寰樞椎后路固定補救方案的生物力學研究

金國鑫，張磊，閻崇楠，劉齊，王歡

（中國醫科大學附屬盛京醫院脊柱外科，沈陽 110004）

寰樞椎的穩定性由寰樞椎完整的骨性結構、關節和周圍韌帶結構決定［1］。任何創傷、炎癥、腫瘤和先天畸形等結構破壞，均可引起寰樞椎不穩，常常需要手術重建該區域穩定性。目前應用于寰樞椎后路固定的方式包括鋼絲固定、椎板夾、Magerl螺釘、椎弓根和側塊螺釘等技術。螺釘內固定因優越的穩定性已取代線纜等固定方式。然而，該技術仍存在靜脈出血難以控制和損傷椎動脈的風險。寰椎后弓螺釘 （posterior arch screw，PAS） 技術作為寰椎固定的補救方案，經解剖學和生物力學研究［2-3］證實其有安全性和有效性。樞椎由于存在椎動脈高跨等變異，術中為保護椎動脈需要樞椎椎板釘 （laminar screw，LS） 的補救。臨床中將這兩種方法單獨使用或與椎弓根螺釘相結合治療寰樞椎不穩，為此本研究設計生物力學實驗測量各種固定方法的即時穩定性及螺釘抗拔出力，并與寰樞椎椎弓根螺釘 （pedicle screw，PS） （作為金標準） 的固定強度進行比較。

1 材料與方法

1.1 材料

獲得6具新鮮的尸體頭頸部標本 （中國醫科大學基礎醫學院解剖教研室提供），放射學檢查除外腫瘤、骨折和畸形等異常，剔除上頸椎周圍肌肉組織，保留椎體、韌帶和間盤 （C0～4）。雙層保鮮膜包裹，儲存于-20 ℃冰箱備用。

1.2 建立模型及測量

1.2.1 建模及加載：將第3頸椎椎體包埋于牙托粉中，保證整個底座與第3頸椎椎體垂直。選取雙側眉弓中心上方3 cm，枕骨后方正中3 cm對應點，雙側方耳道上方3 cm，鉆孔。將帶螺紋的金屬桿貫穿于顱骨孔道內，用螺母固定。標本固定于測試框架中，加載靜態載荷，逐漸產生0、0.5、1.0、1.5、1.0、0.5和0 Nm，6個方向 （屈伸，左右側彎，左右軸向旋轉） 的純力偶。為克服脊柱的粘彈性，樣本測量前先進行3次手動的各向最大幅度的預處理。另外，每次負荷加載后，標本需要穩定30 s以減少數據收集時的蠕變。

1.2.2 活動范圍測量：將3枚球型標記物 （Marker） 以非直線的方式分別固定于枕骨、寰椎、樞椎和第3頸椎的椎體前方，用來記錄節段間活動所產生的角度變化 （range of motion，ROM）。通過紅外線跟蹤系統（英國Vicon Nexus公司） 記錄標本的三維運動 （圖1），并呈現于電腦系統 （圖2）。記錄各組在1.5 Nm載荷下各個方向的 （屈伸、左右側彎、左右旋轉） 運動范圍。

圖1 紅外線跟蹤系統監測上頸椎活動度Fig.1 The infrared tracking system monitored the range of motion of the upper cervical vertebrae

圖2 Marker點在監測系統上的成像Fig.2 Imaging of the marker points using the monitoring system

1.2.3 各組模型建立：選取正常脊柱標本作為對照組，測試載荷運動情況，產生基礎值。建立Ⅱ型齒狀突骨折模型作為失穩組。于齒狀突基底標記垂直于齒狀突軸線的3個點，用鋒利的骨刀沿該標記點切斷，保證韌帶等軟組織不受影響。

寰椎PS植入方法：探查椎弓根的上下緣及內側緣，確定入點。向上，向內5°鉆入椎弓根。探查釘道四壁，確認無破損后擰入螺釘。PAS植入方法：暴露寰椎后弓，以后結節左右旁開2 mm為入釘點，為避免交叉螺釘互相干擾分別在入釘點上、下2 mm開口，沿后弓內外壁鉆入，指向后弓與椎動脈溝移行處。探查釘道完整后，擰入螺釘。樞椎PS植入方法：探查樞椎椎弓根的上緣及內側緣，確定入釘點。內傾20°、上傾20°鉆入，探查釘道壁完整后擰入螺釘。LS植入方法：入點選擇樞椎C2棘突椎板交界處。沿對側椎板方向開口，探入，保證內外壁完整。所有螺釘均選擇直徑3.5 mm，長度24 mm的萬向螺釘。取合適長度連接桿，預彎，頂絲固定寰樞椎于中立位。

寰樞椎內固定分為5組 （圖3）。A組，雙側寰樞椎PS （圖3A）；B組，雙側寰椎PAS+樞椎LS （圖3B、C）；C組，左側寰樞椎 PS+右側寰椎PAS，樞椎LS （圖3D）；D組，左側寰樞椎PS+左側寰椎PAS，樞椎LS （圖3E）；E組，雙側寰椎PS+樞椎LS （圖3F）。由于標本失穩后非常不穩，通常待內固定置入并測量完成后，再行失穩狀態的測量。

1.3 螺釘拔出力測量

圖3 寰樞椎內固定各組的X線片Fig.3 Representative X-ray imaging showing C1-2 fixation for each group

將標本一側椎板和對側的側塊螺釘分別鋸開，將螺釘尾的骨質予以沿螺釘垂直的平面鋸平。以膠布包裹螺釘與骨的結合部位，予以石膏或牙托粉包裹標本，注意勿將螺釘與骨的結合部位覆蓋，同時對石膏的釘尾平面塑形，使之與螺釘垂直。采用夾具及墊片固定石膏標本于測量機 （SANS，MTS，CHINA） 的底端，螺釘的尾端萬向釘頭用螺釘固定并固定于拔出力測量機的頭端，清零后予以測量螺釘的拔出力 （圖4）。

1.4 統計學分析

通過運動監測系統記錄標記物的空間位置 （取3次測量的平均值）。基于底座將各向空間變化轉換成角度變化。椎間變化與所施加的載荷對應，以顯示運動節段的載荷-形變行為。用“穩定性”來反映運動節段的椎間活動，活動度減低表示穩定性增加。分別計算對照組、失穩組和各個固定組的C1～2節段間角度變化，組間比較采用t檢驗。P＜ 0.05為差異有統計學意義。

圖4 單個PS拔出力的測量結果Fig.4 Pullout strength of C1 pedicle screw

2 結果

2.1 體外生物力學研究

6例標本的平均年齡為 （67.4±9.5） 歲，其中3例為女性。對照組6個方向的角度變化為前屈15.75°，后伸8.11°，左側彎7.56°，右側彎7.62°，右側旋轉27.94°，左側旋轉24.16°。失穩組比對照組和各固定組活動度明顯增加，前屈27.06°，后伸10.77°，左側彎11.25°，右側彎9.02°，右側旋轉41.52°，左側旋轉39.99°。

內固定組對齒狀突骨折模型各方向的控制與對照組和失穩組相比較差異均有統計學意義 （P＜0.05）。C1～2屈曲狀態時，各組活動度均顯著降低，A組與其他固定組相比差異無統計學意義 （P＞0.05）。C1～2后伸時，A、B、C、D、E各組分別降低正常活動度的79%、52.4%、72.7%、72.4%和63.3%，其中B組和E組對后伸的控制較A組弱 （P＜ 0.05）。左側彎時，A組降低正常活動度的88.4%，B組降低78.8%，C組降低50.5%，D組降低66%，E組降低77.5%；其中C組、D組與A組比較，差異有統計學意義 （P＜ 0.05）。所有固定方法均顯著降低C1～2的右側彎活動度，差異無統計學意義 （P＞ 0.05）。對于C1～2左側軸向旋轉的控制，B組、C組與A組相比活動度大，差異有統計學意義 （P＜ 0.05）。右側軸向旋轉，B組C1～2活動度大，與A組比較差異有統計學意義 （P＜ 0.05）。見表1。

2.2 抗拔出力測量

寰椎PS的拔出力為 （718.2±229.1） N，PAS的拔出力為 （399.7±173.8） N。兩者比較有統計學差異（P＜ 0.05）。樞椎PS拔出力為 （635±196.5） N，樞椎LS為 （431.3±202.1） N。兩者比較有統計學差異 （P＜0.05）。

表1 各組在1.5 Nm力偶下寰樞椎各方向活動度 （ ，n=6）Tab.1 Range of motion in degrees at 1.5 N·m for each of the six motion directions according to the groups （，n=6）

表1 各組在1.5 Nm力偶下寰樞椎各方向活動度 （ ，n=6）Tab.1 Range of motion in degrees at 1.5 N·m for each of the six motion directions according to the groups （，n=6）

FLEX，flexion；EXT，extension；LLB，left lateral bending；RLB，right lateral bending；LAR，left axial rotation；RAR，right axial rotation.Compared with group A，1） P ＜ 0.05.

3 討論

寰樞椎是活動度最大的頸椎關節，發生失穩后需要加強固定。寰樞椎的固定方法有鋼絲［4-5］和椎板夾［6］，經關節螺釘技術 （Magerl）［7］，側塊螺釘［8］和椎弓根螺釘［9-11］等。由于寰樞椎解剖結構復雜，暴露和置釘過程有神經、血管損傷的風險。靜脈叢破裂可造成嚴重出血，且止血困難，從而延長手術時間，甚至危及生命。此外，椎動脈存在解剖變異，術中辨識不清，容易出現副損傷，導致大出血［12-13］，嚴重者意識喪失，甚至死亡［14-15］。其他因素如寰樞椎發育窄小，解剖變異或醫生的經驗不足，致傷因素等也影響置釘方案的選擇，術中可能需要寰樞椎置釘的補救方案。

2000年，FLOYD 等［16］提出了經寰椎PAS用于寰樞椎融合。2008年，DONNELLAN等［17］使用該技術在臨床上獲得理想效果，但發現釘頭互相干擾，增加了手術難度。本研究設計并改進了寰椎PAS［2-3］，結合樞椎LS，單側的寰樞椎PS用于上頸椎固定，作為補救方案。比較補救方案與雙側寰樞椎PS系統的生物力學穩定性和螺釘抗拔出力。

生物力學測試結果顯示，各個固定組的寰樞椎活動度與對照組、失穩組比較差異有統計學意義，各固定組能有效控制由齒狀突骨折造成的寰樞椎不穩，均顯著減低各向活動度，椎弓根螺釘由于“三柱”固定，穩定性最好；寰椎PAS，樞椎LS的單純“后柱”固定，對后伸的控制略弱；單側的椎弓根結合單側后柱螺釘對側彎的固定較差；軸向旋轉時同側椎弓根結合后柱螺釘與雙側PS系統相同。抗拔出力方面PS的釘骨結合力較LS，PAS更強，可能是后柱固定旋轉控制差的原因。

CLAYBROOKS等［18］認為PS系統有很好的側彎和旋轉控制。作為補救方案左側寰樞椎PS+左側寰椎PAS，樞椎LS組，雙側寰椎PS+樞椎LS組可以優先考慮。KELLY等［19］設計的寰椎鎖定鋼板，通過生物力學發現除了右側彎，該技術同椎弓根技術均能明顯降低寰樞椎各向活動度；該方法屬于寰椎后柱固定方案。左側寰樞椎PS+右側寰椎PAS強度次之。雙側寰椎PAS+樞椎LS組最后考慮，需要堅強外固定的保護。

寰椎PAS和樞椎LS能降低椎動脈的損傷，同時可以提供相當強度的固定。因此，當寰樞椎發育窄小，椎動脈高跨或發育異常，術前、術中懷疑單側椎動脈損傷，對側行側塊或PS固定風險較高時，可選擇寰樞椎后柱螺釘。該方法暴露技術要求簡單，操作安全，是理想的替代方案。