胸椎椎弓根置钉技术的现状及最新进展

赵永辉，陆声

(昆明医科大学成都军区昆明总医院全军创伤骨科研究所，云南 昆明 650032)

自1959年Boucher等[1]报道了椎弓根螺钉技术应用于临床以来，该技术已成为脊柱外科领域发展最快的一项技术。椎弓根螺钉强大的三柱固定效果，对恢复脊柱生理曲度、生物力学及稳定性等方面提供了有力的保障。由于胸椎椎弓根解剖结构的特殊性及其相邻关系的复杂性，胸椎椎弓根置钉技术的发展相对较缓慢。近年来随着对胸椎椎弓根的解剖学研究及置钉技术的不断创新(从传统徒手置钉到追求更加精准、辐射接触量更少、抗拔能力更强的置钉技术)，不仅使胸椎椎弓根螺钉技术得到了广泛的发展，而且极大地提高了置钉的准确率。本文对胸椎椎弓根螺钉内固定技术的研究现状作一综述。

1 胸椎椎弓根的解剖学特点

椎弓根是连接椎弓与椎体的缩窄部分，前端位于椎体的后上部，短而厚，与椎体方向垂直并向后方突起，而后端与椎体、关节突、横突以及椎板融合一体，连接了脊柱前柱和后柱，是椎体最坚固的部分。1991年Panjabi等[2]对144个胸椎进行三维解剖结构研究，发现胸椎有三个不同区域：上端T1～2近似颈椎过渡椎，下端T11～12为腰椎的过渡椎，而中间区的T3～9由于椎管狭窄、血供特殊及椎弓根狭窄等特点，成为胸椎椎弓根置钉的难点。2013年王璐等[3]对34具尸体进行解剖学研究发现上胸椎椎弓根截面较狭窄，松质骨含量少，皮质骨较薄；下胸椎椎弓根横截面呈椭圆形或泪滴形，其内松质骨部分呈椭圆形或肾形。

目前临床上常用的胸椎椎弓根解剖学参数有椎弓根高度、椎弓根宽度、椎弓根横断面角、椎弓根矢状面角等。Zindrick等[4]对T1～L5椎弓根进行了2 905次测量，椎弓根之间差异较大，椎弓根高度通常大于椎弓根宽度。其中在横断面T5的椎弓根宽度最窄(4.5 mm)，T1～5椎弓根宽度呈逐渐减小的趋势(7.9～4.5 mm)，而T5～12则逐渐增大(4.5～18.0 mm)。在矢状面T1椎弓根高度最低(9.9 mm)；T11椎弓根高度最高(17.4 mm)；T2～7椎弓根高度变化不大(约12.0 mm)；T7～11椎弓根高度逐渐增大(12.1～17.4mm)，而T11～12则呈下降趋势(17.4～15.8 mm)。T1椎弓根内倾角最大，T12最小，T1～5、T9～12下降明显，而T5～9变化不大。Singh等[5]通过对胸椎椎弓根参数测量，其结论与Zindrick等[4]的基本一致。

2 胸椎椎弓根螺钉技术

2.1 传统徒手技术 徒手技术是目前应用最广的一种椎弓根置钉技术。2004年，Kim等[6]对394例患者置入了3 204枚胸椎椎弓根螺钉，并对所有胸椎(T1～12)椎弓根螺钉的置钉点进行了分析总结。他认为T1～2的置钉点位于椎弓根峡部外侧缘垂线和横突中线的交点。随着向下段胸椎推移，置钉点逐渐向内侧靠拢，到T7～9节段置钉点位于上关节突中点垂线和横突上缘的交点。继续向下段胸椎推移，置钉点由中间向外侧偏移，到T10～12节段的置钉点则位于椎弓根外侧缘的垂线和横突中线的交点。技术要点：首先暴露出关节突及横突，定位置钉点，咬骨钳咬除置钉区域部分皮质，使用开路器开道，球探探查椎弓根通道周围壁的完整性，同时确定椎弓根螺钉长度，攻丝后置入螺钉。徒手技术是一种经验置钉，通过完整暴露椎体的横突及关节突来确定置钉点，不同医师对置钉点的选择都会有不同程度的偏差，特别是脊柱畸形的患者，由于椎体旋转、解剖标志不清就更难保障置钉准确率。相关文献报道使用徒手技术置钉的准确率在64%～93.8%。这种经验置钉难度较大，学习曲线长，对初学者则需要长期临床经验的积累。

2.2 漏斗技术 2000年Gaines[7]首先对漏斗技术进行详细阐述。该方法主要步骤：首先暴露出横突及上关节突并确定椎弓根顶部投影直径约1 cm的皮质骨区域，然后去除该皮质骨区域。直视下可见椎弓根内的松质骨，用刮匙去除松质骨，再进一步深入至椎弓根峡部，用咬骨钳去除外周皮质骨，以便可以清楚地看到椎弓根峡部。将一个直径2 mm的小探针直接插入椎弓根的峡部并通过椎弓根进入椎体，再用一个较大的5 mm探头扩大穿过椎弓根峡部的椎弓根通道，将定位针(长度为55 mm)放置在探测的椎弓根通道中并拍摄正侧位X线片，确认椎弓根路径及置钉长度。最后将攻丝拧入椎弓根中并逐渐增加螺纹直径，直到与椎弓根壁紧密接触，最后置入合适的椎弓根螺钉。2002年，Yingsakmonkol等[8]利用该方法让不同经验的3名脊柱外科医生对9具新鲜尸体(216个胸椎椎弓根)置入椎弓根螺钉，其中无胸椎椎弓根螺钉置入经验的初级脊柱外科医生穿孔率为12.5%，比较熟悉该技术外科医生的穿孔率为5.5%，非常熟悉该技术医生的穿孔率为1.4%。其中穿孔均发生在前24个螺钉，最后48个螺钉没有穿孔。该技术学习曲线相对较短，是一种简单、安全可靠的技术。然而，由于去除了横突背侧皮质，破坏了椎体的完整性，不仅增加了出血量及手术时间，同时也降低了螺钉的把持力。

2.3 椎弓根-肋骨复合体置钉技术 1993年，Dvorak等[9]通过对胸椎解剖学的研究，首次报道了经椎弓根肋骨复合体置钉技术，并进行了初步的临床研究。Husted等[10-11]对这一复合体进行了更加深入的研究，对比测量分析了椎弓根-肋骨通道各参数明显优于椎弓根，所以经过该通路安全性较椎弓根更高且出现血管、神经损伤的风险更低。他们选择在肋横突关节头侧1/3进钉，螺钉斜向内下经肋横突结合区进入椎体。通过该途径置入了24枚螺钉并进行了CT扫描和解剖分析，所有螺钉均经该路径安全置入椎体。该技术在生物力学研究中，螺钉把持力明显小于经椎弓根通道置钉技术，但在椎弓根变异、骨折破坏或翻修手术中，可作为一种椎弓根螺钉技术的补充。

2.4 球探技术 2010年，Watanabe等[12]在置入椎弓根螺钉时，通过球形探针辅助使置钉较徒手技术更加准确、安全，从而提出了球探技术。技术要点：常规暴露并确定置钉点，利用磨钻去除置钉点的部分皮质。使用球形探针插入椎弓根松质骨探查椎弓根松质骨通道，探针按直径大小依次探查椎弓根通道，探针直径较小时会非常平顺的通过椎弓根通道，如果探针插入过程中遇到阻力，则使用锤子轻轻敲击探针尾部，探针球端则可通过改变方向沿内侧皮质滑入椎弓根通道内到达椎体前缘皮质，最后攻丝并根据探针方向、大小置入合适的椎弓根螺钉。2011年，陈克冰等[13]利用球探技术置入312枚椎弓根螺钉，传统徒手技术置入276枚，术后CT显示球探组颈椎、胸椎、腰椎的椎弓根螺钉置钉准确率达到了100%，而传统徒手技术准确率仅为78%。2012年，梁春祥等[14]也报道了相对徒手置钉技术来说，球探技术在上胸椎中能够更加可靠、准确的置入椎弓根螺钉，该方法置钉并发症也相对较少。但在椎弓根骨折、通道变异或椎弓根松质骨缺如时将无法置钉。此外，对于缺乏经验的医生在置钉过程中使用锤子敲击时可能刺破椎弓根内侧壁或椎体前侧壁而损伤脊髓、血管、神经、胸膜或脏器。

2.5 计算机导航技术 计算机导航系统是基于二维或三维影像基础上的实时导航技术。通过计算机高速处理大量数据信息，并将数据导出并进行手术模拟。近年来该技术发展较为迅速。计算机导航技术能辅助椎弓根螺钉置钉，通过实时监测使手术变得可视化，大大提高了置钉的准确率。早在1993年，Steinmann等[15]利用计算机导航技术在腰椎标本上置入了90枚椎弓根螺钉，其置钉成功率达到了94.5%。Laine等[16]将100例患者随机分为两组，分别采用计算机导航技术和传统徒手技术进行胸腰椎椎弓根置钉，结果表明利用计算机导航技术的成功率(98.6%)明显大于传统徒手技术(86.4%)。陈晓明等[17]对307例脊柱患者利用计算机导航技术行脊柱后路椎弓根钉置入，其中胸椎共置钉502枚，准确率98%，提示计算机导航技术能够提供立体、多视角实时呈现骨性解剖结构，保证了置钉的准确性及安全性，同时又大大减少射线的暴露强度。虽然计算机导航技术在辅助胸椎椎弓根置钉方面表现出更高成功率，但由于成本高昂，未能得到普及。

2.6 3D打印导板技术 3D打印技术是20世纪80年代末90年代初在美国开发兴起的一项高新制造技术，随着该技术的快速发展，目前在脊柱领域得到了广泛应用，尤其在辅助置钉方面。其技术要点：首先将CT数据以DICOM格式导入Mimics软件进行三维模型表面重建，再以STL格式保存并导入到逆向工程软件，设计出最佳置钉通道，提取椎板、棘突及关节突背侧的表面解剖并建立与其形态服帖的反向模板，然后将设计好的通道整合在导板模块上从而合成带有通道的导航模板，最后将数据导入3D打印机打印出置钉导航模板。Lu等[18]在16例脊柱侧弯患者中，按照椎弓根螺钉穿破皮质不超过2 mm的评价标准，通过3D打印导板技术置钉准确率100%，其中1.8%突破皮质但在2 mm以内。Ma等[19]将20具胸椎尸体标本随机分为导航模板组和自由徒手组，两组分别置入了120枚胸椎椎弓根螺钉，并对螺钉的位置进行评估。结果两组置钉成功率分别为93.4%和65%，导航模板技术的准确率明显高于自由手法技术，且风险发生率较低。此外，利用导航模板技术置钉的学习曲线不明显。这种简单经济的方法不仅可以提高置入椎弓根螺钉的准确性，而且可以减少手术时间和射线暴露。

2.7 滑梯技术 在胸椎畸形患者中由于解剖标志的变异，置钉不仅定位困难且风险较大，基于此Vialle等[20]在2014年报道了一种新的徒手技术即滑梯技术。该技术与漏斗技术非常接近，其作为漏斗技术的改进，尤其在胸椎严重畸形方面更安全、有效。技术要点：首先暴露出横突并去除横突后侧皮质，使用小刮匙完全去除横突容纳的松质骨，剩余的骨松质即椎弓根的入口。然后将探针轻轻插入约30 mm的深度，探针插入过程中，横突前处的皮质和椎弓根的侧缘作为“滑梯”允许安全通过。经评估椎弓根螺钉通路的完整性后即可置入适合的椎弓根螺钉。“滑梯技术”不仅能有效的用于复杂脊柱畸形患者，同时还可以大大减少额外射线及缩短手术时间。尽管如此，该技术较漏斗技术对横突的破坏更多，不仅增加术中出血，而且破坏了椎体的力学稳定性。不建议单一方法置钉，可根据椎体旋转变异情况，对置钉困难、风险高的椎体选用该方法不失是一个选择。

2.8 皮质骨通道(cortical bone trajectory，CBT)螺钉技术 2009年，Santoni等[21]在尸体标本腰椎上利用经皮质骨通道置钉技术(即螺钉通过椎弓根在矢状面由下向上，在横断面由内向外侧置钉)置入螺钉并进行了生物力学研究，相较于传统椎弓根螺钉，CBT螺钉的轴向拔出力增加了30%。该技术使用的螺钉直径较小且长度较短，但螺纹排列紧密，增加与皮质骨接触区域，从而增加了螺钉接触强度。另外，置钉点靠内邻近峡部，对肌肉剥离范围较小，钉道的特定走向也降低血管、神经损伤的概率。由于其突出的优点，该技术近年来发展迅速，主要被应用于腰椎节段，而胸椎经皮质骨通道置钉技术报道较少。2016年，Xuan等[22]对10具尸体的胸椎(T9～12)CBT进行评估，通过参数测量、影像学手段及尸体解剖学的研究，证明下胸椎(T9～12)置入CBT螺钉具有可行性。2016年，Sheng等[23]对80例患者进行CT扫描并测量了胸椎解剖参数，在此基础上将20个尸体胸椎标本置入了240枚CBT螺钉，置钉准确率达95%。结果表明：CBT螺钉对于中上胸椎是安全的。2017年，Matsukawa等[24]对50例成人患者胸椎进行CT扫描并对T9～12椎体的最大直径、长度和侧角进行了测量，T11选择上关节突外侧2/3处垂线与横突下缘的交点为置钉点，T9、T10选择上关节突外侧2/3处垂线与横突下缘上移1 mm的交点为置钉点，T12选择上关节突外侧2/3处垂线与横突下缘下移1 mm的交点为置钉点。在轴向平面上呈直线向前倾斜，止于上端板后1/3处。此外，对24个胸椎分别比较CBT螺钉与传统椎弓根螺钉的生物力学，结果表明胸椎CBT螺钉的抗拔强度比传统技术高出了53.8%。胸椎CBT螺钉技术具备对软组织剥离少、置钉安全、抗拔能力强等优点，但存在一定的学习曲线，初学者仍需要长期的经验积累。相信随着对胸椎解剖学及影像学的不断深入研究，CBT螺钉技术将会得到快速发展。

3 胸椎椎弓根螺钉技术的展望

自20世纪50年代，椎弓根螺钉技术的出现到目前的发展，广大学者经历了60多年的不断研究、不断创新，使椎弓根螺钉技术得到了快速发展。该技术每一步的创新都体现了对脊柱外科手术理念的创新。最初发展起来的徒手技术，其操作简单方便，但准确率因人而异，不但与术者经验的不同而导致准确率的波动，还以患者脊柱椎体不同而变化，并且学习曲线较长。随着解剖学研究的不断深入，之后出现了漏斗技术、肋骨-椎弓根通道、球探技术、滑梯技术等，较传统徒手技术提高了置钉准确率，但同样也存在一些局限性，如对椎体结构力学的破坏、出血多、把持力不足等。计算机导航技术的应用使椎弓根螺钉置钉更加精准，但其设备昂贵，难以普及。而3D打印导板技术在保证置钉成功率的同时操作较方便，对初学者有着很大吸引力，但导板设计制作需要时间，对一些特定患者也许不能及时提供。多数老年患者普遍存在骨质疏松，为增加螺钉的抗拔能力又提出了骨皮质通道螺钉，近两年来也得到了快速发展。

胸椎椎弓根置钉技术的每一步发展，都必须有大量的实验数据和临床验证。对于技术的追求始终是本着操作方便、置钉准确、抗拔能力强、损伤小、并发症少的原则发展。随着进一步的深入研究及相关领域的发展，3D打印导板技术、计算机导航技术等将会有更大的发展空间并得到普及。虚拟现实及增强现实也许能够与置钉技术相结合，使置钉技术得到革命性的变化。

参考文献：

[1]Boucher HH.A method of spinal fusion[J].J Bone Joint Surg(Br)，1959，41(2)：248-259.

[2]Panjabi MM，Takata K，Goel V，et al.Thoracic human vertebrae.Quantitative three-dimensional anatomy[J].Spine，1991，16(8)：888-901.

[3]王璐，赵琳，刘伯锋，等.胸椎椎弓根应用解剖对椎弓根钉置入方法的影响[J].中国老年学杂志，2013，33(18)：4387-4390.

[4]Zindrick MR，Wiltse LL，Doornik A，et al.Analysis of the morphometric characteristics of the thoracic and lumbar pedicles[J].Spine，1987，12(2)：160-166.

[5]Singh R，Srivastva SK，Prasath CSV，et al.Morphometric measurements of cadaveric thoracic spine in Indian population and its clinical applications [J].Asian Spine J，2011，5(1)：20-34.

[6]Kim YJ，Lenke LG，Bridwell KH，et al.Free hand pedicle screw placement in the thoracic spine is it safe[J].Spine，2004，29(3)：333-342.

[7]Gaines RJ.The use of pedicle-screw internal fixation for the operative treatment of spinal disorders[J].J Bone Joint Surg(Am)，2000，82(10)：1458-1476.

[8]Yingsakmonkol W，Karaikovic E，Gaines RW.The accuracy of pedicle screw placement in the thoracic spine using the "Funnel Technique"：part 1.A cadaveric study[J].J Spinal Disord Tech，2002，15(6)：445-449.

[9]Dvorak M，MacDonald S，Gurr KR，et al.An anatomic，radiographic，and biomechanical assessment of extrapedicular screw fixation in the thoracic spine[J].Spine，1993，18(12)：1689-1694.

[10]Husted DS，Yue JJ，Fairchild TA，et al.Anextrapedicular approach to the placement of screws in the thoracic spine：an anatomic and radiographic assessment[J].Spine，2003，28(20)：2324-2330.

[11]Husted DS，Haims AH，Fairchild TA，et al.Morphometeic comparison of the pedicle rib uint to pedicles in the thoracic spine[J].Spine，2004，29(2)：139-146.

[12]Watanabe K，Matsumoto M，Tsuji T，et al.Ball tip technique for thoracic pedicle screw placement in patients with adolescent idiopathic scoliosis[J].Neurosurg Spine，2010，13(2)：246-252.

[13]陈克冰，刘少喻，李浩淼，等.球形探针技术在椎弓根螺钉置钉术中的应用[J].中华骨科杂志，2011，31(12)：1314-1318.

[14]梁春祥，李浩淼，陈克冰，等.Balltip技术置入中上胸椎椎弓根螺钉的准确性评价[J].中山大学学报，2012，33(1)：116-120.

[15]Steinmann JC，Herkowitz HN，El-Kommos H，et al.Spinal pedicle fixation.Confirmation of an image-based technique for screw placement[J].Spine，1993，18(13)：1856-1861.

[16]Laine T，Lund T，Ylikoski M，et al.Accuracy of pedicle screw insertion with and without computer assistance：a randomised controlled clinical study in 100 consecutive patients[J].Eur Spine J，2000，9(3)：235-240.

[17]陈晓明，肖增明，宗少晖，等.计算机导航引导下脊柱后路椎弓根螺钉置入内固定：准确性及安全性[J].中国组织工程研究，2015，19(13)：2119-2124.

[18]Lu S，Zhang YZ，Wang Z，et al.Accuracy and efficacy of thoracic pedicle screws in scoliosis with patient-specific drill template [J].Med Biol Eng Comput，2012，50(7)：751-758.

[19]Ma T，Xu YQ，Cheng YB，et al.A novel computer-assisted drill guide template for thoracic pedicle screw placement：a cadaveric study[J].Arch Orthop Trauma Surg，2012，132(1)：65-72.

[20]Vialle RR，Zeller and Gaines RW.The "slide technique"：an improvement on the "funnel technique" for safe pediclescrew placement in the thoracic spine[J].Eur Spine J，2014，23(Suppl 4)：452-456.

[21]Santoni BG，Hynes RA，McGilvray KC，et al.Cortical bone trajectory for lumbar pedicle screws[J].Spine J，2009，9(5)：366-373.

[22]Xuan J，Zhang D，Jin HM，et al.Minimally invasive cortical bone trajectory screws placement via pedicle or pedicle rib unit in the lower thoracic spine：a cadaveric and radiographic study[J].Eur Spine J，2016，25(12)：4199-4207.

[23]Sheng SR，Chen JX，Chen W，et al.Cortical bone trajectory screws for the middle-upper thorax：An anatomico-radiological study[J].Medicine(Baltimore)，2016，95(35)：4676.

[24]Matsukawa K，Yato Y，Hynes RA，et al.Corticalbonetrajectory for thoracic pedicle screws：atechnicalnote[J].Clin Spine Surg，2017，30(5)：497-504.