2.1 纳入文献基本情况 初检得到260篇文献，其中英文文献190篇，中文文献70篇。阅读标题和摘要进行初筛，排除与研究目的不符和重复性文章；查阅全文，判断与纳入标准一致的文章，最后选择40篇符合标准的文献。其中椎弓根螺钉脊柱内固定技术的研究进展8篇[1-8]，椎弓根螺钉内固定系统生物力学评价6篇[9-14]，椎弓根螺钉内固定置入稳定性影响因素的文献25篇[15-39]，影响椎弓根螺钉植入后力学的总结与展望2篇[36，40]。   2.2  椎弓根螺钉脊柱内固定技术的应用 椎弓根螺钉是最常用的脊柱内固定器械之一，广泛应用于脊柱骨折的固定，脊柱侧凸和滑脱的矫形、复位以及脊柱肿瘤切除后的重建。但由于脊柱的解剖复杂，在椎弓钉固定术中，虽然有经验的外科医师可以准确定位螺钉的打入位置，但螺钉位置不当仍是内固定失败最常见的原因[5]。椎弓根螺钉的位置和手术效果密切相关，可以说椎弓根螺钉的放置直接决定手术的成败。陈德龙等[6]对7例胸腰椎骨折均行椎弓根螺钉长节段固定，脊髓受压部位椎管减压、植骨，经18-36个月随访，X射线显示植骨融合牢固，无术后感染并发症，取得了良好的效果，作者认为材质好的产品，不要用长度不足直径不够的椎弓根螺钉，另椎弓根系统的棒有不同长度供选择，棒可根据脊椎形状预弯。另外手术操作技术对于椎弓根螺钉的使用，最重要的是椎弓根钉置入，强调术前仔细分析影像学检查结果，有利于术中准确置入椎弓根螺钉。   椎弓根螺钉的置入必须位于三维空间中惟一的一个正确通道上，即按照正确的矢状面角及水平面角，沿着椎弓根的长轴穿过椎弓根这一狭小的骨性管道达椎体内。椎弓根螺钉植入技术有3个基本步骤，即进钉点定位、进钉方向以及植入深度的选择。王洪伟等[7]实验通过分析5具新鲜冰冻小牛腰椎标本(L1-L5)制备成L3椎体爆裂骨折模型，探讨脊柱骨折经伤椎椎弓根置钉附加横连短节段钉棒固定的稳定性，验证了经伤椎椎弓根置钉短节段钉棒固定可提高骨折模型各个运动方向上的生物力学稳定性，附加横连经伤椎6钉固定技术较单纯经伤椎6钉同定技术在轴向旋转运动方向上可提供更强的力学稳定性。丁援建等[8]对51例胸腰段脊柱骨折患者行椎弓根螺钉内阎定，总结个体化选定椎弓根螺入钉点治疗胸腰段脊柱骨折的方法和体会，通过测量胸腰段脊柱前后位X射线片上椎弓根与同侧上椎体下关节突的相互伸置，以该下关节突为参照物，证明了个体化选定胸腰段脊椎椎弓根螺钉入钉点是一个较好方法，术中入钉点处椎板后壁骨皮质部分的预先切除和正确的操作手法可以防止不良置钉发生。   2.3 椎弓根螺钉内固定系统生物力学评价 椎弓根螺钉生物力学测试的方法主要包括以下几方面，采用Panjabi法[9]：①屈服强度试验：采用轴向压缩荷载或屈曲压缩荷载，加载至失稳，目的在于研究人工椎体在某种载荷下的承载强度，强度试验需要加载直至材料破坏为止，通过荷载-位移曲线获得生物力学参数。②植入物疲劳试验：对椎体植入物施加周期性的荷载，观察其疲劳强度，以失败的周期数定义疲劳强度。③内固定物稳定性试验：与前面两种破坏性试验不同，稳定性试验是非破坏性的。目的在于研究内置物在非破坏性载荷下的内固定强度与各种生理载荷的相关关系。Dick等[10]认为使用较小负荷进行非破坏性试验有两大优点：①使用较小负荷进行稳定性试验既能得到相应数据，又不破坏标本。②使用较小负荷能降低试验过程中标本的疲劳退化。鉴于以上优点，采用了固定脊柱后非破坏性稳定性试验。   进行生物力学实验目前常用的生物模型有尸体标本、活体及犬、牛、猪、猴、羊等动物模型，这几种生物模型各有其优缺点。人尸体标本广泛运用于生物力学测试的体外研究，其优点是能直接、精确测量脊柱各节段的运动，缺点在于新鲜的尸体受数量的限制，且其离体标本的测试亦在一定程度上改变了生理状态下脊柱的力学特点；人的活体研究主要运用于临床脊柱功能检测，还需考虑很多社会因素。   胡樵等[11]应用小牛胸腰椎建立骨折模型，应用椎弓根螺钉内固定，测试标本应用不同固定方法后在轴向压缩，屈伸和扭转试验中生物力学稳定性及长短椎弓根螺钉的握持能力，探讨伤椎固定对脊柱稳定性的影响。魏美钢等[12]对AF、Dick、VSP钢板三类椎弓根螺钉器械被安装在加载模型上，分别在0，1，2个横杆状态下施加旋转扭矩，加载负荷为2，5，8 N•m，记录不同负荷下的角位移，他认为横杆可以提高椎弓根螺钉器械的稳定性，加用2个横杆效果优于加用1个横杆；加用横杆可明显加强钉棒系统椎弓根螺钉器械的轴向稳定性。   殷渠东等[13]通过7具骨质疏松脊柱标本，测试单枚螺钉与器械中螺钉、平行与非平行方向植入螺钉、两节段与3节段固定中螺钉以及有无横向连接装置器械中螺钉的最大拔出力和螺钉拔出4 mm的能量吸收值(E-4 mm)。他认为采用螺钉与连接棒强直性连接，有横向连接装置器械，非平行方向植入螺钉和增加固定点或固定节段等方法，可以提高器械中螺钉固定的相对稳定性。   武启军等[14]用10具小牛新鲜脊柱标本(T10-L5)，先测试完整状态下的运动范围(ROM)，再模拟L1-L2前中柱病变切除手术：切除L1，L2椎间盘和邻近终板共2 cm高，行自体髂骨支撑植骨，后路依次用单节段短钉、单节段长钉、短节段和长节段椎弓根内固定系统进行固定，在不同固定方式下测试模型在轴向压缩、侧弯、屈伸和扭转方向上的运动范围，计算相对运动范围。结果证明小牛新鲜脊柱标本前中柱切除后植骨单节段椎弓根螺钉固定的稳定性低于短节段和长节段固定，但是高于完整状态：脊柱前中柱支撑植骨后，单节段短钉固定与单节段长钉固定的即刻稳定性相近。   2.4  椎弓根螺钉系统稳定性的探索 随着材料学和生物力学的发展，人们逐渐认识到椎弓根螺钉内固定系统的早期并发症与内固定的设计及其生物力学性能有很大关系，遂对椎弓根螺钉系统的材料、几何形状、整体设计等进行了改进。   　螺钉材料：椎弓根螺钉-骨界面研究大部分在离体脊柱完成，不能反映由于应力产生骨的重塑对系统稳定性的影响[15]。因此选择好的螺钉材料使之置入后具有良好的钉骨界面尤为重要。现在的脊柱内固定植入物更多地使用由纯钛或者钛合金制成，与医用不锈钢相比，钛或者钛合金与机体有更好的生物相容性，其弹性也更加接近骨组织，是目前在人体使用的金属中和人体相容性最好的，由于纯钛或者钛合金制成的脊柱内固定物或者其他内植入物，与磁场之间没有相互作用，使患者手术后仍然能够安全的接受核磁共振检查，从而提高了脊柱脊髓损伤患者的手术治疗水平，因此是目前最好的内固定物材料[16]。   王岩等[17]分析形状记忆合金脊柱侧凸矫正系统的设计及其临床应用，评价其疗效，采用卢世璧教授设计的镍钛记忆合金棒结合椎板下钢丝的脊柱侧凸矫正系统，应用于不同僵硬程度的特发性脊柱侧凸患者，合金棒均采用单程形变的热处理工序，也就是说合金棒仅记忆奥氏体晶相的形状(脊柱正常冠状位和矢状位的屈度)，在切口内放入碎冰形成局部的低温环境下很容易完成合金棒的置入，形成内固定装置的整体结构。实验证明利用形状记忆和超弹性的属性，形状记忆合金脊柱侧凸矫正系统能够取得较为理想的矫正效果，结合椎弓根钉可以取得更好的三维矫形效果。   邵景范等[18]则采用一种新型无毒的陶瓷a-BSMTM添加到螺钉表面，了解其对改善椎弓根螺钉稳定性的作用和特性。在他们的试验中，无论是轴向拔出试验还是周期抗屈试验，添加a-BSMTM能明显改善椎弓根螺钉的初始稳定性。   何斌等[19]评价MIIGX3对椎弓根螺钉固定骨质疏松椎体的强化作用，MIIGX3是一种可注射型硫酸钙，不仅具有硫酸钙人工骨的共性，而且能在体内快速硬化，提供较高的抗压强度，故它在临床中有广泛的应用前景，不仅具有生物相容性、可降解、不产生聚合热及高效诱导成骨活性等优点，而且这种注射型人工骨能在体内快速硬化，在术中提供临时固定并可放置内固定器械。   椎弓根螺钉的设计：螺钉的形状多种多样，外径主要有柱形和锥形两种。生物力学试验以及有限元分析已证实，当椎弓根螺钉拧人椎体并连接固定杆后，其尾端承受压应力及其他应力。椎体内的钉杆部分承受约束力。金属屈服点便集中在螺钉的椎弓根钻孑L区即螺钉颈部。螺钉颈部的直径越小，越易发生变形和疲劳断裂，因此增加螺钉颈部的直径可以提高其的刚度和强度[20]。   目前椎弓根螺钉的螺纹形状多种多样，归结起来大致有：外锥螺纹、内锥螺纹，皮质骨螺纹和松质骨螺纹等。临床上以Diapason(Stryker产品)、AF、Dick、CCD不同螺纹形状的内固定器螺钉为代表[21]。   林焱等[22]应用池永龙教授设计的吸收了Dick\AF\RF\优点研制出池氏系统(CYL)，借助生物力学实验手段做4种内固定器的稳定性生物力学比较，为临床治疗提供依据。期试验认为器械的稳定性及椎弓根螺钉直径、螺纹特点、螺钉固定装置等结构密切相关，且池氏系统具有结构设计合理、稳定性较好等优点，是一种理想的内固定系统。   雍明等[23]分析万向椎弓根螺钉在不同矢状轴成角下对连接棒把持力的变化及与固定钉的抗拔出力比较，结果证明万向椎弓根螺钉对连接棒的把持力大于固定螺钉，矢状轴成角对连接棒把持力大于无成角，且与矢状轴成角方向无关。万向椎弓根螺钉的出现给手术提供了多种可能性、便利性，但其设计的复杂性可能会降低其强度和抗疲劳性，而成为新的手术的不安全凶素。对此除了与普通固定螺钉相同的稳定性影响因素如：骨质疏松、螺钉长度、螺纹设计、温度等外，很多学者对其特有的生物力学性质进行了测试。吴子祥等[24]为提高椎弓根螺钉的握持力，根据机械膨胀原理，设计出膨胀式椎弓根螺钉(expansive pedicle screw，EPS)，利用机械膨胀增加内植物与椎体接触面的成角角度，提高螺钉的握持力。   改进椎弓根螺钉固定装置设计：随着对脊柱解剖结构和形态的深入研究及临床手术技术的提高，对各种内固定器械的选择要求更趋完善。器械复位力量是依靠器械杠杆力，使局部力量过大，易引起弯钉，钉杆角难以掌握，因而椎体前缘高度恢复不理想，同时也使椎管内骨块复原效果较差。AF器械虽然具有自身恢复角度和伸缩力的特点，但在螺钉与角度固定圈的洽接设计上，又返回到Dick螺钉与侧块洽接的结构，存在钉-棒-骨结合面松动的缺点[25]。随着经皮椎弓根螺钉技术与计算机辅助技术和内窥镜技术相结合，它开始被更多地应用于腰椎滑脱、脊柱骨折、慢性下腰痛、脊柱肿瘤的外科诊断和治疗，而且由于经皮椎弓根螺钉技术的出现避免了传统脊柱后路内固定植入手术的大切口、肌肉剥离多，术后康复慢等的缺点，目前它已经逐渐成为微创脊柱外科的基本技术手段之一[26]。   近年来，随着内固定器械、影像学及计算机导航技术的发展，经皮椎弓根螺钉技术已经变得越来越准确和简便[27]。陈玉兵等[28]设计制作了胸椎个体化导航模板，通过尸体标本实验的方法验证其辅助胸椎椎弓根螺钉置入的准确性，结果证明了快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置人准确率高，对术者无特别的经验要求。手术操作简单、安全，可避免术中放射性损伤，为胸椎椎弓根螺钉的置入提供了一种新的可行方法，尤其适用于初学者。刘亚军等[29]总结16三维导航系统辅助下置入的159枚颈椎(C2-7)椎弓根螺钉，术后进行经椎弓根螺钉水平的16平扫，观察椎弓根螺钉置入的精确性，同时总结C线透视引导下145枚颈椎椎弓根螺钉的置钉准确性，并与CT三维导航引导组进行对比分析。证明了采用三维导航系统辅助进行颈椎椎弓根螺钉内固定是可行的，与C线透视引导相比，能显著提高椎弓根螺钉置入的精确性、安全性。   其他因素：目前椎弓根螺钉的置入方法主要有徒手法(解剖标志点法)、X射线透视法、椎板开窗法、计算机辅助导航法等，这些方法也决定了进钉的角度、位置，因此也影响到置入后的内固定物的稳定性，另外，操作者的技术经验及手法也是重要因素[30]。脊柱内固定的目的是为脊柱疾患的充分愈合提供一个稳定的环境。脊柱内固定器械所提供的稳定性来自两个方面：一是器械的稳定性，二是器械与骨组织界面接触所产生的稳定性。计算机辅助脊柱手术导航下内固定术不仅减少了手术创伤，而且使得手术的风险显著降低。但是，计算机辅助导航系统还是存在一定的局限性[31]。   2.5  三维重建技术与椎弓根螺钉置入 三维重建最早应用于医学是20世纪80年代，是通过计算机对生物组织结构影像处理，获得三维图像并能进行定量测量的一种形态学研究技术。三维重建技术不仅可以提供人体内部结构的数字化三维模型，而且利用相关软件还能在模型上进行手术设计和生物力学分析[32]。脊柱区结构复杂，较多重要的组织器官毗邻，因此脊柱手术对精确性要求非常高。有关椎弓根螺钉置入技术研究已有很多，它们主要集中在螺钉置入的安全性和稳定性两个方面，但前提条件是螺钉的安全有效置入，也就是成功置钉，因此准确了解椎弓根的三维空间特点和选择准确的置入点是手术成功的关键[33]。应用现代影像学、计算机三维重建及计算机辅助设计技术结合，建立一种定。   陆建华等[34]将骨质疏松患者L1-4 CT扫描数据导入Mimics10.0软件和GE工作站，三维重建并虚拟椎弓根螺钉置入双皮质固定L1，3椎体，定位并测量置钉相关数据。通过Mimics10.0软件重建CT三维腰椎影像并虚拟椎弓根螺钉人字嵴顶点置入，测量椎弓根的最小宽径、虚拟置入双皮质椎弓根螺钉的矢状面角、内倾角(水平面角)、水平置入最大限深，推算出平行上终板置入的最大限深。获取个体化腰椎双皮质椎弓根螺钉置入数据，从而提高螺钉固定的安全度和精确性。   王远政等[35]对16例成人下颈椎标本行CT扫描收集数据，导入Mimics软件对标本进行三维重建。利用Mimics相关功能在三维重建图像上寻找下颈椎椎弓根最佳轴线并测量椎弓根相关参数，制定椎弓根螺钉个体化置入方案。然后将三维重建图像以STL格式导入三维打印机，制作出下颈椎的实体模型，根据个体化置钉角度置入导向针。依照制定的个体化指定参数，并配合实体模型的直观指导，在标本上进行置钉。置钉后标本行CT扫描，判断置入准确性。结果成功建立了与标本相似度极高的下颈椎三维重建图像和实物模型，通过测量结果设计了每个椎弓根的置钉参数。共在标本上置入148枚椎弓根螺钉，140枚位于椎弓根骨皮质之内，8枚稍穿破椎弓根骨皮质。对患者置入10枚椎弓根螺钉，CT示螺钉位置满意。   杨雯栋等[36]探索了多层螺旋CT三维重建技术在胸腰椎骨折患者经椎弓根螺钉内固定术中的应用价值。78例患者共置入椎弓根螺钉436枚，传统置钉法(Weinstein法或AO法)进行椎弓根螺钉置入38例共置入212枚，12例32枚螺钉穿破椎弓根皮质，其中穿破椎弓根内外皮质21枚，穿破椎弓根上下皮质11枚，置钉准确率84.91%；MSCT三维重建设计钉道的置钉方法进行螺钉置入40例共置入224枚，5例6枚螺钉穿破椎弓根皮质，其中穿破椎弓根内外皮质4枚，穿破椎弓根上下皮质2枚，置钉准确率97.33%。结果证明胸腰椎骨折患者行椎弓根螺钉内固定时应用MSCT三维重建设计钉道的置钉方法较传统置钉方法成功率高。   庞小平等[37]将颈椎16排CT扫描的Dicom数据导入Mimics软件和GE后处理工作站，进行颈椎三维重建和图像处理，测量在置入椎弓根螺钉情况下的置钉参数。结果显示应用CT三维重建技术可以获得清晰颈椎三维图像，使用软件测量功能可精确地获取预置螺钉的椎弓根管宽度、轴线长度、α及β角；颈椎椎弓螺钉置入情况下，可测量置钉的水平角度安全范围。通过本方法可模拟手术过程，进行常规方法难以完成的三维测量，获取椎弓根螺钉置入个体化数据，为研究颈椎椎弓根螺钉置入的安全性提供了一种可靠的研究方法。   高明等[38]应用CT三维重建技术对56例颈椎(C3-C7)进行模拟椎弓根内固定术，并对理想椎弓根螺钉的形态进行测量，包括理想螺钉的长度、直径、螺钉的偏角(外偏角)及矢状角。实验得出结论C3-C7椎弓根的形态变异范围较大，应用CT三维重建技术模拟椎弓根内固定术，可测量理想椎弓根螺钉的形态并进行评估，对术中置入螺钉的角度和形态的选择有指导意义。 殷海东等[39]根据患者术前CT设计拟固定胸椎的椎弓根螺钉进钉点并用于指导术中的进钉点选择，术后根据螺钉是否突破椎弓根的皮质壁来判断置钉准确性。结果全部患者共置入椎弓根螺钉591枚，胸椎417枚，腰椎174枚，术后530枚螺钉的轴线完全位于椎弓根皮质内，准确率为89.7%，其中胸椎置钉准确率为86.8%(362/417)。61枚螺钉的轴线突破椎弓根皮质壁，胸椎55枚，腰椎6枚。55枚偏置的胸椎椎弓根螺钉中52枚螺钉的实际进钉点与术前设计一致，其中19枚钉尖位于椎体内；3枚螺钉为术中实际进钉点选择失误，螺钉轴线突破椎弓根皮质壁的距离均不超过4 mm。无脊髓、大血管及脏器损伤等严重并发症发生。实验证明个体化选择胸椎椎弓根螺钉进钉点可提高脊柱侧凸患者胸椎置钉的准确率，减少术中进钉点选择失误所致的并发症。"