寰樞關節脫位病因及其相關作用機制研究

劉靜文 黃菊英 菅鳳增

寰樞關節脫位病因及其相關作用機制研究

劉靜文 黃菊英 菅鳳增

寰樞關節位置特殊，具有承重、運動等重要功能，是延髓和脊髓等重要神經中樞，其內走行頸動靜脈、枕大神經等重要結構，寰樞關節脫位病因及其作用機制研究具有重大意義。本文擬從寰樞關節及其周圍結構解剖學、生物力學和組織學特點三方面對寰樞關節脫位病因及其相關作用機制進行闡述。

寰樞關節；脫位；綜述

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.81271519)and Beijing Education Commission Plan Project on Science and Technology(No.KM201510025010).

寰樞關節脫位（AAD）是先天性畸形、退行性變、創傷、炎癥、腫瘤、結核或手術等因素造成關節面正常對合關系發生變化，從而導致關節功能障礙和（或）神經壓迫的病理狀態［1］，若未接受有效治療，可逐漸進展至癱瘓甚至死亡。自20世紀90年代以來，國內報道的寰樞關節脫位病例數呈逐漸上升趨勢，1993-2000年總病例數僅544例，2001-2006年增加至2674例，2007-2012年達4309例，較2001-2006年增加61.14%［2］。國人最常見的寰樞關節脫位原因是寰枕融合和（或）C2～3融合，國外則以類風濕性關節炎（RA）常見。強直性脊柱炎、顱頸交界區結核等炎癥性病變也是重要原因。而其他少見病因如Down綜合征、Turner綜合征、Marfan綜合征等遺傳性疾病，頸椎后縱韌帶骨化（OPLL），顱頸交界區（CVJ）感染性疾病，顱頸交界區表皮樣囊腫，椎骨或軟骨腫瘤等多為個案報道［3］。目前，交通事故、高危極限運動或高空作業墜落致急性寰樞關節脫位業已成為常見原因［4］。近10年來，頸椎基礎與臨床研究逐漸成為脊柱脊髓領域的熱點，這使得我們對寰樞關節脫位的發病機制有了進一步認識。本文擬從寰樞關節及其周圍結構解剖學、生物力學和組織學特點三方面對寰樞關節脫位原因及其相關作用機制進行闡述。

一、寰樞關節及其周圍結構的解剖學特點

寰椎（C1）前后弓與側塊連接處較細、骨質疏松，是其生理薄弱部位［5］。寰椎前弓前后略扁，橫斷面長軸呈垂直位，受水平力作用時易發生骨折；后弓上下略扁，橫斷面長軸呈水平位，受垂直力作用時易發生骨折［6］。樞椎（C2）齒突呈短柱狀突出基底部，齒突與基底部移行處是應力較為集中部位，受水平剪切應力時易發生后脫位，椎管前后徑減小，從而壓迫脊髓。此外，樞椎前后結構連接區兼有椎弓根和椎弓根峽部承重作用，故樞椎側弓是骨折好發部位，如Hangman骨折典型部位即為樞椎側弓峽部［7］。發生骨折時血管破裂，齒突營養動脈在齒突內吻合成網狀，但在齒突上部吻合稀疏，局部供血不足，使修復愈合更加困難［8］。上述骨性結構由于解剖學結構較為薄弱，受到外部強力極易發生骨折，使周圍韌帶受損，導致寰樞外側關節完整性破壞，引起寰樞外側關節脫位。此種情況較為危急，可以直接導致患者昏迷甚至休克［9］。橫韌帶（TL）是寰枕交界區最大、最厚、最堅固的束狀組織，但彈性較差。橫韌帶斷裂、拉伸可使枕骨和寰椎在樞椎上向前移位。橫韌帶將寰樞關節之間的移動范圍限制在3 mm內，若其達到3～5 mm則提示橫韌帶損傷。橫韌帶損傷多為橫韌帶中部撕裂或斷裂［10］，寰齒間距（ADI）增大，導致前脫位，產生高位脊髓急性或慢性壓迫。尹一恒［11］進行的生物力學建模模擬實驗顯示，橫韌帶斷裂后無法限制寰椎過度前移，使寰樞關節運動（主要是前屈和后伸運動）范圍擴大，尤以前屈運動顯著，從而增加脊髓受壓風險，此與橫韌帶限制前屈活動的功能具有一致性。翼狀韌帶輔助橫韌帶將齒突限制在關節凹內，阻止寰椎向前移位和頭部過度旋轉。翼狀韌帶抗拉伸作用較弱，易損傷，在枕頸部屈伸運動受到軸向旋轉暴力時最易斷裂［12］。寰樞外側關節是寰樞關節的承重關節，由寰椎側塊下關節面、樞椎側塊上關節面及其表面關節軟骨和關節囊韌帶組成，上下關節面構成球窩關節，可進行矢狀位和冠狀位輕微運動，主要依靠寰樞外側關節囊結構以維持穩定［13?15］。寰樞外側關節不穩是寰樞關節脫位的直接原因。例如，寰枕融合和（或）C2～3融合是自發性寰樞關節脫位最常見的先天性畸形，病理改變為先天性寰椎部分或整體與枕骨大孔底部發生骨性連接［16］。發生寰枕融合和（或）C2～3融合時，寰枕關節和C2～3關節正常承重功能缺失，枕頸部活動時寰樞關節活動代償性增加，關節承受應力增加，橫韌帶和翼狀韌帶負荷增加，長期可以造成橫韌帶、翼狀韌帶和關節囊韌帶損傷，使寰樞關節失去正常對合，易導致脫位或半脫位［17］。此外，寰椎側塊楔形畸變和樞椎上關節面斜度改變，均增加寰樞關節運動負荷，也可能是寰樞關節脫位的重要解剖學原因［18］。

二、韌帶的材料屬性

1.韌帶應力松弛在韌帶應變不變的情況下發生形變，應力可隨時間的推移而逐漸減小，這是韌帶的自我保護功能，使其不至于長時間處于高應力狀態下。若發生原發性或繼發性橫韌帶損傷，橫韌帶的自我保護功能消失，橫韌帶將長時間處于高應力狀態下，應力不隨時間的推移而減小，這樣必然增加橫韌帶形變，造成橫韌帶進一步損傷，如此惡性循環可以導致橫韌帶完全斷裂，寰樞關節不穩，最終引起寰樞關節脫位，這一過程是關節半脫位至脫位的動態演變［19］。因此，為防止病情惡化，橫韌帶損傷時應及時固定。

2.韌帶蠕變在韌帶應力不變的前提下，應變可隨時間的推移而逐漸增大。發生創傷或其他情況時，若橫韌帶、翼狀韌帶或關節囊韌帶出現病理改變，上述韌帶再次發揮其功能時，在相同的應力條件下，韌帶應變增大，而此時韌帶對維持寰樞外側關節穩定的作用減弱，寰樞外側關節不穩、大幅度位移，給周圍韌帶和關節囊韌帶造成間接破壞，最終導致韌帶直接斷裂或未斷裂但功能完全缺失，從而發生寰樞關節脫位［20］，例如，寰椎枕骨化、強直性頸椎炎和C2～3先天性融合是最常見的頸椎骨性強直，均使橫韌帶發生慢性應力性或疲勞性損傷，引起橫韌帶功能障礙，誘發寰樞關節脫位［21］。

3.韌帶滯后現象在反復應力加載與卸載過程中，韌帶應變遲于應力變化，并伴應變能力缺失，同時還出現韌帶疲勞現象，使韌帶剛度和彈性減小。發生頸部骨性關節炎時，若頭部做過度、頻繁軸向運動，齒突在寰齒關節上發生的旋轉對橫韌帶和齒突上的翼狀韌帶產生較大應力，易損傷韌帶，影響寰樞關節的穩定性，造成病理性寰樞關節脫位［22］。

三、組織學特點

1.關節軟骨關節軟骨承受雙側關節面壓力，主要依靠細胞外間質主要成分膠原纖維，由Ⅱ型膠原蛋白組成，具有一定彈性，對壓力有緩沖作用。寰樞外側關節的關節面負荷增加反復受壓造成軟骨細胞壞死，相鄰軟骨細胞在損傷裂隙邊緣呈串珠樣反應性和修復性增殖，形成細胞簇聚現象［23?24］。由于損傷的不可逆性和修復能力的有限性，盡管軟骨細胞可以進行代償性修復，仍不能完全修復。此外，修復的關節軟骨于光學顯微鏡下可見大量修復膠原排列雜亂，間質內水含量明顯減少，膠原成分有所增加，此時纖維成分對基質的骨架支撐作用明顯減弱［25］。變性的關節軟骨下骨組織出現微骨折病灶，在磨損嚴重的寰樞關節上下關節面出現骨硬化現象，嚴重者可發生骨小梁應力性骨折，引起局部黏液樣變性和纖維蛋白變性，這些小囊性變形成于軟骨骨板下，若反復受力可逐漸被壓縮，中央應力較為集中的部位關節軟骨完全消失，而周圍部分代償性出現邊緣增殖性肥厚，關節間隙變窄。此外，軟骨下成骨可能產生適應性改變而形成骨刺。上述改變均可造成關節面生物機械應力分布失衡，從而加速關節軟骨損傷［26］。骨性關節炎的病理改變除上述過程外，還存在關節退行性變、關節生物機械應力再分布、關節修復和穩定性重建［27］，均為寰樞關節脫位的重要誘因。其中，類風濕性關節炎患者寰樞關節脫位發生率約為25%［28］。類風濕性關節炎致寰樞關節脫位占所有寰樞關節脫位的50%～70%［29］。廉克強［30］研究骨性關節炎致寰樞關節不穩，發現寰樞關節骨性關節炎與寰樞關節不穩之間存在明顯相關，對寰椎關節不穩的發生與發展具有一定促進作用。寰樞關節骨性關節炎使關節軟骨發生上述病理改變，隨著骨性關節炎進展，可逐漸波及韌帶，降低韌帶韌性，導致韌帶在骨結構上的附著減弱，引起寰樞關節活動范圍增大，使關節囊韌帶進一步松弛，增加寰樞關節不穩風險［31］。

2.韌帶橫韌帶是維持寰枕交界區穩定性的最佳韌帶，主要成分為膠原纖維，而彈性纖維含量較少。膠原纖維具有一定的剛度和強度，可以抵抗破壞和變形。在橫韌帶的中央相互交織形成網狀結構，纖維間夾角約30°［32］。彈性纖維具有一定彈性，在載荷作用下具有較強延伸能力。膠原纖維的排列在不受載荷時呈波浪形排列，橫韌帶受生理載荷時，隨著拉伸力增加，橫韌帶內波浪形和非平行排列的纖維被拉直，繼續增大載荷，與載荷方向相同的膠原纖維完全拉直、延伸。因此，橫韌帶具有一定的彈性貯備，以保證橫韌帶在生理載荷下不發生破壞，即橫韌帶在彈性貯備內可前移一定距離而不發生斷裂。Mesfar和Moglo［33］報告，在橫韌帶無損傷的情況下，寰椎可前移3 mm以內，超出此范圍，橫韌帶可出現漸進性斷裂。因此，橫韌帶膠原纖維與彈性纖維比和排列方式決定其剛度較高而彈性較小的生物力學特點。橫韌帶損傷主要由創傷所致。當枕頸部受屈曲暴力時，橫韌帶受樞椎齒突剪切力而發生斷裂，若發生齒突骨折合并橫韌帶損傷，暴力先使橫韌帶斷裂再使齒突骨折。橫韌帶斷裂失去對寰樞關節的穩定作用，導致繼發性寰樞關節脫位?；颊咭蚋咛帀嬄?、交通事故或體育運動如跳水、翻跟斗等使枕頸部遭受屈曲暴力而致寰樞關節脫位，橫韌帶損傷還可見于Jefferson骨折（寰椎爆裂性骨折）患者，主要是源于冠狀位垂直暴力，暴力經枕骨髁傳至寰椎側塊關節面，側塊在枕骨髁與樞椎的擠壓下易在前后弓與側塊交界區發生骨折，而骨折側塊的分離移位又造成橫韌帶中部撕裂［34］。其他因素還包括腫瘤、結核和類風濕性關節炎等，這些疾病通過改變關節囊韌帶膠原纖維含量和分布，對寰樞關節的穩定性產生影響，從而間接導致寰樞關節脫位［3］。此外，年齡也可影響韌帶功能。年齡較小或較大患者，韌帶膠原含量減少，其強度、剛度和承受形變的機械作用減弱，應力增加，韌帶剛度增大、彈性變小。超負荷情況下，韌帶受牽拉時，纖維易破壞，是形成韌帶鈣化的基礎。因此，寰樞關節脫位可能隨年齡的增大而出現脫位加重，由可復性進展為不可復性，最終可能因為影響脊髓或延髓部生命中樞而危及生命。此外，由于兒童韌帶兩種纖維含量均較少，修復機制發育不成熟，故兒童期寰樞關節穩定性完全取決于該區域韌帶結構的完整性。因此，若咽部或頸部組織因感染或其他疾病而累及到相應韌帶時，即使是頭部受到輕微外傷如旋轉、打噴嚏等，均可能導致寰樞關節脫位［16］。

綜上所述，由于寰樞關節位置的特殊性，影像學不易觀察，且臨床研究以尸體解剖為主，均在一定程度上限制我們對寰樞關節脫位病因及其作用機制的研究。隨著影像學技術的發展和生物力學研究的深入，未來我們對寰樞關節脫位病因的認識將更加科學化。

［1］Cai QL.Diagnosis and treatment of atlantoaxial instability or dislocation.Zhongguo Ji Zhu Ji Sui Za Zhi,2001,11:60?62［.蔡欽林.寰樞椎不穩或脫位的診斷與治療.中國脊柱脊髓雜志, 2001,11:60?62.］

［2］Tan MS,Li X,Dong L,Liu CY,Wu D,Ma HN,Yi P,Yang F, Tang XS,Hao QY.Review of surgical treatment of atlantoaxial dislocation in recent 20 years in Chinese.Zhongguo Ji Zhu Ji Sui Za Zhi,2013,23:399?404［.譚明生,李顯,董亮,劉楚吟,吳迪,麻昊寧,移平,楊峰,唐向盛,郝慶英.對我國近20年來寰樞推脫位外科治療文獻的統計分析.中國脊柱脊髓雜志, 2013,23:399?404.］

［3］Duan GM,Zhou DB.Research status of spontaneous atlantoaxial dislocation etiology and pathogenesis.ZhongguoWei Qin Xi Shen Jing Wai Ke Za Zhi,2007,12:282?284［.段光明,周定標.自發性寰樞椎脫位病因和發生機制的研究現狀.中國微侵襲神經外科雜志,2007,12:282?284.］

［4］Jia LS.Basic concepts of diagnosis and treatment of occipital neck injury.Zhonghua Chuang Shang Za Zhi,2007,23:3?5［.賈連順.枕頸部損傷診斷與治療的基本概念.中華創傷雜志, 2007,23:3?5.］

［5］Jia LS.Modern cervical surgery.Shanghai:Shanghai Far East Publishers,1993:6?7［.賈連順.現代頸椎外科學.上海:上海遠東出版社,1993:6?7.］

［6］Panjabi M,Dvorak J,Crisco J 3rd,Oda T,Hilibrand A,Grob D.Flexion,extension,and lateral bending of the upper cervical spine in response to alar ligament transections.J Spinal Disord, 1991,4:157?167.

［7］Hou LS,Jia LS,Tan J,Ruan DK,Ye XJ,Li C,He B.The structures and position of vertebra dentate:an anatomic study. Zhongguo Lin Chuang Jie Pou Xue Za Zhi,2005,23:44?48［.侯黎升,賈連順,譚軍,阮狄克,葉曉健,李超,何勃.樞椎各結構的解剖學部位研究.中國臨床解剖學雜志,2005,23:44?48.］

［8］Xu GH,Li JS,Jia LS.Research progress of traumatic atlantoaxial instability.Zhongguo Ji Zhu Ji Sui Za Zhi,2003,13: 630?632［.許國華,李家順,賈連順.創傷性寰樞椎不穩的研究進展.中國脊柱脊髓雜志,2003,13:630?632.］

［9］Wang K,Wang XW,Jian FZ.Advance in biomechanical research of computer simulation of congenital atlanto?axial dislocation.Zhongguo Xian Dai Shen Jing Ji Bing Za Zhi,2012, 12:87?89［.王坤,王興文,菅鳳增.先天性寰樞椎脫位計算機模型生物力學研究進展.中國現代神經疾病雜志,2012,12:87?89.］

［10］Troyanovich S.C1 burst fracture.J Manipulative Physiol Ther, 1994,17:558?561.

［11］Yin YH.The structural variation of the lateral atlantoaxial articulation in craniovertebral junction malformation and the related biomechanical research.Beijing:Medical School of Chinese PLA,2012［.尹一恒.顱頸交界區畸形中寰樞外側關節的結構變異與生物力學研究.北京:軍醫進修學院,2012.］

［12］Radcliff KE,Hussain MM,Moldavsky M,Klocke N,Vaccaro AR,Albert TJ,Khalil S,Bucklen B.In vitro biomechanics of the craniocervical junction:a sequential sectioning of its stabilizing structures.Spine J,2015,15:1618?1628.

［13］Salem W,Lenders C,Mathieu J,Hermanus N,Klein P.In vivo three?dimensional kinematics of the cervical spine during maximal axial rotation.Man Ther,2013,18:339?344.

［14］Panjabi M,Dvorak J,Duranceau J,Yamamoto I,Gerber M, Rauschning W,Bueff HU.Three?dimensional movements of the upper cervical spine.Spine,1988,13:726?730.

［15］Fice JB,Cronin DS,Panzer MB.Cervical spine model to predict capsular ligament response in rear impact.Annals Biomed Eng,2011,39:2152?2162.

［16］Yang XB,He Y,Wang L,Tang JJ,Hu HT,Dong XP.Research progress of etiology of atlantoaxial dislocation.Xian Dai Lin Chuang Yi Xue,2008,34:304?305.［楊曉波,何躍,王力,唐建軍,胡紅濤,董小鵬.寰樞椎脫位的病因研究進展.現代臨床醫學,2008,34:304?305.］

［17］Wang XW,Chen Z,Xu P,Wu H,Jian FZ.Anatomical variation of vertebral artery at the craniovertebra I junction in patients with occipitalization of the atlas:radiographic study using three?dimentional CT angiography.Zhongguo Xian Dai Shen Jing Ji Bing Za Zhi,2011,11:573?576［.王興文,陳贊,許平,吳浩,菅鳳增.寰枕融合患者椎動脈走行的CT血管成像研究及其臨床意義.中國現代神經疾病雜志,2011,11:573?576.］

［18］Wang JH,Yin QS,Xia H,Wu ZH,Ai FZ,Ma XY,Zhang K. Relationship between congenital occipital atlas fusion,C2-3 fusion and basilar invagination.Zhongguo Ji Zhu Ji Sui Za Zhi, 2012,22:578?582［.王建華,尹慶水,夏虹,吳增暉,艾福志,馬向陽,章凱.先天性寰枕融合和/或C2-3融合與顱底凹陷癥發病機制的關系.中國脊柱脊髓雜志,2012,22:578?582.］

［19］Salunke P,Sharma M,Sodhi HB,Mukherjee KK,Khandelwal NK.Congenital atlantoaxial dislocation:a dynamic process and role of facets in irreducibility.J Neurosurg Spine,2011,15:678?685.

［20］Wang K,Jian FZ.The surgical treatment for congenital atlantoaxial dislocation.Zhongguo Xian Dai Shen Jing Ji Bing Za Zhi,2012,12:385?388［.王坤,菅鳳增.先天性寰樞椎脫位的外科治療.中國現代神經疾病雜志,2012,12:385?388.］

［21］Xi DH,Hou JF.Histopathologic changes and classification of osteochondrosis in young swine.Nanjing Nong Ye Da Xue Xue Bao,2007,30:143?146［.奚德華,侯加法.青年豬軟骨病病理組織學變化與分類.南京農業大學學報,2007,30:143?146.］

［22］Jian FZ.Malformations of the craniovertebral junction. Zhongguo Xian Dai Shen Jing Ji Bing Za Zhi,2012,12:382?384.［菅鳳增.顱頸交界區畸形.中國現代神經疾病雜志,2012,12: 382?384.］

［23］Jia LS.Pay attention to the injury of transverse ligament of atlas.Ji Zhu Wai Ke Za Zhi,2010,8:63?64［.賈連順.應該重視寰椎橫韌帶損傷.脊柱外科雜志,2010,8:63?64.］

［24］Franz T,Hasler EM,Hagg R,Weiler C,Jakob RP,Mainil?Varlet P.In situ compressive stiffness,biochemical composition,and structural integrity of articular cartilage of the human knee joint.Osteoarthritis Cartilage,2001,9:582?592.

［25］Kocis J,Wendsche P,Visna P,Muzík V,Hart R.Isolated fractures of the atlas.Acta Chir Orthop Traumatol Cech,2004, 71:50?55.

［26］Alexander JS,Daniel MA,Megan D,Katrina L,Donny P.A case of acute hangman's fracture.J Acute Dis,2016,5:337?339.

［27］Iizuka H,Iizuka Y,Kobayashi R,Nishinome M,Sorimachi Y, Takagishi K.The relationship between an intramedullary high signal intensity and the clinical outcome in atlanto?axial subluxation owing to rheumatoid arthritis.Spine J,2014,14:938?943.

［28］Kuroki T,Ueno Y,Takeda I,Kambe T,Nishioka K,Shimura H, Itoh M,Hattori N,Urabe T.Recurrent embolic strokes associated with vertical atlantoaxial subluxation in a patient with rheumatoid arthritis:a case report and review of literature. J Stroke Cerebrovasc Dis,2016,22:E676?681.

［29］Silber JS,Verma RB,Greenberg AS.Rhermatoid arthritis of the cervical spine.Neurosurgery,2006,16:1?8.

［30］Lian KQ.Clinic correlation study about atlantoxial osteoarthritis and atlantoxial joint instability.Zhengzhou:Zhengzhou University,2012［.廉克強.寰樞關節骨性關節炎與寰樞關節不穩相關性臨床研究.鄭州:鄭州大學,2012.］

［31］Lippmann RK.Arthropathy due to adjacent inflammation.J Bone Joint Surg Am,1953,35:967?979.

［32］Dai LY.Transverse ligament injury of atlas.Jing Yao Tong Za Zhi,2001,22:72?74.［戴力揚.寰椎橫韌帶損傷.頸腰痛雜志, 2001,22:72?74.］

［33］Mesfar W,Moglo K.Effect of the transverse ligament rupture on the biomechanics of the cervical spine under a compressive loading.Clin Biomech,2013,28:846?852.

［34］Dai LY,Yuan W,Ni B,Jia LS,Zhao DL,Xu YK.Traumatic disruption of the transverse atlantal ligament.Zhongguo Jiao Xing Wai Ke Za Zhi,2000,7:751?754［.戴力揚,袁文,倪斌,賈連順,趙定麟,徐印坎.創傷性寰椎橫韌帶斷裂.中國矯形外科雜志,2000,7:751?754.］

Study on the causes and mechanism of atlantoaxial dislocation

LIU Jing?wen1,HUANG Ju?ying2,JIAN Feng?zeng31Eight?Year Program,School of Basic Medical Sciences,2School of Biomedical Engineering,Capital Medical University,Beijing 100069,China
3Department of Neurosurgery,Xuanwu Hospital,Capital Medical University,Beijing 100053,China Corresponding author:HUANG Ju?ying(Email:huangjy1972@163.com)

Atlantoaxial joint,which is located in the body of the upper cervical spine,plays an important role in bearing and motion.It is the nerve center of medulla oblongata and spinal cord,and a lot of other important structures,such as neck arteriovenous and great occipital nerve,were distributed in this area,therefore the study on reasons and mechanism of atlantoaxial dislocation(AAD)is of great guiding significance for clinical treatment.This article will explore the specific mechanisms of AAD from the aspects of anatomy of atlantoaxial joint and surrounding structures,biomechanics and histology.

Atlanto?axial joint;Dislocations;Review

2017?02?22）

10.3969/j.issn.1672?6731.2017.03.012

國家自然科學基金資助項目（項目編號：81271519）；北京市教育委員會科技計劃項目（項目編號：KM201510025010）

100069北京，首都醫科大學基礎醫學院八年制（劉靜文），生物醫學工程學院（黃菊英）；100053北京，首都醫科大學宣武醫院神經外科（菅鳳增）

黃菊英（Email：huangjy1972@163.com）