枕頸區(qū)后路柔性動態(tài)固定的生物力學(xué)研究

童杰，季偉，黃志平，周若舟，房佐忠，朱青安

1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院脊柱骨科，廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院附屬郴州醫(yī)院（郴州市第一人民醫(yī)院）脊柱外科，湖南 郴州 423000

枕頸區(qū)在解剖結(jié)構(gòu)和運動形式上不同于脊柱其他部位，具有一定的特殊性。枕頸區(qū)疾病分類復(fù)雜，影響治療的因素諸多，目前常用的手術(shù)治療方案是枕頸融合術(shù)，是以堅強固定融合為目標(biāo)。柔性和動態(tài)固定是新的脊柱固定形式，其設(shè)計原理是通過控制手術(shù)節(jié)段的運動而達(dá)到穩(wěn)定[1,2]，為固定節(jié)段和鄰近節(jié)段創(chuàng)造一個理想的力學(xué)環(huán)境[3～6]。柔性和動態(tài)固定技術(shù)在治療下頸椎和腰椎退行性疾病的效果已得到肯定[7～15]，其治療的最終目的是達(dá)到動態(tài)融合或者非融合的動態(tài)固定。柔性和動態(tài)固定技術(shù)能否在枕頸區(qū)后路手術(shù)中取得有效的穩(wěn)定，缺乏相關(guān)研究。本研究擬將不同的柔性和動態(tài)固定方式應(yīng)用于枕頸區(qū)這一特殊的解剖區(qū)域，通過生物力學(xué)實驗的方法，闡明柔性和動態(tài)固定對枕頸區(qū)的穩(wěn)定作用，比較不同的柔性和動態(tài)固定的生物力學(xué)特點，探討枕頸區(qū)后路固定可能的新方法。

1 材料和方法

1.1 內(nèi)固定器械

本實驗中使用的普通椎弓根螺釘、轉(zhuǎn)動釘直徑均為3.5 mm，長度22～26 mm；鈦棒直徑為2.0 mm 和3.5 mm，材料為Ti-6Al-4V 鈦合金。轉(zhuǎn)動釘在普通萬向椎弓根螺釘基礎(chǔ)上，通過打磨釘尾部的連接墊圈（Ballin-cup），實現(xiàn)在螺帽鎖緊之后釘棒間的轉(zhuǎn)動，可轉(zhuǎn)動角度范圍是15°，螺帽鎖緊后能限制釘棒之間的平行移動（圖1～3）。

1.2 實驗標(biāo)本、手術(shù)方法及損傷模型制備

本實驗采用6 例新鮮全脊柱標(biāo)本（湘南學(xué)院解剖教研室提供），用雙層塑料袋密封放置于-20 ℃低溫冰箱中保存。實驗前行正側(cè)位X 線檢查排除標(biāo)本存在任何畸形、骨折、結(jié)核、腫瘤等病變情況。使用雙能X線吸收儀對每具標(biāo)本的腰2、3、4 椎體節(jié)段進行骨密度檢查，排除骨質(zhì)疏松（T＜－2.5T）的標(biāo)本。實驗前6小時左右將標(biāo)本置于室溫下解凍，取枕骨（Oc）～C4節(jié)段，剔除肌肉組織，保留韌帶和關(guān)節(jié)囊。將枕骨修剪成8 cm×8 cm 大小，距離邊緣1cm 處鉆孔，沿不同方向擰入8 枚長木螺釘，C4下端垂直擰入3 枚木螺釘。為方便試驗操作及置入內(nèi)固定器械，將標(biāo)本倒置，枕骨朝下，采用牙托石膏粉包埋C4椎體下半部分和大部分枕骨，預(yù)留出C3側(cè)塊螺釘置釘?shù)耐ǖ篮驼砉枪潭ò宓姆胖每臻g，注意勿將寰枕關(guān)節(jié)和C3/4椎間盤包埋進入牙托石膏中。在完成完整狀態(tài)的測試之后，用骨刀切斷樞椎齒狀突腰部，尖刀片切斷寰枕前膜、齒突尖韌帶、翼狀韌帶，制成損傷模型。寰椎固定采用譚明生的椎弓根螺釘置入法[16]；樞椎固定采用椎弓根螺釘，進釘點位于椎板上緣以下5 mm，椎管內(nèi)側(cè)緣偏外7 mm；進釘方向頭傾20°，內(nèi)傾30°；C3固定采用Magerl 技術(shù)置入側(cè)塊螺釘，進釘點位于側(cè)塊中心點內(nèi)上方2 mm，向外傾斜20°～25°，矢狀面上與關(guān)節(jié)面方向平行。在枕骨中線上選擇合適位置，鉆孔、攻絲后擰入兩枚枕骨螺釘，將枕骨板固定于枕骨上。將直徑2.0 mm 和3.5 mm 的鈦棒預(yù)彎成合適的角度，依次連接枕骨固定板、寰椎和樞椎椎弓根螺釘和C3側(cè)塊螺釘，完成枕頸節(jié)段固定。固定狀態(tài)下行X 線檢查，證實內(nèi)固定位置滿意，見圖4。

1.3 測試順序

本實驗采用重復(fù)測量設(shè)計，每例標(biāo)本先在完整狀態(tài)下測試，后進行損傷狀態(tài)測試，然后測試枕頸節(jié)段不同固定狀態(tài)，分別是2.0 mm 棒、3.5 mm 棒、C1轉(zhuǎn)動釘2 枚、C1、2轉(zhuǎn)動釘4 枚、C1～3轉(zhuǎn)動釘6 枚固定。因測試狀態(tài)較多，試驗過程中需更換螺釘，為排除骨螺釘界面松動造成的影響，在每次更換螺釘時，采用超硬型齒科用義齒基托樹脂進行釘?shù)缽娀?。同一狀態(tài)的測試中，屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)3 個不同運動方向的測試順序設(shè)為隨機。同一具標(biāo)本在24 h 內(nèi)完成測試。

1.4 加載方式、運動學(xué)測量

采用自主研制的脊柱試驗機對標(biāo)本分別施加連續(xù)的1.5 Nm 的前屈/后伸、左/右側(cè)彎和左/右軸向旋轉(zhuǎn)的純力偶矩各3 次，加載速度為2°/S。實驗過程中保持室溫25 ℃，使用生理鹽水噴灑標(biāo)本表面，保持標(biāo)本濕潤狀態(tài)。

采用加拿大NDI 公司生產(chǎn)的Optotrak Certus 三維運動測量系統(tǒng)進行運動測量，精度為0.1°。在枕骨、C1～3椎體后部水平鉆入直徑2.0 mm 克氏針4 根，連接裝有4 個紅外線標(biāo)志點的標(biāo)尺。測試過程中采用2 臺互相垂直放置的Optotrak 三維運動測量系統(tǒng)連續(xù)采集標(biāo)志點運動，確保寰樞椎大角度旋轉(zhuǎn)運動時，標(biāo)志點運動軌跡在Optotrak 三維運動測量系統(tǒng)的采樣范圍之內(nèi)，采樣頻率為20 Hz。分析第3 個加載循環(huán)時，枕骨至C3椎體間的角度運動范圍和中性區(qū)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運動左右方向上基本對稱，故采用左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)的均值進行統(tǒng)計分析。采用Statistica 7.1 統(tǒng)計軟件的重復(fù)測量方差分析進行統(tǒng)計學(xué)處理，組間比較采用SNK 法(Student-Newman-Keuls)，運動范圍及中性區(qū)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示。顯著性水平置于P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 運動范圍（ROM）

2.1.1 細(xì)棒固定 與完整和損傷狀態(tài)比較，采用3.5 mm 直徑的堅強固定，與2.0 mm 直徑的細(xì)棒固定后，在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的運動范圍（P＜0.05）。細(xì)棒固定后在各個方向上的運動范圍均大于堅強固定，兩組比較有顯著性差異（P＜0.05），提示細(xì)棒固定整體上弱于堅強固定（表1）。

表1 Oc～C3節(jié)段運動范圍() °Tab.1 ROM of Oc～C3 (Mean±SD) °

表1 Oc～C3節(jié)段運動范圍() °Tab.1 ROM of Oc～C3 (Mean±SD) °

注：#與堅強固定比較P＜0.05Note:# P＜0.05,compared with rigid fixation

2.1.2 轉(zhuǎn)動釘固定 與完整和損傷狀態(tài)比較，采用不同數(shù)量配置的轉(zhuǎn)動釘固定后，在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的運動范圍（P＜0.05）。與堅強固定比較，C1～3使用6 枚轉(zhuǎn)動釘固定在旋轉(zhuǎn)方向上明顯增加了Oc～C3運動范圍，差別有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.031）。在其他方向上，不同數(shù)量配置的轉(zhuǎn)動釘固定后，與堅強固定比較，運動范圍的差別無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（表1）。

2.2 中性區(qū)（NZ）范圍

與完整和損傷狀態(tài)比較，采用3.5 mm 直徑的堅強固定，2.0 mm 直徑的細(xì)棒固定與2 枚、4 枚、6 枚轉(zhuǎn)動釘固定后，在屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的中性區(qū)（P＜0.05）。各種固定方式其中性區(qū)范圍均小于0.4°，各種固定方式之間兩兩比較，均無顯著性差異（P＞0.05）（表2）。

表2 Oc～C3節(jié)段中性區(qū)() °Tab.2 NZ of Oc～C3 (Mean±SD) °

表2 Oc～C3節(jié)段中性區(qū)() °Tab.2 NZ of Oc～C3 (Mean±SD) °

2.3 不同固定方式對枕頸區(qū)排列的影響

本部分比較了在不同的固定方式下，各節(jié)段的運動與總體運動范圍的比值，來評價各固定方式對枕頸區(qū)排列的影響。在旋轉(zhuǎn)方向上，完整及損傷狀態(tài)的C1～C2節(jié)段的運動范圍占總體運動范圍的比例最大。在前屈、后伸、側(cè)彎方向上，采用不同數(shù)量配置的轉(zhuǎn)動釘固定，各節(jié)段運動范圍基本相當(dāng)。在旋轉(zhuǎn)方向上，采用細(xì)棒固定，各節(jié)段運動范圍基本相當(dāng)（圖6）。

3 討論

3.1 細(xì)棒固定對枕頸區(qū)的影響

前期研究顯示在寰樞關(guān)節(jié)短節(jié)段固定中，直徑2.0 mm 的細(xì)棒固定整體上取得了與堅強固定基本相當(dāng)?shù)男Ч?。但?xì)棒固定后，可能將應(yīng)力集中在棒上，導(dǎo)致斷棒的可能性增加[17]。本部分研究直徑2.0 mm的細(xì)棒在枕頸節(jié)段（Oc-C3）的固定效果，共跨越3 個關(guān)節(jié)。結(jié)果顯示：2.0 mm 直徑的細(xì)棒固定后，在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的運動范圍；但與堅強固定比較，運動范圍明顯增大，差別有統(tǒng)計學(xué)意義，提示細(xì)棒固定整體上弱于堅強固定。

棒的直徑、材料、長度、形狀和數(shù)量均影響棒固定后的穩(wěn)定性。棒的長度越長，在相同作用力之下，彎曲后一端移動的距離越大，導(dǎo)致其穩(wěn)定性也越差。在寰樞椎短節(jié)段固定時，細(xì)棒固定的穩(wěn)定性與堅強固定基本相當(dāng)，當(dāng)枕頸跨越3 個關(guān)節(jié)長節(jié)段固定后，細(xì)棒固定在各個方向雖然明顯減小了固定節(jié)段的運動范圍，但穩(wěn)定性均弱于堅強固定。理論上，2 根平行放置的棒組合應(yīng)該能增大在同平面上穩(wěn)定性（如Twinflex[18]），本研究中使用的2 根細(xì)棒在側(cè)彎方向上應(yīng)能取得更大的穩(wěn)定，但結(jié)果并不支持。枕頸區(qū)運動形式相當(dāng)復(fù)雜，耦合運動非常明顯，在枕頸區(qū)后路大角度彎棒之后，影響因素更加難以確定。因此，臨床上將細(xì)棒折彎并用于枕頸區(qū)后路長節(jié)段固定時，穩(wěn)定性明顯弱于堅強固定，需謹(jǐn)慎使用。

3.2 轉(zhuǎn)動釘固定對枕頸區(qū)的影響

本研究結(jié)果表明：C1～C3節(jié)段采用不同數(shù)量的轉(zhuǎn)動釘固定后，在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上均顯著減小了固定節(jié)段的運動范圍和中性區(qū)。C1、2使用2 枚和4 枚轉(zhuǎn)動釘固定時，在固定節(jié)段的兩端枕骨和C3均是采用堅強固定的形式，整體上取得了與堅強固定基本相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定效果。C1、2、3使用6 枚轉(zhuǎn)動釘是在枕骨采用堅強固定，下端采用動態(tài)固定，與堅強固定比較，在旋轉(zhuǎn)方向上明顯增加了Oc-C3的運動范圍，差別有統(tǒng)計學(xué)意義，提示旋轉(zhuǎn)方向上穩(wěn)定性欠佳，但在前屈、后伸、側(cè)彎方向上均取得與堅強固定相當(dāng)?shù)墓潭ㄐЧ?/p>

在多節(jié)段固定后，我們比較了不同固定方式中每一節(jié)段的運動占總體運動的百分比。在不同數(shù)量配置的轉(zhuǎn)動釘固定時，各節(jié)段之間的運動范圍比例更加均衡合理，能夠改善多節(jié)段固定時脊柱的排列，減少因某一節(jié)段過度運動帶來的應(yīng)力集中，從而減少內(nèi)固定失敗的發(fā)生幾率。

本研究結(jié)果提示，在脊柱多節(jié)段固定時，在每一節(jié)段均采用堅強固定，與兩端采用堅強固定，中間節(jié)段采用動態(tài)固定的組合形式，整體上取得了基本相同的固定效果。“強-強”組合與“強-弱”組合在維持脊柱的穩(wěn)定性方面效果基本相當(dāng)，弱化的結(jié)構(gòu)可能有助于改善脊柱的序列，增加脊柱的載荷分享，減少內(nèi)固定的承載，減少螺釘松動和釘棒斷裂的可能。

已有研究表明在L5～S1采用堅強固定結(jié)合L4～5動態(tài)固定的混合固定形式，在腰骶段形成過渡的剛度，對上方鄰近節(jié)段的影響與堅強固定是基本相當(dāng)?shù)腫19]。在本研究中，C1、2、3使用6 枚轉(zhuǎn)動釘固定在前屈、后伸、側(cè)彎方向上均取得與堅強固定相當(dāng)?shù)墓潭ㄐЧ?，僅在旋轉(zhuǎn)方向上運動范圍有所增加，這種弱化一端的固定形式是否可以減少對下方鄰近節(jié)段的干擾，減少鄰椎病的發(fā)生，有待于進一步的深入研究。

3.3 動態(tài)固定與動態(tài)融合

傳統(tǒng)的堅強固定模式可以取得較好的術(shù)后即刻穩(wěn)定性，但在融合過程中，因為過高的剛度和應(yīng)力遮擋，可能導(dǎo)致不融合或者內(nèi)固定失敗。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)，頸椎前路動態(tài)固定鋼板比堅強固定鋼板取得了更高的整體穩(wěn)定性。動態(tài)固定鋼板能夠更好的適應(yīng)融合節(jié)段的下沉，增加脊柱前柱的載荷分享，促進植骨融合，減少螺釘松動的發(fā)生，取得了比堅強固定更好的遠(yuǎn)期效果[20]。同樣，將Isobar 動態(tài)固定棒用于腰椎后路融合手術(shù)，取得較好的固定和融合的效果[21]。我們認(rèn)為在枕頸區(qū)的動態(tài)固定首先要能夠提供足夠的穩(wěn)定性，保證更高質(zhì)量的植骨融合，其次是最大程度減少堅強固定帶來的應(yīng)力集中與應(yīng)力遮擋效應(yīng)，減少內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥。我們的研究結(jié)果表明不同數(shù)量配置的轉(zhuǎn)動釘固定在主要運動方向上能夠維持穩(wěn)定，改善脊柱的排列。關(guān)于動態(tài)固定促進骨融合的效果，進一步需要通過體內(nèi)試驗來驗證。蔣偉宇等[22,23]研制了一種新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)能夠重建寰樞關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，保留寰樞椎的部分運動功能，為寰樞椎非融合固定提供了一種新的選擇。

3.4 本研究的不足之處

因為標(biāo)本來源有限，在實驗過程中我們更換了寰樞椎椎弓根螺釘和頸3 側(cè)塊螺釘，為減小對實驗結(jié)果的影響，在更換螺釘時，采用超硬型齒科用義齒基托樹脂進行釘?shù)缽娀?。生物力學(xué)的實驗方法很難模擬活體肌肉組織的作用，本研究結(jié)果僅能反應(yīng)術(shù)后短期內(nèi)的固定效果，有必要進行疲勞測試等進一步的研究來驗證內(nèi)固定的遠(yuǎn)期療效。