椎弓根螺钉插入扭矩的影响因素研究进展

刘攀杰，张顺聪，袁凯*，郭丹青，李永贤，罗培杰，郭惠智，李宗瑶

(1.广州中医药大学，广东 广州 510000；2.广州中医药大学第一附属医院脊柱专科，广东 广州 510000)

椎弓根螺钉固定术自20世纪50年代首次报道以来，目前已成为恢复脊柱稳定性的最常用手术方法之一[1]。尽管椎弓根螺钉具有良好的固定能力，但固定失败的案例仍有发生，常见的问题包括螺钉的断裂、松动等。螺钉松动是其最常见的并发症之一[2]。螺钉松动主要是由于固定强度不足导致的，文献报道其发生率为0.6%～27.0%，而对于骨质疏松的患者，其发生率甚至可能高达60%[3-5]。椎弓根螺钉的稳定性主要取决于骨螺钉界面强度[6]，目前术者主要根据患者术前骨密度(bone mineral density，BMD)、影像学资料以及术中的“置钉手感”来评估骨螺钉界面强度。术者的“置钉手感”，其可量化指标即为椎弓根螺钉的插入扭矩(insertional torque，IT)，也有文献译为拧入扭矩[7]。有研究报道椎弓根螺钉插入扭矩与螺钉的抗拔出力呈正相关[8]，Mizuno等[9]还指出椎弓根螺钉插入扭矩可能作为预测术后螺钉固定的稳定性的指标之一。因此，大部分脊柱外科医生都希望在椎弓根螺钉置入过程中获得良好的插入扭矩，以使螺钉具有良好的稳定性。本文就椎弓根螺钉插入扭矩的相关影响因素综述如下。

1 椎弓根螺钉插入扭矩与BMD关系

既往研究表明，椎弓根螺钉插入扭矩与BMD呈正相关，BMD正常的椎骨一般拥有较大的椎弓根螺钉插入扭矩值[8]。Okuyama等[10]术中实测腰椎椎弓根螺钉插入扭矩，取置钉过程中插入扭矩最大值用来研究，发现根据Jikei骨质疏松量表，骨量正常组的最大插入扭矩平均值为(1.72±0.23)N·m，在Ⅰ级骨质疏松患者为(1.34±0.27)N·m，骨质疏松Ⅱ或Ⅲ级的患者为(1.01±0.26)N·m，BMD与插入扭矩之间存在高度正相关性。Kuklo等[11]通过对34个人体胸椎标本研究发现，BMD越大的标本，其最大插入扭矩值也越大；相同的攻丝直径下，平均BMD为0.732 g/cm2的第一组标本，其最大插入扭矩平均值为(0.295±0.021)N·m；而平均BMD为0.614 g/cm2的第二组标本，其最大插入扭矩平均值为(0.202±0.018)N·m。Ozawa等[12]根据腰椎术中螺钉杆完全锚固时的插入扭矩是否大于10 kgf·cm(1 kgf·cm=0.098 N·m)，将受试者分为高、低扭矩组，结果表明插入扭矩与骨质疏松程度呈负相关，骨量正常组平均插入扭矩为(15.8±3.8)kgf ·cm，Ⅰ级骨质疏松患者为(12.6±5.2)kgf·cm，骨质疏松Ⅱ和Ⅲ级患者为(11.2±5.3)kgf·cm。Lee等[13]研究181例腰椎椎弓根螺钉内固定患者，发现置钉过程中骨量正常组患者产生的最大插入扭矩平均值为2.08 N·m，骨量减少组为1.48 N·m，骨质疏松组为1.37 N·m，骨质疏松患者的椎弓根螺钉插入扭矩的平均值低于非骨质疏松患者，并具有统计学意义，但骨质疏松症患者和骨量减少者比较差异无统计学意义。

椎弓根螺钉的插入扭矩主要由骨螺钉界面中的剪切力和摩擦力产生，因此会受到骨小梁稀疏程度的影响[10]。传统的双能X线吸收测量法在评估BMD方面存在的一定局限性，其通过二维平面的扫描测量来间接反映三维平面的BMD，故BMD单位通常为g/cm2，即面积BMD。相对于真实的体积BMD并不十分准确，且脊柱退性变和股骨旋转在一定程度上会导致腰椎和股骨的骨密度测量值增加，从而导致术者所需要的真实骨密度被掩盖[8，13]。相比于双能X线吸收测量法，通过定量CT(quantitative computed tomography，QCT)测量的椎骨体积骨密度能更准确地预测椎弓根螺钉的插入扭矩。Mizuno等[9]使用QCT测量固定节段椎体的体积BMD，发现锥形椎弓根螺钉组的体积BMD和插入扭矩之间呈正相关。由于椎骨内的密度不均，因此为植入物的目标部位骨质提供有价值信息，需要避免这种不均匀特性的干扰，故此，局部评估螺钉钉道及周围的骨质量应比其他测量方法更能准确地预测椎弓根螺钉的插入扭矩[14]。Ishikawa等[5]对比双能X线测量的腰椎椎体BMD、股骨颈BMD、髋关节BMD和QCT测量的腰椎椎体中心体积BMD、椎弓根螺钉在椎体内固定部位区域的体积BMD等5种不同类型的BMD测量方法，发现QCT测量的椎弓根螺钉在椎体内固定部位区域的体积BMD预测椎弓根螺钉插入扭矩的能力最强。

近年来，研究发现CT扫描的亨氏单位(hounsfield unit，HU)值与骨密度存在相关性，也可用来评价骨质[2，15]。目前没有传统椎弓根螺钉插入扭矩与HU值相关性的研究资料，但是皮质骨轨迹螺钉有相关报道如下。Matsukawa等[16]探究了皮质骨轨迹螺钉钉道周围HU值与螺钉插入扭矩的关系，将术后当天CT图像中的螺钉位置抽离出来，软件处理后使之影印到术前CT像中，然后进行骨组织三维重建并通过设置感兴趣区域圈出钉道周围骨质，测得平均HU值。该研究共纳入了92个患者351枚螺钉，进行了至少为期1年的随访，结果发现椎弓根螺钉插入扭矩与钉道周围HU值之间的相关性显著高于其与股骨颈骨密度、腰椎骨密度之间的相关性(r值分别是0.75、0.59、0.55，均P<0.001)；术后随访共计16枚螺钉松动，松动的螺钉组与未松动的螺钉组HU值分别为7.68和13.00，未松动的螺钉具有更高的HU值，差异具有统计学意义。但传统椎弓根螺钉插入扭矩与螺钉周围的HU值存在何种关系，目前尚未有文献报道，值得进一步研究。

相同骨密度、螺钉规格及植入方式情况下，骨代谢指标不同是否会对椎弓根螺钉的插入扭矩有影响，目前尚缺乏这样的研究。庄乾宇等[17]研究了134例腰椎椎弓根螺钉固定术患者，记录术中双侧L4椎骨最大插入扭矩平均值，以研究队列中扭矩的中位数1.25 N·m作为界值，将研究队列分为高、低扭矩组，发现除了L4椎体骨密度之外，1，25羟维生素D3(OR=1.111，P=0.015)、甲状旁腺激素(OR=1.045，P=0.040)也是腰椎术中实测扭矩的独立影响因素，高扭矩组中有更高的甲状腺素水平(P=0.033)、1，25羟维生素D3水平(P=0.003)。Inoue等[18]将29个确诊为绝经后骨质疏松的患者随机分为两组，16例为无药物治疗的骨质疏松症对照组，13例为特立帕肽治疗组。两组术前BMD差异无统计学意义，对照组为(0.59±0.06)g/cm2，治疗组为(0.55±0.10)g/cm2。特立帕肽组的患者接受术前至少1个月的每天皮下注射20mg(n=7)或每周皮下注射56.5 mg(n=6)的方案治疗，记录术中螺钉杆完全锚固时的插入扭矩。结果发现特立帕肽治疗组平均插入扭矩为(1.28±0.42)N·m，明显高于对照组(1.08±0.52)N·m(P<0.01)，但两种特立帕肽治疗方案之间扭矩值比较差异无统计学意义。

2 插入扭矩与椎弓根螺钉规格的关系

研究发现椎弓根螺钉的插入扭矩与椎弓根螺钉规格之间具有相关性[9]。螺钉的螺纹、螺距、外形等参数的改变都会影响其生物力学性能[19-20]。Kwok等[21]率先在人体标本中对比了5种不同类型椎弓根螺钉的插入扭矩，发现锥形椎弓根螺钉具有较高的插入扭矩，且扭矩峰值的大小决定于椎弓根螺钉的直径。通常，直径小的椎弓根螺钉主要接触松质骨而与皮质骨接触较少，所以产生的扭矩也较小，直径大的椎弓根螺钉会接触较多的皮质骨因而产生的扭矩也较大。

Polly等[22]通过对8具不同年龄阶段(42～92岁)的成人脊柱标本研究发现，当螺钉直径增加1 mm时，椎弓根螺钉插入扭矩无明显变化；当螺钉直径增加2 mm时，插入扭矩增加8.4%，螺钉直径与长度都增加时有协同增进效应；直径增加1 mm并且长度增加5 mm时，椎弓根螺钉插入扭矩明显增加。

Inceoglu等[23]通过对27个小牛腰椎标本研究发现，锥形椎弓根螺钉在插入椎弓根的过程中，观察到扭矩值逐渐增加；直到螺钉的最后一个螺纹啮合到椎板中；而在柱形螺钉中，插入扭矩大约在置钉的中点达到最大值，此后保持不变。就各组最大扭矩结果数值而言，7.5 mm的锥形椎弓根螺钉的插入扭矩比6.5 mm的柱形椎弓根螺钉高出158%，而7.5 mm的柱形椎弓根螺钉比6.5mm的柱形椎弓根螺钉仅高出73%，这表明具有渐进螺距和螺纹形状的锥形螺钉设计明显产生了更大的插入扭矩。

Mizuno等[9]研究了23例腰椎后路椎弓根螺钉内固定患者，发现锥形椎弓根螺钉无论是中间扭矩还是最终扭矩都比柱形椎弓根螺钉有着更高的数值，但是该研究中锥形螺钉的外直径普遍比圆柱形螺钉要大，所以单纯比较插入扭矩的数值大小偏倚过大。但值得一提的是，该研究发现，BMD和插入扭矩之间的相关性取决于螺钉的类型，锥形椎弓根螺钉组插入扭矩与骨密度呈正相关；中间扭矩与最终扭矩呈正相关，而在柱形椎弓根螺钉组却没有发现这样的相关性。相同直径的锥形和柱形椎弓根螺钉，前者近尾端的内径要大于后者，所以在置钉过程中锥形螺钉可以将更多的松质骨压实到周围相对坚硬的皮质骨上，所以插入扭矩逐渐增加，因而锥形钉的中间扭矩与最终扭矩呈正相关；而柱形螺钉的宽度是固定的，特别是在骨质疏松的情况下，骨螺钉界面很小，螺钉尖端的阻力主要代表插入扭矩，所以柱形钉的中间扭矩和最终扭矩的平均值之间虽然存在差异，但差异无统计学意义[23]。李超等[24]通过对6具新鲜成人标本的54个胸、腰椎研究发现，相同直径的锥形与柱形椎弓根螺钉，在下胸段锥形螺钉的最大扭矩均值(1.445±0.66)N·m显著大于柱形的最大扭矩均值(1.073±0.42)N·m(P<0.01)，而在腰段锥形(1.020±0.50)N·m和柱形螺钉(1.126±0.58)N·m的最大扭矩没有明显差异。国人下胸段椎弓根的内径(横径)的范围一般为5.3～5.8 mm，而下腰段椎弓根的内径(横径)范围为6.8～13.0 mm[25]，所以李超等使用相同直径为5.5 mm的锥形和柱形椎弓根螺钉，锥形螺钉近尾端的内径要大于柱形螺钉的内径，更加接近于椎弓根的内径(横径)，可以将更多的松质骨压实到周围相对坚硬的皮质骨上，甚至可能切入皮质，从而获得更大的插入扭矩。

3 插入扭矩与椎弓根螺钉置入方式的关系

椎弓根螺钉置入方式与椎弓根螺钉插入扭矩的关系目前有着不同观点。Oktenoglu等[26]使用均质的多孔聚氨酯泡沫作为测试介质比较准备导向孔(apilothole)对椎弓根螺钉插入扭矩的影响，将12个椎弓根螺钉(全长30 mm，外径5.5 mm，芯部直径3.5 mm，螺距1.5 mm)分别放置在测试介质块体的中央，非导向孔组使用钻头直径为3.1 mm的立式钻床钻出深4 mm的浅孔，导向孔组使用钻头直径为3.1 mm的立式钻床钻出19 mm深的导向孔，导向孔的长度是测试材料内螺钉插入深度的80%。结果发现非导向孔组的椎弓根螺钉的最大插入扭矩均值为(1.08±0.02)N·m，导向孔组的椎弓根螺钉的最大插入扭矩均值为(0.76±0.02)N·m，差异有统计学意义(P=0.0001)；非导向孔组的最大拔出力均值和导向孔组的最大拔出力均值分别为(995.3±160.3)N和(895.5±154.3)N，拔出力差异无统计学意义。准备导向孔导致椎弓根螺钉的插入扭矩显著降低，他们归结于在钻孔的过程中可能导致微裂缝的产生，而微裂缝在螺纹周围留下较大的空隙，因此使得插入扭矩下降。Silva等[27]在15只绵羊的L1～3行椎弓根螺钉内固定术，其中10只术后立即处死(5只用以做生物力学检测，5只用以做组织形态学骨螺钉界面评估)，另外5只术后8周取材做组织形态学骨螺钉界面评估，术中每个椎骨左侧椎弓根的导向孔为2.0 mm(小于椎弓根螺钉的内径)，右侧椎弓根的导向孔为2.8 mm(与椎弓根螺钉的内径相同)，所有螺钉规格为自攻丝椎弓根螺钉(全长30 mm，外径4.0 mm，芯部直径2.8 mm)。结果发现5只用以做生物力学检测的绵羊的平均骨密度为(0.62±0.12)g/cm3，导向孔为2.0 mm的左侧椎弓根螺钉最大插入扭矩均值为(3.7±0.5)N·m，导向孔为2.8 mm的右侧椎弓根螺钉最大插入扭矩均值则为(3.2±0.5)N·m，差异有统计学意义(P=0.006)；导向孔为2.0 mm的左侧椎弓根螺钉最大拔出力均值为(2 196.9±420.9)N，导向孔为2.8 mm的右侧椎弓根螺钉最大拔出力均值为(1 926.8±259.11)N，差异有统计学意义(P=0.027)；导向孔较小的螺钉组具有更大的插入扭矩和拔出力。在组织形态学骨螺钉界面评估中，术后立即处死的5只绵羊，导向孔为2.0 mm的左侧椎弓根螺钉组和导向孔为2.8 mm的右侧椎弓根螺钉组，其骨内植物接触的百分比为(40.81±12.87)%和(6.15±2.69)%(P<0.01)，其螺纹内的骨质面积为(37.40±5.68)μm2和(14.22±3.85)μm2(P<0.01)，其螺纹外的骨质面积为(33.67±7.59)μm2和(23.51±5.97)μm2(P< 0.01)；术后8周取材的5只绵羊，导向孔为2.0 mm的左侧椎弓根螺钉组和导向孔为2.8 mm的右侧椎弓根螺钉组，其骨-内植入物接触的百分比分别是(62.49±19.73)%和(16.38±9.42)%(P<0.01)，其螺纹内的骨质面积分别是(58.47±4.68)μm2和(41.33±9.84)μm2(P<0.01)，其螺纹外的骨质面积分别是(61.67±9.85)μm2和(45.15±6.52)μm2(P<0.01)。导向孔较小的螺钉组具有更大的骨螺钉接触面积，内植物上也有更多的骨质长入，因而能够获得更大的插入扭矩和更强的抗拔出能力。然而，由于该研究使用的是骨质较好的绵羊，所以不能将该结论应用到骨质疏松的患者中。

有学者研究了螺钉置入前攻丝与螺钉插入扭矩的相关性。Kuklo等[11]发现用5.0 mm外径的椎弓根螺钉固定时，使用外直径4.5 mm的丝锥进行攻丝比使用外直径5.0 mm的丝锥增加47%的最大插入扭矩，而当使用4.0 mm的丝锥时，其数值则是93%。较小的攻丝直径会增加插入扭矩，然而较大的攻丝直径却是不提倡的，攻丝尺寸过大(大于植入的螺钉的直径)会使得螺钉固定强度不足，从而导致手术失败[28]。Polly等[22]研究发现同一孔内同一螺钉退出后再置入，椎弓根螺钉最大插入扭矩下降34.1%，与对照组比较差异有统计学意义。Kang等[29]配对设计研究了11个骨量正常以及20个骨质疏松的胸椎标本，一侧椎弓根实行同孔二次置钉为实验组，记录二次插入时的最大插入扭矩及第2次置钉后的最大拔出力，另一侧椎弓根只置钉1次作为对照组，记录其最大插入扭矩及最大拔出力。整体结果显示第一次置钉组最大插入扭矩均值为(0.82±0.40)N·m，第二次置钉组为(0.58±0.47)N·m，对照组为(0.87±0.50)N·m。同一孔内同一螺钉退出后再置入，椎弓根螺钉最大插入扭矩下降29%(P<0.01)，相比对照组下降33%(P<0.01)，第一次置钉组最大插入扭矩均值与对照组差异无统计学意义(P=0.33)；然而将骨量正常和骨质疏松区分，骨量正常的第一次置钉组最大插入扭矩均值为(0.91±0.40)N·m，第二次置钉组为(0.72±0.60)N·m，对照组为(0.94±0.65)N·m，三组差异均无统计学意义；骨质疏松的第一次置钉组最大插入扭矩均值为(0.88±0.39)N·m，第二次置钉组为(0.50±0.37)N·m，对照组为(0.83±0.41)N·m，对照组与第二次置钉组、第一次置钉组与第二次置钉组最大插入扭矩均值之间差异均有统计学意义(P<0.01)；然而实验组与对照组无论骨质疏松或骨量正常，最大拔出力均差异无统计学意义。通常，椎弓根螺钉植入后从钉道内退出，会去除部分松质骨，同孔再次置钉则可能扩大钉道，因而会导致插入扭矩下降并影响固定稳定性[22]，然而Kang等[29]发现二次置钉虽然会导致插入扭矩下降，但是对椎弓根螺钉的抗拔出力并没有太大影响，且骨量正常组二次置钉后的最大拔出力高于对照组。Tan等[30]在20个猪腰椎标本进行了二次置钉，每个椎弓根螺钉的进针点均位于椎骨上关节突的外侧缘，置钉深度为35 mm，一侧椎弓根以平行于上终板的方式插入直径为6.2 mm、长为35 mm的椎弓根螺钉作对照组，另一侧先将同规格的螺钉以螺钉尾端与上终板呈10°倾斜插入，完整退钉后再次以平行于上终板的方式重新定位置钉。记录第2次置钉时的插入扭矩用以研究作为实验组，结果发现对照组与实验组最大插入扭矩均值分别为(3.20±0.28)N·m和(2.04±0.28)N·m，差异有统计学意义(P<0.01)；最大拔出力均值分别为(1664±378)N和(1391±295)N，差异有统计学意义(P<0.01)；实验组最大插入扭矩均值较对照组下降36%、抗拔出力下降16.4%。

与置钉前攻丝有些类似的是，置钉过程中发生的椎弓根侧壁破裂，会使椎弓根螺钉的固定强度大打折扣[31]。Ge等[32]从6头成年猪中获得30个新鲜腰椎标本(L1～5)，在直接可视化荧光检查技术下使用导丝来制作椎弓根侧壁破裂钉道，使用丝锥和椎弓根探针完成椎弓根侧壁的开裂，在同一椎体左右椎弓根分别采用最佳位置椎弓根螺钉置入方式(OS组)及椎弓根侧壁破裂位置置入方式(RS组)交替置入相同规格的椎弓根螺钉，所有的螺钉不会突破椎体的前缘，为了和螺钉置入过程中产生的最大插入扭矩值区别，定义在椎弓根螺钉拧紧的最后一圈，产生的扭矩最大值是固定扭矩(seating torque)，发现两者不相等。OS组和RS组的最大插入扭矩均值分别为(111.6±8.4)N·cm和(79.0±6.3)N·cm，差异具有统计学意义(P<0.05)；OS组和RS组的固定扭矩分别为(85.9±5.6)N·cm和(60.3±4.8)N·cm，差异有统计学意义(P<0.05)；OS组和RS组的螺丝松动力分别为(75.9±7.0)N和(52.4±6.3)N，差异具有统计学意义(P<0.05)；OS和RS的松动后轴向拔出力分别为(328.5±11.3)N和(269.1±9.6)N，差异具有统计学意义(P<0.05)；相比于最佳位置的椎弓根螺钉置入方式OS组，椎弓根侧壁破裂螺钉置入方式RS组的螺丝松动力、最大插入扭矩、固定扭矩和松动后轴向拔出力分别下降了29.2%、30.8%、30.5%和16.3%。

因此，为了避免术后螺钉松钉等并发症的发生，置入过程中应避免椎弓根侧壁损伤。同时，为了实现更大骨螺钉接触面积、更大的抗拔出力以及更强的螺钉稳定性，近年来椎弓根皮质骨轨迹螺钉固定技术(cortical bone trajectory，CBT)已在腰椎手术中应用越来越广泛[33]。Matsukawa等[34]在体内研究中发现CBT螺钉在腰椎、胸椎及骶椎的最大插入扭矩分别是传统螺钉的1.7倍、1.5倍和1.4倍，利用有限元模型研究发现CBT螺钉在抗轴向拔出力上比传统螺钉高26.4%[35]。Baluch等[36]在17具人类尸体上比较了CBT螺钉和传统螺钉两种置钉技术，一侧椎弓根置入CBT螺钉，对侧置入传统螺钉，双侧循环加压进行疲劳测试，发现CBT螺钉达到2 mm位移时所需的转数和力均明显高于传统螺钉(CBT螺钉和传统螺钉分别为184个循环、398 N和102个循环、300 N)，说明CBT螺钉的稳定性明显高于传统螺钉。皮质骨轨迹螺钉钉道周围骨质的平均CT值明显高于传统螺钉的1.7～2.3倍，是皮质骨螺钉固定能够更大程度把持皮质骨的理论基础[37]。

4 结 语

目前大部分术者都是根据术中螺钉插入过程中的“手感”来评估置钉时的骨螺钉界面强度。椎弓根螺钉插入扭矩将术者的手感量化，是一个非常重要的客观数值。影响椎弓根螺钉插入扭矩的因素主要有骨密度、螺钉的规格、置钉方法等。目前关于椎弓根螺钉插入扭矩的研究以10年前的报道为主，近5年国内外研究均较少，然而由于时代的推移，椎弓根螺钉固定技术发展、变化较大，因此真正将术者的手感量化仍需要更多的、更系统的研究。而且目前研究中，对于螺钉长期稳定性与插入扭矩关系的随访较少，所以，今后仍需要在椎弓根螺钉插入扭矩标准量化以及椎弓根螺钉插入扭矩与术后中长期稳定性关系等方面深入研究。