L5S1椎体结构的CT测量及经皮椎弓根单向锁定的可行性研究

本文原载于《中华骨科杂志》2015年第10期

目前，脊柱微创外科技术已成为脊柱外科发展的趋势和研究热点^[1,2]。L₅S₁椎间轴向融合固定术（axial lumbar interbody fusion, AxiaLIF）最早由美国Cragg等^[3]提出，该方法采用经骶骨前直肠后间隙入路轴向融合固定（图1），可避免损伤椎旁结构^[4,5]，无椎管内干扰，能恢复椎间隙高度，解除椎间孔狭窄，减少脊柱融合病的发生，符合微创理念^[6,7,8]。该方法改变了传统的前和（或）后入路方式，利用轴向固定螺钉完成L₅S₁椎中轴撑开、椎间植骨融合固定。

图1

经皮骶骨前直肠后间隙入路轴向融合固定（AxiaLIF技术），矢状面CT重建示L₅S₁椎间轴向固定、椎间植骨融合

Ledet等^[9]和Tender等^[10]采用经直肠后间隙入路对牛的L₅S₁椎间隙进行轴向固定实验，并对其运动节段进行生物力学测试，结果显示L₅S₁椎间轴向固定后脊柱的前屈和侧向稳定性良好，但抗旋转稳定性差。Marchi等^[11]研究结果显示单纯L₅S₁椎间轴向固定后因脊柱抗压缩、抗旋转性能相对较差，故容易导致轴向固定螺钉穿出L₅椎体的上终板。Akesen等^[12]认为当脊柱的后柱结构不稳时，经骶前间隙入路轴向融合固定的抗压缩、抗旋转稳定性更差，常需辅助后路固定。

在临床中对于脊柱后柱结构不稳患者，在应用AxiaLIF技术治疗后联合经皮椎弓根螺钉后路固定以增强抗压缩、抗旋转稳定性，但是手术时间长，治疗费用高，创伤大等^[13,14]。因此，为提高AxiaLIF手术的微创性，缩短手术时间，且提高L₅S₁椎间轴向固定螺钉的抗压缩、抗旋转稳定性，我们根据股骨带锁髓内钉对骨折处能够产生抗压缩、抗拉伸、抗弯曲、抗旋转作用的原理，应用AxiaLIF技术联合经皮椎弓根螺钉技术设计经皮椎弓根单向锁定，即在应用AxiaLIF技术行轴向固定的同时，在L₅S₁椎体中对轴向固定螺钉进行单向锁定，以微创化并增加轴向固定后脊柱的抗压缩、抗旋转性能。

由于我们设计的经皮椎弓根单向锁定AxiaLIF技术中轴向固定螺钉的可行性目前尚不明确，所以有必要对L₅S₁椎体影像学结构进行测量并探讨单向锁定螺钉能否增加轴向固定后脊柱抗压缩、抗旋转性能。因此，自2012年10月起，我们对L₅S₁椎体的三维CT结构进行测量，目的在于：（1）明确L₅S₁椎体侧宽、轴向螺钉固定基线穿行椎体上、下终板交点与椎弓根锁定线在中心矢状面的投影线相交点之间的距离，测量椎体轴向固定基线与椎弓根锁定线在中心矢状面的投影夹角（经皮椎弓根单向锁定头倾角）及椎弓根峡部的高度，测量水平面椎体的中心矢状面与椎弓根锁定线夹角（经皮椎弓根单向锁定外展角）及椎弓根峡部的宽度，分析L₅S₁椎体结构CT测量的临床意义；（2）探讨L₅S₁椎间轴向固定联合经皮椎弓根单向锁定的安全性和可行性。

资料与方法

一、一般资料

随机抽取2012年10月至2013年3月门诊或住院患者的L₅S₁椎体螺旋CT（Philip Brilliance 64, Philips公司,荷兰）数据，扫描条件：120 kV、125 mA、层厚0.625 mm、扫描层距2mm。男、女各100例；年龄18~60岁，平均45.7岁。

本组腰骶椎退行性改变98例、L₅S₁椎间盘膨出36例、L₅S₁椎间盘突出34例、L₅S₁椎间隙塌陷并椎间孔变窄32例，均排除L₅S₁椎体的先天性变异（如骶椎腰化、腰椎骶化等）、畸形、结核、肿瘤、外伤等。

二、影像学指标设定

将CT数据导入计算机三维重建软件（Philip Brilliance Work space Ver.2.0.1），在其平台上进行测量并分析。根据L₅S₁椎体经皮椎弓根单向锁定的特点在影像学资料中设定椎弓根锁定线及轴向固定基线等相关参数。

（一）确定椎弓根锁定线

椎弓根锁定线是单向锁定螺钉沿此线经皮椎弓根置入与椎体中心轴向固定螺钉相交锁定不穿破椎弓根（图2）。按照Ebraheim法^[15]和用CT三维重建软件先设定垂直面经过椎弓根峡部中心与椎体中心相交，然后设定水平面平分椎弓根峡部矢状面，使垂直面与水平面两面的相交线为椎弓根锁定线（图3）。

（二）确定L₅S₁椎间轴向固定基线及相关线段

在CT三维重建软件平台上，O、P线为L₅、S₁椎弓根锁定线在中心矢状面的投影线，AB、DE为椎体侧宽，取AB、DE线段中点C、F点，即C、F两点延长线并经过L₅、S₁椎体的上、下终板交点G、H、I、J点为L₅S₁椎间轴向固定基线Q线^[1]。Q线为L₅S₁轴向固定螺钉在椎体的中心，也经过轴向固定螺钉锁定孔的中心，L₅、S₁椎弓根锁定线经过椎弓根峡部中心与锁定孔的中心相交。因此L₅S₁椎弓根峡部中心与C、F点连接即为L₅、S₁椎弓根锁定线（图4）。C、F两点在L₅S₁轴向固定基线上，Q线分别与L₅椎体上、下终板、S₁椎体上终板、骶椎前缘交于点G、H、I、J点,分别构成线段GH（L₅椎体高度）、CH（L₅椎弓根锁定线与下终板距离）、IF（S₁椎弓根锁定线与上终板距离）、IJ（S₁椎体高度）、HI（L₅S₁椎间隙高度）。

（三）确定L₅、S₁头倾角、外展角及椎弓根结构

1．矢状面CT定位：

头倾角是L₅、S₁椎弓根锁定线在中心矢状面投影线（O、P线）与L₅S₁椎体轴向固定基线（Q线）构成的锐角，分别为α、β角（图4A）。α、β角即为经皮椎弓根单向锁定头倾角参考数据。椎弓根峡部中心在椎弓根矢状面最狭窄处连线UV、WZ为L₅、S₁椎弓根高度^[16]，而L₅、S₁椎弓根高度UV、WZ被水平面平分的中点为L₅、S₁椎弓根峡部在矢状面的中点（图4A，图4B）。

2．水平面CT片定位：

外展角是L₅、S₁椎弓根水平面椎体最狭窄部连线MN、XY，取MN、XY连线的中点K、L,连接CK、FL两点并延长为R、P线，R、P线为L₅、S₁椎弓根锁定线在水平面的投影线。R线与中心矢面AB线、P线与中心矢状面DE线的夹角为γ、δ角为外展角（图5A，图5B），此角度为L₅、S₁椎弓根单向锁定外展角的参考数据。MN、XY的连线为L₅、S₁椎弓根宽度^[17]，而L₅、S₁椎弓根宽度MN、XY被垂直面平分的中点为K、L（图3），即为L₅、S₁椎弓根峡部在水平面的中点（图5A，图5B）。

三、统计学分析

应用SPSS 18.0（SPSS公司，美国）统计软件包进行统计分析。L₅S₁椎体矢状位、横断位CT片测量的数据比较应用配对样本t检验（男、女组椎体、椎弓根相关参数及经皮椎弓根单向锁定在矢状面、横截面夹角）与随机区组设计资料的方差分析（男、女两组相同指标HI、α角、β角、γ角、δ角），其中男、女两组同一观测指标及男女同组内L₅椎体测宽（AB）与L₄椎体测宽（DE）比较采用独立样本t检验。L₅椎体测宽（AB）、L₄椎体测宽（DE）、L₅椎体高度（GH）、L₅椎弓根轴心线与下终板距离（CH）、S₁椎弓根轴心线与上终板距离（IF）、S₁椎体高度（IJ）、L₅椎弓根高度（UN）、S₁椎弓根高度（WZ）、L₅椎弓根宽度（MN）、S₁椎弓根宽度（XY）均为P>0.05，可以认为该资料服从正态分布，采用Shapiro-Wilk检验；L₅椎体测宽（AB）、L₄椎体测宽（DE）、L₅椎体高度（GH）、L₅椎弓根轴心线与下终板距离（CH）、S₁椎弓根轴心线与上终板距离（IF）、S₁椎体高度（IJ）、L₅椎弓根高度（UN）、S₁椎弓根高度（WZ）、L₅椎弓根宽度（MN）、S₁椎弓根宽度（XY）涉及锁定轴向融合固定螺钉的大小，需要了解大部分国人的椎体大小，因此求其95%参考范围；最佳锁定角度头倾角（α角、β角）、外侧角（γ角、δ角）为95%置信区间，α、β、γ、δ角是最佳角度的测量值以指导手术操作，不涉及锁定轴向融合固定螺钉规格及型号的设计，遂无计算参考范围的意义，只需计算其平均数的95%置信区间。检验水准α值取双侧0.05。

结果

一、男、女两组椎体相关参数及经皮椎弓根单向锁定头倾角和外展角的比较

L₅椎体测宽（AB）、L₄椎体测宽（DE）、L₅椎体高度（GH）、L₅椎弓根轴心线与下终板距离（CH）、S₁椎弓根轴心线与上终板距离（IF）、L₅S₁椎间盘高度（HI），S₁椎体高度（IJ）、L₅椎弓根高度（UN）、S₁椎弓根高度（WZ）、L₅椎弓根宽度（MN）、S₁椎弓根宽度（XY）比较，差异有统计学意义；椎间盘高度（HI）、头倾角（α角、β角）、外侧角（γ角、δ角）比较，差异无统计学意义（表1）。

男、女性组AB长度均大于DE，WZ长度均大于UV，XY长度均大于MN。男性组AB长度为（35.60 ± 2.34）mm，DE长度为（31.20±2.19）mm，两者比较差异有统计学意义（t=13.73，P=0.000）；女性组AB长度为（33.13±1.89）mm，DE长度为（27.96±1.65）mm，两者比较差异有统计学意义（t=20.66，P=0.000）。男性组WZ长度为（23.5±2.9）mm，UV长度为（21.5±3.8）mm，两者比较差异有统计学意义（t=4.184，P=0.000）；女性组WZ长度为（20.9±2.6）mm，UV长度（18.9±4.2）mm，两者比较差异有统计学意义（t=8.197，P=0.000）。男性组XY长度为（24.5±2.8）mm，MN长度（19.0±2.8）mm，两者比较差异有统计学意义（t=13.890，P=0.000）；女性组XY长度为（22.8±3.2）mm，MN长度（18.2±1.8）mm，两者比较差异有统计学意义（t=12.529，P=0.000）

二、男、女两组正态检验及参考值范围

男、女两组之间的差异性指标：Shapiro-Wilk检验确定的概率P值，L₅椎体测宽（AB）、L₄椎体测宽（DE）、L₅椎体高度（GH）、L₅椎弓根轴心线与下终板距离（CH）、S₁椎弓根轴心线与上终板距离（IF）、S₁椎体沿固定基线高度（IJ）、L₅椎弓根高度（UN）、S₁椎弓根高度（WZ）、L₅椎弓根宽度（MN）、S₁椎弓根宽度（XY）均为P>0.05，服从正态性检验；S₁椎体沿固定基线高度（IJ）的检验结果为P< 0.05，不服从正态分布（表2）。AB、DE、GH、CH、IF、UV、WZ、MN、XY的95%参考范围见表3。

三、男、女两组统计学分析结果

男、女两组相同指标之间比较，HI、α、β、γ、δ角的差异无统计学意义，其总体平均数见表4。所有患者的HI、UV、WZ、MN、XY经Shapiro-Wilk检验，P=0.23，该资料服从正态分布，其95%的参考值范围见表4。而α、β、γ、δ角是最佳角度的测量值以指导手术操作，不涉及锁定轴向融合固定螺钉规格及型号的设计，遂无计算参考范围的意义，其平均数的95%置信区间见表4。

讨论

一、L₅S₁椎体结构CT测量的临床意义

AxiaLlF技术是经骶骨前间隙入路轴向穿行S₁椎体、L₅S₁椎间盘、L₅椎体上终板下缘，利用轴向通道对L₅S₁椎间盘进行髓核切除、植骨，再应用轴向固定螺钉沿轴向通道旋入S₁椎体至L₅椎体上终板下缘。我们设计在AxiaLlF技术的轴向固定螺钉轴向固定后，选用经皮椎弓根单向锁定螺钉对轴向固定螺钉进行交锁固定。

能否实现经皮椎弓根单向锁定轴向固定螺钉，必须保证在L₅、S₁椎体三维空间结构上轴向螺钉所在轴向固定基线与椎弓根锁定线相交，为此我们设定的轴向固定基线及椎弓根锁定线需满足以下条件：（1）轴向固定螺钉在L₅椎体中的交锁孔位于水平面平分L₅椎弓根垂直面的椎弓根锁定线上；（2）轴向固定螺钉在S₁椎体中的交锁孔位于水平面平分S₁椎弓根垂直面的椎弓根锁定线上。必须要了解轴向固定螺钉经皮椎弓根单向锁定系统在L₅、S₁椎体三维结构中的位置，才能制定出相应的技术操作要点。因此，我们确定的最佳L₅S₁轴向固定基线是L₅椎弓根垂直平面与椎体中心和S₁椎弓根垂直平面与椎体中心的连线。L₅椎体的椎弓根锁定线我们确定为L₅椎弓根峡部中心与椎体中心的连线，此连线在椎体矢状面上经过L₅椎弓根轴心；由于S₁椎弓根粗大，其高度几乎与S₁椎体等高，所以椎弓根的锁定线可选择范围较广，为便于锁定并结合临床我们确定的椎弓根锁定线为S₁椎体与椎弓根交界处中点椎体水平面中心与相应椎弓根峡部中心连线，此连线在椎体中心矢状面上与S₁椎体上终板平行。

单纯的螺旋CT仅能定位椎体的二维空间距离，然而脊椎的结构复杂，安全、合理地置入内固定往往需要临床医生熟悉脊椎的三维结构，本研究运用CT三维重建技术的旋转功能及切割功能，选取椎体中心矢状面于椎弓根垂直平面的相交平面，将三维空间两点间的空间距离转化到二维空间上，并通过三维重建软件中自带的测量软件对两点间的线性距离和两线之间的角度进行测量。

我们选用三维CT影像学测量方法对L₅、S₁椎体的影像学结构进行测量，AxiallF技术的轴向固定螺钉在固定L₅S₁时分为三部分，即L₅椎体、L₅S₁椎间隙、S₁椎体，而L₅椎体内部分的长度（CH）短于L₅椎体高度（GH）、L₅S₁椎间隙为HI长度、S₁椎体内部分长度（IF）也短于S₁椎体高度（IJ），因此L₅椎体锁定点应位于CH线的C点，S₁椎体部分锁定点位于IF线的F点，而GH、CH、IF的95%参考范围男、女两组分别为22.30~30.27 mm、14.00~19.19 mm、8.46~12.53 mm和21.38~27.74 mm、13.19~17.74 mm、8.17~11.50mm。L₅S₁椎间隙高度（HI）由于男、女两组间比较差异无统计学意义，因此其95%的参考范围为4.31~11.43 mm。S₁椎体高度（IJ）由于骶骨曲度变化较大，其测量结果不符从正态分布，不能计算95%参考范围，故对于L₅S₁椎间轴向固定螺钉S₁椎体部分的长度则可以根据S₁椎弓根锁定线与上终板距离（IF）的参考范围进行设计，只要其长度大于IF即可，根据以上95%参考范围，可以设计出不同规格（长度、直径）的L₅S₁椎间轴向固定螺钉，轴向固定螺钉在L₅、S₁椎体内的锁定孔位置根据不同规格（孔直经大小、两孔间距）而随之变化。由于同组内L₅椎体测宽（AB）均大于S₁椎体测宽（DE），因此L₅S₁椎间轴向固定螺钉的直径主要取决于S₁椎体测宽（DE），其95%的参考范围男、女两组分别为26.90~35.50 mm和24.73~31.18mm。

二、L₅S₁椎间轴向固定联合经皮椎弓根单向锁定的可行性分析

（一）轴向固定及经皮椎弓根单向锁定

轴向固定螺钉由L₅椎体、L₅S₁椎间隙、S₁椎体三部分组成，设定在L₅、S₁椎体两部分的螺纹间距不等，L₅椎体部分的螺纹间距大于S₁椎体部分的螺纹间距，这样轴向固定螺钉在L₅椎体和S₁椎体内旋转速度一样而移动的距离不一致，使得L₅椎体移动距离大于S₁椎体移动距离，因此，L₅S₁椎间轴向固定螺钉在正向旋转时L₅S₁椎间隙部分（HI）沿L₅S₁椎体间轴向轴心线（Q线）方向增宽，实现了L₅S₁椎间轴向固定螺钉对L₅S₁椎间隙的撑开功能，以利于恢复L₅S₁椎间隙塌陷所致的椎间孔狭窄，从而减轻因挤压神经根而产生的疼痛。在AxiaLIF技术基础上增加经皮椎弓根单向锁定螺钉，从而提高单纯轴向固定螺钉的抗压缩、抗旋转稳定性。而单向锁定是通过椎弓根锁定钉对轴向螺钉进行锁定，我们不但要保证椎弓根锁定螺钉能够锁定轴向螺钉，我们还需要保证椎弓根锁定螺钉在锁定后不穿破椎弓根损坏椎弓根周围的神经及血管，这不但需要置钉时考虑置钉角度，并且要明确椎弓根的大小，为此我们进行了锁定角度测量及椎弓根大小的测量，用以设计合适的椎弓根锁定钉。

（二）L₅、S₁椎弓根单向锁定角度

测量α、β、γ、δ角可以对L₅S₁椎间带锁轴向固定的经皮椎弓根单向锁定系统中的椎弓根锁定螺钉轴心线在矢状面、水平面的角度有指导意义，而男、女两组α、β、γ、δ角比较差异无统计学意义，因此男、女两组α、β、γ、δ角最佳角度分别为79.3°~80.3°、103.9°~104.8°、54.2°~55.3°、70.1°~71.8°。L₅、S₁经皮椎弓根锁定螺钉与轴向固定螺钉的夹角，在矢状面的头倾角（α、β角）为79.3°~80.3°、103.9°~104.8°，在水平面的外展角（γ、δ角）为54.2°~55.3°、70.1°~71.8°。

由于S₁椎弓根宽大，其锁定时角度的可选择范围较大，因此实际手术操作过程中应当以L₅的锁定角度为准，且经过椎弓根峡部中心及椎体中心点连接线为锁定线，此线位于椎体垂直平面，综合以上因素在手术过程中锁定的角度要保证L₅的外展角即可，因此锁定时的参考角度为54.2°~55.3°。

（三）L₅、S₁椎弓根测量

通过CT三维重建技术对L₅、S₁椎体及椎弓根进行测量与数据统计分析结果表明，男、女两组L₅椎弓根高度（UV）、S₁椎弓根高度（WZ）、L₅椎弓根宽度（MN）、S₁椎弓根宽度（XY）比较差异均有统计学意义，同组内S₁椎弓根高度（WZ）与L₅椎弓根高度（UV）、S₁椎弓根宽度（XY）与L₅椎弓根宽度（MN）的差异均有统计学意义，S₁椎弓根高度和宽度均大于L₅椎弓根，男性椎体及椎弓根平均也较女性椎体及椎弓根大。S₁椎弓根粗大，其高度几与S₁椎体高度相等，S₁椎弓根单向锁定轴线在椎弓根矢状面角度选择范围较大，故认为在手术操作过程中椎弓根锁定螺钉在S₁椎弓根内的角度比L₅椎弓根的角度选择性大。S₁椎弓根大于L₅椎弓根，S₁椎弓根高度大于其宽度^[16]，且选择的锁定水平面平分L₅椎弓根矢状面，固定时破坏椎弓根上、下皮质的可能性很少，因此我们考虑椎弓根螺钉的直径时应以L₅椎弓根宽度为参考，L₅椎弓根宽度的95%参考范围男、女两组分别为13.43~24.57 mm、15.33~21.81mm。

三、本研究的局限性

本研究仅测量了我院的病例数据，样本数据少、存在一定的误差；且测量结果仅代表我国的南方地区。本研究的手术技术为微创技术，其学习曲线较长，经皮椎弓根单向锁定的精确度高，需要在定位瞄准器导向下才能完成。

参考文献（略）

（收稿日期：2014-01-04）

（本文编辑：闫富宏）