寰枢椎前路三种内固定方法的生物力学比较

寰枢椎前路三种内固定方法的生物力学比较

骨关节炎的不同骨关节炎的结构破坏往往会影响局部结构的生物力学稳定性，并导致不同程度的骨髓压迫，这可能会威胁患者的生命。保守治疗对许多患者都有效，但对于不能承受长期固定的骨髓压结症状且无法耐受的患者，应尽快进行固定和修复，以促进局部损伤结构的早期愈合。传统的后路寰枢椎内固定术式众多,疗效参差不齐,目前公认以后路寰枢椎侧块螺钉内固定术的生物力学稳定性最佳。但有许多病人的寰椎很不稳定,当颈处于中立或屈曲位时寰椎前移,只有当颈极度后伸时寰椎才能复位,为了保持头颅的中立位,下颈椎必然出现代偿性前凸以达到平衡,久之颈椎后部韧带、肌肉组织挛缩,从而形成永久性颈椎前凸,即“鹅颈”畸形。由于寰椎向前移位复位时整个颈椎只能处于后伸的状态,颈后软组织不能伸展,手术野不能显露,给后路内固定术的操作带来极大不便,甚至失败。对于这些病人应采用前路内固定术。目前应用较多的前路内固定技术主要有:前路寰枢椎侧块螺钉内固定,根据实际情况可行单侧、双侧侧块固定或与齿状突螺钉内固定联用,早期临床应用多行开放内固定,近来国内外均报道经皮前路内固定;前路寰枢椎钢板内固定,自1987年Harms钢板出现以来,随着临床应用和基础研究的深入,该技术也取的了相当的发展,国内外均报道了器械和手术方法的改进;近来国内又有学者尝试以钛网行前路内固定。但目前关于前路内固定的生物力学研究很少,且多为前后路内固定间的比较,本实验进行了上述几种前路内固定间的比较,为临床选择应用提供参考。实验结果报告如下:寰枢椎前路侧块螺钉内固定的生物力学测试。1材料和方法1.1供体的分离、固定及病料处理5具完整冷冻保存的尸体标本,3男2女,23~68岁,平均年龄35岁。锯下颅底至第一胸椎,去除表面肌肉组织,注意保护寰枢关节和覆膜,快速分离出C1~7节段,以双层塑胶袋包裹后存于-20°C冰箱内。实验前于25°C环境中自然解冻12小时左右,包埋C2~7节段,并以4枚螺钉固定C2以下椎体。测试时以生理盐水纱布覆盖标本保持湿润。回顾供体的病历排除颈椎外伤、肿瘤以及可能影响骨质的代谢性疾病;颈椎全长均经CRX线放射检查排除骨折、骨质溶解或其他结构异常。1.2力臂长和力臂长测力机位移(毫米)和应力(牛顿)的测试灵敏度均为1/1000。旋转刚度在自制测力机上测试,力臂长9cm,角度精确到0.5°。前路内固定所用直径4mm长度40~45mm中空拉力螺钉、中空螺丝起子、中空钻头、钛质工字型前路钢板、直径3.5mm长度20~24mm和10~16mm皮质骨螺钉等。1.4旋转刚度和刚度包埋时尽量保持寰椎水平,包埋后每个标本先测试无损状态下的前屈后伸、左右侧屈和旋转刚度作为正常对照组;然后以咬骨钳咬除齿状突中上部、以手术刀切断横韧带和两侧翼状韧带在齿状突上的附着部分,以骨膜剥离器将齿突周围清理干净,造成AndersonⅡ型齿状突骨折模型,测试该模型在各个方向上的运动刚度得到损伤组数据;第3组测试的是标本在前路寰枢椎双侧块螺钉固定后的刚度,一人用手固定损伤椎体于复位状态,另一人依照前述方法植入螺钉,术后CRX摄片检查螺钉位置;测试完毕后退出螺钉,先后固定前路钛网和钢板并测试刚度。标本与包埋用的铁盒一起以螺栓固定在旋转测量机的铁架上,测量机的旋转轴上端连接带有量角器的圆形转盘,通过固定位置的指针可以读出转盘旋转的角度;转盘边缘固定的牢固的细绳绕过小滑轮垂向地面,先旋转转盘使细绳成为圆形转盘的切线,然后将重物悬挂在细绳末端的轻质金属钩上,此时重物的重力转化为转盘的旋转力距,大小等于重力×旋转力臂。旋转机转轴的下端连接有伸入椎管的细轴并可调节伸入的距离。测试时使细轴位于标本椎管中心矢状长轴的位置上,以一根细长钻头穿过细轴及两侧的寰椎骨质并固定钻头的位置。缓慢增加施加在转盘上的重物重量,使转轴带动标本寰椎发生转动,当转盘发生3°旋转时,记录重物的质量,转化成重力后计算旋转刚度。旋转刚度计算公式为:质量M(单位千克)×重力加速度g(9.8牛顿/千克)×旋转力臂L(单位毫米)/旋转角度(单位°)。前5次的测量结果不计值,旋转角度达3°后逐渐减少悬挂的重物使标本缓慢复原,静置30秒后开始下一次测试,以消除标本的弹性蠕变,记录第6次的测试值计算刚度。测试前屈后伸和左右侧屈刚度时将标本以特殊夹具固定在三思牌测力机的升降横梁上,测力探头通过接触固定在寰椎前后及两侧的螺钉向椎体施加屈伸和侧屈的力矩,施力点位于寰椎正前后方及正侧方距齿状突基底后缘中点3.8cm处。横梁以1mm/分钟的速度上升,在固定的探头作用下寰椎发生形变,探头感应到的应力随之改变,位移和应力的关系以连续曲线的形式在控制电脑上显示出来,按照测试前的设置,位移达1mm时横梁停止移动,控制软件记录本次位移值和最大应力值。刚度的计算公式为应力(牛顿)×力臂(38mm)/位移(1mm)。与测试旋转刚度时类似,每个标本在每种状态下前5次的测试结果均不计值,位移到达1mm横梁停止上升后立即以原速下降直至位移和应力均为0,静置30秒后开始下一次测试,以消除弹性蠕变。一般第3、4、5次记录的曲线已大致重合,斜率大致相同可认为此时标本的弹性蠕变基本消除。记录第6次的测试值进行刚度的计算。1.5数据配伍组方差分析本实验采用同一标本自身对照的方法,测试结果刚度为记数资料,应用SPSS13.0英文版进行数据间配伍组方差分析,不同状态下标本间均数的两两比较采用LSD法,P值取0.05。2内固定术式的刚度与正常组、损伤组比较,3种前路内固定方式均能显著提高标本各向活动的刚度,P值均小于0.05;内固定术式间的比较前路螺钉组各向活动的刚度均明显高于前路钛网组和前路钢板组,P值均小于0.05;前路钢板组各向活动的刚度均明显高于前路钛网组,P值均小于0.05。3试验结果分析本次生物力学试验的目的在于比较前路侧块螺钉和其他几种前路寰枢椎内固定方法的稳定性,因为其直接关系到局部骨质和韧带损伤的恢复以及正常颈髓功能的维持。既往的生物力学研究偏重于前后路内固定术式之间的比较,Kandziora等研究认为单纯前路钢板固定的稳定性不如后路经关节螺钉加捆扎植骨;而黄卫兵等的实验显示单纯前、后路侧块螺钉内固定后寰枢关节稳定性无显著性差异(前屈P=0.954,后伸P=0.934,左右侧屈P=0.791,左右旋转P=0.983)。虽然后路经关节螺钉技术已成为寰枢椎内固定的金标准,但面对许多因各种原因无法行后路固定的病人,选择正确的前路术式是相当重要的。本实验的结果表明,在Ⅰ期前路手术的条件下,前路螺钉内固定能提供较强的即时稳定性。上颈椎生物力学实验常用的方法是负荷控制法和位移控制法,前者指施加相同大小的负荷,比较不同状态下(如不同的内固定术式)颈椎发生的运动范围的不同,是测定弹性的方法;后者将活动范围设为定值,比较不同状态下产生的应力大小,是测定刚度的方法,两者各有其优缺点。本实验采用位移控制法,因为动物试验表明:使用位移控制法,体内和体外试验吻合较好。国外有学者采用类似方法,并将将屈伸和侧屈位移定为1mm,旋转角度定为1°;国内有学者将角度定为5°,本实验过程中将位移定为1mm,旋转角度定为3°,标本未发生明显破坏,可以比较出差异。实验设计则采用标本自身对照的方法,即由同一标本经不同处理后将测试结果相互比较。该方法在颈椎生物力学中较为常用,Kandziora等用8具人颅颈区标本测试了5种状态下寰枢关节的稳定性;国内尹庆水等利用6具颈椎标本比较7种状态下的稳定性。在新鲜尸体标本来源十分紧张的条件下,采取自身对照能获得较多的数据,并部分地消除标本间的个体差异带来的误差。本实验结果显示:单纯前路钢板或钛网固定,能对寰枢提供相当的即时稳定作用,各向运动刚度都明显高于正常组和损伤组(P<0.01),但与前路螺钉相比还是有明显差距(P<0.05),尤其在旋转方面(P<0.01),与既往的实验结果相符。国外报道临床随访发现前路钢板螺钉松动,再次切开拧紧后骨质愈合;温州医学院附属第二医院骨科试行两例钛网内固定后也发现螺钉松动。实验中体会,影响前路钢板和钛网稳定性的原因主要有:(1)寰椎前弓和侧块、枢椎椎体表面形状较不规则,个体差异大,钢板和钛网虽经预弯,但要同时贴附骨质表面并保证螺钉的理想进钉方向有一定困难,术中反复的塑型可能影响器械的强度;(2)本次试验所使用的钢板和钛网均无锁钉功能。前路植入钢板联合Ⅱ期后路开放植骨内固定确实增加了稳定性,但同时增加了手术损伤和并发症风险;有学者设计了带锁钉作用的解剖钢板及配套器械实现Ⅰ期前路减压内和固定,实验研究发现在单皮质固定条件下与经典的mager术式在稳定性上无显著差异,但价格昂贵,对设备条件要求高,限制了推广。侧块螺钉的各向运动刚度都是最强的,其生物力学优势在于经寰枢关节固定,直接限制了旋转运动。卢一生等发现,寰枢椎间的运动不但以旋转运动为主,而且其屈伸和侧屈运动中都耦合了旋转运动。寰枢关节进行15°±5.01°的前屈运动时,耦合的旋转运动有12.42°±1.43°,而发生6.50°±1.90°的左侧屈运动时,耦合的旋转运动达22.07°±5.89°,故前路螺钉限制了旋转运动的同时对其他方向的运动也给予了有效的控制。双侧的经关节螺钉各固定四层皮质,从前向后,从内向外,所夹平面形成一顶点向前下、底向后上的三角形,加压螺钉可以抓住足够多的松质骨,保证了良好的抗旋转力矩的能力,是一种高效的固定方式。故术后无须再行后路内固定,仅佩戴简单外固定即可。但临床应用中发现,寰枢关节前路植骨的融合率不高,尤其是陈旧性病变,可能受到了经皮器械的限制,植骨的面积和位置需进一步改善。目前的前路经皮侧块螺钉内固定限用于术前经极度后伸牵引寰枢椎可以复位的病人,前路减压的能力有限,对于固定性寰枢椎前脱位,可以考虑行经口减压后牵引复位,再行前路螺钉内固定或钢板固定。体外颈椎标本的生物力学实验表明,无论与正常组或损伤组相比前路螺钉、前路钢板和前路钛网内固定均能提高寰枢椎的稳定性,其中前路双侧块螺钉内固定提供的稳定性最强,与简单外固定配合使用可满足临床需要,当必须行寰枢椎前路内固定时应优先考虑使用。前路钢板和前路钛网单独使用稳定性较差,虽与后路内固定术式联用或改进设计可提高稳定性,但提高了并发症风险和经济负担。1.3克氏定位针联合钛网固定法工艺特点前路侧块螺钉固定:按照临床方法,直径1.2mm克氏针从距枢椎椎体下缘中线两侧5mm处进针,冠状面向外交角20°~25°,矢状面向后交角20.5°~28.5°。采用中空内径为1.2mm,外径为3mm钻头经克氏定位针制造螺钉孔道