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背景介绍:颈椎病多见于我国中老年人群,随着国家逐渐步入老龄化社会,颈椎病在我国人群中的发病率呈逐年上升趋势。内固定手术治疗作为目前治疗颈椎疾病的重要治疗方法之一,其手术方式及疗效已在多年临床实践中得到了不断完善和验证。颈椎后路螺钉内固定技术作为颈椎手术的重要组成部分,临床上目前以椎弓根螺钉和侧块螺钉为主。Abumi于1994年首次报道了颈椎椎弓根螺钉技术,并随后报道其用于治疗下颈椎外伤骨折、肿瘤、感染、退行性病变和前路固定融合失败的疗效优于前路钉板内固定和侧块螺钉。目前,颈椎椎弓根螺钉相较于其他后路内固定技术优势明显。椎弓根是颈椎中非常坚强的结构,且椎弓根与椎板连接处存在相对致密的松质骨,是提高椎弓根螺钉稳定性和把持力的有利条件。大量生物力学实验报道颈椎椎弓根螺钉的峰值拔出力明显高于侧块螺钉,抗疲劳性能和稳定性同样优于侧块螺钉,对于合并骨质疏松的患者其优势更为明显。此外,对于颈椎严重外伤和肿瘤的患者,椎弓根螺钉内固定所提供的颈椎稳定性可降低患者行二期颈前路内固定术的可能性。既往研究显示,颈椎椎弓根螺钉钉道长度较长,但颈椎椎弓根解剖变异较大且结构细小,对于不同个体的同一颈椎节段以及同一个体的不同颈椎节段,椎弓根的高度和宽度、椎弓轴向投射点、轴线角度以及椎弓根螺钉进钉点和进钉方向均存在较大差异,是导致手术并发症和术后不良结局的重要原因。有文献报道,徒手置入椎弓根螺钉椎弓根皮质穿透率高达16.8%。此外,颈椎椎弓根与椎动脉、神经根、硬膜囊以及食管的解剖关系极为密切,置入过程缺乏明确的解剖标志,常发生椎动脉损伤(0.6%～1.0%)、神经根损伤(0.44%～7.6%)、硬膜囊撕裂(<0.1%)、食管穿孔(罕见)等严重手术并发症,其后果往往是灾难性的。以上因素共同决定了颈椎椎弓根螺钉极高的置入难度。术中三维CT导航、O型臂导航和3D打印置钉模板等辅助置钉技术可部分提高颈椎椎弓根螺钉置钉的准确性,但其受制于术者熟练程度,目前尚未普及。颈椎侧块螺钉技术最初由Roy-Camille于1972年提出,发展至今已有Roy-Camille法、Magerl法、Anderson法等置入方式。侧块螺钉凭借其较高的手术安全性、相对较低的置钉难度、能提供较为满意的颈椎稳定性,已成为下颈椎最常用的后路螺钉固定技术之一。其并发症主要为神经根损伤(3.8%-5.6%)、椎动脉损伤(1.3%)和侵犯关节面(16.7%)。但对于需要坚强固定的手术方式、侧块骨折或严重骨质疏松的患者,尤其是对于C7节段,置入侧块螺钉则无法提供足够的稳定性而并非手术最佳选择。近年来,日本学者Aramomi于2014年提出了一种应用于下颈椎后入路内固定手术的新技术——颈椎椎间孔螺钉技术。其进钉点定位于侧块中线与头侧相邻椎体同侧下关节突交点内侧1mm处,竖直向内侧倾斜20°至25°,由此打入4.5mm×12mm螺钉。这项置钉技术在颈椎椎弓根螺钉技术的基础上进行了调整,选用了“粗短”的螺钉,并使螺钉穿过分布于颈椎椎弓根入口附近相对致密的松质骨,这些特点均有利于提高椎间孔螺钉的稳定性。而较短的置入深度则足以避免螺钉直接损伤椎动脉,理论上具有良好的手术安全性。生物力学实验研究发现椎间孔螺钉具有比侧块螺钉更强的轴向拔出力。椎间孔螺钉被认为可以作为侧块螺钉置钉失败或因侧块骨折等原因无法置入侧块螺钉的有效替代方案,但目前尚缺乏基于我国人群的下颈椎椎间孔螺钉钉道解剖学参数研究和生物力学研究报道。本研究依据颈椎椎间孔螺钉、侧块螺钉与椎弓根螺钉的钉道设计和既往影像学、解剖学研究,以我国人群为研究对象,通过影像学测量分别获得椎间孔螺钉、侧块螺钉和椎弓根螺钉的钉道长度和进钉角度参数数据,并基于生物力学研究方法设计了直接拔出力测试、疲劳测试和残余拔出力测试,以获取国人下颈椎椎间孔螺钉钉道长度和进钉角度参数数据,并对这三种螺钉的影像学参数和生物力学强度进行比较。目的:应用影像学测量方法获得国人下颈椎椎间孔螺钉、侧块螺钉与椎弓根螺钉的钉道长度和进钉角度参数,通过生物力学实验测试并比较每种螺钉的力学强度差异,为临床术前手术设计和术中螺钉选用提供理论依据。方法:选取2018年1月至2018年6月于山东大学齐鲁医院连续行健康查体的受检者,共50名(男25名,女25名)的颈椎CT影像资料,年龄(56.00±15.90)岁(29～89岁)。对健康检查者的CT数据进行三维重建,依据椎间孔螺钉、侧块螺钉(Magerl法)、椎弓根螺钉置钉技术的进钉点和钉道设计在三维重建模型上选定后进行调整,在调整完毕的重建图像上分别对C3～C7节段进行钉道长度和进钉角度测量,记录其最大内倾角度、最适内倾角度、最小内倾角度、最适钉道长度/轴长、椎弓根宽度等测量值。每两周由同一名脊柱外科专业医师对各影像学参数再次进行测量,取两次测量的平均值作为测量结果。选取8具新鲜冰冻尸体,男4具、女4具,死亡时年龄(45.25± 11.23)岁。CT检查排除骨折、畸形、感染、肿瘤等疾病引起的骨质破坏或其他异常,最终筛选出30个C3～C6颈椎脊椎。将制备完成的颈椎节段标本顺序编号,应用随机数字表法将其随机分为三组,每组10个标本,分别用于双侧置入椎间孔螺钉(4.5mm×12mm螺钉)、侧块螺钉(3.5mm×14mm)与椎弓根螺钉(3.5mm×24mm螺钉),螺钉型号均依前述据影像学测量数据选择。随机选取一侧进行直接拔出力测试(速度5mm/min),另一侧进行疲劳测试(位移± 1.0mm,频率1Hz,循环500次)及残余拔出力测试。结果:国人颈椎椎间孔螺钉总体最适钉道长度和内倾角度为C3 10.65mm,21.12°;C4 10.12mm,22.62°;C5 9.82mm,23.66°;C6 9.19mm,24.13°;C7 9.10mm,27.54°。测得C3节段总体最适钉道长度最长(p<0.05);C7节段总体最适钉道长度最短(p<0.05),但与C6节段差异无统计学意义(p≥0.05)。C7节段总体最适内倾角度最大(p<0.05);C3节段总体最适内倾角度最小(p<0.05)。男性在C4、C6-C7节段最适钉道长度长于女性,最适内倾角度小于女性(C410.44mm vs 9.81mm,21.11°vs 24.12°;C6 9.69mm vs 8.69mm,22.10°vs 26.16°;C7 9.90mm vs 8.30mm,24.95° vs 30.13°,P<0.05)。国人颈椎椎弓根螺钉总体最适钉道轴长和内倾角度为C3 30.94mm,33.92°;C4 30.50mm,34.95°;C5 31.92mm,33.42°;C6 30.50mm,31.94°;C7 29.87mm,31.01°;总体椎弓根宽度为 C3 5.35mm;C4 5.56mm;C5 5.99mm;C6 6.34mm;C7 6.86mm。男性在C3～C7节段最适钉道轴长和椎弓根宽度均长于女性(C3 32.59mm vs 29.29mm,5.89mm vs 4.81mm;C4 32.06mm vs 28.94mm,6.06mm vs 5.06mm;C5 33.85mm vs 29.98mm,6.40mm vs 5.57mm;C6 32.22mm vs 28.78mm,6.77mm vs 5.90mm;C7 31.56mm vs 28.18mm,7.26mm vs 6.46mm,p<0.05),在 C4～C5、C7节段最适内倾角度小于女性(C4 33.66°vs 36.24°;C5 32.24°vs 34.59°;C7 29.01°vs 33.02°,p<0.05)。国人颈椎侧块螺钉(Magerl法)总体最适钉道长度为 C3 14.84mm;C4 15.33mm;C5 15.44mm;C6 14.74mm;C7 14.06mm,男性在C3～C7节段最适钉道长度均长于女性(C3 15.56mm vs 14.12mm;C415.95mm vs 14.71mm;C5 16.11mm vs 14.77mm;C6 15.68mm vs 13.80mm;C714.82mm vs 13.29mm,p<0.05)。国人颈椎椎间孔螺钉总体最适钉道长度在C3～C7节段均短于侧块螺钉和椎弓根螺钉(p<0.05),总体最适内倾角度在C3～C7节段均小于椎弓根螺钉(p<0.05)。椎间孔螺钉的直接拔出力为(327.10±17.07)N,侧块螺钉为(305.71±11.63)N,椎弓根螺钉为(635.67±22.82)N。椎间孔螺钉的残余拔出力为(265.62±18.19)N,侧块螺钉为(192.80±17.10)N,椎弓根螺钉为(494.89±41.79)N。椎间孔螺钉、侧块螺钉和椎弓根螺钉的残余拔出力较直接拔出力均有不同程度降低(p<0.001),分别下降了 18.8%、36.93%和22.15%。椎弓根螺钉的直接拔出力高于椎间孔螺钉和侧块螺钉(p<0.001),椎间孔螺钉略高于侧块螺钉(p=0.004)。残余拔出力椎弓根螺钉最高,椎间孔螺钉次之,侧块螺钉最小(p<0.001)。椎间孔螺钉的首次循环载荷和首次达到设定位置时载荷均高于侧块螺钉(p<0.001)和椎弓根螺钉(p=0.015),侧块螺钉与椎弓根螺钉的差异无统计学意义(p=0.067)。椎间孔螺钉与椎弓根螺钉的末次循环载荷均高于侧块螺钉(p=0.003),但椎间孔螺钉与椎弓根螺钉的差异无统计学意义(p=0.126)。结论:国人颈椎椎间孔螺钉最适钉道长度在C3～C7节段均短于侧块螺钉和椎弓根螺钉,最适进钉内倾角度在C3-C7节段均小于椎弓根螺钉。国人男性颈椎椎间孔螺钉钉道长度稍长于女性,进钉内倾角度小于女性。椎间孔螺钉长度受限,不具备直接损伤椎动脉的风险,且具有较大的进钉安全角度。椎间孔螺钉的直接拔出力略高于侧块螺钉,残余拔出力明显高于侧块螺钉。椎间孔螺钉的抗疲劳性能与椎弓根螺钉相近并明显优于侧块螺钉。综上,颈椎椎间孔螺钉具有作为侧块螺钉和椎弓根螺钉有效替代的潜能。