Comparisons of Unicortical and Bicortical Lateral Mass Screws in the Cervical Spine : Safety vs Strength

경추부의 후관절 나사못 고정술에서 단피질삽입법과 양피질 삽입법 간의 특성에 관한 비교

Introduction : The purpose of this study was to analyze the safety, pullout strength and radiographic characteristics of unicortical and bicortical screws of cervical facet within cadaveric specimens and evaluate the influence of level of training on the positioning of these screws. Methods : Twenty-one cadavers, mean 78.9 years of age, underwent bilateral placement of 3.5mm AO lateral mass screw from C3-C6(n=168) using a slight variation of the Magerl technique. Intraoperative imaging was not used. The right side(unicortical) utilized only 14mm screws(effective length of 11mm) while on the left side to determine the length of the screw after the ventral cortex had been drilled. Three spine surgeons(attending, fellow, chief resident) with varying levels of spine training performed the procedure on seven cadavers each. All spines were harvested and lateral radiographs were taken. Individual cervical vertebrae were carefully dissected and then axial radiographs were taken. The screws were evaluated clinically and radiographically for their safety. Screws were graded clinically for their safety with respect to the spinal cord, facet joint, nerve root and vertebral artery. The grades consisted of the following categories : "satisfactory", "at risk" and "direct injury". Each screw was also graded according to its zone placement. Screw position was quantified by measuring a sagittal angle from the lateral radiograph and an axial angle from the axial radiograph. Pull-out force was determined for all screws using a material testing machine. Results : Dissection revealed that fifteen screws on the left side actually had only unicortical and not bicortical purchase as intended. The majority of screws(92.8%) were satisfactory in terms of safety. There were no injuries to the spinal cord. On the right side(unicortical), 98.9% of the screws were "satisfactory" and on the left side(bicortical) 68.1% were "satisfactory". There was a 5.8% incidence of direct arterial injury and a 17.4% incidence of direct nerve root injury with the bicortical screws. There were no "direct injuries" with the unicortical screws for the nerve root or vertebral artery. The unicortical screws had a 21.4% incidence of direct injury of the facet joint, while the bicortical screws had a 21.7% incidence. The majority of "direct injury" of bicortical screws were placed by the surgeon with the least experience. The performance of the resident surgeon was significantly different from the attending or fellow(p<0.05) in terms of safety of the nerve root and vertebral artery. The attending's performance was significantly better than the resident or fellow(p<0.05) in terms of safety of the facet joint. There was no relationship between the safety of a screw and its zone placement. The axial deviation angle measured $23.5{\pm}6.6$ degrees and $19.8{\pm}7.9$ degrees for the unicortical and bicortical screws, respectively. The resident surgeon had a significantly lower angle than the attending or fellow(p<0.05). The sagittal angle measured $66.3{\pm}7.0$ degrees and $62.3{\pm}7.9$ degrees for the unicortical and bicortical screws, respectively. The attending had a significantly lower sagittal angle than the fellow or resident(p<0.05). Thirty-three screws that entered the facet joint were tested for pull-out strength but excluded from the data because they were not lateral mass screws per-se and had deviated substantially from the intended final trajectory. The mean pull-out force for all screws was $542.9{\pm}296.6N$. There was no statistically significant difference between the pull-out force for unicortical($519.9{\pm}286.9N$) and bicortical($565.2{\pm}306N$) screws. There was no significant difference in pull-out strengths with respect to zone placement. Conclusion : It is our belief that the risk associated with bicortical purchase mandates formal spine training if it is to be done safely and accurately. Unicortical screws are safer regardless of level of training. It is apparent that 14mm lateral mass screws placed in a supero-lateral trajectory in the adult cervical spine provide an equivalent strength with a much lower risk of injury than the longer bicortical screws placed in a similar orientation.

서 론 : 후방 경유 경추 융합을 위한 후관절 금속판 고정술은 외상성 및 퇴행성 불안정성의 치료에 효과적인 방법이다. 후관절 금속판 고정의 안정성은 여러 가지 인자에 의해 결정된다. 이중 하나가 나사못의 삽입깊이이다. 이 방법이 처음 소개될 때에는 양피질골성 삽입이 이용되었다. 외과의사의 관심은 어떻게 안전하면서 생역학적으로 강력한 고정을 얻느냐에 있다. 목 적 : 이 연구의 목적은 사체에서 단피질성과 양피질성 나사못 삽입술을 시행한 후 안전성, pull-out 강도, 방사선학적 특성을 분석하고 나사못의 삽입에 대한 교육 훈련의 수준에 따른 영향을 평가하는데 있다. 방 법 : 평균 나이 78.9세인 21구의 사체에 대하여, Magerl의 기술을 변형하여 C3-C6(n=168)까지 3.5mm AO 나사못을 양쪽 후관절에 삽입하였다. 수술중 방사선 사진영상은 사용되지 않았다. 오른 쪽(단피질성 삽입)은 14mm 나사못(11mm의 유효 길이)을 이용하고, 왼쪽은 양피질성 삽입을 시도하였다. 각 사체는 3개의 군으로 나누어 척추 수술 수련의 수준이 다른 받은 3명의 척추 외과 의사들(전임 강사, 임상 강사, 수석 레지던트)이 수술을 시행했다. 수술 후 경추를 떼어내어 나사못의 위치를 육안적으로 확인하고 방사선학적으로 안정성과 삽입 위치 (1,2,3)를 평가하였다. 척수, 후관절, 신경근과 척추 동맥에 대한 나사못의 위치를"만족할 만한","위험한", 그리고"직접적인 손상"으로 구분하였다. material testing machine을 이용하여 모든 나사못에 대해서 Pull-out 강도를 측정하였다. 결 과 : 대다수의 나사못(92.9%)은 만족할 만한 상태였다. 전예에서 척수에 대한 위험성은 없다. 오른 편(단피질성 : 14mm) 나사못의 98.9%는"만족할 만한"에 속했다. 그리고 왼쪽 편(양피질성)의 68.1%는"만족할 만한"에 속했다. 양피질성 나사못 군에서 5.8%의 척추 동맥에 대한 직접적인 손상이 있었고 신경근의 직접적인 손상 발생율은 17.4%였다. 반면에 단피질성 나사못 군에서는 이들에 대한 직접적인 손상은 없었다. 양피질성 나사못에서 보인"직접 손상"의 거의 대부분은 외과 의사의 경험 부족으로 발생하였다. 나사못의 안정성과 삽입 위치 사이에는 특별한 관련이 없었다. 모든 나사못의 pull-out 강도는 $542.0{\pm}296.6N$였다. 단피질성에 있어서의 pull-out 강도($519.0{\pm}289.9N$)와 양피질성($565.2{\pm}306N$) 나사못에는 아무런 통계학적으로 의미있는 차이점을 발견할 수 없었다(p>0.05). 나사못 삽입위치와 pull-out 강도 사이에는 의미있는 차이가 없었다. 결 론 : 이번 연구는 경추 후관절 나사못 고정술시 단피질성과 양피질성 나사못의 안정성과 효능을 집중적으로 알아보았다. 명백한 것은 14mm의 나사못(효과적인 길이는 11mm)이 보다 긴 양피질성 나사못 보다 손상의 위험이 훨씬 낮고 거의 동등한 pull-out강도를 갖는다는 것이다. 또한, 수술시 방사선 영상을 사용할 수 없을 때, 훈련과 축적된 경험에 의해 나사못 삽입의 정확성과 안전성이 향상될 수 있다.