寰枢椎内固定生物力学稳定性研究

方欣 谢金兔 顾晓民 池永龙 鲁世保 范奔

寰枢椎内固定生物力学稳定性研究

方欣 谢金兔 顾晓民 池永龙 鲁世保 范奔

目的 通过体外力学实验对前路双侧经寰枢关节螺钉、Harms钢板、Brooks钢丝、Magerl双侧螺钉、Magerl双螺钉加Gallie钢丝固定技术的稳定性进行比较。 方法 取5具新鲜冰冻人体颈椎标本，依次按：正常试验组、寰枢椎不稳组、前路双侧经寰枢关节螺钉组、Harms钢板组、Brooks组、Magerl双螺钉加Gallie组、Magerl双螺钉组顺序测试。将标本固定于测力机的移动平台上，造成寰椎前屈，后伸，右侧弯运动，施力点均位于寰椎中心（齿状突基底后缘中点）3.8cm处。测定寰椎移位1mm时的负荷，速度为1mm/min。在自制旋转测力机测试右轴向旋转时设定旋转角度为3°，测试各组刚度，比较其差异。 结果 与正常组和损伤组相比，所有内固定方法均显著提高寰枢椎各向活动的刚度（P＜0.01）。Magerl双螺钉加Gallie组刚度最大、最稳定（P＜0.05）。前路双侧经寰枢关节螺钉组与Magerl双螺钉组在各种状态下的刚度均无统计学差异（P＞0.05）。Brooks组在前屈、后伸及旋转时的刚度最低（P＜0.05），而其侧弯稳定性与Harms钢板组相当（P＞0.05）。 结论 Magerl双螺钉加Gallie组的各方向稳定性均最优，被认为是金标准。前路双侧经寰枢关节螺钉组、Magerl双螺钉组均为两点固定法，目前仍然是临床应用的主流术式。Harms钢板组及Brooks组固定强度较差，术后建议使用外固定器加固。

寰枢椎 内固定 生物力学 稳定性

寰枢椎位于颅颈移行部，形态结构复杂，当炎症、创伤、肿瘤、先天或发育畸形等引起寰枢椎不稳时，易致上颈髓、神经根、椎动脉受压，甚至危及患者的生命。临床上对寰枢椎不稳多用手术治疗，以解除压迫，稳定上颈椎。目前寰枢椎内固定的方法较多，笔者对临床上常用的前路双侧经寰枢关节螺钉、Gallie钢丝、Harms钢板、Brooks钢丝、Magerl双螺钉加Gallie钢丝、Magerl双侧螺钉等固定技术进行了生物力学测试，分析不同内固定方法对寰枢椎各个方向运动的控制作用，比较其稳定性，现将结果报道如下。

1 材料和方法

1.1 标本制备 5具意外死亡者的新鲜尸体标本，其中男性3具，女性2具，年龄23～68岁（平均35岁）。经X线摄片证实无颈椎外伤、变性疾病、肿瘤等，截取其枕骨至第7颈椎（C0～C7），用双层塑料袋封存于-20℃恒温冰箱中备用。

1.2 实验器具 本研究采用解放军6913工厂生产的三思测力机（CTM4104），专用配套方正PC机，测试软件为基于visual basic平台的专用力学测试软件包，位移（mm）和应力（N）的测试灵敏度均为1/1 000。旋转测试采用自制旋转测力机（力臂长90mm，角度精确到0.5°，质量精确到0.1g）。固定剂采用上海珊瑚化工厂生产的Ⅱ型自凝牙托粉及配套水剂。内固定采用Sofamor公司提供的Harms钢板、浙江广慈医疗器械公司提供的直径4.0mm钛质中空拉力螺钉、直径0.7mm钢丝及克氏针。

1.3 试验模型制作及测试顺序 将标本放于室温下解冻12h，解剖并保留颈椎各韧带、小关节囊和完整骨结构。以4～5枚螺钉固定C2以下节段，将C2下缘至C7用聚甲基丙烯酸甲脂包埋于固定盒中，制作成试验模型。5具标本分别编号，每个标本依次按：（1）正常试验模型（M1），（2）寰枢椎不稳模型（M2），（3）前路双侧经寰枢关节螺钉固定模型（M3），（4）Harms钢板固定模型（M4），（5）Brooks钢丝固定模型（M5），（6）Magerl双螺钉加Gallie钢丝固定模型（M6），（7）Magerl双螺钉固定模型（M7）顺序进行测定，以减少标本破坏。实验过程中，尽量减少因水份蒸发和组织变性造成的影响。每组固定后均在大体观察及X线摄片下确认钢板、螺钉和（或）钢丝螺钉固定位置。

1.4 生物力学测试方法 每个标本按M1～M7顺序依次测试在前屈、后伸、右侧弯状态下的应力值，施力点均位于寰椎中心（齿状突基底后缘中点）3.8cm处[1]。测定寰椎移位1mm时的负荷[1-2]，速度为1mm/min。每个标本在每种试验模型下分别测试6次，弹性蠕变基本消除后，记录第6次的应力值并进行刚度计算。测试右轴向旋转时设定力臂为90mm，旋转角度为3°，消除标本的弹性蠕变后记录第6次的测试值，将质量转化成重力后计算旋转刚度。前屈、后伸和侧屈的刚度=应力×38/位移（N/mm），旋转的刚度=应力×90/角度（Nmm/°）。

1.5 统计学处理 本研究采用同一标本自身对照的方法，使用SPSS18.0统计软件，计量数据以 表达，多组间比较采用方差分析，两两比较采用LSD-t检验。

2 结果

不同试验模型各方向运动刚度的比较见表1。

表1 不同试验模型各方向运动刚度的比较

表1显示：（1）所有的内固定模型均固定有效，各个方向运动M3～M7＞M1＞M2（均P＜0.01）；（2）各种内固定试验模型的前屈、后伸及旋转刚度比较结果均相同，依次为M6＞M3、M7＞M4＞M5（P＜0.05或0.01），即Magerl双螺钉加Gallie组＞前路双侧经寰枢关节螺钉组及Magerl双螺钉组＞Harms钢板组＞Brooks组；（3）侧弯刚度大小依次为M6＞M3、M7＞M4、M5（P＜0.05或0.01），即Magerl双螺钉加Gallie组＞前路双侧经寰枢关节螺钉组及 Magerl双螺钉组＞Harms钢板组及Brooks组。

3 讨论

寰枢关节在维系颈部活动中占据重要地位，其关节活动范围较大，承担着头颈部50%的旋转功能和12%的伸屈功能。由于其解剖部位深，周围有诸多重要神经和血管组织，毗邻关系复杂，故该部位手术难度高、风险大，被视为脊柱外科手术的高危区域，严重者可因损伤椎管内的高位脊髓，导致高位截瘫和中枢性呼吸衰竭而死亡。近年来，随着脊柱生物力学的深入研究、对手术并发症的进一步认识、材料学的进展以及微创技术的成熟，上颈椎内固定技术有了长足的发展。

生物力学试验有负荷控制法、位移控制法及有限元模型试验，各有优势[3]。本研究采用位移控制法，即固定一个椎体，另外一个椎体作相对运动，以恒定的位移在各种试验模型下，测定负荷值并转换为刚度，以比较稳定性。Dekutoski等[4]的动物试验表明，使用位移控制法，体内和体外试验结果吻合较好。寰枢椎测试的位移定值应在生理范围内，Mitchell等[1]将位移定值为1mm，旋转角度为1°；瞿东滨等[2]将角度定为5°，我们在采用新鲜牛颈椎的预试验中发现旋转角度为1°时各组间旋转刚度差异不大，而角度为5°时易造成标本破坏。因此，我们将位移定值为1mm，角度为3°。

本研究结果表明，寰枢椎不稳组的各方向稳定性最差,与Kandziora等[5]的研究结果相同。我们在实验中采用了AndersonⅡ型齿状突骨折模型，切除了齿状突，破坏了寰椎横韧带，造成寰枢关节不稳定，这说明寰枢关节的稳定性主要靠关节之间的韧带复合体来完成。在加用各种内固定方式后，均可明显增加寰枢关节稳定性。在各种固定组中，Magerl双螺钉加Gallie钢丝固定的各方向稳定性均最优，该术式为三点固定法，较单纯双侧螺钉技术更加牢靠，被认为是颈后路内固定的金标准。前路双侧经寰枢关节螺钉、Magerl双螺钉、Harms钢板和Brooks钢丝固定技术均可认为是两点固定法，各方向稳定性均低于三点固定。Park等[6]亦认为三点固定的力学稳定性要优于两点固定。前、后路螺钉固定各方向稳定性均无明显差异，这与黄卫兵等[7]的研究结果一致。Harms钢板是椎体前方固定、Brooks钢丝是后路双侧椎板固定，虽均为两点固定，但距活动中心较远，固定强度不足，蔡斌等[8]的研究结果亦表明，单纯钢丝固定在多种内固定中稳定性最差。前、后路螺钉固定均距离中心位置近，且螺钉通过4层皮质，稳定性较佳。Brooks钢丝在前屈、后伸及旋转时的刚度最差，这可能是因为钢丝固定易松动，固定不可靠所致，而侧弯时因其植骨块距离中心位置较前路Harms钢板更远，抵消了钢丝固定不可靠的差异，从而导致两者稳定性相当。

Magerl双螺钉加Gallie钢丝固定技术为经典三点固定,因其良好的生物力学稳定性，以往被认为是治疗寰枢关节不稳的金标准。但近年来前、后路寰枢椎螺钉技术，尤其是经皮微创技术得到了长足的发展，这一技术具有骨折愈合率较高，稳定性较好，术后仅需颈托保护，创伤小，疼痛轻微等优势，目前已成为经典术式。而对于单纯钢丝及钢板固定者，因其固定稳定性较差，术后建议使用外固定器加固。

本研究尚存在诸多不足之处，由于测试机限制，未能测出中性区，而Panjabi等[9]的研究表明，中性区占运动范围的比例：屈伸约为30%，侧弯约为20%，旋转约为75%。体外实验仅能评价术后早期生物力学变化，无法体现骨折愈合的动态过程。实验设计中无法消除因角度运动和滑动运动同时发生引起的耦合运动，有待于进一步改进及研究。

[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]瞿东滨,金大地,欧阳均,等.几种寰枢椎后路内固定术的生物力学评价[J].医用生物力学,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]黄卫兵,陈庄洪,蔡贤华,等.前路经寰枢关节螺钉内固定三维稳定性的实验研究[J].中国脊柱脊髓杂志,2006,16(5):366-368.

[8]蔡斌,晏怡果,王文军,等.新型上颈椎前路钩状钛板治疗寰枢椎不稳的生物力学测试[J].中国矫形外科杂志,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）

（本文编辑：沈叔洪）

310015 杭州师范大学附属医院骨科（方欣、谢金兔、顾晓民）；温州医学院附属第二人民医院脊柱外科（池永龙）；首都医科大学骨外科学系（鲁世保）；浙江省人民医院手外科（范奔）