所致的主要血管或脏器损伤的报道。作者认为术前CT评价在上胸椎椎弓根螺钉置入时可以明确解剖结构。左侧椎弓根螺钉，尤其在T₂，易损伤食管，右侧椎弓根螺钉在T₃、T₄易损伤气管和右主支气管。主动脉、椎动脉、主动脉弓损伤风险性较小。置入过程中应根据个体化原则置入螺钉。

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