下颈椎关节突三维参数测量与关节突螺钉导向器的设计

doi:10.12307/2024.066

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (21): 3339-3343.doi: 10.12307/2024.066

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下颈椎关节突三维参数测量与关节突螺钉导向器的设计

李忠伟，褚福超，杲春玖，袁峰

徐州医科大学附属医院脊柱外科，江苏省徐州市 221006

收稿日期:2023-04-01 接受日期:2023-05-10 出版日期:2024-07-28 发布日期:2023-09-27
通讯作者: 袁峰，博士，主任医师，徐州医科大学附属医院脊柱外科，江苏省徐州市 221006
作者简介:李忠伟，男，1996年生，安徽省淮北市人，汉族，徐州医科大学在读硕士，医师，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
江苏省卫生健康委员会重点项目(ZD2022064)，项目负责人：袁峰

Measurement of three-dimensional parameters of lower cervical facet joints and design of transarticular facet screw guide

Li Zhongwei, Chu Fuchao, Gao Chunjiu, Yuan Feng

Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221006, Jiangsu Province, China

Received:2023-04-01 Accepted:2023-05-10 Online:2024-07-28 Published:2023-09-27
Contact: Yuan Feng, MD, Chief physician, Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221006, Jiangsu Province, China
About author:Li Zhongwei, Master candidate, Physician, Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221006, Jiangsu Province, China
Supported by:
Key Project of Jiangsu Provincial Health Commission, No. ZD2022064 (to YF)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

颈椎关节突关节：由相邻两颈椎椎体后方的上下关节突组成，与前方的椎体以及椎间盘一起维持颈椎的稳定。上下关节接触面与相应节段的椎体平面呈40°-45°的夹角，这一特殊的解剖特征导致其活动范围较大且稳定性较差，故容易受到损伤，这也是颈椎容易发生退行性改变的重要因素之一。

经关节突螺钉：下颈椎经关节突螺钉技术是1972年Roy Camille和Saillant首次在下颈椎中使用。较为被大家公认的下颈椎关节突螺钉置入方法有 3 种：Klekamp法、Takayasu法及 Dalcanto法。与常用的侧块钉棒技术相比，经关节突螺钉技术虽然操作难度高，但是手术创伤小，术后恢复快且稳定性与侧块螺钉技术相当，在临床应用中具有明显优势。

背景：近年来，颈椎关节突关节在颈椎病的发病机制和外科治疗中逐渐被重视，但是目前关于成人下颈椎关节突关节的解剖学研究相对较少。
目的：测量下颈椎关节突三维参数，为下颈椎经关节突螺钉导向器的设计提供依据。
方法：选取2021年6月至2022年6月于徐州医科大学附属医院行颈椎CT检查人员100例，男50例，女50例，年龄20-50岁。经筛选每例图像均无颈椎椎管狭窄、颈椎椎间盘突出、明显的骨质增生、感染及肿瘤等病变。经过三维重建后，测量C3-7每个节段颈椎关节突关节矢状面上的倾斜角和矢状面下颈椎经关节突螺钉与关节突关节面的夹角。根据统计分析测量结果，利用CAD软件设计出下颈椎经关节突螺钉导向器。

结果与结论：矢状面颈椎关节突关节面倾斜角以C5为中心呈U形分布，大小关系为C7 > C6 > C3 > C4 > C5；矢状面上经关节突螺钉角度大小关系为：C6/7 > C5/6 > C4/5 > C3/4，其中C3/4、C4/5、C5/6角度均接近90°，C6/7角度超过100°。通过测量矢状面颈椎关节突关节面倾斜角和经关节突螺钉角度，设计出了矢状面垂直于关节突关节面的导向器。

https://orcid.org/0000-0002-3687-8726 (李忠伟)

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: 颈椎三维重建, 颈椎关节突关节倾斜角, 下颈椎经关节突螺钉

Abstract: BACKGROUND: In recent years, cervical facet joints have been paid more and more attention to the pathogenesis and surgical treatment of cervical spondylosis, but there are few anatomical studies on adult lower cervical facet joints.
OBJECTIVE: To measure three-dimensional parameters of the lower cervical facet to provide a basis for the design of the lower cervical transarticular facet screw guide.
METHODS: From June 2021 to June 2022, 100 cases receiving cervical spine CT examination in the Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University were selected, with 50 males and 50 females, aged 20-50 years. After screening, each image showed no cervical spinal stenosis, cervical disc herniation, obvious bone hyperplasia, infection or tumor. The sagittal inclination angle of each segment of the cervical spine facet joint and the angle between the lower cervical spine facet joint surface and the transarticular facet joint screw at the C3-7 levels were measured after 3D reconstruction. According to the measurement results of statistical analysis, a lower cervical transarticular facet screw guide was designed using CAD software.
RESULTS AND CONCLUSION: The inclination angle of the cervical facet joint surface on the sagittal plane was distributed in a U-shaped shape centered on C5, and the magnitude relationship was C7 > C6 > C3 > C4 > C5. The relationship between transarticular facet screw angles on the sagittal plane was: C6/7 > C5/6 > C4/5 > C3/4, where the angle of C3/4, C4/5 and C5/6 was close to 90°, and the angle of C6/7 exceeded 100°. By measuring the sagittal inclination angle of the cervical facet joint and the angle of the transarticular facet screw, this study designed a guide that was perpendicular to the lower cervical facet joint surface in the sagittal plane.

Key words: three-dimensional reconstruction of cervical vertebrae, cervical facet joint inclination angle, lower cervical transarticular facet screw

中图分类号:

李忠伟, 褚福超, 杲春玖, 袁峰. 下颈椎关节突三维参数测量与关节突螺钉导向器的设计[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(21): 3339-3343.

Li Zhongwei, Chu Fuchao, Gao Chunjiu, Yuan Feng. Measurement of three-dimensional parameters of lower cervical facet joints and design of transarticular facet screw guide[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(21): 3339-3343.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析 100例患者颈椎三维CT测量数据均进入结果分析。
2.2 矢状面颈椎关节突关节面倾斜角测量结果下颈椎关节突关节在矢状面上的倾斜角无性别差异(P > 0.05)。C3-C7关节突矢状面倾斜角均为锐角，范围在37°-68°之间。不同节段之间关节面倾斜角存在差异，其中C3、C6、C7与C5相比存在显著差异(P < 0.05)；C4与C5比较无显著差异，见表1。整体下颈椎关节突关节面矢状面倾斜角呈U形分布，各节段角度大小排序为：C7 > C6 > C3 > C4 > C5，见图2。

2.3 矢状面颈椎关节突关节面与关节突螺钉的夹角测量结果下颈椎小关节面与关节突螺钉在矢状面上夹角无性别差异(P > 0.05)。不同节段之间关节突螺钉倾斜角存在差异，见表2，C3-4和C6-7关节突螺钉矢状面倾斜角与C5-6相比较有显著差异。C3-4、C4-5和C5-6节段关节突螺钉在矢状面与关节面夹角均值接近90°，C6-7节段关节突螺钉与关节面夹角超过100°。C3-4节段有167例螺钉角度介于80°-100°，占比83.5%；C4-5节段有159例，占比79.5%；C5-6节段有145例，占比72.5%，见图3。

2.4 下颈椎关节突螺钉导向器的研制该研究根据解剖学测量结果设计了2种导向器，第1种是完全垂直于关节突关节面，见图4A；第2种在矢状面垂直于关节突关节面，但是带有20°外倾角，见图4B。该导向器包含一个中空关节突螺钉导向筒，其内部能够穿过直径3 mm的关节突螺钉，导向筒与弓形架相连，弓形架另一端与握持手柄相连，导向器末端连接关节突间垫片，该垫片中心带点留有3 mm螺钉孔，关节突螺钉可通过该孔，见图5。在使用时直接将关节突间垫片置入关节内，使关节突关节面中心点与垫片中心点重合，再利用克氏针经过螺钉导向筒置入关节突内，透视确定克氏针位置安全合适后做好标记，拔出克氏针测量置入深度，选择合适长度的关节突螺钉直接拧入，这样在导向器的辅助下可以安全精确地置入颈椎关节突螺钉。由于C6-7节段在解剖形态上逐渐向胸椎转变，所以其关节突螺钉在矢状面倾斜角度更大，因此该研究设计的下颈椎关节突螺钉导向器适用于C3-4、C4-5和C5-6节段。

参考文献

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引言

颈椎关节突关节(cervical facet joints，CFJ)是相邻颈椎椎体的上、下关节突位置相互对应共同形成的滑膜关节[1-2]，其同前方的椎体以及椎间盘一起维持颈椎的稳定，其上下关节接触面与相应节段的椎体平面成40°-60°的夹角，这一特殊的解剖特征导致其活动范围较大且稳定性较差，故容易受到损伤，这也是颈椎容易发生退行性改变的重要因素之一[3]。近年来，颈椎关节突关节在颈椎病的发病机制和治疗中逐渐被重视 [4-6]。前期课题组对颈椎关节突三维CT参数进行了测量[7]，并研制了新型颈椎关节突间自稳定融合器。该融合器将侧块经关节螺钉固定技术(transarticular facet screws，TFS)与颈椎关节突间垫片(cervical interfacet spacers，CISS)相结合，既增加了椎间孔面积，又能稳定椎体之间的相对运动，具有“撑开”“自稳定”的特点。该研究通过三维重建继续研究下颈椎关节突关节解剖特点，为设计下颈椎关节突螺钉导向器提供理论依据。
下颈椎经关节突螺钉技术是1972年Roy Camille和Saillant首次在下颈椎中使用。较为被大家公认的下颈椎关节突螺钉置入方法有 3 种：Klekamp法、Takayasu法及 Dalcanto法。2011年赵刘军等[8]使用3种不同的方法进行置钉，最后得出结论认为Klekamp法在临床上更值得推崇。同时相关研究表明，颈椎单间隙TFS与后路侧块钉棒固定的生物力学稳定性相近，仅在屈伸方向上弱于侧块钉棒系统[9-10]。但是颈椎经关节突螺钉置入难度大，钉道角度大多靠医师目测和估算，这样置钉的准确性及安全性都取决于医师的熟练程度和临床经验。该研究利用颈椎三维CT数据进行重建，对颈椎关节突关节面倾斜角和颈椎经关节螺钉与关节面的夹角进行测量，为制作下颈椎经关节突螺钉导向器提供详细可靠的数据资料，现报道如下。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

材料方法

1.1 设计颈椎三维CT数据重建，两组间比较采用独立样本t检验，组内两两比较采用SNK-q检验。
1.2 时间及地点 2021年6月至 2022年12月在徐州医科大学附属医院完成。
1.3 对象选取2021年6月至2022年6月于徐州医科大学附属医院行颈椎三维CT检查人员100例，调取其三维CT数据。其中男50例，女50例，年龄20-50岁，平均年龄：男39.7岁，女38.2岁。
纳入标准：无颈椎手术治疗史，图像显示无明显骨质增生、椎管狭窄、椎间盘突出、感染以及肿瘤等。
该研究的实施符合徐州医科大学附属医院的相关伦理要求，伦理编号XYFY2022-JS012-01。受试者及家属对数据收集完全知情同意，并签署了“知情同意书”。

1.4 测量方法选取合适的颈椎三维CT原始数据以DICOM格式导入Mimics 21.0医学影像数据处理软件中。通过调节不同组织灰度值分离颈椎骨骼组织，然后建立颈椎骨骼结构模型，利用区域增长(region grow)和编辑蒙版(edit mask)对颈椎模型进行填补空洞、边缘修整及表面光滑处理，并以STL文件格式保存。利用3-matic Medical 13.0软件自带测量工具测量：①颈椎关节突关节面倾斜角：椎体上终板延长线与关节突关节面的夹角，见图1a[9]；②颈椎关节突关节面与关节突螺钉的夹角：侧块中点与关节面中点的连线与关节面的夹角，见图1b。依次测量C3-4、C4-5、C5-6、C6-7矢状面颈椎关节突关节面倾斜角和颈椎关节突关节面与关节突螺钉的夹角。每个数据进行3次测量，取平均值，角度精确到0.1°，所有测量工作均由作者独立完成。

1.5 主要观察指标不同节段颈椎关节突关节面倾斜角和关节突关节面与关节突螺钉的夹角。
1.6 统计学分析所有测量数据均使用SPSS 25.0软件进行统计学分析，计量资料以x±s表示，组间相同节段比较采用独立样本t检验；组内两两比较采用SNK-q检验。检验水准α=0.05，P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已经通过徐州医科大学生物统计学专家审核。
1.7 导向器设计根据以上统计学结果，课题组参考Takayasu 法、Dalcanto 法和Klekamp 法设计出了下颈椎经关节突螺钉导向器。

讨论

颈椎关节突关节位置隐匿，解剖形态复杂，难以在影像上对其进行全面观察，以往的观察和测量大多集中在X射线片和CT图像[11]。普通CT图像和X射线片图像是平面二维的，观察小关节面的形态和角度有局限性，看不到关节突关节的整体三维形态。该研究在三维立体图像中可以对骨骼及其周围结构的形态进行多平面、多角度地动态观测，克服了一般X射线片和常规CT只能通过单一角度静态观察的技术局限性，并且提高了解剖学测量的准确性[12]。日本学者IWAON等[13]在2017年利用三维重建软件结合三维CT 数据进行解剖学研究：他们将肺癌患者的胸椎三维CT数据导入Mimics软件中进行三维立体重建，并与患者之前三维CT进行对比，在三维模型中精确观测了相关患者的肺癌是否发生骨转移。
自1983年DENIS[14]首次提出脊柱的“三柱理论学说”，众多学者相继研究证实颈椎关节突关节是脊柱后柱的重要骨性结构[15-16]，相关研究表明，颈椎关节突关节增生退变是引起颈椎不稳和神经根受压的重要原因[17]。同时，学者STEMPER与其团队[18]经过研究证实：随着颈椎前方椎间盘的退变，相应节段椎间隙高度减低，进而后方颈椎关节突关节在颈椎活动中所承受的压力明显增加，久而久之可引起“颈椎关节突关节痛”，这可能是因为颈椎关节突关节的继发性退行性改变而导致的。颈椎关节突关节的关节囊薄且比较松弛，而且颈椎横突间缺乏韧带固定，这种特殊的解剖学关系，使颈椎的活动度较大，但是稳定性比较差，容易受到损伤。该研究测量结果显示矢状面颈椎关节突关节面倾斜角以C5为中心呈U形分布，即C7 > C6 > C3 > C4 > C5。HOLMES等[19]通过测量颈椎X射线片C3-7屈伸运动范围，认为其活动范围在50°-90°之间，其中单节段的屈伸运动在C5/C6和 C4/C5节段最大，分别为17.9°和15.6°。颈椎关节突关节面倾斜方向为自后下斜向前上方，这样有利于控制颈部活动方向和限制其活动范围。而C5倾斜角小，所以C5/C6和 C4/C5在屈伸运动中活动度最大。
近年来对于颈椎经关节突螺钉的研究也逐渐增多，童杰等[20]生物力学测试研究发现经关节螺钉固定在轴向旋转和侧弯方向上与侧块钉棒系统固定效果相似，这让颈椎后路单纯使用经关节突螺钉固定技术成为一种新的可能。赵刘军等[8]研究了3种下颈椎经关节突螺钉置入方法，最终得出结论：与 Takayasu 法和Dalcanto 法相比，Klekamp法的椎动脉损伤和关节突劈裂发生率都较低。因此前期课题组采用Klekamp法置入关节突螺钉。此次研究利用三维重建技术测量下颈椎关节突螺钉矢状面倾斜角，测量结果表明C3-4、C4-5和C5-6节段关节突螺钉与关节面夹角均值接近90°，在C6-7节段关节突螺钉与关节面夹角则超过了100°。但是国内文献多是对于钉道尾倾角的研究。刘观燚等[21]利用颈椎标本以侧块背面中心点内侧1 mm为进钉点，下位椎体上关节突的侧前方横突与关节突相交处为出钉点进行置钉，得出在钉道矢状面上尾倾35°-40°。但是在实际手术中，关节突螺钉尾倾角大多由手术医师估算。由于手术节段不同以及患者体位差异，这种依靠经验所估算的钉道角度具有很大的差异性，无法确保经关节突螺钉完美置入。该研究以颈椎关节突关节面为参照面，研究钉道与关节面的夹角，并以此为依据设计关节突螺钉导向器。
目前下颈椎常用的后路固定方式包括侧块螺钉、椎弓根螺钉和经关节突螺钉。侧块螺钉技术以Magerl法为例，其进钉点定位于侧块正中点内下方1 mm处，外倾25°，平行于关节突关节方向钻入，其进钉点和进钉角度比较容易把握，因此也是最常用的方法。椎弓根螺钉内固定在胸腰椎中应用广泛，与侧块螺钉相比，它提供了更大的旋转稳定性和更大的拔出强度。但是颈椎椎弓根较小而且距离椎动脉非常近。因此，这项技术损伤神经血管的风险较高[22]，有研究表明在透视引导下置入颈椎椎弓根螺钉引起的神经血管并发症可以降低至0.4%，但是发生并发症的后果十分严重，可能导致截瘫、大出血，甚至死亡[23]。颈椎经关节突螺钉垂直于关节面方向，穿透4层皮质骨，螺钉抗拔出力则明显强于侧块钉棒技术，而且经关节突螺钉技术较侧块钉棒技术减少了螺钉使用和置入数量。侧块钉棒固定螺钉置入平行于关节面，为穿透双层皮质固定，所以在旋转方向上的稳定性方面，经关节突螺钉固定系统优于侧块钉棒固定系统[24]。有学者研究了下颈椎骨折伴创伤性椎间盘突出症患者分别行TFS+颈椎前路间盘切除融合术和侧块钉棒系统+颈椎前路间盘切除融合术，结果表明术后2年患者满意度和目测类比评分无明显差异，但是与侧块钉棒系统+颈椎前路间盘切除融合术相比，TFS+颈椎前路间盘切除融合术持续时间更短，失血量更低[25]。但是经关节突螺钉置入难度较大，容易损伤神经根和椎动脉，因此为安全置入经关节突螺钉，研究设计出一种导向器是十分有必要的。研究表明使用导向器显著提高了置钉的安全性和准确性，同时还减少了术中透视次数[26]。
综上所述，该研究利用三维重建技术测量了矢状面下颈椎关节突关节面倾斜角度以及关节突螺钉与关节面夹角，根据其解剖特点研究设计了下颈椎关节突螺钉导向器。该导向器适用于C3-4、C4-5和C5-6节段，但是还缺少利用颈椎标本进行的应用分析，后续课题组会继续完善以上问题，利用人体颈椎标本将进一步研究颈椎关节突间自稳定融合器。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

下颈椎关节突三维参数测量与关节突螺钉导向器的设计

Measurement of three-dimensional parameters of lower cervical facet joints and design of transarticular facet screw guide

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