寰樞椎內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性研究

方欣 謝金兔 顧曉民 池永龍 魯世保 范奔

寰樞椎內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性研究

方欣 謝金兔 顧曉民 池永龍 魯世保 范奔

目的 通過體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)對前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘、Harms鋼板、Brooks鋼絲、Magerl雙側(cè)螺釘、Magerl雙螺釘加Gallie鋼絲固定技術(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行比較。 方法 取5具新鮮冰凍人體頸椎標(biāo)本，依次按：正常試驗(yàn)組、寰樞椎不穩(wěn)組、前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘組、Harms鋼板組、Brooks組、Magerl雙螺釘加Gallie組、Magerl雙螺釘組順序測試。將標(biāo)本固定于測力機(jī)的移動平臺上，造成寰椎前屈，后伸，右側(cè)彎運(yùn)動，施力點(diǎn)均位于寰椎中心（齒狀突基底后緣中點(diǎn)）3.8cm處。測定寰椎移位1mm時的負(fù)荷，速度為1mm/min。在自制旋轉(zhuǎn)測力機(jī)測試右軸向旋轉(zhuǎn)時設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度為3°，測試各組剛度，比較其差異。 結(jié)果 與正常組和損傷組相比，所有內(nèi)固定方法均顯著提高寰樞椎各向活動的剛度（P＜0.01）。Magerl雙螺釘加Gallie組剛度最大、最穩(wěn)定（P＜0.05）。前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘組與Magerl雙螺釘組在各種狀態(tài)下的剛度均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。Brooks組在前屈、后伸及旋轉(zhuǎn)時的剛度最低（P＜0.05），而其側(cè)彎穩(wěn)定性與Harms鋼板組相當(dāng)（P＞0.05）。 結(jié)論 Magerl雙螺釘加Gallie組的各方向穩(wěn)定性均最優(yōu)，被認(rèn)為是金標(biāo)準(zhǔn)。前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘組、Magerl雙螺釘組均為兩點(diǎn)固定法，目前仍然是臨床應(yīng)用的主流術(shù)式。Harms鋼板組及Brooks組固定強(qiáng)度較差，術(shù)后建議使用外固定器加固。

寰樞椎 內(nèi)固定 生物力學(xué) 穩(wěn)定性

寰樞椎位于顱頸移行部，形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)炎癥、創(chuàng)傷、腫瘤、先天或發(fā)育畸形等引起寰樞椎不穩(wěn)時，易致上頸髓、神經(jīng)根、椎動脈受壓，甚至危及患者的生命。臨床上對寰樞椎不穩(wěn)多用手術(shù)治療，以解除壓迫，穩(wěn)定上頸椎。目前寰樞椎內(nèi)固定的方法較多，筆者對臨床上常用的前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘、Gallie鋼絲、Harms鋼板、Brooks鋼絲、Magerl雙螺釘加Gallie鋼絲、Magerl雙側(cè)螺釘?shù)裙潭夹g(shù)進(jìn)行了生物力學(xué)測試，分析不同內(nèi)固定方法對寰樞椎各個方向運(yùn)動的控制作用，比較其穩(wěn)定性，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1 材料和方法

1.1 標(biāo)本制備 5具意外死亡者的新鮮尸體標(biāo)本，其中男性3具，女性2具，年齡23～68歲（平均35歲）。經(jīng)X線攝片證實(shí)無頸椎外傷、變性疾病、腫瘤等，截取其枕骨至第7頸椎（C0～C7），用雙層塑料袋封存于-20℃恒溫冰箱中備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)器具 本研究采用解放軍6913工廠生產(chǎn)的三思測力機(jī)（CTM4104），專用配套方正PC機(jī)，測試軟件為基于visual basic平臺的專用力學(xué)測試軟件包，位移（mm）和應(yīng)力（N）的測試靈敏度均為1/1 000。旋轉(zhuǎn)測試采用自制旋轉(zhuǎn)測力機(jī)（力臂長90mm，角度精確到0.5°，質(zhì)量精確到0.1g）。固定劑采用上海珊瑚化工廠生產(chǎn)的Ⅱ型自凝牙托粉及配套水劑。內(nèi)固定采用Sofamor公司提供的Harms鋼板、浙江廣慈醫(yī)療器械公司提供的直徑4.0mm鈦質(zhì)中空拉力螺釘、直徑0.7mm鋼絲及克氏針。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骷皽y試順序 將標(biāo)本放于室溫下解凍12h，解剖并保留頸椎各韌帶、小關(guān)節(jié)囊和完整骨結(jié)構(gòu)。以4～5枚螺釘固定C2以下節(jié)段，將C2下緣至C7用聚甲基丙烯酸甲脂包埋于固定盒中，制作成試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?具標(biāo)本分別編號，每個標(biāo)本依次按：（1）正常試驗(yàn)?zāi)Ｐ停∕1），（2）寰樞椎不穩(wěn)模型（M2），（3）前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘固定模型（M3），（4）Harms鋼板固定模型（M4），（5）Brooks鋼絲固定模型（M5），（6）Magerl雙螺釘加Gallie鋼絲固定模型（M6），（7）Magerl雙螺釘固定模型（M7）順序進(jìn)行測定，以減少標(biāo)本破壞。實(shí)驗(yàn)過程中，盡量減少因水份蒸發(fā)和組織變性造成的影響。每組固定后均在大體觀察及X線攝片下確認(rèn)鋼板、螺釘和（或）鋼絲螺釘固定位置。

1.4 生物力學(xué)測試方法 每個標(biāo)本按M1～M7順序依次測試在前屈、后伸、右側(cè)彎狀態(tài)下的應(yīng)力值，施力點(diǎn)均位于寰椎中心（齒狀突基底后緣中點(diǎn)）3.8cm處[1]。測定寰椎移位1mm時的負(fù)荷[1-2]，速度為1mm/min。每個標(biāo)本在每種試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖路謩e測試6次，彈性蠕變基本消除后，記錄第6次的應(yīng)力值并進(jìn)行剛度計算。測試右軸向旋轉(zhuǎn)時設(shè)定力臂為90mm，旋轉(zhuǎn)角度為3°，消除標(biāo)本的彈性蠕變后記錄第6次的測試值，將質(zhì)量轉(zhuǎn)化成重力后計算旋轉(zhuǎn)剛度。前屈、后伸和側(cè)屈的剛度=應(yīng)力×38/位移（N/mm），旋轉(zhuǎn)的剛度=應(yīng)力×90/角度（Nmm/°）。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 本研究采用同一標(biāo)本自身對照的方法，使用SPSS18.0統(tǒng)計軟件，計量數(shù)據(jù)以 表達(dá)，多組間比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞣较蜻\(yùn)動剛度的比較見表1。

表1 不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞣较蜻\(yùn)動剛度的比較

表1顯示：（1）所有的內(nèi)固定模型均固定有效，各個方向運(yùn)動M3～M7＞M1＞M2（均P＜0.01）；（2）各種內(nèi)固定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那扒⒑笊旒靶D(zhuǎn)剛度比較結(jié)果均相同，依次為M6＞M3、M7＞M4＞M5（P＜0.05或0.01），即Magerl雙螺釘加Gallie組＞前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘組及Magerl雙螺釘組＞Harms鋼板組＞Brooks組；（3）側(cè)彎剛度大小依次為M6＞M3、M7＞M4、M5（P＜0.05或0.01），即Magerl雙螺釘加Gallie組＞前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘組及 Magerl雙螺釘組＞Harms鋼板組及Brooks組。

3 討論

寰樞關(guān)節(jié)在維系頸部活動中占據(jù)重要地位，其關(guān)節(jié)活動范圍較大，承擔(dān)著頭頸部50%的旋轉(zhuǎn)功能和12%的伸屈功能。由于其解剖部位深，周圍有諸多重要神經(jīng)和血管組織，毗鄰關(guān)系復(fù)雜，故該部位手術(shù)難度高、風(fēng)險大，被視為脊柱外科手術(shù)的高危區(qū)域，嚴(yán)重者可因損傷椎管內(nèi)的高位脊髓，導(dǎo)致高位截癱和中樞性呼吸衰竭而死亡。近年來，隨著脊柱生物力學(xué)的深入研究、對手術(shù)并發(fā)癥的進(jìn)一步認(rèn)識、材料學(xué)的進(jìn)展以及微創(chuàng)技術(shù)的成熟，上頸椎內(nèi)固定技術(shù)有了長足的發(fā)展。

生物力學(xué)試驗(yàn)有負(fù)荷控制法、位移控制法及有限元模型試驗(yàn)，各有優(yōu)勢[3]。本研究采用位移控制法，即固定一個椎體，另外一個椎體作相對運(yùn)動，以恒定的位移在各種試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，測定負(fù)荷值并轉(zhuǎn)換為剛度，以比較穩(wěn)定性。Dekutoski等[4]的動物試驗(yàn)表明，使用位移控制法，體內(nèi)和體外試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。寰樞椎測試的位移定值應(yīng)在生理范圍內(nèi)，Mitchell等[1]將位移定值為1mm，旋轉(zhuǎn)角度為1°；瞿東濱等[2]將角度定為5°，我們在采用新鮮牛頸椎的預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度為1°時各組間旋轉(zhuǎn)剛度差異不大，而角度為5°時易造成標(biāo)本破壞。因此，我們將位移定值為1mm，角度為3°。

本研究結(jié)果表明，寰樞椎不穩(wěn)組的各方向穩(wěn)定性最差,與Kandziora等[5]的研究結(jié)果相同。我們在實(shí)驗(yàn)中采用了AndersonⅡ型齒狀突骨折模型，切除了齒狀突，破壞了寰椎橫韌帶，造成寰樞關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，這說明寰樞關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要靠關(guān)節(jié)之間的韌帶復(fù)合體來完成。在加用各種內(nèi)固定方式后，均可明顯增加寰樞關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。在各種固定組中，Magerl雙螺釘加Gallie鋼絲固定的各方向穩(wěn)定性均最優(yōu)，該術(shù)式為三點(diǎn)固定法，較單純雙側(cè)螺釘技術(shù)更加牢靠，被認(rèn)為是頸后路內(nèi)固定的金標(biāo)準(zhǔn)。前路雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘、Magerl雙螺釘、Harms鋼板和Brooks鋼絲固定技術(shù)均可認(rèn)為是兩點(diǎn)固定法，各方向穩(wěn)定性均低于三點(diǎn)固定。Park等[6]亦認(rèn)為三點(diǎn)固定的力學(xué)穩(wěn)定性要優(yōu)于兩點(diǎn)固定。前、后路螺釘固定各方向穩(wěn)定性均無明顯差異，這與黃衛(wèi)兵等[7]的研究結(jié)果一致。Harms鋼板是椎體前方固定、Brooks鋼絲是后路雙側(cè)椎板固定，雖均為兩點(diǎn)固定，但距活動中心較遠(yuǎn)，固定強(qiáng)度不足，蔡斌等[8]的研究結(jié)果亦表明，單純鋼絲固定在多種內(nèi)固定中穩(wěn)定性最差。前、后路螺釘固定均距離中心位置近，且螺釘通過4層皮質(zhì)，穩(wěn)定性較佳。Brooks鋼絲在前屈、后伸及旋轉(zhuǎn)時的剛度最差，這可能是因?yàn)殇摻z固定易松動，固定不可靠所致，而側(cè)彎時因其植骨塊距離中心位置較前路Harms鋼板更遠(yuǎn)，抵消了鋼絲固定不可靠的差異，從而導(dǎo)致兩者穩(wěn)定性相當(dāng)。

Magerl雙螺釘加Gallie鋼絲固定技術(shù)為經(jīng)典三點(diǎn)固定,因其良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，以往被認(rèn)為是治療寰樞關(guān)節(jié)不穩(wěn)的金標(biāo)準(zhǔn)。但近年來前、后路寰樞椎螺釘技術(shù)，尤其是經(jīng)皮微創(chuàng)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，這一技術(shù)具有骨折愈合率較高，穩(wěn)定性較好，術(shù)后僅需頸托保護(hù)，創(chuàng)傷小，疼痛輕微等優(yōu)勢，目前已成為經(jīng)典術(shù)式。而對于單純鋼絲及鋼板固定者，因其固定穩(wěn)定性較差，術(shù)后建議使用外固定器加固。

本研究尚存在諸多不足之處，由于測試機(jī)限制，未能測出中性區(qū)，而Panjabi等[9]的研究表明，中性區(qū)占運(yùn)動范圍的比例：屈伸約為30%，側(cè)彎約為20%，旋轉(zhuǎn)約為75%。體外實(shí)驗(yàn)僅能評價術(shù)后早期生物力學(xué)變化，無法體現(xiàn)骨折愈合的動態(tài)過程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計中無法消除因角度運(yùn)動和滑動運(yùn)動同時發(fā)生引起的耦合運(yùn)動，有待于進(jìn)一步改進(jìn)及研究。

[1]Mitchell T C,Sadasivan K K,Ogden A L,et al.Biomechanical study of atlantoxial arthrodesis:transarticularscrew fixation versus modified posterior wiring[J].Orthop Trauma,1999,13(7):483-489.

[2]瞿東濱,金大地,歐陽均,等.幾種寰樞椎后路內(nèi)固定術(shù)的生物力學(xué)評價[J].醫(yī)用生物力學(xué),1999,14:198-201.

[3]Hao Z,Jing B.Development and validation of a finite element model of the occipito-atlantoaxial complex under physiologic loads[J].Spine,2007,32(9):968-974.

[4]Dekutoski M B,Schendel M J,Ogilvie J W,et al.An improved technique for measuring in vivo intervertebral motion in the canine[J].Spine,1994,19(23):2672-2675.

[5]Kandziora F,Kerschbaumer F,Starker M,et al.Biomechanical assessment of transoral plate fixation for atlantoaxial instability[J]. Spine,2000,25（12）:1555-1561.

[6]Park J,Scheer J K,Lim T J,et al.Biomechanical analysis of Goel technique for C1-2 fusion,Laboratory investigation[J].J Neurosurg Spine,2011,14(5):639-646.

[7]黃衛(wèi)兵,陳莊洪,蔡賢華,等.前路經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定三維穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國脊柱脊髓雜志,2006,16(5):366-368.

[8]蔡斌,晏怡果,王文軍,等.新型上頸椎前路鉤狀鈦板治療寰樞椎不穩(wěn)的生物力學(xué)測試[J].中國矯形外科雜志,2012,5（4）:412-415.

[9]Panjabi M M,Dvorak J,Duranceau J,et al.Three-dimensional movements of the upper cervicalspine[J].Spine,1988,1(7):726-730.

Biomechanical stability with different methods of atlantoaxial internal fixation

FANG Xin，XIE Jintu，GU Xiaomin,et al.Department of

Orthopedics，the Affiliated Hospital of Hangzhou Normal University，Hangzhou 310015,China

【 Abstract】 Objective To compare the biomechanical stability with different methods of atlantoaxial internal fixation. Methods Five intact adult craniocervical(C0～C7)specimens were tested in seven different groups by turns：intact group,unstable group,anterior C1～C2transariticular hibateral screw fixation group,Harms plate fixation group,Brooks wiring fixation group, Magerl hibateral screw fixation combined with Gallie wiring fixation group and Magerl hibateral screw fixation group.The specimens were fixed on the lifting platform of a material testing machine to test the stresses of anterior flexion,extension and right bending movements when the detecting head of the testing machine applied the loads at a distance of 3.8cm from the center of the vertebra.The C1vertebra displacement was 1mm,and the speed was 1 mm/min.Rotation stiffness was tested on a home-made machine and the angle of the specimen's right rotation was set to 3°.We compared the difference of the stiffness. Results Compared with the intact group and the unstable group,all of the internal fixations showed conspicuous intensification for the atlantoaxial stiffness of multidirectional movement(P＜0.01).Magerl hibateral screw fixation combined with Gallie wiring fixation provided the most stabilization under all test modes(P＜0.05).The stiffness of anterior C1～C2transariticular hibateral screw fixation was not significantly difference from that of Magerl hibateral screw fixation(P＞0.05).Brooks wiring fixation had a lowest stiffness compared with others in anterior flexion,extension and rotation(P＜0.05),but it had no significant difference in stabilization compared with Harms plate fixation in right bending movement(P＞0.05). Conclusion The Magerl hibateral screw fixation combined with Gallie wiring fixation provides highest stiffness in all fixation methods and is regarded as the gold standard at present. Two-point fixations such as anterior C1～C2transariticular hibateral screw fixation and Magerl hibateral screw fixation are used by most doctors at present.Harms plate fixation and Gallie wiring fixation show poor stabilities and should be used with postoperative external fixation.

AtlantoaxialInternal fixation Biomechanics Stability

2012-07-19）

（本文編輯：沈叔洪）

310015 杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院骨科（方欣、謝金兔、顧曉民）；溫州醫(yī)學(xué)院附屬第二人民醫(yī)院脊柱外科（池永龍）；首都醫(yī)科大學(xué)骨外科學(xué)系（魯世保）；浙江省人民醫(yī)院手外科（范奔）