Hangman骨折后Zephir钢板颈前路内固定技术的应变电测研究

陈语，项良碧，郭明明，于海龙，王琪，兀巍，祖启明，刘军

（沈阳军区总医院骨科，辽宁 沈阳 110016）

Hangman骨折后Zephir钢板颈前路内固定技术的应变电测研究

陈语，项良碧，郭明明，于海龙，王琪，兀巍，祖启明，刘军

（沈阳军区总医院骨科，辽宁 沈阳 110016）

目的 比较Hangman骨折后两种不同前路手术方式的生物力学特性。方法 对6例新鲜尸体Hangman骨折模型后，依次采用C2-3开槽植骨融合钢板内固定术（C2-3组）和C3椎体大部分切除、植骨内固定术（C2-4组）2种术式，采用电测法测定其螺钉的拔出应力。结果 C2-3组在屈曲和伸展运动状态下，在不同载荷下所承受的应力均大于C2-4组（P＜0.05），在左右旋转时两组间无显著性差异（P＞0.05）。结论 生理环境下C2-3植骨融合内固定术可能相对容易出现内植物相关并发症。

上颈椎；Hangman骨折；电测法；枢椎创伤性滑脱

Hangman骨折即所谓的创伤性枢椎滑脱是一种常见的上颈椎损伤，发病率仅次于齿状突骨折[1-4]，从致伤机制上讲Hangman骨折是过伸性损伤，此时枕骨底冲击C2后部结构，导致薄弱部位C2双侧椎弓峡部骨折，随着过伸损伤的加重，前部结构如韧带、C2～3椎间盘会出现损伤，从而加重不稳的程度[5-7]。

在Muller[8]的临床研究中发现EffendiⅡ型骨折患者占74%，很少发现有Ⅲ型骨折伴有小关节脱位的，常见的表现是合并C2-3椎间盘破裂，这符合过伸性损伤的机制。并且部分EffendiⅡ型骨折患者远期效果不佳，他认为考虑这种骨折的稳定是必须的，所以对不同程度Hangman骨折以及不同稳定技术进行生物力学稳定性实验具有实际意义。关于Hangman骨折的治疗方法一直存在不同看法[9，10]，颈椎前路Zephir带锁钛合金钢板系统在前面的力学稳定性实验中被证明在固定不稳性Hangman骨折时能提供足够的稳定性，具有较高的临床应用价值。但也有文献报道，颈前路钢板在临床应用中常见钢板翘起、螺钉脱出、松动和断裂现象等并发症[11]，内固定自身所承受的应力过大是内固定松动、疲劳甚至断裂的直接原因。

脊柱内固定器械的生物力学特性主要基于两个方面：内固定植入后对脊柱力学行为的影响和内固定自身在生理环境中的机械性能的变化[12]。对于作为内植物自身的螺钉在固定同时是否能承受各种生理载荷下的上颈椎运动尚未明确，而此特征则决定内固定器械是否容易疲劳、断裂、松动等。本实验为检测Hangman骨折后Zephir钢板前路内固定在上颈椎运动状态下自身所承受的应力，采用电测法对Hangman骨折模型经前路C2-3植骨融合内固定术和前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术固定后螺钉所受的应力进行了检测，并将两者进行了比较。

1 材料和方法

1.1 内固定材料和实验分组 采用Zephir钢板（Medtronic，Sofamor DaNZk，美国）作为本实验检测用的固定器械。实验分为对Hangman骨折模型行C2-3植骨融合内固定术（简称C2-3组）和前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术（简称C2-4组）两大组进行。钢板规格分别为长度26和42 mm，螺钉都为长度13 mm、直径3.5 mm。

1.2 测试系统与安装 采用YJR-5静态电阻应变仪（浙江奉化电子仪表厂）作为测量系统。应变计采用KFC-1-C1-11的常温电阻应变计（日本KYOWA）。测量电路采用半桥接线方式进行。

1.3 应变计的粘贴 首先用细砂纸Zephir钢板上要贴应变计的位置进行打磨，打磨采取45°正交方向进行，使表面略有粗糙感，然后用棉花沾少许丙酮将试件表面的灰尘擦干净，同时也将应变计的背面用丙酮擦干净，用502快速粘接剂把应变计迅速、准确的粘贴在Zephir钢板上。

1.4 实验标本和不稳模型制备以及颈前路内固定安装

新鲜尸体含完整上颈部标本6例，均死于急性颅脑损伤，男5例，女1例，平均年龄42.3岁，年龄：24～69岁。生前无疾患。每个标本由枕骨（OC）、第1、2、3、4 颈椎（C1，C2，C3，C4）组成，大体剔除皮肤、肌肉等组织，每个颈椎标本均摄正、侧位X线片，以排除枕颈部的意外损伤、畸形及其他病变，并作为操作时的参考。双层塑料袋密封，置于-20℃保存，该温度下保存新鲜人体标本，骨与韧带的生物力学特性无明显改变。标本保存时间7～57 d，平均26 d。实验当天于室温下自然解冻，仔细剔除残余肌肉，保留骨、关节及韧带组织和关节囊，标本的制作（见图1、2）。实验过程中，首先对正常标本进行测试，然后利用同一标本依次制成不同损伤程度的Hangman骨折实验模型以及应用不同内固定稳定后的模型，再予测试。

1.4.1 Hangman骨折实验模型的建立 Markus等[13]介绍的方法，用线锯在双侧枢椎椎弓峡部处斜形切断椎弓峡部造成Hangman骨折，用12号手术刀片切断C2-3之间的前纵韧带，并向上下各分离1 mm，再用尖手术刀片和髓核钳切除C2-3钩椎关节间椎间盘，保持其它骨、关节、韧带、关节囊的完整。

1.4.2 前路C2-3植骨融合内固定术组（简称C2-3组）在Hangman骨折实验模型的建立的基础上，取实验过程中多余的颅骨修成大小、形状合适的植骨块，嵌入切除椎间盘后的间隙内，用短节段Zipher颈前路内固定系统（Medtronic，Sofamor Danek，USA）行前路固定，钢板长度26 mm，螺钉长度13 mm、直径3.5 mm，分别在C2、C3椎体经开口、攻丝、钢板螺钉植入、螺钉锁紧的常规手术步骤，完成固定。

1.4.3 前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术组（简称C2-4组） 切除C3-4椎间盘，在双侧颈长肌内侧行C3椎体次全切除直达后纵韧带，取实验过程中多余的颅骨修成大小、形状合适的两面皮质骨植骨块，嵌入切除C3椎体后的间隙内，用Zipher颈 前 路 内 固 定 系 统（Medtronic，Sofamor DaNZk，USA）行前路固定，钢板长度42 mm，螺钉长度13 mm，螺钉为直径3.5 mm，分别在C2、C4椎体经开口、攻丝、钢板螺钉植入、螺钉锁紧的常规手术步骤，完成固定。

1.5 加载及测试 前路钢板植入后进行锁紧，四枚螺钉与钢板紧密连接形成框架结构以便测试螺钉的应力。通过脊柱三维运动试验机实现对标本的加载，载荷分别为0.5 Nm，1.5 Nm，2.5 Nm，加载方式和加载顺序同第一部分实验。对两种内固定实验状态下依次进行三维六自由度的运动加载测试，通过静态电阻应变仪读出并记录测试点的应变值。考虑到螺钉双侧应力对称，所以只对两种内固定左侧上端螺钉进行检测。椎弓根螺钉无法粘贴应变计，并且单独C2椎弓根螺钉无法计算应力，故为对其进行检测。另外钢板侧面很薄，无法粘贴应变计，预实验结果显示各种载荷条件下不同固定方法在侧屈时得到的应力值都接近零，所以实验中只对前屈、后伸和左右轴向旋转的应力进行了记录，而没记录左右侧屈时的数值。共测试了6具新鲜枕颈部标本（图1，2）。

图1 C2-4Zephir钢板固定系统的电测和加载

图2 C2-3Zephir钢板固定系统的电测和加载

1.6 弹性模量的测定 为了计算试件在受力时的应力，就必须获得试件的弹性模量值 ，我们在与螺钉材料相同的试件上粘贴2片电阻应变计，根据虎克定理：

将弹性模量值 求出，具体见（表1，图3）。

经测试，用于实验的钛合金试件的弹性模量E为：1.05 MPa×105。

表1 钛合金试件的弹性模量

图3 钛合金试件载荷应变曲线

1.7 统计学处理 统计不同载荷加载下，上颈椎在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋和右旋状态下螺钉所承受的拔出应力。数据输入计算机，运用SPSS软件进行单因素方差分析，进行组间比较，统计量显著性定义为P<0.05。

2 结果

在左右侧屈运动时，无论加载载荷的大小，所用螺钉经电测法测得的局部应变均接近于0，因而没有记录。两组模型在前屈、后伸、左旋和右旋运动时，同一螺钉随着载荷增大测得的应力均逐步增大，在屈伸时相差显著（P<0.05），在左右旋转时相差不显著。在前屈和左旋时螺钉应力小于0，表明此时螺钉所受的为压应力，而后伸和右旋时为正值，表明此时螺钉存在不同程度拉伸应力。C2-3组在屈曲和伸展运动状态下，在3种载荷下所承受的应力均大于C2-4组（P<0.05），在2.5 Nm载荷下伸展运动时，C2-3螺钉受到的拨出应力达到最大，为（12.47±3.23）MPa。在左右旋转时C2-3组螺钉的应力虽较C2-4组稍大，但两组间无显著性差异（P＞0.05）。结果见表2-4和图4-7。

表2 ±0.5 Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab2 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±0.5 Nm

表2 ±0.5 Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab2 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±0.5 Nm

注：与C2-4组比较，aP<0.05

屈伸Flexion Extension左旋转Left-Rotation右旋转Right-Rotation C2-3 -3.02±1.80a4.77±1.24a -4.62±1.58 3.82±0.92 C2-4 -0.82±0.41 1.18±0.62 -3.58±1.26 3.60±0.49

表3 ±1.5 Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab3 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±1.5 Nm

表3 ±1.5 Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab3 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±1.5 Nm

注：与C2-4组比较，aP<0.05

右旋转Right-Rotation C2-3 -6.30±1.83a7.20±1.34a -5.20±1.31 4.15±1.51 C2-4 -3.3.5±0.53 3.95±0.78 -4.38±1.15 3.87±0.79屈伸Flexion Extension左旋转Left-Rotation

表4 ±2.5Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab4 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±2.5 Nm

表4 ±2.5Nm载荷下不同植钉法螺钉的拔出应力（MPa±s，n＝6）Tab4 The pull-out strength of different inserted screw under a load of±2.5 Nm

注：与C2-4组比较，aP<0.05

右旋转Right-Rotation C2-3 -9.43±2.43a12.47±3.23a -6.47±1.12 5.86±1.49 C2-4 -5.87±1.38 5.23±1.86 -5.03±1.02 4.06±1.88屈伸Flexion Extension左旋转Left-Rotation

图4 前屈运动时三种载荷下螺钉应力比较同一螺钉随着载荷增大测得的应力均逐步增大（P＜0.05）

图5 后伸运动时三种载荷下螺钉应力比较同一螺钉随着载荷增大测得的应力均逐步增大（P＜0.05）

图6 左侧轴向旋转运动时三种载荷下螺钉应力比较

图7 右侧轴向旋转运动时三种载荷下螺钉应力比较

3 讨论

电测法可以用于现场测定和模拟测定。现场测定是完全在生产实际的真实客观情况下进行的，因此，测得的数据反映了构件内应力分布的实际情况和规律，是一种最为直接的测试方法，这也是电测法最大的优点[14]。以往对各种螺钉拔出力的测试均在材料试验机上，这种破坏性实验并不能真实再现螺钉在骨组织固定中的具体应力，其测得的螺钉拔出力只是反映螺钉骨界面之间的屈服强度，测得数值越大表明螺钉在骨组织中锚定的越牢固，并不能真实反映临床实际[15]。为了验证Zephir带锁钛合金钢板系统在生理载荷下枕颈部运动时，螺钉所承受的应力。本研究在脊柱三维运动测量系统上，模拟上颈椎的三维六自由度运动，并对标本施加生理载荷，通过电测法直接现场测定两种植入方法的螺钉应力，通过应变计的贴片技术，使其与螺钉长轴成垂直方向，从而获得固定后的螺钉在枕颈部运动状态下的拔出应力。在此状态下测得的螺钉拔出应力越小，表明在生理载荷运动时，内固定受上颈椎运动的影响越小，其更能适应上颈椎的运动，内固定不易失败。

本实验结果显示，Hangman骨折模型在经颈前路Zephir钢板固定后，随着外加载荷增大，钢板螺钉承受的载荷越大，在屈曲和伸展运动状态下应力最大，这和前面实验中发现Hangman骨折和固定模型在屈伸运动时活动范围最大的结果是一致的。左右轴向旋转时应力较屈伸活动时小，且在各个载荷条件下应力无显著性差异，这可能是由于钩椎关节及后部结构分担了部分载荷的结果。在所有3种载荷下屈曲和伸展运动时C2-3短Zephir钢板所承受的应力均大于C2-4长Zephir钢板固定方法，表明在生理载荷下上颈椎反复运动时，C2-3间Zephir钢板螺钉更易出现疲劳、松动甚至断裂的可能。这可能是由于在载荷相同的情况下，长钢板杠杆作用产生的力臂较长，在螺钉锚定点产生的应力就相对较小。而在左右旋转时，两者承受的应力无显著性差异，则是因为钢板宽度相同，两者在相同载荷下力臂相同的结果，C2-3短Zephir钢板承受的应力稍大可能是因为在旋转运动时耦合了屈伸运动的缘故。由于贴片技术的限制，本研究对侧屈状态下的螺钉应力不能准确测定，这与临床实际有一定的差别，因在实际情况下，颈椎的活动为前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种运动的耦合，螺钉在实际运动中的应力始终是存在的。此外，影响螺钉拔出力的因素还包括：载荷的方向、螺钉植入角度、钉道长度、植骨块及骨本身的性质（骨密度、骨板厚度和骨皮质厚度等）[16]。电阻应变测度法只能测量构件表面的应变，不能直观得到构件上应力分布的全貌，对了解应力全貌和应力集中情况尚有不足之处。

自1986年Morcher首先报告颈椎前路带锁钢板的应用以来，前路带锁钢板已越来越广泛地应用于颈椎疾患的治疗。钢板螺钉的并发症特别是螺钉的松动与滑脱比例有了显著的下降[17]，国内于20世纪90年代中后期开始将此技术应用于临床。由于手术医生的经验、手术适应证选择的合理性、对手术器械的熟悉程度及手术条件等方面的不足，使得在颈椎前路带锁钢板的应用中仍然存在一定比例的内植物并发症。钢板螺钉松动、滑脱是颈椎前路带锁钢板最危险的并发症之一，原因除了应力过大外，常见的还有螺钉未与钢板完全锁定，螺钉尾端超出钢板平面或螺钉误植入椎间隙等。临床实践表明，绝大多数脊柱内固定手术后短期内植入物不会发生断裂，但随时间推移则可能出现疲劳性破坏。Grubb等[11]认为植骨不愈合或假关节形成必然导致螺钉松动，不适当的颈部过度后伸活动也容易导致此并发症。此外，关于颈椎前路带锁钢板内植物断裂的文献也屡有报道[18-20]，其原因与下列因素有关：（1）植骨不融合或假关节形成；（2）手术未能恢复颈椎生理性前凸；（3）钢板植入前没有预弯以适应颈椎的生理曲度；（4）术后颈部过度活动。从生物力学的角度来说，颈椎前路带锁钢板在颈部的伸屈活动过程中分别起着张力带和支持钢板的作用，当上述原因存在时，导致钢板、螺钉的应力集中，特别是在颈部后伸活动时，螺钉张力明显增加，过多的颈部活动将有可能产生钢板或螺钉断裂或钢板螺钉脱出椎体，由于钢板强度显然大于螺钉，且螺钉被锁定于钢板，钢板两端又各有2枚螺钉固定，其抗拉出强度也较强，因此，发生螺钉断裂的可能性更大。一旦发生钢板螺钉断裂，意味着内固定失败，且断裂的钢板螺钉有发生再移位的可能。本研究应用电测法对拔出应力的检测结果从另一个角度说明Hangman骨折采用前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板内固定术是一种可行的固定方法。

Hangman骨折模型经前路C2-3植骨融合内固定术和前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术固定后，电测法显示C2-3间Zephir带锁钛合金钢板较C2-4间Zephir钢板的拔出应力大，提示生理环境下C2-3植骨融合内固定术可能更易出现内植物相关并发症，具体应用时应结合临床实际。

[1] Greene KA，Dickman CA，Marciano FF，et al.Acute axis fractures.Analysis of management and outcome in 340 consecutive cases[J].Spine，1997，22：1843-1852.

[2]Blondel B，Metellus P，Fuentes S，et al.Single anterior procedure for stabilization of a three-part fracture of the axis（odontoid dens and hangman fracture）：case report[J].Spine，（Phila Pa 1976），2009，34：E255-257.

[3] Hu Y，Ma WH，Xu RM，et al.Pedicle lag screw for the treatment of indicated Hangman fractures[J].Zhongguo Gu Shang，2008，21：678-680.

[4] Rajasekaran S，Vidyadhara S，Shetty AP.Iso-C3D fluoroscopybased navigation in direct pedicle screw fixation of Hangman fracture：a case report[J].J Spinal Disord Tech，2007，20：616-619.

[5] 陆志剀，李纯志，王杰，等.颈前路手术治疗可复位的不稳定型Hangman 骨折[J]. 颈腰痛杂志，2011，32（3）：201-202.

[6] Shimamura Y，Kaneko K.Irreducible traumatic spondylolisthesis of the axis：case report and review of the literature[J].Injury，2008，39：371-374.

[7] Rayes M，Mittal M，Rengachary SS，et al.Hangman's fracture：a historical and biomechanical perspective[J].J Neurosurg spine，2011，14（2）：198-208.

[8] Muller EJ，Wick M，Muhr G.Traumatic spondylolisthesis of the axis：treatment rationale based on the stability of the different fracture types[J].Eur Spine J，2000，9：123-128.

[9] Sugimoto Y，Ito Y，Shimokawa T，et al.Percutaneous screw fixation for traumatic spondylolisthesis of the axis using iso-C3D fluoroscopy-assisted navigation（case report）[J].Minim Invasive Neurosurg，2010，53：83-85.

[10]Chittiboina P，Wylen E，Ogden A，et al.Traumatic spondylolisthesis of the axis：a biomechanical comparison of clinically relevant anterior and posterior fusion techniques[J].J Neurosurg Spine，2009，11：379-387.

[11]Grubb MR，Currier BL，Shih JS，et al.Biomechanical evaluation of anterior cervical spine stabilization[J].Spine，1998，23：886-892.

[12]Hurlbert RJ，Crawford NR，Choi WG，et al.A biomechanical evaluation of occipitocervical instrumentation：screw compared with wire fixation[J].J Neurosurg，1999,90：84-90.

[13]Markus A，Sylvia N，Lothar K，et al.The traumatic spondylolisthesis of the axis：A biomechanical in vitro evaluation of an instability model and clinical relevant constructs for stabilization[J].Clin Biomech，2002，17：432-438.

[14]Maliniak MM，Szivek JA，DeYoung DW，et al.Hydroxyapatitecoated strain geuges for long-term in vivo bone strain measurements[J].Appl Biomater，1993，4：143-152.

[15]Haher TR，Yeung AW，Caruso SA，et al.Occipital screw pullout strength.A biomechanical investigation of occipital morphology[J].Spine，1999，24：5-9.

[16]Schatzker J，Horn JG，Sumner-Smith G.The effects of movement on the holding power of screws in bone[J].Clin Orthop，1975，111：257-263.

[17]McCullen GM，Garfin SR.Spine update：cervical spine internal fixation using screw and screw-plate constructs[J].Spine，2000，25：643-652.

[18]Kostuik JP，Connolly PJ，Esses SI，et al.Anterior cervical plate fixation with the titanium hollow screw plate system[J].Spine，1993，18：1273-1278.

[19]Rechtine GR，Cahill DW，Gruenberg M，et al.The Synthes cervical spine locking plate and screw system in anterior cervical fusion[J].Tech Orthop，1994，9：86-91.

[20]Johnston FG，Crockard HA.One-stage internal fixation and anterior fusion in complex cervical spinal disorders[J].J Neurosurg，1996，82：234-238.

Study of electric measure of intervertebral fusion and internal fixation with Hangman fracture.

CHEN Yu，XIANG Liang-bi，GUO Ming-ming，et al.
（Department of Orthopedics，General Hospital of Shenyang Military Area Command of Chinese PLA，Shenyang Liaoning 110016，China）

ObjectiveTo compare the biomechanical properties of C2-3intervertebral fusion and C2-4anterior fusion in Hangman fracture.MethodsThe model of Hangman fracture prepared from the six fresh human upper cervical vertebra specimens were fixed as C2-3group and C2-4group.Using strain electric measure，pull-out stress of the screws of the two fixations were calculated.ResultsIn C2-3group，the stress of flexion and extension under difference loading conditions was greater than that of C2-4group（P＜0.05）；although the C2-3group screws bore the greatest pull-out stress on extension at 2.5Nm （12.47+3.23 Mpa）.Although the stress of C2-3group screws was slightly greater than that of C2-4group screws on left/right axial rotation，the difference was not statistically significant（P＞0.05）.ConclusionComplications are more likely to occur in physiological settings when C2-3intervertebral fusion fixation is used.

upper cervical spine；Hangman fracture；electric measure

R683.2

A

1005-7234（2012）06-0405-06

2012-02-27；

2012-05-11

辽宁省科技攻关项目（编号：2011225021及2011225041）

陈语，(1973-），男，黑龙江籍，医学博士后，副主任医师，硕士生导师，副教授

研究方向：脊柱脊髓损伤

刘军

电 话：13352457005

电子信箱：chenyuchyumd@126.com

·军区会讯·