新型寰枢椎后路动态固定系统的生物力学评价

蒋伟宇,于 亮,马维虎,赵刘军,徐荣明

寰枢椎复合体是人体颈椎重要结构之一，其活动度大，解剖复杂，寰枢椎固定手术一直被认为是脊柱外科的一大挑战。随着各种寰枢融合术和枕颈融合术不断出现和发展，大大提高了疗效，降低了伤残率。对于寰枢椎骨质明显损伤的患者，固定与融合是目前有效的办法，但是对于骨质相对完整而软组织、韧带损伤的寰枢椎不稳的患者，如寰枢椎旋转半脱位、单纯横韧带损伤等，若采用现行各种固定融合术式会严重地限制颈椎旋转功能，并且未融合颈椎节段为代偿融合节段所丧失的运动功能和维持姿势的平衡，加速退变，导致未融合颈椎节段失稳甚至脱位等邻椎病，对下颈椎造成不利影响[1-2]。

随着非融合技术的广泛应用于临床，于是有学者提出人工寰齿关节置换[3-4]，试图保留寰枢关节的活动度，但由于受到材料学及人工关节本身设计的限制，目前仍停留在实验阶段，存在较大的技术难题。鉴于此，本研究设计一种新型寰枢椎后路动态固定系统，并进行生物力学评价，为完善新型后路寰枢椎动态固定系统的设计与临床应用提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜的成人枕颈标本(C0-4)8例，使用多层螺旋CT扫描机对标本进行扫描，排除任何骨折、畸形等结构异常，并测定其骨密度，骨密度平均值为0.848(ρ值为0.712～0.914)，排除骨质疏松。随后将标本逐个仔细剔除颈椎所附肌肉等软组织，保留并避免损伤颈椎主要韧带及后关节突的完整性，随机取样，上下用聚甲基丙烯酸甲脂包埋，制成完整的颈椎实验标本，并贴上相应标签。在-30℃冰箱中保存标本，实验前在室温下解冻。

1.2 实验模型制作与分组

8具标本被随机分成以下4组：完整状态组(intact组)，将标本在室温条件下自然解冻8 h，为生理状态的颈椎标本，不做任何结构破坏及内固定处理。寰枢椎不稳状态组(unstable组)，将颈椎寰枢横韧带切断，前纵韧带、翼状韧带和齿突尖韧带一并切断，保留骨、关节等其他组织的完整性。寰枢椎后路动态固定状态组(dynamic fix组)，在寰枢椎不稳状态组基础上行寰枢椎后路动态固定。寰枢椎后路椎弓根螺钉固定状态组(pedicle fix组)，在寰枢椎不稳状态组基础上行常规寰枢椎后路椎弓根螺钉固定。

1.3 生物力学测试

所有生物力学测试在非破坏方式下进行测量。加载按照人体颈部承受的重量，以150 N为最大生理载荷，最大力矩为1.50 N·m，不致出现过伸或过屈位。颈椎运动以前屈/后伸，左/右侧弯和左/右旋转等6种生理运动方式，加载速率为1.50 mm/min，并实行分极加载。测试标本时，首先标定实验机台空间XYZ三维坐标。然后将标本下端包埋块固定在实验机台基座上，上端与加载盘相连，通过悬吊于加载盘上的砝码，对颈椎施加1.50 N·m纯力偶矩。每种运动先进行3次最大载荷下的加载/卸载循环，将颈椎的黏弹性消除到最小。每次加载和卸载后停留30 s左右，以允许颈椎蠕变运动，得到稳定的实验结果。所有标本测试时施加力偶按前屈/后伸、左/右侧屈、左/右轴向旋转的顺序进行，取均值表达。将测量得到的数据整理后，得到4组模型运动范围(range of movement, ROM)结果。

1.4 数据处理

计算所得数据均数和标准差，用SPSS 13.0软件进行统计学分析，对不同状态下各组之间数据采用单因素方差分析(ANOVA)、Fish最小二乘法差异分析(LSD)及TambaneT进行统计学处理，设P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 C1/C2、C2/C3节段的三维运动测量结果

C1/C2ROM测试结果显示：①完整状态与失稳状态比较，差异有统计学意义(P<0.05)；②动态固定系统与正常完整标本相比较，差异无明显统计学意义(P>0.05)。③常规椎弓根螺钉固定固定与正常完整标本相比差异有统计学意义(P<0.001)；与动态固定法相比差异也有统计学意义(P<0.001)。

C2/C3ROM测试结果显示：①失稳状态时ROM增加特别明显，同正常完整状态相比，屈伸状态增加39%，侧屈状态增加40%，轴向旋转增加23%，差异有统计学意义(P<0.001)。②动态固定系统与完整标本相比，屈伸状态、侧屈状态和轴向旋转状态两者分别相差9%、7%、10%，动态固定系统基本上接近正常标本，唯在轴向旋转状态有一定差异，但差异无统计学意义(P>0.05)。③常规椎弓根螺钉固定后使毗邻节段的ROM发生了变化，由于寰枢椎固定太坚固，使C2/C3节段椎间盘运动范围反而增加了，屈/伸增大70%，侧屈增大78%，轴向旋转增大19%，差异有显著统计学意义(P<0.001)。④C2/C3节段分别采用动态固定和椎弓根螺钉固定后的ROM相比，两者依次相差30%、34%、22%，差异有显著统计学意义(P<0.001，见表1)

2.2 C1/C2、C2/C3节段三维运动稳定性指数(stability index,SI)比较

为更加直观评价各种固定方法的稳定性，进行三维运动SI比较。设完整标本各方向运动范围的稳定性为100%，实验测得的节段运动与脊柱的稳定性成反比，假设其节段运动范围越大，其稳定性性越差，将各种状态的运动范围(Rf)按照各自完整标本的运动范围(Ri)公式计算：SI = Ri / Rf×100%。

C1/C2测试结果表明：①寰枢椎三维运动SI完整时为100%，而失稳时屈伸、侧屈和旋转只有59%、56%和90%，而采用动态固定系统固定，SI上升，差异有统计学意义(P<0.05)。②采用椎弓根螺钉固定，则运动SI增加得非常明显，差异有统计学意义(P<0.001)。

分组Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右侧屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋转Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact21.86±2.2136.24±3.5711.54±1.6120.18±2.4671.96±7.9877.19±8.18失稳Unstable37.16±3.3859.85±5.7020.78±2.2333.76±3.6979.16±7.8499.88±9.22动态固定Dynamic fixation20.12±2.1033.15±3.5510.51±1.1118.78±1.7965.44±6.5569.17±6.33椎弓根螺钉固定Pedicle fixation14.12±0.1647.14±5.226.24±0.6128.26±3.1330.48±3.1288.80±8.96

C2/C3测试结果表明：①完整标本的屈/伸、侧屈和旋转SI均为100%，而失稳时下降到分别为61%、60%和77%，动态固定时SI分别上升为109%、107%和112%。②若采用椎弓根螺钉固定，SI反而分别下降77%、71%和87%，比动态固定SI分别低29%、34%和22%，统计显示具有非常显著性差异(P<0.001，见表2)

3 讨 论

新型寰枢椎后路动态固定系统的研制，借鉴非融合技术的普遍性原则和要求，结合枢椎椎弓根技术。同时应用三维运动测试系统测定该固定系统对失稳寰枢椎间ROM的影响，并与现有固定(寰枢椎弓根固定)方法进行比较，以完整状态的节段运动为对照组，对在维持局部稳定性、保存运动功能以及对下位椎间ROM的影响等方面进行生物力学评价，为完善设计和临床应用提供了基础理论依据。

在本生物力学实验中新型寰枢椎后路动态固定系统在C1/C2节段的ROM与正常完整标本相比较，屈伸状态、侧屈状态和轴向旋转状态两者ROM分别相差8%、9%、9%，说明新型寰枢椎后路动态固定系统固定后，可达到既恢复寰枢关节的稳定性又保留其运动功能的目的。采用常规椎弓根螺钉固定寰枢椎，其固定后的ROM与正常完整标本相比较，屈伸状态、侧屈状态、轴向旋转状者ROM分别相差达35%、46%、58%，虽然固定坚强、牢固，但严重限制了颈椎的正常运动。与寰枢椎后路动态固定法ROM相比，两者分别相差30%、41%、53%。同样在C2/C3节段动态固定系统ROM与完整标本相比较，屈伸状态、侧屈状态和轴向旋转状态两者分别相差9%、7%、10%，基本上接近正常标本。而常规椎弓根螺钉固定后使毗邻节段的ROM发生了变化，由于寰枢椎固定太坚强，使C2/C3节段椎间盘运动范围反而增加了，屈/伸增大70%，侧屈增大78%，轴向旋转增大19%。C2/C3节段分别采用动态固定和椎弓根螺钉固定后ROM相比，两者依次相差30%、34%、22%。因椎弓根固定节段内在刚度增加，活动幅度明显下降或消失，因而颈椎节段ROM将发生重分配，活动度会转移到剩余运动节段，会使邻近节段加速发生椎间盘退变或者引起椎管狭窄，关节突肥大性骨关节炎的危险性也增加。本实验证明采用动态固定的可靠性、灵活性和稳定性，理论上可降低对邻近节段椎间盘的影响。

分组Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右侧屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋转Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact100100100100100100失稳Unstable58.8260.5555.5359.7790.0777.28动态固定Dynamic fixation108.65109.32109.8107.45109.96111.59椎弓根螺钉固定Pedicle fixation154.8276.67184.9471.41236.0986.93

同时，本实验结果显示寰枢椎C1/C2失稳状态的SI值屈伸、侧屈和旋转分别只有59%、56%和90%，而若采用动态固定系统固定，SI分别上升到109%、110%和110%，颈椎稳定性分别增加46%、49%和18%。而后路椎弓根螺钉固定，SI增加得非常明显，分别增加为155%、185%和236%，比动态固定分别高30%、41%和53%。失稳状态下的C2/C3节段三维运动的稳定性指数SI，下降到分别为61%、60%和77%，动态固定时SI分别上升为109%、107%和112%，接近正常标本并超过正常标本,稳定度更好，动态固定有其明显的优越性。若采用椎弓根螺钉固定，SI反而分别下降77%、71%和87%，比动态固定分别低29%、34%和22%。这一结果显示，椎弓根螺钉固定非常坚强，限制了节段的运动非常明显，稳定性虽好，但不足的是常常会使邻近节段运动发生代偿性变化，增加了邻近节段的ROM，可能会发生邻近节段椎间盘的退变现象。而采用寰枢椎后路动态固定，SI接近完整标本，既有效保证了颈椎的正常运动，又维系了颈椎的稳定性。

本生物力学测试结果表明，全新寰枢椎后路动态固定系统，能使寰枢椎运动功能得以一定的保留，既能恢复寰枢椎关节的稳定性又保留其运动功能。由于本实验仅仅作了初步设计和生物力学测试，作为一种动态固定方法，其需要长期的稳定性、耐用性，运用于临床还需在材料学等各个方面进行更深入的研究。因此，课题下一步将进行疲劳实验，并将对正常寰枢椎活动轨迹进行CT研究和三维有限元的研究，使用该动态固定系统更加完善。

参考文献

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