胸腰椎椎弓根螺钉置入技术的比较分析与展望

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.023

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

椎弓根置钉：广义的“椎弓根”是指连接椎体侧后方和上关节突之间的骨质。理论上，位于横突与上关节突、外侧椎板之间的位置为进钉点，但由于不同方法所使用的定位参数不同，对进钉点、进钉方向及进钉深度的描述也就不尽相同。

人字嵴法徒手置钉技术：解剖学研究发现在腰椎峡部有一隆起的纵嵴，在上关节突根部的后外侧也有一隆起的纵嵴，两嵴汇合形成了“人”字结构，故称人字嵴，人字嵴结构比较稳定，有报道其出现率为94.5%，其解剖结构变异较少，只有少数人字嵴在干燥标本上较浅和不明显，但在活体中一般较为容易辨认，可作为理想的定位点。

摘要

背景：钉棒系统内固定是目前外科治疗胸腰椎疾患的主流术式，椎弓根螺钉的准确置入是此技术的关键，如何提高置钉精确度、减少二次置钉，是目前研究的热点。

目的：比较各种椎弓根螺钉置入方法的优劣势及其临床应用价值。

方法：以“Pedicle screw fixation，free-hand technique，3D-printing technology，computer navigation technology，clinical application prospect”为英文检索词，以“椎弓根螺钉固定术，徒手置钉技术，3D打印技术，计算机导航技术，临床应用展望”为中文检索词，检索至2016年5月为止PubMed数据及CNKI中国期刊全文数据库，纳入内容为椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎脊柱疾病的临床研究，排除重复性文献。收集目前临床已经开展且较为前沿的置钉技术，从其可行性、普及性、实用性等方面对各种技术进行系统评价。

结果与结论：①以计算机辅助手术导航系统和3D打印技术为代表的新型方法是目前研究的热点，但仅适用于少数椎弓根先天畸形、解剖变异或病变较为复杂的病例；②徒手置钉技术仍是目前主流，是每一位脊柱外科医生必须掌握的基本技能；③徒手置钉技术仍是目前临床运用最为广泛的方法，应用时应注意完善术前规划、实施个体化置钉。

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: 0000-0003-0151-4145(刘政)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 椎弓根螺钉固定术, 徒手置钉技术, 3D打印技术, 计算机导航技术, 临床应用展望

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw fixation is mainly used to treat thoracolumbar disorders, and accurate placement is the key to success; thereafter, how to improve the accuracy of placement and reduce the secondary nailing is an issue of concern.

OBJECTIVE: To compare the advantages and disadvantages of various pedicle screw placement methods and their application value.

METHODS: CNKI and PubMed databases were retrieved for clinical research concerning the pedicle screw fixation for thoracolumbar disorders published before May 2016 using the keywords of “pedicle screw fixation, free-hand technique, 3D-printing technology, computer navigation technology, clinical application prospect” in English and Chinese, respectively. The repetitive literatures were excluded, and the advanced pedicle screw technologies were collected and evaluated in views of feasibility, universality and practicability.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Computer-assisted navigation system and three-dimensional printing technology are the focus of research, but only applied in the treatment of pedicle congenital malformations or complicated cases. (2) Free-hand technique is still the most widely used, which is the essential skills that surgeons must master. (3) Traditional technology is still the mainstream in clinic, so improved preoperative planning, and individualized scheme are needed.

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: Thoracic Vertebrae, Lumbar Vertebrae, Internal Fixators, Bone Nails, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘政，李宏伟，王爽. 胸腰椎椎弓根螺钉置入技术的比较分析与展望[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(19): 3102-3107.

Liu Zheng, Li Hong-wei, Wang Shuang. Pedicle screw fixation for thoracic and lumbar diseases: a comparative analysis and prospects [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(19): 3102-3107.

图/表（结果） 2

2.1 徒手置钉技术 如人字嵴顶点法、Weinstein法、Magerl法等。虽然国内外众多学者根据自己的经验与研究提出了多种进钉法^[5-6]。但目前临床最常用的仍是以上3种方法。为了使椎弓根螺钉准确置入，术中需使用C形臂X射线机等影像设备进行辅助，使手术人员及患者暴露于辐射危险中。

2.1.1 人字嵴法解剖学研究发现在腰椎峡部有一隆起的纵嵴，在上关节突根部的后外侧也有一隆起的纵嵴，两嵴汇合形成了“人”字结构，故称人字嵴，人字嵴结构比较稳定，有报道其出现率为94.5%，其解剖结构变异较少，只有少数人字嵴在干燥标本上较浅和不明显，但在活体中一般较为容易辨认，可作为理想的定位点。

临床应用时，将腰背肌剥离至关节突关节外缘即可充分显露人字嵴，因椎弓根与矢状面有一定的夹角，所以进钉时需向外倾斜5°-10°。尤其在T₁₂-L₄节段采用人字嵴定位的准确程度较高。如因小关节增生肥大，导致人字嵴结构难以辨认，则需要结合横突判断入钉点。以人字嵴作为进钉定位点，不需切开关节突关节的关节囊，对关节突关节的稳定性影响较小，且该点易于显露，手术操作较容易。另外，有研究者认为，组成人字嵴的两条纵嵴上无肌肉附着，不易发生退变，故出现解剖变异的概率较低，是理想的椎弓根定位方法。

2.1.2 Weinstein法采用固定椎的上关节突外缘垂直延长线与横突中轴水平线的交点，即预植入椎的上关节突的颈背部，该处椎板外缘有一典型的骨嵴，定点标志也相当于紧靠骨嵴外上方的凹陷处。Weinstein法的椎弓根定点标志相当于椎弓根轴线在椎弓根后方的投影点，此法也较常用。

2.1.3 Magerl法需显露上关节突和横突，以上关节突外缘切线及横突中线的交点为进钉点，常规置钉，螺钉平行于椎体终板，内倾约15°。以横突中线进行定位，但椎弓根中点不一定在横突中线上。有学者通过对干燥骨标本研究发现L₁、L₂、L₃的椎弓根中心点分别位于横突中轴线上方3.3 mm、2.5 mm和1.8 mm处，L₄椎弓根中心点接近中轴线，位于横突中轴线下0.3 mm处，L₅椎弓根中心点则位于横突中轴线下方1.2 mm处。所以有一定的置钉失误率。

以上各方法在术中应用时，都会出现一些需要二次置钉的情况，由于椎弓根毗邻结构的复杂性以及个体化差异，徒手置钉的失误率可高达20%-40%。传统的椎弓根钉置钉技术要点为螺钉型号、进钉点、进钉方向、进钉深度。术者依据书本中对其技术的描述，依靠患者X射线片或CT数据在脑海中进行术前的手术模拟，以确定手术方案。这种手术方案质量的高低，取决于医生的临床经验与技能，且需要整个手术组成员精确领会制定手术方案人员头脑中模拟的手术方案。患者的个体差异、解剖变异、脊柱退变等因素都可能导致术者不能对进钉点产生个性化的准确认知，最终可能造成错误判断，引起螺钉误置，甚至导致严重的并发症，如脊髓及神经损伤、大血管损伤、硬膜撕裂及脑脊液漏等。虽然随着手术医生经验的积累，置钉准确率有所提高，但对于颈椎、上胸椎或者解剖结构畸变的病例，也仍有一定的置钉失败率。

2.2 经皮椎弓根螺钉固定技术 目前也被广泛应用于胸腰椎伤病的治疗中^[7]。这一微创治疗方式使手术切口最小化、减少椎旁肌肉剥离和出血量，但其准确度仍是脊柱外科医师关心的问题。

Raley等^[8]回顾分析88例患者(424枚微创螺钉)的CT扫描结果发现螺钉误置率达9.7％，其中穿透椎弓根侧壁的仅占4%，仅1例出现术后L₄神经根损伤。Oh等^[9]对比558枚常规椎弓根螺钉和498枚微创螺钉的CT影像资料，常规螺钉组与微创螺钉组椎弓根侧壁穿透率分别为13.4%和14.3%，差异无显著性意义(表1)。2组误置螺钉多数为轻度穿透；常规椎弓根螺钉置入技术的外侧壁穿透率(66.7%)高于微创螺钉置入组(43.7%)；而经皮组椎弓根内侧壁、上壁和下壁穿透率略高于开放组，但两者差异均无显著性意义。原因可能是：①常规组螺钉置入时，周围肌肉组织厚或肌肉张力过大，常导致置钉角度偏小，容易使螺钉穿透椎弓根外侧壁。有时即使椎弓根螺钉钉道制备完毕探针探查没有问题，拧入螺钉时也容易因为周围软组织挤压，导致螺钉内倾角度变小并穿透外侧壁；②常规组术中很少常规采用后前位透视明确螺钉位置，术中很难及时发现椎弓根螺钉穿透内外侧皮质的情况。而经皮组全程在X射线透视下操作，安全性高。

2.3 计算机辅助手术导航系统(computer-assisted surgery navigation system，CASNS) 是以影像技术为基础，通过立体定位和虚拟成像技术显示局部解剖结构与手术器械的空间位置关系，以帮助术者提高椎弓根螺钉置入的准确率^[10]。

自20世纪90年代Steinmann等将计算机辅助手术导航系统应用于脊柱外科手术以来，其已成为推动脊柱外科向精准化、数字化发展的重要技术之一。

传统手术中出现的并发症，如螺钉穿透椎体前缘主要与螺钉置入角度以及螺钉长度选择不当有关，精确控制螺钉置入角度和螺钉长度对降低并发症起重要作用。传统手术主要依据术者的临床经验和术中X射线影像估计螺钉角度和长度，一旦失误则可能导致螺钉穿透椎体前缘。而导航技术中O-arm导航系统提供了清晰的三维图像，可以准确地控制螺钉的置入角度和深度，其中螺钉置入角度与导航图像中虚拟钉道角度具有高度的一致性。

此外，通过导航图像可以使虚拟钉道深度测量的较为准确，选择合适长度的螺钉，从而实现对螺钉置入角度的精确控制和置钉深度的最大化，降低螺钉穿透椎体前缘发生血管及内脏损伤的风险^[11]。

目前，导航技术仍处于发展阶段，有学者观察到导航辅助下置入椎弓根螺钉时存在手术对象的解剖位置在三维导航图像中出现相对移位的“漂移”现象^[12]，可导致置钉失败^[13]。对于此种现象，目前尚无有效对策，仍需借助术者的经验和术中的严密观察及时发现并予以校正。据统计，计算机导航技术辅助置钉的成功率为95%-98%，但也存在一定误差，如进钉点的确定等。该技术目前的主要不足在于准备阶段耗时长，延长了手术时间，增加了出血量和术后感染等并发症的发生率。此外，计算机导航设备价格昂贵，全面普及仍存在较大困难。

2.4 3D打印技术 实质是“激光快速成型技术”，也被称为“增量技术”、“增材技术”，是20世纪80年代末兴起的一门新技术^[14]。3D打印的基础是数字模型文件，通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料以生成3D实体，其最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体。该技术以往常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现在也逐渐被应用于数字骨科领域，为骨科手术尤其是脊柱手术精确性的提高提供了新的方法。

近年来国内一些学者报道应用3D打印技术制备个体化导航模板以辅助椎弓根螺钉置入手术，可有效提高置钉准确性，能有效减少手术并发症^[15]，具有较好的临床应用前景^[16]。

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引言

材料方法

讨论

以人字嵴法为临床应用最为广泛的徒手置钉技术仍是目前最为常用的后路胸腰椎椎弓根螺钉置入技术，其在胸腰椎骨折的临床应用具有置钉精确度高^[17]、手术时间短、剥离范围小、术中出血少、安全性高等特点，这要求术者具有完善的解剖学知识、丰富的手术经验和周密的术前规划，同时随着术者经验的积累，术中射线接触次数也明显减少，二次置钉率降低，值得临床进一步推广。并且，徒手置钉技术是椎弓根螺钉手术的基础，仍是脊柱外科医师需要掌握的最基本技能。但对于尤其是腰椎畸形和发育异常的患者，以及严重骨质疏松影响置钉手感的患者，即使是经验相对丰富的脊柱外科医师，徒手置钉失误以致损伤神经组织及血管等的潜在风险也明显增高^[18-19]，这就需要如CT三维重建虚拟现实技术、3D打印技术、计算机导航辅助外科技术等方法对其进行补充，才能使椎弓根螺钉得到精确固定，提高手术疗效^[20-22]。

经皮椎弓根螺钉置钉技术作为传统开放性手术的替代手术目前也在临床广泛应用^[23-25]，尤其在退变性胸腰椎疾病及胸腰椎骨折中的应用也越来越多^[26-28]。目前的研究认为因脊柱各节段椎弓根结构不同，在胸腰段(T₁₁-L₂)、腰椎及骶骨椎弓根较粗且发生退变者较少，经皮置钉法的准确性也较其他节段高。多数学者认为经皮置钉技术可降低置钉并发症的概率，但多种因素，如患者体型、椎旁肌及椎弓根形态结构的解剖变异、术中出血等均会造成置钉准确性降低^[29]，这些是手术中需要注意的因素。由于经皮置钉准确性没有统一的评价方式，研究结果呈现出较大的离散，且置钉后因无法置入横连而无法确保钉棒系统生物力学的稳定性，在应用时应注意把握适应证。但该技术符合微创手术的理念，具有一定的发展前景，在技术细节和内固定物的设计方面仍有一定提升空间。

应用3D打印这种新兴的快速成型技术^[30]，使以往脊柱外科领域中凭术者经验手术的方式向数字化、精准化方向转变，使脊柱外科手术学习曲线缩短，手术风险减小，并发症减少^[31]。3D打印技术辅助置钉相对于传统的脊柱外科胸腰椎内固定手术中，术者完全依赖椎板解剖标志定位进行操作有明显的优势，尤其对于解剖变异的病例，可以明显提高疾病的诊断率^[32]。因其准备过程较为繁琐，目前仅适用于特殊且复杂的病例，不适合在所有患者中普遍开展，尤其是急诊患者。并且，有学者研究发现在没有解剖学变异的常规胸腰椎手术患者，凭借术者经验已能达到较高的置钉精确度，使用3D打印技术并不能显著提高置钉精确度。但其打造真实比例的立体模型进行模拟手术的优势是其他技术无法实现的，因此，在脊柱置钉等骨科临床研究及科研方面具有独到的作用^[33-44]。

计算机辅助手术导航系统自诞生以来在脊柱外科领域受到广泛关注，且得到肯定的治疗效果^[45-46]。它是使术者在虚拟环境中置钉，直视下监测入钉点、入钉方向，使置钉准确率和安全性显著提高^[47-48]，缩短了患者与医护人员暴露于射线的时间^[49-51]，这是其他置钉方法所不可比拟的。据统计计算机辅助外科手术导航系统的螺钉误置率为2%-31.6%，即使螺钉穿破椎弓根皮质，其穿破距离也明显小于传统方法^[52]；近年来，此技术在欧美国家越来越多的应用于临床、科研及教学，通过该技术与传统的X射线引导的定位术相比，在临床研究中，应用计算机辅助技术的治疗组比对照组的螺钉置入准确率高，这表明椎弓根螺钉的误置率随着计算机辅助技术的出现而减少^[53-58]。计算机辅助手术导航系统代表了未来手术的发展方向，尽管其有着设备费用昂贵，操作较为复杂，学习曲线时间长等多方面的限制^[59]，也因此技术所要求的计算机辅助技术设备较为先进而导致其还无法在国内外普及，使用上也存在“漂移”等技术问题急待解决，现阶段还仅较多的作为一种精确定位并能完成部分操作的手术辅助工具，并不能完全替代脊柱外科医师的临床经验，也无法反映患者个体解剖的变异^[60]。但是，有理由相信，随着科学技术的不断进步和医学需要的不断发展，术中监测手段在计算机辅助技术中应用越来越完善，导航技术必将取得长足的发展并最终成为脊柱外科的常规手术方式。

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