대한정형외과학회지 : 제 42 권제 2 호 2007 J Korean Orthop Assoc 2007; 42: 255-263 한국인에서척추경나사못삽입에있어서형태학적특성 안면환 한재형 구자웅 정승민 조재호 영남대학교의과대학정형외과학교실 Morphologic Feasibility of Pedicle Screw Insertion in Korean Myun-WhanAhn,M.D.,Jae-HyeungHan,M.D.,Ja-WoongKoo,M.D., Sung-Min Chung, M.D., and Jae-Ho Cho, M.D. Department of Orthopaedic Surgery, Yeungnam University Hospital, Daegu, Korea Purpose: This study examined the morphological characteristics of the thoracic and lumbar vertebrae of normal Koreans and the factors causing breakage of the pedicular wall by measuring the thoracolumbar vertebrae relative to the pedicle screw insertion. Materials and Methods: The effect of the pedicle screw shape on the pedicle wall integrity of 56 normal Koreans was examined by performing a computer simulation of the inserting pedicle screws into the pedicle wall by superimposing the graphical images of the screws onto the CT scan images. Results: Because the inner pedicle diameters of the most thoracic vertebrae from T4 to T10 were <5 mm, most pedicles of the thoracic vertebrae were expected to be broken after inserting the 5 mm-diameter cylindrical screws. The pedicles of the thoracic and lumbar vertebrae were classified into 6 groups by performing the cluster analysis using morphometric parameters. Group 1 was labeled "relatively narrow". Group 2 "moderate". Group 3 "wide and angular". Group 4 "severly narrow and short", Group 5 "long", and group 6 "relatively wide and angular". The simulation showed the pedicles of groups 1 and 4 to be too narrow for the 5 mm-diameter cylindrical screws to preserve the pedicular wall integrity. Conclusion: The pedicles of the vertebra of Koreans are similar in size to those of Caucasians. Personal morphological characteristics of the pedicles as well as their sizes and levels of the vertebrae are believed to be the significant factors that can cause the breakage of the pedicular wall. Key W ords: Thoracolumbar spine, Morphology of pedicle, Pedicle screw 서론척추경나사기기술의개발및시술을위해척추경의계측이여러저자들에의해연구되어왔다 2,3,11,18). 척추경은내경, 외경의크기가개인에따라매우다양하므로척추경나사를이용한수술전에는전산화단층촬영을이용한사전검사가필요하다고보고된바있다 23,24). 또, 한국인에서는수술시 6 mm의나사를사용하였을경우 상부요추에서상당수척추경의피질골이파손될가능성이있다는보고가있다 8). 그러나대개의연구가사체골을이용한일부척추골만을선택적으로계측하거나정상적인표본이아닌사람을이용한방사선학적계측치만을제시했을뿐, 척추경의좁은부분의가로직경, 상하직경, 전후각, 수평각및척추체와척추경의깊이등의측정을통한정상한국인의형태해부학적특성에대한연구는 통신저자 : 안면환대구광역시남구대명동 317-1 영남대학교병원정형외과 TEL: 053-620-3643 FAX: 053-628-4020 E-mail: mwahn@med.yu.ac.kr * 이논문은보건복지부의선도기술 - 의료공학기술개발사업의일환으로지원을받아수행한연구임 (HMP-98-G-2-046-A). Address reprint requests to 255
256 안면환 한재형 구자웅외 2 인 드물다. 이에본연구에서는정상한국인의흉요추척추경의형태해부학적측정을시행하여한국인의형태적특성을확인하고나사못삽입시척추경의파손에미치는형태해부학적인자를구하고자하였다. 대상및방법본연구에대하여충분한설명을듣고취지에동의하고검사에지원한척추질환의병력이없는정상성인 56명을대상으로전산화단층촬영을실시하였다. 정상성인은척추에질병이나변형이없으며, 국립기술품질원에서 1997년에발행한국민표준체위조사보고서를참조하여, 한국인의성인중의 5% 에서 95% 에해당하는키와몸무게를기준으로하였다. 키는남자인경우 161.3 cm 에서 178.8 cm, 여자인경우 150.4 cm에서 165.8 cm이며, 몸무게는남자인경우 54.5 kg에서 83.5 kg, 여자인경우 45.0 kg에서 67.0 kg까지로하였다. 대상의연령별분포를보면 20대가 23명, 30대가 16명, 40대가 11명, 50대가 5명, 60대가 1명이었으며남자가 29명, 여자가 27명이었다. 각연구대상자에대하여흔히척추경나사못삽입을시행하는제4흉추에서제5요추까지의척추부위중임의의부위를 3 mm 간격으로추체판과평행하고척추경의중간부위를전산화단층촬영하여총 642개의축방향영상사진을얻었다 (Fig. 1). 전산화단층촬영의자료는 DICOM III의형태로변환하여개인용컴퓨터에서 Inner Space 2D를이용하여계측하였다. 전산화단층촬영에서얻은사진자료는 X선주사기를이용하여계수영상으로 변환하여개인용컴퓨터에입력하여 Corel paint shop pro를이용하여계측하였다. 형태해부학적특성은척추경의가로방향의내경및외경, 길이, 협부에이르는거리, 삽입각도등을측정하였다 (Fig. 2). Corel paint shop pro 프로그램상에서척추각부위의주사기로얻은영상자료의척추경에 5 mm, 6 mm 직경의원통형 (cylindrical) 및원추형 (conical) 척추경나사못의영상을가장이상적인위치및각도로가상적으로삽입하여각척추경의내경과외경에대하여각나사못이차지하는비율을측정하고나사못삽입에따른척추경의삽입상태및파손가능성을예측하였다 (Fig. 3). 나사못을가상삽입시, 척추경의상태를 1단계는나사못이척추경의관내에위치하고, 2단계는피질골내에나사못이위치하고, 3단계는나사못이피질골바깥쪽으로나오는 Fig. 2. 60 Frequency 50 40 30 20 5 mm straight cancellous screw Destruction of the lateral wall with preservation of the medial wall 10 0 T4 T6 T8 T5 T7 T10 T12 T9 T11 L1 Level Fig. 1. L2 L3 L4 L5 5 mm conical screw of our system Fig. 3.
한국인에서척추경나사못삽입에있어서형태학적특성 257 것, 즉척추경이파손되는것으로나누었다 (Fig. 3). 형태학특성군을통계학적으로분류하기위해서 SPSS 프로그램을이용하여척추경의내경, 외경, 척추경나사못의삽입방향및축방향의총거리및협부까지의거리를고려한군집분석을실시하였다. 형태학적계측및군집분석에서얻은결과들의통계학적유의성검사는일원변량분석법또는 Chi-square 검증법을이용하여실시하였다. 종족간의차이를확인하여한국인의특성을확인하기위해서일표본 T-검증을시행하였다. 나사못의가상삽입시척추경의파손과의관련인자를찾기위해다중로지스틱회귀분석을하였다. 결과 1. 형태학적계측결과척추경의내경및외경의평균은상부흉추에서 2.6 mm 및 5.2 mm, 하부흉추에서는 4.5 mm 및 7.4 mm, 흉요추접합부에서는 5.6 mm 및 8.7 mm, 요추에서는 8.5 mm 및 12.0 mm로상부흉추에서하부요추까지통계적으로유의하게증가하였다 (Fig. 4). 제1요추의외경및내경이제12흉추보다작은경향은있었으나, 통계적인유의성은없었다. 척추경의총길이는상부흉추에서 38.5 mm. 하부흉추에서는 43.3 mm, 흉요추접합부에서는 48.5 mm, 요추에서는 48.3 mm로요추로갈수로증가하는경향을보였으며, 협부까지의거리는상부흉추에서 13.8 mm, 하부흉추에서는 14.8 mm, 흉요추접합부에서는 17.1 mm, Diameters (mm) 100 10 0 T4 T5 Mean inner diameter Min inner diameter Mean outer cortical diameter Min outer cortical diameter T6 T7 T8 T10 T12 T9 T11 Level Fig. 4. L2 L3 L4 요추에서는 17.1 mm로각부위별로특이한차이가없었다. 척추경나사못의삽입각의평균은상부흉추에서 6.0 o, 하부흉추에서는 5.2 o, 흉요추접합부에서는 6.4 o, 요추에서는 10.6 o 로하부흉추에서가장작았고, 요추에서가장컸다. 특히, 제4요추에서 10.3 o, 제5요추에서 14.5 o 로타부위에비해서척추경나사못의삽입각이유의하게컸다 (p<0.05). 척추경의외경에대한내경의비율을확인한결과, 상부흉추에서는 48.1%, 하부흉추에서는 59,0%, 흉요추접합부에서는 63.4%, 요추에서는 68.8% 로통계적으로각군간에유의한차이가있었으며 (p<0.05) 상부흉추에서피질골이차지하는비율이하부요추에비해상대적으로두껍다는것을의미하였다. 이러한결과는흉추용척추경나사못은 5 mm 굵기의원주형나사못의삽입시대부분의척추경의파손이예상되어이와는다른형태인원추형나사못의개발이요구되었다. 상부흉추에서는척추경의외경에대한내경의비율이 48.1% 로단면적상피질골의면적이상대적으로넓기때문에해면골형의나사보다는피질골형의나사못이합당할것으로판단되었다. 2. 척추경의형태적특성에대한군집분석결과척추경의내경, 외경, 협부의위치, 척추경나사못의삽입방향및축방향의총거리및협부까지의거리를고려하여, 6개의군으로분류하였다 (Fig. 5). 일원변량분석을이용하여각군의특성을분석한결과 (Table 1), 척추경의내경및외경의경우통계적으로각군간에유의한차이가있었다 (p<0.001). 척추경의축방향의총길이와협부까지의길이는제2, 3 및 6군사이에는유의한차이가없었으나다른군간에는유의한차이가있었다 (p<0.05). 협부의좌우위치및전후위치의좌표는척추관의전면의중심에서제1군은 10.0 mm, -7.1 mm, 제2군은 11.1 mm, -6.9 mm, 제 3군은 16.3 mm, -1.3 mm, 제4군은 8.9 mm, -6.3 mm, 제5군은 11.8 mm, 6.8 mm, 제6군은 13.8 mm, - 3.5 mm 로좌우위치는제2군과 5군사이에는차이가없었으나다른군들사이에는각군간의유의한차이가있었다 (p<0.05). 전후좌표의위치는제3군과 6군은다른군과유의한차이가있었다 (p<0.05). 나사못의삽입방향은제3 및 6군에서유의하게컸으
258 안면환 한재형 구자웅 외 2인 Fig. 5. Morphologic characteristics of each cluster. Group I was characterized by the severe narrowing of the inner and outer pedicular diameters and the short pedicular length. Group II was characterized by the narrow pedicular canal. However, the pedicular length and insertion angle had increased. The pedicular canal and insertion angle had increased the most in Group III. Group IV was characterized by it s the largest decrease in the pedicular canal and length. The pedicular length had increased the most in Group V. Its pedicular canal was relatively wide. In Group VI, the pedicular canal was wide and its length and insertion angle had increased compared with those of the other groups. Table 1. Characteristic Status of the Pedicle Group I II III IV V VI Inner diameter (mm) 3.8 4.7 12.3 2.8 6.6 9.7 Outer diameter (mm) 6.6 7.7 16.3 5.7 9.7 13.4 Chord depth (mm) 41.7 48.1 47.5 36.0 53.1 50.0 Distance to isthmus (mm) 13.5 15.5 16.9 13.2 19.6 16.5 o Insertion angle ( ) 5.7 6.8 14.8 5.0 7.3 11.6 Coordinate of isthmus 10.0/-7.1 11.1/-6.9 16.3/-1.3 8.9/-6.3 11.8/6.8 13.8/-3.5 (abscissa/ordinate) (mm) 나, 제4군에서 가장 작았다. 위치가 좌우 좌표상 넓으나, 삽입각 및 전후 좌표상의 거 이상의 분석결과를 종합하면, 제1군은 타군에 비해 척 리는 유의한 차이가 없이 후방에 위치하였다. 제3군은 내 추경의 내경 및 외경이 좁으면서, 삽입각이 적고, 축방향 경 및 외경이 6군 중에 가장 넓고, 협부의 위치가 좌우 의 길이가 짧으나, 제4군에 비해서는 내경 및 외경이 넓 및 전후 좌표상 가장 넓으며, 삽입각도 가장 크다. 그러나 고, 축방향의 길이가 길고, 전후 좌표 상 협부가 후방에 축방향의 길이 및 협부까지의 길이가 비교적 긴 편이나 위치하였다. 제2군은 제1군에 비해서 내경 및 외경이 넓 5군에 비해 짧은 것이 특징이었다. 제6군은 내경 및 외경 고, 축방향의 길이 및 협부까지의 길이가 길고, 협부의 은 제3군 다음으로 넓으며, 축방향의 길이 및 협부까지의
한국인에서척추경나사못삽입에있어서형태학적특성 259 길이가 5군다음으로길며, 삽입각과좌우및전후좌표상의거리는제3군다음으로각이크고거리가긴것이특징이었다. 3. 원추형척추경나사못의삽입결과안등이고안한흉추용원추형나사못을척추경에가상으로삽입하여척추경의상태를컴퓨터를이용하여분석한결과는다음과같다. 5 mm 직경의원주형나사못삽입시대부분에서파손이예측되었던상부흉추에서는 1단계가 39.1%, 2단계가 43.5%, 3단계가 17.4% 로척추경의파손이예상되었다. 하부흉추에서도척추경의내경이좁았던예에서삽 입상태는각각 26.9%, 52.5%, 20.9%, 흉요추접합부에서는 27.6%, 65.6%, 6.9% 요추에서는 28.6%, 64.3%, 7.1% 로척추경의파손이감소되었다. 내경이 5 mm 이하로 5 mm 직경의원주형나사못삽입시대부분의파손이예측되었던 215 척추중 37 척추 (17.2%) 에서만파손이예측되었다 (Table 2). 각군별로척추경나사못삽입시파손의정도를예측하면, 제1군에서는 1단계가 39.1%, 2단계가 47.8%, 3단계가 13.0% 로 13.0% 의파손이예상되었다. 제2군에서는각각 51.7%, 48.3%, 0% 이며, 제4군에서는 24.3%, 50.5%, 25.2%, 제5군에서는 50.0%, 50.0%, 0% 로척추경의파손을예상할수있었다 (Table 3). Table 2. Table 3. Table 4.
260 안면환 한재형 구자웅외 2 인 로지스틱회귀분석을통하여척추경의파손에관여하는여러인자들중어떤인자가더욱중요한역할을하는지알아본바에의하면척추경의파손은척추경의굵기및척추의위치뿐만아니라각군의특성, 즉형태해부학적특성이관여하는것으로확인되었다 (Table 4). 고찰척추경나사를이용한고정방법은이전의강선이나갈고리를이용하여고정하는것에비해척추의삼주모든곳에고정을하기때문에축성이나회전력에대한안정성이강해변형에대한삼차원적교정이가능할뿐만아니라 11,17,23) 후궁절제술등수술시피할수없는부분에대해서도안정성을확보할수있는등 4,22,23) 다양한장점이있어현재는척추경이넓은요천추부위뿐만아니라척추측만증과같은변형교정을위해비교적척추경이좁은흉추부위에서도널리쓰이고있다. 하지만이러한장점에도불구하고특히흉추에척추경나사를이용할때발생할수있는신경, 혈관, 장기등의합병증 1,6,12,14) 의우려때문에많은의사들이그사용을꺼려하는것또한사실이다. 따라서척추경나사의올바른사용을위해서는척추경에대한폭넓은형태해부학적지식이필요하다. 따라서이러한척추경의형태에관한척도즉척추경협부의가로직경, 상하직경, 전후각, 수평각및척추체와척추경의깊이등에대해여러연구가진행되어왔다 2,3,8,10,26). 생역학적으로가장 7,21) 고정력이강한나사못을삽입하기위해서는척추경의좁은가로직경에대해최대한굵은나사못을삽입하고척추골몸통과척추경의길이에대해서는나사길이가길수록생역학적으로강하게고정되는데나사못이척추경이나척추체를뚫고나가서발생하는합병증을막고가장강한고정을하기위해서는술전정확한척추체의해부학적지표에대한계측이필요하다. 이러한계측은수술전에방사선검사등간접적인방법에의해가능한데석등 20) 은제1흉추골에서제5요추골까지모든척추골에대하여전산화단층촬영에서얻은영상에서와촬영면을따라전기톱으로횡절단한단면에서의가로직경을실측하여두계측치간의상관관계를산출하여두계측치간에그값의차이가거의없고매우밀접한상관관계를보였다고보고하였다. 또한 Krag 등 10) 과 Misenheimer 등 13) 도두계측치간의차이가거의없음을보고하여본연구에서는전산화단층촬영을이용하여 형태학적특성이척추경나사못삽입시척추경의파손에미치는영향을보고자하였다. 척추경의내외경의크기와형태또한견고하면서도안전한척추경나사삽입에중요한인자로서여러논문에서척추각위치에따른척추경의직경과전후면에서의각도등이보고되었는데대체로척추전부위에서척추경의상하직경이좌우직경보다더크고좌우직경이가장좁은부위는제4흉추또는제5흉추이며가장넓은부위는제5요추였으며전후면에서의척추경의내측으로향하는각도는제11, 12흉추에서가장적고이부위를중심으로상부및하부로갈수록내측으로더많이기울어져있다고알려져있다 23,29). 본연구에서도이와대체로유사한결과를보였으나본연구에서는전산화단층촬영의축방향영상만을이용하여계측하였기때문에척추경의상하직경은측정할수없었다. Kim 등 9) 에의하면하부흉추에있어서는늑골두가척추경의기저부를향하여뒤쪽으로이동해있는형태를취하게되므로이러한이유에의하여척추경의축이거의중립각이거나오히려척추체의바깥으로향한다고하였다. 하지만이러한해부학적특성에도불구하고가장견고한척추경나사못삽입을위해서는척추경의축을향해나사못을삽입하는것이아니라척추경나사못의입구를외측으로옮겨내측으로 10-15 o 향하게하여삽입할것을권유하였다. 본연구에서도가장길면서도안전한삽입각을위한각도가하부흉추에서는내측으로 5.2 o, 흉요추접합부에서는내측으로 6.4 o 로나타났다. 일표본 T-검증을이용하여척추경의종족간크기차이를알아보기위해평균을비교한결과 Krag 등 10) 의연구와비교하여서는흉추의척추경최소외경이유의하게컸으나, 요추에서는작았다. Scoles 등 18) 과 Saillant 16) 의연구결과와는유사했으며, Cheung 등 3) 의연구결과와는상부요추에서는유의하게컸으며, 하부요추에서는큰차이를보이지않았다. 물론동양인을대상으로한실험에서척추경의크기가서양인보다유의하게작음을보고하는논문도있지만 5,7,21) 이는실험대상의나이와생사유무그리고뼈자체의건조유무등측정방법혹은대상선정의차이에의해기인된것으로판단되었다. Meisenheimer 등 13) 의보고에의하면신선사체척추를이용한실험에서척추경외경의 80% 이상되는굵기의나사를삽입하였을때거의대부분의척추경에확장
한국인에서척추경나사못삽입에있어서형태학적특성 261 (Expasion), 소성변성 (plastic deformation) 이생겼고, 일부에서는골절이일어났다고하였으며, 석등 20) 은역시사체척추를이용한실험에서척추경외경의 86% 이상굵기의나사삽입시척추경의골절이발생하였으나확장이나소성변형등의변화는관찰할수없었는데이는사체가신선한것이아니어서골조직이말라있었기때문일것이라고보고하였다. Sjostrom 등 19) 에의하면나사못의직경이척추경외경의 65% 를넘으면 85% 의척추경이확장된다는보고를하였고최근에 Rinella 15) 등은 9살된척추측만증환자의예를들면서척추경의골절이발생하기전에척추경의직경이 196% 까지확장을한다고도보고를하였다. 하지만본연구의주목적이가장안전하게척추경나사못을삽입할수있는크기에대한조사였기때문에나사삽입에따른척추경의안정성을알아보기위해전산화단층촬영영상에직경 5 mm, 6 mm 굵기의원주형나사와원추형나사의영상을컴퓨터프로그램을이용하여가상적으로삽입하여척추경과나사와의관계를통하여나사삽입시척추경의파손가능성을조사하였다. 원주형나사의경우제4흉추에서제9흉추까지는가장작은 5 mm 나사삽입에서도대부분척수경의파손이예상되었으며하부흉추에서도 40-60% 정도에서파손이예상되었다. 그러나본연구자등이고안한흉요추원추형나사를삽입하였을때는내경이 5 mm 이하로 5 mm 직경의원주형나사못삽입시척추경의파손이예상되었던 215 척추중 37척추, 17.2% 에서만파손이예측되었다. 그러나본연구에서의이결과는생체에서척추경나사못삽입시보일수있는골조직의탄성과소성이배체된상태에서얻은것이기때문에실제생체에서나사를삽입할때의결과와일치하지않을것으로생각되나척추경의좌우직경이작은흉추또는일부상부요추에서는원주형나사못보다는원추형나사못을사용하면더욱안전하게삽입이가능할것으로생각된다. 결론한국인의척추경은크기가서구인과유사하며개인적특성에따라동일한척추위치에서도다양한형태를가질것으로생각된다. 이러한척추경의형태학적특성뿐만아니라척추경의크기와척추체의위치또한척추경나사못삽입시척추경골절의중요한인자가되므로이러한파손을예방하기위해수술전전산화단층촬영을시행하여 척추경의굵기뿐만아니라형태해부학적특성을분석하여결정하는것이바람직할것으로사료되며원주형나사못의사용이척추경의골절없이안전하게고정할수있는방법중의하나이다. 참고문헌 1. Alanay A, Cil A, Acaroglu E, et al: Late spinal cord compression caused by pulled-out thoracic pedicle screws: a case report. Spine, 28: E506-E510, 2003. 2. Berry JL, Moran JM, Berg WS, Steffee AD: A morphometric study of human lumbar and selected thoracic vertebrae. Spine, 12: 362-367, 1987. 3. Cheung KM, Ruan D, Chan FL, Fang D: Computed tomographic osteometry of Asian lumbar pedicles. Spine, 19: 1495-1498, 1994. 4. Cinotti G, Gumina S, Ripani M, Postacchini F: Pedicle instrumentation in the thoracic spine. A morphometric and cadaveric study for placement of screws. Spine, 24: 114-119, 1999. 5. Datir SP, Mitra SR: Morphometric study of the thoracic vertebral pedicle in an Indian population. Spine, 29: 1174-1181, 2004. 6. Heini P, Scholl E, Wyler D, Eggli S: Fatal cardiac tamponade associated with posterior spinal instrumentation. A case report. Spine, 23: 2226-2230, 1998. 7. Hou S, Hu R, Shi Y: Pedicle morphology of the lower thoracic and lumbar spine in a Chinese population. Spine, 18: 1850-1855, 1993. 8. Kim NH, Lee HM, Chung IH, Kim HJ, Kim SJ: Morphometric study of the pedicles of thoracic and lumbar vertebrae in Koreans. Spine, 19: 1390-1394, 1994. 9. Kim YJ, Lenke LG, Cheh G, KD Riew: CT scan accuracy of "free hand" pedicle screw placement technique in spinal defomity; an analysis of 789 pedicl screws, Podium presentation, internaional meeting on advanced spine technology annual meeting, Bermuda, July 1-3, 2004. 10. Krag MH, Beynnon BD, Pope MH, Frymoyer JW, Haugh LD, Weaver DL: An internal fixator for posterior application to short segments of the thoracic, lumbar and lumbosacral spine, disign and testing. Clin Orthop Relat Res, 203:
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한국인에서척추경나사못삽입에있어서형태학적특성 263 = 국문초록 = 목적 : 대상및방법 : 결과 : 결론 : 색인단어 :