枢椎交叉椎板螺钉新技术治疗寰枢椎不稳的生物力学比较.doc

枢椎交叉椎板螺钉新技术治疗寰枢椎不稳的生物力学比较 作者：袁峰 杨惠林 张志明 王以进 郭开今 龚维成 施伟 【关键词】 寰枢椎不稳 摘要 :目的 对枢椎交叉椎板螺钉治疗寰枢椎不稳这一新的内固定技术进行生物力学评估。 方法 成年国人甲醛固定的枕颈（C 0 C 4 ）标本10具，对寰枢椎不稳模型分别行Gallie法内固定、双侧Magerl法内固定、C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定，进行寰枢关节的强度、刚度测量，分析寰枢椎的载荷-位移、应力-应变、扭矩-扭角关系和扭转刚度指标。 结果 Gallie法内固定明显增强了寰枢椎不稳模型的稳定性，但其固定强度明显小于Magerl法和C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定（P<0.05），C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定强度大于双侧Magerl法，但没有统计学意义（P>0.05）。 结论 C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定能为失稳的寰枢关节提供坚强的生物力学环境，枢椎交叉椎板螺钉技术具有良好的临床应用前景。 关键词 :寰枢椎不稳;椎板螺钉;内固定;生物力学 Abstract:Objective To evaluate the biomechanical stability afforded across the atlantoaxial segment by a new technique using C 2 crossing laminar screws.Methods Ten embalmed cadaver human cervical spine specimens（C 0 -C 4 ）were collected.The biomechanical strength and rigidity of three posterior fixation procedures-Gallie method，posterior C 1-2 transarticular screw（Magerl technique），C 1 pedicle screw.C 2 crossing laminar screws-rod construct were compared.Results The Gallie method improved the stability of atlantoaxial instability model significantly，but had the lowest stiffenss among the three types of fixation.The C 1 pedicle screw.C 2 crossing laminar screws-rod construct seemed to have higher stiffenss than Magerl technique，but the difference was statistically insignificant（P>0.05）.Conclusions C 1 pedicle screw.C 2 crossing laminar screws-rod construct can provde satisfactory biomechanical stiffness for atlantoaxial instability.C 2 crossing laminar screws technique is a promising technique in clinical application. Key words:laminar screw;atlantoaxial instability;biomechanics，internal fixation 寰枢椎不稳可因创伤、炎症、局部畸形、肿瘤等引起，若处理不及时，易致颈脊髓受压。1979年，Magerl和Seeman首先介绍的双侧经寰枢椎关节螺钉内固定（Magerl技术），被认为是后路C 1-2 固定融合治疗寰枢椎不稳的金标准，植骨融合率明显大于后路寰椎后弓与枢椎椎板之间固定植骨手术1-2 。常因椎动脉走行异常，在枢椎侧块内形成一个硕大的腔窦，因此15%20%的患者不适宜后路经寰枢椎关节螺钉内固定和C 2 椎弓根螺钉的植入;另外在寰枢椎未复位、下颈椎屈曲困难和明显的胸椎后凸情况下不适于Magerl技术的操作1，3 。最近，Wright3 介绍了经枢椎交叉椎板螺钉固定技术结合C 1 侧块螺钉治疗寰枢椎不稳，这种新技术的安全性明显提高，但它的生物力学性能是否能达到临床需要?本研究对此进行阐述。 1 材料和方法 1.1 实验材料与标本处理 国人成年甲醛固定的枕颈（C 0 C 4 ）标本10具，编号、摄片，排除严重退行性变、创伤、畸形、肿瘤等病理性改变和骨密度异常者。切除标本所附肌肉，保留韧带及关节突关节囊的完整性，双层塑料袋密封包装，置于-20冰箱保存，实验前逐级解冻。将螺钉穿过C 3 、C 4 椎体和小关节固定，以聚甲基丙烯酸甲酯包埋，仅保留C 0 C 3 之间的运动节段。 1.2 标本分组 10具标本按A、B、C顺序完成检测，所得数据分别为A、B、C组，之后按随机原则分为D、E2组，每组5具。具体分组见表1。 表1 标本分组表（略） 1.3 寰枢椎不稳模型的建立及不同方法内固定 1.3.1 寰枢椎不稳模型 切断寰椎横韧带、翼状韧带、覆膜，以钢丝锯沿齿突基底部断开齿状突造成Anderson型齿突骨折4 。 1.3.2 Gallie内固定 0.8mm胸骨钢丝固定，寰枢椎后弓高度维持在810mm，木块骑跨在枢椎棘突和椎板上模拟植骨块5 。 1.3.3 寰枢椎经后路关节螺钉固定（Magerl法） 直径3.5mm的AO皮质骨螺钉固定，进针点在下关节突上方2mm、内侧界的外侧3mm，以狭部内侧（椎管外壁）作为解剖标志来判断进钉的角度，X线上在侧块关节的后1.3穿过，并且指向寰椎前结节卵圆形投影的头侧半。见图1。 图1 经后路寰枢椎关节螺钉固定（Magerl技术）的正、侧位片（略） 1.3.4 C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉固定 颈椎后路钉杆内固定系统（康辉医疗器械厂生产）固定，直径3.5mm万向螺钉，连接杆直径3.0mm。C 1 椎弓根钉方法:经枢椎侧块内外缘的中点做垂线，与寰椎后弓上缘交点的正下方3.0mm处为进钉点，方向内倾约1015，上倾约56-7 。C 2 交叉椎板螺钉固定的方法为:在C 2 棘突与右侧椎板交界处，在椎板的中上1/3处开孔，以手钻向对侧椎板钻孔，至左侧椎板中下1/3与关节突的中垂线相交处，圆头探针探测深度并确认有无穿破皮质进入椎管。然后在右侧椎板与C 2 棘突交界处、左侧椎板中下1/3处开孔，钻孔至右侧椎板中下1/3与关节突的中垂线相交处，丝锥攻丝，旋入万向螺钉，以连接杆将其与C 1 椎弓根钉相连接，见图2。 图2 C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉固定法的正、侧、上下位片（略） 1.4 实验力学模型的建立与实施 所有实验标本的力学模型在结构、损伤、固定、载荷、应变片布置、位移传感器设置条件上保持一致。载荷加载最大到250N，分级载荷为50N，以维系在生理载荷状态，标本不遭到破坏。实验前予以加载100N3次，以去除骨的松弛、蠕变因素的影响，然后在液压万能试验机（WE-5）上加载，加载速率控制在1.4mm.min，准静态状况下模拟前屈、后伸、侧屈和旋转受载状况，检测各组的载荷-位移、应力-应变、扭矩-扭角关系和扭转刚度等的相关力学指标。试验过程中，保持温度24和湿度85%，对标本喷洒生理盐水以保持标本湿润度。 1.5 数据处理 应用SPSS10.0软件进行数据处理，组间比较采用t检验，检验水准:=0.05。 2 结果 2.1 寰枢椎的载荷-位移关系 寰枢椎在载荷的作用下发生纵向压缩性位移和横向水平性位移，2种位移距离（）测量结果见表24和图3、4。 表2 寰枢椎的载荷-纵向位移数据（略） 表3 寰枢椎的载荷-水平位移数据（略） 表4 不同方法内固定后寰枢椎的纵向位移和水平位移的比较值（略） 图3 寰枢椎250N时不同内固定方法纵向位移比较曲线（略） 图4 寰枢椎250N时不同内固定方法水平位移比较曲线（略） 结果显示，当寰枢椎失稳之后无论是纵向位移还是水平位移均明显增加。各种方法内固定后，与正常标本寰枢椎的纵向位移和水平位移相对比（表4），从寰枢椎的载荷-位移关系可以看出，寰枢椎稳定性依次为:正常标本0.05）。 2.2 寰枢椎的应力强度 根据统一的应力-应变测量得到各种不同内固定方法在生理最大载荷250N时的应力强度值，见表5、图5。 当寰枢椎失稳时，其应力强度在前屈、后伸和侧屈载荷状态下较正常标本分别下降19%、21%、26%，有显著性差异（P<0.05）。各种方法内固定后，寰枢椎载荷250N状态下与正常标本寰枢椎的强度相对比，比较值见表6。 表5 各组寰枢椎的应力强度值（略） 图5 寰枢椎载荷250N时不同内固定强度比较曲线（略） 表6 不同方法内固定后寰枢椎强度比较（略） 寰枢椎的应力强度的强弱依次为:正常标本0.05）外，余差异均有统计学意义（P<0.05）。 2.3 寰枢椎扭转的强度与刚度 扭转强度用扭矩（Mn）表示，单位牛顿・米（N・m），扭转刚度（GJ）=Mn/，单位为N・M/度（Deg），为相对扭转角。寰枢椎扭矩-扭角关系见表7、图6。正常寰枢椎标本在生理运动范围最大承受扭矩为（8.511.04）N・m，失稳寰枢椎只能承受（5.090.62）N・m，两者相差40%以上（P<0.05），说明寰枢椎一旦失稳，其承受能力急剧下降;采用Gallie法固定后，寰枢椎最大承受扭矩为（6.120.67）N・m，仍明显小于正常寰枢椎标本的扭转承载力水平7.85N・m（P<0.05）。采用双侧Magerl法固定后，其最大扭转承受力为7.58N・m，与正常标本相差11%（P<0.05）。采用C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉固定，其最大扭转承受力为7.98N・m，与正常标本相差8%，基本达到正常标本的水平（P>0.05）。抗扭转刚度（GJ）以正常标本为基准的比较值见表8，不同内固定之间，除双侧Magerl法固定与C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉固定之间扭转刚度的差异无显著性（P>0.05）外，余两两比较均有显著性差异（P<0.05）。 图6 寰枢椎的扭矩-扭角曲线（略） 表7 寰枢椎不同相对扭角下的扭矩表（略） 表8 不同方法内固定后寰枢椎的抗扭转刚度比较（略） 3 讨论 寰枢椎不稳会造成“上颈椎危象”，若处理不及时，随时可发生压迫脊髓的危险，甚至危及生命。寰枢椎后路固定融合手术治疗寰枢椎不稳，一般指后路寰椎后弓与枢椎椎板之间固定植骨手术、后路寰枢椎经关节螺钉固定关节间隙植骨融合术，以及近年来的通过寰椎枢椎侧块.椎弓根的钉棒或钉板系统等1，8 。后路寰椎后弓与枢椎椎板之间固定植骨手术一般包括Gallie法、Brooks法及其改良方式、寰枢椎椎板夹.钩内固定法（如Apofix、Halifix等内固定），这些方法技术相对简单，但由于稳定性欠佳和需要坚固的术后制动，容易导致较高的融合失败率，同时该技术依赖于寰枢椎后弓的完整性。由于解剖学的变异，18%的患者进行经Magerl法螺钉固定时，面临着椎动脉损伤的风险，其中6%为双侧、12%为单侧9 。类风湿影响到上颈椎的患者中，使用3.5mm直径的螺钉，仅30.9%（13.42例）的患者适合双侧，21.4%（9.42例）的患者仅适合单侧，58.4%（49.84侧）的狭部不适合C 1-2 经关节螺钉固定10 。闫明等发现，50例C 2 干燥骨标本中有4例标本8侧的横突孔在枢椎侧块内形成一个硕大的腔窦，侧块上关节面骨质的厚度仅为2mm，使得Magerl螺钉和C 2 椎弓根螺钉的植入仍存在较大的风险11 。经枢椎交叉椎板螺钉固定技术，消除了损伤椎动脉的危险，在螺钉植入过程中，所有相关结构直接暴露在手术视野，不需要术中的透视导航辅助。 颈椎不稳在力学概念上是指刚度的丧失，临床上正常生理载荷下不能维持椎体间的正常位置而出现过度或异常活动。寰枢椎在载荷的作用下发生纵向压缩性位移和横向水平性位移，位移越小，说明固定越牢固。寰枢椎的强度反映了颈椎在载荷作用下抵抗破坏能力的大小，强度越大，说明内固定方法越牢，抵抗破坏能力越强。强度常常用应力的大小来表示，所以有时称为应力强度的大小。颈椎的扭转强度是指颈椎在扭转时承受最大的扭矩大小，扭转刚度是指颈椎能承受的抗扭转变形的能力大小。扭转刚度与相对扭转角呈反比，即扭转刚度越大，扭转变形越小。寰枢椎失稳时，由于存在不连续封闭曲面，即开环截面在承受扭转时，刚度极大地消弱，变形增大会导致寰枢椎进一步破坏。根据大量骨骼的扭转力学试验，开口断面的载荷和能量损失约90%，当变形增大30%时，即使使用器械固定，仍然会发生很大的变形，降低了承载能力12 。 从寰枢椎的载荷-位移关系、应力-应变关系、扭矩-扭角关系和扭转刚度总体分析，Gallie法内固定明显增强了寰枢椎失稳之后的稳定性，但其固定强度明显小于Magerl法和C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定，C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定强度大于双侧Magerl法，但没有统计学意义。双侧经寰枢椎关节螺钉内固定（Magerl技术）作为后路C1-2 融合治疗寰枢椎不稳的金标准，具有优越的生物力学特性，对骨融合起到了积极的作用。从本实验结果可以看出，C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定有较高的抗屈曲、伸展，抗纵向压缩及抗侧弯的能力，能为失稳的寰枢关节提供优良的生物力学环境，是一种可靠的内固定方法。 本研究的不足之处在于试验标本使用了甲醛固定的枕颈防腐标本，实验数据较新鲜标本和人体存在着一定的差异。但本研究设计重点在于不同内固定方法之间的数据比较，以成熟的Magerl技术作为参照，弥补这一不足之处。另外，C 1 椎弓根-C 2 交叉椎板螺钉内固定中C 1 、C 2 之间连接杆的倾斜角度是否也决定着内固定的生物力学强度，作者将进一步进行探索和验证。 常州康辉医疗器械厂为本课题的研究给予了大力协助，特此致谢! 参考文献 : 1 Kim SM，LimTJ，Paterno J，et al.Biomechanical comparison of ante-rior and posterior stabilization methods in atlantoaxial instabilityJ.J Neurosurg，2004，100（S3）:277-283. 2 Melcher RP，Puttlitz CM，Kleinstueck FS，et al.Biomechanical testing of posterior atlantoaxial fixation techniquesJ.Spine，2002，27（22）:2435-2440. 3 Wright NM.Posterior C 2 fixation using bilateral，crossing C 2 laminar screws:case series and technical noteJ.J Spinal Disord Tech，2004， 17（2）:158-162. 4 Anderson LD，DAlonzo RT.Fractures of the odontoid process of the axisJ.J Bone Joint Surg（Am），1974，56（8）:1663-1674. 5 Richter M，Schmidt R，Claes L，et al.Posterior atlantoaxial fixation: biomechanical in vitro comparison of six different techniquesJ.Spine，2002，27（16）:1724-1732. 6 马向阳，尹庆水，吴增晖，等.寰椎椎弓根与枢椎侧块关系的解剖